基于“雙核構(gòu)架模型”的初中物理教學(xué)改革研究

王素云 陳祖標(biāo) 陳健俤 戴穎 陳美玲 王屹南

摘 要：福建師范大學(xué)物理新思維工作室攜手一線的物理教師，協(xié)同開展知識(shí)可視化與思維可視化的研究與實(shí)踐，在邊研究邊實(shí)踐的基礎(chǔ)上，逐漸“摸清”并“滲透”物理的“機(jī)理脈絡(luò)”與“思維特性”，首次提出物理思維雙核構(gòu)架模型及新思維具象法。運(yùn)用新思維具象法所繪制的新思維具象圖，借助擬人化或擬物化的圖形方式，將原本看不見的、抽象的學(xué)科知識(shí)的邏輯關(guān)聯(lián)、結(jié)構(gòu)脈線以及思維路徑，轉(zhuǎn)化成為具象化的、貼切的圖形表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)與物理思維邏輯的高度融合與統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：物理思維；雙核構(gòu)架；可視化；具象

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）11-0015-4

1 提出全新的思維理論構(gòu)架：物理思維雙核構(gòu)架模型

眾所周知，初中學(xué)段是一個(gè)人成長(zhǎng)成才的關(guān)鍵時(shí)期，它恰逢青少年叛逆期，又是自然科學(xué)分科教育的起始階段。在這一時(shí)期，很多學(xué)生往往會(huì)因身心發(fā)展的急劇變化或因新課程學(xué)習(xí)難度的驟然提升，而對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生不適應(yīng)感，甚至茫然失措，進(jìn)而時(shí)常發(fā)出“物理為什么這么難學(xué)”的感嘆。物理“難”就難在其“抽象性”上，因?yàn)槌橄?，所以難懂；因?yàn)殡y懂，所以難學(xué)。既然是問題倒逼，那就從問題入手。既然說物理很抽象，那就盡量讓物理變得不抽象或者不那么抽象。

經(jīng)過課題組成員的多年研究與探索發(fā)現(xiàn)，學(xué)生認(rèn)為物理難學(xué)的根本原因，除了物理課程本身的特點(diǎn)之外，還有一個(gè)關(guān)鍵的因素是學(xué)生的思維路徑與學(xué)習(xí)方法的不科學(xué)、不靈動(dòng)。鑒于此，新思維團(tuán)隊(duì)就基于物理學(xué)科的思維特性，從理論層面首次提出物理思維的“雙核構(gòu)架模型”（見圖1）。

從學(xué)理上來分析有關(guān)物理學(xué)科的“思維特性”和“肌理脈絡(luò)”，所謂物理，其實(shí)就是“物”+“理”?！拔铩奔词篱g萬物，大到宇宙，小到粒子，看得見摸得著的謂之“物”，透過“物”，能夠直接通達(dá)“物”之運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)和規(guī)律，就是“理”；既看不見也摸不著的，則暫時(shí)以“混沌”的狀態(tài)存在著，如果通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)或理論計(jì)算，也能夠找到和發(fā)現(xiàn)其中“物”之運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)和規(guī)律，并以圖像模型或數(shù)學(xué)模型的方式表示出來，這同樣也是“理”。在現(xiàn)實(shí)物理世界中，我們既可以通過具物化或具象化或數(shù)形化的方式，來觀察、測(cè)量、分析、思考、歸納和演繹，從而得出“理”，同樣也可以通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，將“理”“還原”為或具物或具象或數(shù)形的一個(gè)過程。由此可見，物理思維的“具象性”和“數(shù)理性”既相對(duì)自成條塊，又相互交叉融合，共同構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體。這其中，數(shù)理思維的最高層級(jí)即數(shù)理直覺，體現(xiàn)了創(chuàng)造性思維因高度聚合而產(chǎn)生的“靈光乍現(xiàn)”，其結(jié)果往往是一個(gè)創(chuàng)造新知識(shí)的過程，這便是人們常說的“靈感”。從這個(gè)意義上講，“物”+“理”，即“具象性”和“數(shù)理性”，完美構(gòu)設(shè)了物理思維的雙核結(jié)構(gòu)。這就是“物理思維雙核構(gòu)架模型”所要表達(dá)的要義及思想。新思維研究團(tuán)隊(duì)從圖1中得到啟發(fā)：對(duì)于初學(xué)物理者，為了降低其學(xué)習(xí)物理的難度，可以從具象性入手，通過借助具物化、具象化、數(shù)形化的手段，把抽象的物理知識(shí)脈絡(luò)及邏輯關(guān)聯(lián)以形象、生動(dòng)的方式貼切地表達(dá)出來，這是幫助初學(xué)者學(xué)好物理的關(guān)鍵一步，同時(shí)也是物理新思維團(tuán)隊(duì)研究的關(guān)鍵問題。

