思維導圖賦能高中物理PBL教學模式研究

【摘 要】PBL是當前高中物理教學常用模式，但是高中物理PBL教學仍存在一些不足。對此，文章以“電源和電流”PBL教學為例，依托思維導圖，從構建電流基礎知識網絡、細化電路設計路徑、優化電流測量過程、結構化歸納學習成果等方面入手，提升高中物理PBL教學效率，幫助學生厘清復雜的物理知識體系，提升其邏輯思維能力和實踐能力。

【關鍵詞】思維導圖 高中物理 PBL教學模式

【中圖分類號】G633.7 " 【文獻標識碼】A " 【文章編號】1002-3275（2024）20-43-04

PBL教學模式是指問題式學習或項目式學習，其具有以學生為中心、注重探究式學習的特性，通過真實情境中的問題驅動，引導學生在實踐過程中構建知識，發展批判性思維和解決問題的能力，逐漸成為提升學生物理學科核心素養的重要教學方式。然而，高中物理PBL教學仍存在一些問題，尤其是在處理復雜的物理概念和實驗操作時，學生常難以形成清晰的知識結構，導致探究過程缺乏邏輯性與連貫性。在高中物理PBL教學中應用思維導圖能在一定程度上改善上述問題。［1］

一、思維導圖賦能高中物理PBL教學模式的意義

（一）加強學生對物理知識的系統理解

PBL教學模式通過引導學生在實際項目中探究和應用物理知識，提升自主學習、合作探究、創新實踐能力。思維導圖作為一種可視化的思維工具，在幫助學生理解、整理物理知識方面具有獨特優勢，能夠在PBL教學中強化學生對物理知識的系統理解。根據《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱課程標準），物理教學應圍繞物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四大核心素養展開，并要求學生在真實情境中運用所學知識解決復雜問題。因此，學生在物理學習中不僅要掌握知識點，而且要將分散的物理概念、原理、定律進行有機整合，形成系統的物理知識結構。而思維導圖通過直觀呈現物理概念、原理、定律之間的聯系，能夠幫助學生構建邏輯清晰、層次分明的知識框架，進而加深對物理知識體系的理解。

（二）促進學生思維能力的提升

思維導圖作為一種圖形化工具，能夠幫助學生直觀地梳理和整合物理知識，同時有效促使其邏輯思維、發散性思維、創新能力提升。物理學習的核心在于理解現象背后的原理和規律，而PBL教學引導學生在項目中解決真實問題，要求學生將多種知識和技能進行有機融合。思維導圖通過邏輯化呈現知識點，可幫助學生厘清物理概念和定律之間的關系，從而加深對知識的整體性認知。在此過程中，學生通過搭建知識網絡，能夠提升邏輯推理能力和綜合分析能力，增強思考復雜問題的思維能力。除此之外，教育評價體系改革需關注過程性評價與學生思維發展的評估，要求注重培養學生的問題解決能力和創新思維。在PBL教學中應用思維導圖，能夠鼓勵學生在面對問題時進行多維度思考，探索不同的問題解決途徑，促進其發散性思維與創造性思維的發展。

二、高中物理PBL教學模式的現存問題

（一）任務情境設計與實際教學脫節

高中物理PBL教學中任務情境設計的初衷是將物理知識與現實生活情境相結合，以激發學生的學習興趣和探究精神，但部分教師在實際教學中設計的任務情境較為理想化，在一定程度上忽視了學校教學設備、學生能力、教學環境的限制。這樣的情境設計雖然具備一定的理論價值，但是難以在具體課堂中實現預期效果。具體而言，一方面，實驗設備和教學資源不足是情境設計無法有效落地的關鍵因素。例如張潤生等人總結出，傳統實驗教學中存在彈簧測力計精度不夠，以及調節角度、有效長度、磁感應強度大小操作復雜等問題，教師在實驗教學時常較難發揮其應有功能。［2］另一方面，部分任務情境設計的復雜性超出了學生的認知水平和實踐能力，導致學生難以有效參與情境和理解物理原理。PBL教學強調學生通過探究式學習自主解決問題，但復雜的情境設計可能與學生現有的知識儲備和技能存在較大差距，學生難以在任務情境中找到明確的學習路徑，造成任務情境設計與實際教學脫節。

（二）小組合作探究的科學性和嚴謹性不足

小組合作探究是高中物理PBL教學的核心環節，但是這個環節常面臨科學性和嚴謹性不足的問題，導致學生的探究過程缺乏系統性和深度，影響了物理核心素養的有效培養。具體而言，部分學生小組分工存在不均衡現象，一些組員可能承擔較多困難實驗操作或數據分析任務，而其他組員僅參與淺層討論，導致合作的科學探究失去結構性。部分學生在探究過程中，對實驗數據缺乏系統統計和誤差分析，數據處理方式存在主觀傾向，未能遵循科學探究中嚴謹的數據分析流程，這會導致實驗結果的準確性和可靠性受影響，難以支持學生對物理問題進行深入分析和探討。

