可視化教學實踐研究的綜述與物理情景劇創作的思考

摘"要：可視化教學并不是一個全新的概念，但其在“三新”（新課標、新課程、新高考）背景下應賦予新的時代意義。高中物理鑒于其學科特點，特別需要與信息技術、數字化技術等可視化技術融合，借助幾何畫板等軟件平臺，借助舞臺情景劇、動畫情景劇的可視化手段，凸顯情景教學的優勢。在核心素養的背景下，將可視化的信息技術手段自然、有機地融入課堂教學，讓信息技術成為物理教學和學習的有力工具，在現階段具有重要現實意義。物理情景劇的創作與開發，不僅是一種可視化的教育教學手段，更是一種沉浸式體驗，對學生理解物理概念、科學思維都有極高的價值。

關鍵詞：可視化教學；學科核心素養；物理情景劇

《普通高中物理課程標準（2017年版）》凝練了物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等四方面的學科核心素養，是學科育人價值的集中體現。在教學實踐中，常常有學生反饋“課堂一聽就懂，課下做題一籌莫展”，尤其是新情境類的問題。究其原因在于：根據具體的文字信息，學生無法在腦海中建構中學物理規律所適用的理想化模型，導致無法將問題與所學的知識聯系起來，更加無法選擇合適的物理規律解決這一問題。因此，教學中需要創設相應的教學情境，采用相應的教學模式或方法，增強學生解決實際問題的能力。

新課程標準指出，當今社會信息技術越來越多地應用于我們的生產生活，提高物理教學水平，離不開信息技術與物理學習的融合。新時期下的教育教學改革更加關注對教育理念、教學模式的改革，倡導教學方式的多樣化，強調有效利用現代信息技術輔助學生理解物理規律本質。而將可視化技術深度融入物理教學中，能夠將抽象變“具體”，讓枯燥的文字變成“動畫”或“圖像”，使物理教學更加生動有趣。如在整合物理概念時，可以采用思維導圖的做法輔助學生建構較為完整的知識體系；對于一些較為復雜的物理情境，可以通過Flash動畫進行模擬，使抽象的物理情境變得直觀、形象，有助于學生模型建構能力的提升；對于一些故事性較強的內容，如電場概念的建構、原子的核式結構模型等，可以通過動畫演繹或者情境短劇的方式，不僅能夠激發學生學好物理的內驅力，更能夠引導學生對相關現象或知識的深度思考，有助于物理觀念、科學態度與責任素養的有效落實。

在核心素養的背景下，如何將可視化的信息技術手段自然、有機地融入課堂教學，如何讓信息技術成為物理教學和學習的有力工具，在現階段具有重要現實意義。

一、可視化教學研究綜述

（一）國內外對可視化教學的研究

19世紀80年代，美國首次提出“可視化”這一專業術語，起初用于計算機領域，后延伸至教育教學領域。在可視化“工具”或“方法”方面，20世紀60年代初，日本的石川馨教授發明了魚骨圖；20世紀60年代，英國學者托尼巴贊在分析人們記筆記的習慣基礎上，借助腦神經科學理論發明了思維導圖；美國康奈爾大學諾瓦克教授等人在20世紀70年代創造了概念圖。隨著信息技術的進步，出現了如幾何畫板等平臺，為信息技術在教育領域的廣泛推廣提供了前提。國內對這一問題的研究則相對較晚，參考文獻［1］的文章中提到趙國慶教授于2005年提出教學可視化并對此進行研究，通過知網數據庫以“高中物理”和“可視化”為關鍵詞進行檢索能夠得到以下結果，如圖1所示。

圖1高中物理可視化教學研究文獻發表趨勢圖

由圖1發現，對于物理教學可視化的教學從2009年以來，文獻總量大致呈上升趨勢，說明一線教師或者教育研究者對此很重視。通過對相關文獻的分析發現，國內對可視化教學的研究主要集中在了知識可視化研究、思維可視化研究、教學可視化研究等三方面，如左蕓［2］提出物理課堂教學中要注重綜合知識可視化圖解形式的使用，并運用工具將知識可視化；桑可欣［3］根據初中生物理的學習特點從三個角度提出可視化教學訓練學生發散思維的具體策略；孟祥北［4］提出了高中物理課堂教學與可視化教學有機結合，從實踐角度說明了應用可視化教學強化課堂教學的具體策略，具有較強的實踐意義。