2 理論基礎(chǔ)：本質(zhì)是知識(shí)可視化與思維可視化的統(tǒng)一

可視化一詞來源于英文的“visualization”，原意是“可看得見的、清楚的呈現(xiàn)”，也可譯為“圖示化”。事實(shí)上，將任何抽象的事務(wù)過程變成圖形圖像的過程，都可以稱為可視化。圖片直觀、形象化的展現(xiàn)方式為學(xué)生提供了一種圖示（Scheme）。皮亞杰認(rèn)為，圖示可以幫助學(xué)生更深入地理解所學(xué)的知識(shí)，加快對(duì)知識(shí)的理解、學(xué)習(xí)進(jìn)度[1]。思維可視化是指以圖示或圖示組合的方式，將原本不可見的思維路徑、結(jié)構(gòu)、方法及策略呈現(xiàn)出來，使其變?yōu)榍逦梢姷倪^程[2]。通俗地講，就是把大腦中的思維“畫”出來的過程。知識(shí)可視化則是研究怎樣用視覺表征增進(jìn)知識(shí)在不同人間傳播的相關(guān)技術(shù)、方法、理論等。其實(shí)質(zhì)是將人們的個(gè)體知識(shí)以圖解的手段表示出來，形成能夠直接作用于人的感官的知識(shí)外在表現(xiàn)形式，從而促進(jìn)知識(shí)的傳播和創(chuàng)新。經(jīng)過分析可知，知識(shí)可視化和思維可視化理論很好地支持了“物理思維雙核構(gòu)架模型”的觀點(diǎn)。

正是基于物理思維雙核構(gòu)架模型和可視化理論兩方面的分析，以及多年來對(duì)中學(xué)物理抽象難學(xué)的深入觀察與思考，“物理新思維工作室”研究小組先后與福建省晉江市和永安市結(jié)成戰(zhàn)略協(xié)作聯(lián)盟，攜手兩個(gè)縣市的多所中學(xué)的一線物理教師，協(xié)同開展知識(shí)可視化與思維可視化相結(jié)合的研究與實(shí)踐。經(jīng)過六年來的努力，他們一邊把課堂教學(xué)中常用的概念圖、知識(shí)樹、問題塔、圖像、表格以及東尼·伯贊的思維導(dǎo)圖等圖示方法的優(yōu)勢(shì)和特性雜糅起來，同時(shí)將結(jié)構(gòu)化思考、邏輯思考、辯證思考、理解性記憶、追問意識(shí)等思維方式有機(jī)地融合進(jìn)去，在國(guó)內(nèi)第一次提出“新思維具象法”，并運(yùn)用這種新方法進(jìn)行五個(gè)班級(jí)的再造課堂實(shí)驗(yàn)，取得了非常明顯的成效。與此同時(shí)，他們也在持續(xù)深入的研究和實(shí)踐中，不斷深化和發(fā)展對(duì)這種新方法的認(rèn)知，最終將“新思維具象法”定義為：通過深入地理解性邏輯與結(jié)構(gòu)化思考，借助擬人化或擬物化的圖形方式，將物理公式、定理或某一特定知識(shí)模塊中原本看不見的、抽象的學(xué)科知識(shí)的邏輯關(guān)聯(lián)、結(jié)構(gòu)脈線以及思維路徑，轉(zhuǎn)化成為具象化的、貼切的圖形表達(dá)，從而達(dá)到物理知識(shí)架構(gòu)與物理思維邏輯架構(gòu)的高度融合與統(tǒng)一。因其“形”“神”表達(dá)的一致性、新穎性與靈動(dòng)性，且與物理教學(xué)存在著天然的共通性、兼容性與適切性，故稱之為“新思維具象法”。以新思維具象法理念為指導(dǎo)所繪制的圖形統(tǒng)稱為新思維具象圖。