（三）教學評價機制中思維能力培養評估缺失

物理PBL教學應通過復雜問題情境培養學生多角度思考和創新解決問題的能力，但在部分教學評價中，學生此類思維能力的表現常被忽略。一些教師在高中物理PBL教學中設計的評價機制主要集中于學生對物理知識掌握的準確性、項目任務的完成情況、實驗結果的正確性等方面，依賴評分量表來評估項目完成的具體結果，缺乏對學生在項目探究過程中如何運用科學思維、如何提出假設、如何驗證假設等的評估。此種結果導向的評價方式忽略了學生思維過程的動態性，無法有效反映學生在探究性學習中的思維能力發展。

三、思維導圖賦能高中物理PBL教學模式優化策略

針對上述高中物理PBL教學模式中存在的問題，筆者從高中物理PBL教學的項目啟動、項目計劃、項目執行、項目收尾四個環節，以“電源和電流”教學為例，提出利用思維導圖賦能教學的優化策略。

（一）項目啟動：利用思維導圖構建電流基礎知識網絡

項目啟動環節可引導學生梳理知識、明確探究方向。在此環節，教師可通過將分散的物理概念、原理、公式以可視化的方式呈現，引導學生將零碎的知識點連接成完整的認知結構。思維導圖的核心作用在于將復雜的物理知識進行層次化分類和邏輯化整理，從而幫助學生在項目啟動初期搭建起清晰的知識網絡，為后續的項目探究奠定理論基礎。

在“電源和電流”教學中，教師可利用思維導圖引導學生在項目啟動環節整合與電源和電流相關的基礎知識。首先，思維導圖的核心節點圍繞電流展開，電流的定義為“電荷的定向移動”，該定義是學生理解電流現象的基礎。教師通過思維導圖的第一層分支引導學生理解電流的物理本質，包括電荷及其正負屬性，并進一步延伸出導體與絕緣體的概念，幫助學生認識導體允許電荷自由移動，而絕緣體阻礙電荷流動。其次，思維導圖擴展至電流產生的驅動機制，即電源和電動勢。教師需通過思維導圖展示電源在電路中產生電動勢，從而推動電荷流動的作用，同時引出電壓的概念，即電動勢在電路中的表現形式。此時，思維導圖的分支應明確展示電動勢、電壓與電流的關系，幫助學生理解電動勢推動電荷流動的物理機制。再次，思維導圖的第三層分支聚焦于歐姆定律，即電流、電壓和電阻之間的定量關系。教師通過思維導圖展示歐姆定律公式，幫助學生理解電壓、電流、電阻的相互關系，并引導學生通過分支深入探討電阻對電流的影響。最后，思維導圖展示串聯電路和并聯電路的不同特性，使學生可以更直觀地理解電流在不同電路結構中的分配規律。教師可在思維導圖中標注并聯電路中的電壓相同和電流分配、串聯電路中的電流恒定和電壓分配等知識點，以進一步細化學生對電路行為的理解。本節課基礎知識點思維導圖如圖1所示。

（二）項目計劃：利用思維導圖細化電路設計路徑

項目計劃階段的目的是讓學生從知識構建走向實踐應用。教師可利用思維導圖幫助學生將復雜的物理概念轉化為實際的電路設計方案，通過思維導圖細化電路設計路徑，明確各個知識點之間的聯系，分層次、邏輯化地呈現復雜的設計過程，確保學生在設計過程中具備嚴密的邏輯思維和科學的設計思路。在“電源和電流”項目教學中，教師以“電路設計”為核心節點，圍繞電源選擇、電路類型選擇、電阻配置、測量與反饋四個環節進行項目計劃設計。

在電源選擇環節，學生需根據項目需求選擇合適的電動勢大小和電源類型，考慮電動勢對電流的影響，并決定使用電池或直流電源等不同形式的電源。在電路類型的選擇中，思維導圖可以幫助學生對比串聯電路與并聯電路的特點。學生根據知識分支可以明確，串聯電路中電流保持恒定，但電壓會在各元件間分配；而在并聯電路中，各支路電壓相同，但電流會根據電阻大小分配。學生需根據不同電路結構的特性，選擇最符合項目設計要求的電路類型。在電阻配置上，學生需結合歐姆定律，明確電阻的大小和分布如何影響電流與電壓的分配。思維導圖可引導學生思考如何通過串聯或并聯電阻調節電路的總電阻，如何選擇不同的電阻材料，確保電路中的電流分配符合設計要求。最后，在測量與反饋環節，學生應設計好電流表和電壓表的接入位置，并通過思維導圖理解如何通過測量反饋調整電路設計。此環節還應考慮電路中的功率損耗和測量誤差等問題，以確保電路設計科學嚴謹，符合預期目標。本節課詳細的電路設計知識點思維導圖如圖2所示。