（二）可視化技術支持下的高中物理教學

可視化技術手段的運用，不僅改變物理教學的手段，使教學更加生動有趣，而且也改變了教學目標，使更多的關注點從知識向能力、向素養轉變。西南大學王豆以NOBOOK虛擬實驗為例，研究了其在探究性實驗教學中的運用，發現這一方式可以有效提高探究性實驗教學的效率，使學生既可以在線上學習，又可以在線下隨時隨地進行學習，增加學習的時間；此外，還具有化抽象為具體、避免危險發生的優勢。在具體教學實踐中，陳棟梁等［5］以“測量電源電動勢和內阻”為例，介紹了仿真實驗輔助物理實驗教學的方法與策略，有效促進了課堂教學效率的提升。可視化的教學手段不僅能夠輔助學生構建理想化的物理模型，促進相關能力的發展，也為物理教學提供了多元化的教學方式，有效提升了學生的學習興趣與效率。

（三）核心素養視域下可視化技術與高中物理深度融合的教學實踐

新課標、新課程、新高考下的物理教學，強調引導學生在真實情境中運用規律解決實際問題，強調知識體系的建構和大單元、大概念的教學。通過可視化的信息技術手段，如思維導圖等模擬物理過程或采用視頻短劇的形式展示相應的知識點與規律，促進學生在解決實際問題的基礎上，能夠抽象建立理想的物理模型，進而使用物理規律解決這一問題，有助于學生對相關概念的認識與理解，能夠促進學生在已有知識經驗的基礎上對新知識的主動建構、意義建構，有助于學生深度學習的發生，有效促進學生創新能力、利用所學知識綜合解決問題能力以及核心素養的發展。

綜上所述，現階段對可視化技術與高中物理融合的教學研究主要是集中在了某一節課或者整體的教學策略以及評價方式上，或是采用單一的技術軟件，但是結合軟件各自優勢或者采用情境短劇方式進行的教學或研究并不多，而且很多經驗與模式無法借鑒或拓展［6］。

二、核心概念的界定

（一）核心素養

核心素養是學生在接受相應學段的教育過程中逐步形成的能夠適應個人需要和終身發展的必備品格與關鍵能力，它是關于個體知識與技能、情感態度與價值觀等多方面需求的綜合體。物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等四個方面。本課題創新教學方法或模式，將可視化技術有機融入物理課堂教學，有效促進核心素養的落實。

（二）可視化技術

可視化是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。本課題將借助常用軟件將相關的物理過程、概念、規律或思維過程顯化，或通過自制教具展示相應的物理現象，促使學生在已有知識經驗的基礎之上建構新的知識［7］。

（三）可視化技術與高中物理深度融合的教學

在研究過程中將借助相應可視化的技術手段（如模擬軟件、動畫軟件、自制教具等），開發相應的教學資源，設計新穎的教學活動，將技術有機、自然地嵌入高中物理課堂教學，增強學生對相關問題的感性認知，促進學生對物理學規律的深度理解。此外，本研究通過根據物理學史或物理規律特點創作情境短劇，并將其深度融入高中物理課堂，讓學生感受物理學的美妙與物理學家探索真理的艱辛，由此激發學生學好物理的信心與動力，養成正確的科學態度與責任。

三、研究主要內容

（一）現狀及理論分析

通過查閱關于可視化技術與高中物理教學融合的相關文獻以及問卷或訪談調查現狀，分析問題出現的原因，研究相關理論如建構主義理論、深度學習理念、學習進階理念、PBL理念等，基于這些理論提出相應問題的解決方法，為具體實踐提供理論支撐。

（二）教學設計與實踐

根據相關理論與學生的具體情況提出教學設計（選擇恰當的可視化技術）與實踐實施步驟，整合教材內容，設計教學目標，創設新穎的教學情境，選擇教學策略設計相應的課程，如靜電場、磁場、勻變速直線運動的規律等，進行具體實施；形成有特色的典型課例、課件、論文等，錄制相關的視頻課等，探尋可視化技術與物理教學深度融合的有效路徑［8］。

（三）教學評價與反思

對整個教學過程進行持續性評價，在實踐中采用訪談、課堂觀察的方式了解學生學習情況，并根據學習情況及時調整教學方式與方法；通過測評、談話等手段反饋教學效果。研究組成員研磨典型課例，提出教學原則與課程評價標準，分析教學方法的實效性，并根據學生的反饋，優化教學策略，調整教學邏輯，以期達到更優的教學效果。