值得特別指出的是，新思維具象法定義中提出的“借助擬人化或擬物化的圖形表達(dá)”，是基于學(xué)科知識(shí)本身的邏輯關(guān)聯(lián)來決定其圖形的外在輪廓及其內(nèi)在聯(lián)系的。因此，它首先是貼切的，并且能夠是發(fā)散的，也可以是交叉的，還可以是閉合的，充分呈現(xiàn)出它的靈活性與靈動(dòng)性，因而它不僅保持和延展了傳統(tǒng)可視化圖形手段的優(yōu)點(diǎn)與長(zhǎng)處，同時(shí)又避開和克服了它們的缺點(diǎn)與短處，可以說，新思維具象圖是對(duì)傳統(tǒng)圖示手段“揚(yáng)”優(yōu)“補(bǔ)”缺的結(jié)果，真正體現(xiàn)形與神的統(tǒng)一，達(dá)到了內(nèi)隱知識(shí)外顯化、外顯知識(shí)生動(dòng)化的兩個(gè)重要目標(biāo)。

3 新思維具象法的應(yīng)用舉例

以新思維具象法理念所繪制的圖形，體現(xiàn)了抽象思維、形象思維與直覺思維交叉作用、動(dòng)態(tài)互補(bǔ)的過程。在實(shí)際應(yīng)用中，繪圖的主要步驟如下：1.分析、整理知識(shí)模塊；2.經(jīng)過深入地思考與推理，按照知識(shí)本身的邏輯關(guān)聯(lián)進(jìn)行結(jié)構(gòu)脈線的初步排布；3.將排列出的圖形輪廓加以擬人或擬物化，通過具象化的圖形表達(dá)，提高知識(shí)在不同人之間的傳播效率。

下面通過一幅新思維具象圖（如圖2所示），具體說明其在概念教學(xué)中的應(yīng)用。

在初中物理學(xué)中，“功率”和“機(jī)械效率”是為了描述“功”在某些方面的性質(zhì)而引入的，這兩個(gè)物理量因?yàn)槊枋鱿嗤氖挛锒嚓P(guān)，但它們相互之間并不是因果關(guān)系。學(xué)生在對(duì)具有相關(guān)關(guān)系的物理概念進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，容易混淆。為了幫助學(xué)生理清相關(guān)概念，加深對(duì)概念的理解，教師繪制了該新思維具象圖。

初中生容易對(duì)上述兩個(gè)概念產(chǎn)生混淆，據(jù)調(diào)查分析大致有如下兩個(gè)原因：1.這兩個(gè)概念都是《機(jī)械與人》這一章的知識(shí)，都是為了描述功在某些方面的性質(zhì)引入的；2.兩個(gè)物理概念都有一個(gè)“率”字，學(xué)生若沒有深入理解其物理意義，機(jī)械地記住了相關(guān)計(jì)算公式，日久便會(huì)混淆亂用。為了幫助學(xué)生有效地學(xué)習(xí)，真正地理解知識(shí)的內(nèi)涵，了解物理概念建立的背景及每個(gè)物理概念引入的必要性，教師從它們的本源概念——“功”講起。物體能夠?qū)ν馐┝?，并且在力的方向上移?dòng)了一段距離，即可說這個(gè)物體或者這個(gè)力有做功，計(jì)算公式：W=Fs。既然機(jī)械能夠?qū)ν庾龉?，在生產(chǎn)生活中人們必然要考慮做功的快慢以及總功被有效利用的程度。為了研究做功的快慢，物理學(xué)家利用比值定義法，將功與時(shí)間的比定義為功率，本質(zhì)即為比較1個(gè)單位時(shí)間內(nèi)力所做的功；為了研究做的總功被有效利用的程度，物理學(xué)家遵循比值的思想，將有用功與總功的比值定義為機(jī)械效率，本質(zhì)即為有用功占據(jù)總功的比例。綜上分析，這兩個(gè)概念都是從“功”的概念衍生出來的，它們具有相關(guān)關(guān)系，但并沒有因果關(guān)系。為了進(jìn)一步幫助學(xué)生理清其內(nèi)部的聯(lián)系，教師利用表格的方式從定義、物理意義、公式、單位、結(jié)果五個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