（三）項目執行：利用思維導圖優化電流測量過程

項目執行環節要求學生將理論知識付諸實驗實踐，以驗證物理規律。教師可利用思維導圖清晰地引導學生在電流測量過程中逐步細化各操作環節，從儀器選擇、測量方法、連接方式到數據處理，確保實驗操作的規范性與科學性。思維導圖有助于學生對測量步驟進行系統化梳理，使其在實際操作中減少錯誤并提高實驗結果的可靠性。在“電源和電流”項目執行過程中，思維導圖的中心節點為“電流測量”，并可細化出三個主要分支：儀器選擇與量程設置、電流表接入方法、電路連接設計。

首先，在儀器選擇與量程設置環節，教師應利用思維導圖明確電流表規格的選擇方法。常用的電流表規格包括0～1A、0～5A等。教師通過思維導圖展示電流表的量程選擇依據，如根據預期電流的范圍選擇合適量程，避免量程過大或過小影響測量精度。此外，教師在思維導圖上注明儀器的最小刻度，提醒學生在記錄測量值時注意精度限制。其次，電流表需選擇符合實驗需求的規格，確保能夠精確讀數并減少測量誤差。電流表的接入方法部分，思維導圖應明確展示電流表的正確接入方式，即與電路中的元件串聯連接。教師可在思維導圖上標注電流表的內阻極小，因此必須與電路中的負載元件串聯，確保電流流經電流表時不受額外電阻影響。此外，教師還可通過思維導圖標注電流表正負接線柱的使用方法，強調極性的重要性，避免學生在實驗中因接線錯誤導致儀器損壞或讀數異常。最后，在電路連接設計中，教師可通過思維導圖幫助學生理解不同電路設計中的電流測量方法。針對串聯電路，電流在所有元件中恒定，因此學生可在任意位置接入電流表進行測量。思維導圖應展示如何設計簡潔的串聯電路，以減少不必要的連接環節，避免電路復雜化給測量帶來的干擾。對于并聯電路，思維導圖應明確電流在各支路中分流的特點，幫助學生找到各支路的電流測量點。教師可通過思維導圖提示學生注意各支路電阻的配置對電流分配的影響，確保設計合理、連接正確。詳細的電流測量過程思維導圖如圖3所示。

（四）項目收尾：利用思維導圖結構化歸納成果

項目收尾階段的成果總結與歸納是對學生知識掌握情況的總結展示，同時也是對學生思維能力、邏輯推理、歸納總結能力的鍛煉。教師可利用思維導圖幫助學生對整個項目的核心內容進行系統化整理，從物理理論的應用、實驗設計與實施、數據分析與誤差處理，到實驗結論總結與反思，逐步結構化呈現項目中的各個環節。在“電源和電流”項目教學中，教師可引導學生以“電源與電流項目總結”為核心節點，構建出包括物理理論的應用、實驗設計與過程回顧、數據處理與誤差分析、實驗結論與反思四個主要分支的思維導圖，又可以將上述四個分支作為單獨的核心節點構建思維導圖。

在物理理論的應用部分，學生需要回顧項目中使用的電流、電動勢、歐姆定律等核心概念，并通過思維導圖展示以上物理理論在實驗中的具體應用。在實驗設計與過程回顧部分，學生可通過思維導圖展示其實驗設計思路，包括如何選擇電路結構、如何配置電源與電阻，以及如何正確使用測量儀器。在此過程中，學生可回顧實驗中的關鍵決策，同時能夠反思實驗設計的不足，從而提升實驗設計能力和思維的條理性。在數據處理與誤差分析部分，思維導圖可進一步幫助學生展示其如何記錄并處理實驗數據，包括多次測量與平均值計算，分析系統誤差與偶然誤差的來源。此部分可體現學生的數據處理能力，同時通過對誤差的反思，教師可考查其是否具備批判性思維和實驗分析能力。學生需通過數據分析驗證歐姆定律等物理規律的正確性，從而展現其邏輯推理能力和數據處理的精確性。在實驗結論與反思部分，教師可引導學生總結實驗結果，通過思維導圖與理論預期進行對比，評論實驗是否達到了預期目標，如電動勢在電路中的作用是否如理論預期般影響電流流動。并且，此部分思維導圖需體現學生對于儀器精度限制、接線誤差、測量誤差等實驗中誤差來源的分析，還需體現學生對于實驗的改進方案，包括如何通過更精確的儀器、更好的測量方法或改進電路設計來減少實驗誤差等，以展示學生的批判性思維能力，同時評估學生在探究中進行反思和調整的能力。

綜上所述，在高中物理PBL教學模式中應用思維導圖具有顯著優勢。通過可視化的知識呈現，能夠幫助學生更好地理解物理概念、構建系統化的知識框架，并在實驗設計、測量操作、數據處理等方面提供有力支持，從而有效提升學生的邏輯思維能力和自主學習能力，同時增強項目探究的科學性和嚴謹性。

【參考文獻】

［1］王甜甜．思維導圖輔助的PBL教學模式在高中物理教學中的實踐研究［D］．漢中：陜西理工大學，2024：摘要Ⅰ．

［2］張潤生，王麗，楊詩淇，等．PBL教學模式在物理實驗教學中的應用：以“探究安培力的大小”為例［J］．實驗教學與儀器，2024（1）：21-23．