（四）研究總結與建議

通過相應的數據分析，總結可視化技術與高中物理深度融合的有效教學方法和策略，給出針對高中物理教師、學生的建議，開發校本課程，以推廣具體實踐經驗。

四、關于物理情景劇的創作思考

隨著新課程改革的深入實施，物理教學迫切需要與生活情景緊密聯系。在“物理學科核心素養”培養目標的導向下，情景教學的優勢愈發凸顯出來，情景教學突出物理學習的實踐性，是以學生真正參與到物理學習中為基本出發點和落腳點。指導學生編排物理課本情景劇，可以增強學生的沉浸式體驗，讓他們經歷科學規律的發現過程，體會科學家進行科學探索的艱辛與快樂，領悟科學家獻身科學、默默付出、堅毅前行的科學品質和造福人類的崇高精神，不僅構建了物理觀念，促進學生的科學思維與探究能力，提高他們的科學態度與責任，同時豐富了學生校園文化生活，促進了學生健康快樂成長。

組織對科學探究及舞臺表演感興趣的同學，挖掘課本拓展學習、科學漫步等內容，編排時長約20～30分鐘物理情景短劇，內容可以是科學規律的發現、科學探索歷程、科學家感人事跡，如《伽利略對自由落體運動的研究》《萬有引力理論的偉大成就》《宇宙航行》《愛因斯坦與相對論》《法拉第十年磨一劍》等。通過這種“科學+文學+藝術”的形式，讓學生通過創作劇本、舞臺表演等沉浸式體驗，切身感受物理學家進行科學發現的艱辛及樂趣，加深對物理觀念、科學思維與探究能力的感悟［9］。

在筆者的不懈努力下，筆者所在的學校在高一年級舉辦了首屆“物理情景劇大賽”，從最初這個設想的提出，到給各班班長、學習委員、物理課代表召開動員大會，再到各班確定劇目選題、編寫劇本、遴選演員、反復排練，最后再到現場比賽，學生們對這種新穎的學習形式非常喜愛，對學習產生了濃厚的興趣，并全身心投入。雖然整個活動持續時間很短（不到20天），卻取得了非常好的效果，他們的精彩表演帶給評委老師極大的震撼，創作了一大批非常優秀的劇目，如《天空立法者》《科學斗士伽利略》《牛頓與萬有引力》等。

圖2"優秀劇目獲獎人員圖

物理情景劇的創作與開發，不僅是一種可視化的教育教學手段，更是一種沉浸式體驗，對學生理解物理概念、科學思維都有極高的價值。這種活動每一學年可能只舉辦一兩次（可輔之以開發動畫情景劇），但對學生的影響很大，它不僅能夠幫助學生提升專業技能，還能夠在多方面促進學生的全面發展和個人成長。

五、該研究的創新之處

（1）物理與生活聯系密切，學生在實際的生活情境中，借助可視化的信息技術手段通過抽象、提煉與概括，構建理想的物理模型，有效促進學生科學思維能力的發展。通過相應的實踐，提出行之有效的教學策略，以期能夠為新時期的教學提供有價值的參考。

（2）從“低階學習”走向“高階學習”。教學中通過相應情境的設計與可視化技術的運用，引導學生對知識本質的思考，對概念和規律建構過程思考，從強調記憶和反復練習的教學模式，轉向強調知識應用和創新能力的培養。

（3）在高中物理課程中加入物理課本情景劇的創作與研發，改變傳統的教育教學模型，是對“三新”背景下全新教育教學模式的一次大膽嘗試與創新，極大地調動了高中生學習物理的積極性，對于提高學生的物理學科核心素養具有不可估量的價值。

參考文獻：

［1］趙國慶，黃榮懷，陸志堅.知識可視化的理論與方法［J］.開放教育研究，2005（01）：2327.

［2］左蕓.知識可視化在高中物理教學中的應用研究［D］.南寧：廣西師范學院，2013.

［3］桑可欣.運用可視化教學促進初中生物理發散思維的教學實踐［D］.呼和浩特：內蒙古師范大學，2018.

［4］孟祥北.運用可視化教學強化高中物理課堂實踐活動的研究［D］.呼和浩特：內蒙古師范大學，2017.

［5］陳棟梁，皋春.可視化教學在高中物理問題解決中的妙用［J］.物理教學探討，2022，40（07）：6569.

［6］李榮洪.可視化視域下的高三物理教學實踐研究［D］.廣州：廣州大學，2023.

［7］陳振.思維可視化表達在高一物理教學中的應用［D］.貴陽：貴州師范大學，2023.

［8］夏同剛.高中物理“可視化”教學模式分析［J］.數理天地（高中版），2023（16）：9294.

［9］李春勝，鐘志鵬.高中物理實驗可視化：價值、路徑與實踐：以“帶電粒子在電場中的運動”為例［J］.物理教師，2023，44（05）：5457.

作者簡介：劉成于（1981—"），男，漢族，安徽宿州人，本科，中教高級，研究方向：高中尖子生個性化學習、可視化教學；杜與晟（1991—"），男，漢族，安徽宿州人，本科，中教一級，研究方向：高中資優生的培養、物理可視化教學。