經(jīng)過分析整理后，圖形的輪廓已顯現(xiàn)出來，為了讓圖形更加生動(dòng)可愛，加深學(xué)生的記憶，提高知識(shí)的傳播效率，進(jìn)一步對(duì)思維圖進(jìn)行擬人或者擬物化。由于機(jī)械能夠?qū)ν庾龉?，而汽車是?jiǎn)單機(jī)械組裝而成的復(fù)雜機(jī)械，因此可以選用小車的輪廓對(duì)思維圖加以擬物化。從圖中的右邊說起（圖2），小車能夠?qū)ν庾龉?，人們必然關(guān)心做功的快慢和做功的效率。利用汽車的后輪代表功率，汽車在行駛的過程中，由于存在摩擦和機(jī)械本身有重力等原因，需要額外做功，伴隨產(chǎn)生了有關(guān)效率的問題，因此用前輪代表機(jī)械效率。由此展開，進(jìn)一步借用鋪砌在路面上的五層水泥磚，由上向下分別代表功率和機(jī)械效率的五個(gè)方面：定義、物理意義、公式、單位、結(jié)果。這樣，一輛行駛在五層磚路面上的小車，就構(gòu)成了一幅栩栩如生的汽車，生動(dòng)活潑地展示了兩個(gè)相關(guān)的物理概念與本源概念——“功”之間的緊密聯(lián)系，以及它們?cè)诟鞣矫娴膮^(qū)別。

4 總 結(jié)

“機(jī)械小車”一圖從五個(gè)方面對(duì)“功率”和“機(jī)械效率”這兩個(gè)相關(guān)概念進(jìn)行對(duì)比分析，并且將它們與本源概念——“功”之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行整理說明，讓學(xué)生深入了解每個(gè)物理量引入的背景和意義。這幅具象圖通過綜合運(yùn)用各種物理思維方法，對(duì)相關(guān)知識(shí)模塊進(jìn)行歸納并整合，是一幅充分體現(xiàn)了發(fā)散思維與集中思維相結(jié)合特征的知識(shí)群落思維圖。

在合作校的一線教學(xué)中，新思維具象圖在規(guī)律教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、復(fù)習(xí)課中已有廣泛的應(yīng)用，教師應(yīng)該充分重視可視化圖形工具對(duì)學(xué)習(xí)的積極影響。在教室內(nèi)，我們常常會(huì)遇到這樣的情形：有的學(xué)生不會(huì)撰寫優(yōu)美、流暢的文字，卻能通過意境雋永、思想豐富的圖畫來表達(dá)自己對(duì)某個(gè)問題的理解?？茖W(xué)家愛因斯坦的想法也都是以或多或少的清晰的圖像呈現(xiàn)的，他坦言自己有時(shí)候很難將某一觀點(diǎn)寫成文字。人類歷史上，許多偉大的發(fā)現(xiàn)即是開始于一個(gè)清楚的圖像想象，例如，愛因斯坦廣義相對(duì)論的雛形來源于想象自己駕駛著飛船航行于宇宙間，牛頓把宇宙視為由各部分彼此關(guān)系所集合的一架機(jī)器……[3]物理新思維具象法一方面可以將豐富、抽象的知識(shí)關(guān)聯(lián)變得清晰、易見、可愛，加強(qiáng)了接受者對(duì)內(nèi)容的理解與記憶；另一方面，建構(gòu)的圖示也與大腦思維產(chǎn)生共振，多種思維方式、思維方法交替、層疊相互作用，充分鍛煉學(xué)生的抽象思維和形象思維等能力，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

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（欄目編輯 趙保鋼）