思維可視化在初中物理概念教學(xué)中的應(yīng)用
——以“壓強”教學(xué)為例

(江蘇省太倉市高新區(qū)中學(xué),江蘇 蘇州 215400)

1 概念界定

1.1 可視化

可視化，顧名思義就是“讓本來看不見，看不清的東西看得見、看得更清晰”。思維是看不見摸不著的，當(dāng)一個人在思考的時候，其他人看不到他的大腦在想什么，只有他把想法說出來，大家才會了解。[1]

1.2 思維可視化

思維可視化是指運用一系列圖示技術(shù)，把本來不可視的思維(思考方法和路徑)呈現(xiàn)出來，使其清晰可見。

1.3 思維型課堂

思維型課堂的核心是學(xué)生的思維活動，以探究問題為目的，以思維訓(xùn)練為主導(dǎo)。思維型課堂教學(xué)有以下4個基本特征：認(rèn)知沖突、自主建構(gòu)、自我監(jiān)控和應(yīng)用遷移。[2]

2 初中物理概念教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前初中物理概念教學(xué)中普遍存在重結(jié)果、輕過程的現(xiàn)象，忽視生成概念的思維方法和過程，在學(xué)生還沒有足夠的感性認(rèn)識時匆忙給出定義和表達式，這樣就造成了學(xué)生對物理概念的學(xué)習(xí)處于被動接受的狀態(tài)，致使大部分學(xué)生只是死記物理概念而沒有真正理解物理概念的實質(zhì)，不能活學(xué)活用、融會貫通。形成的普遍現(xiàn)象就是在新課后還要耗費大量時間在題海中，表面上看似弄懂了，但過一段時間又不會做了，到復(fù)習(xí)階段又是重復(fù)進行習(xí)題訓(xùn)練，學(xué)生的整個學(xué)習(xí)過程主要集中在解題上，漸漸地失去了學(xué)習(xí)的興趣和動力。

3 思維可視化理念下的物理概念教學(xué)轉(zhuǎn)型

所謂課堂轉(zhuǎn)型是指教學(xué)范式的轉(zhuǎn)型，即從知識傳遞型轉(zhuǎn)向知識建構(gòu)型。[3]對于初中物理課堂轉(zhuǎn)型，可先從概念教學(xué)入手，利用思維可視化和實驗過程的可視化，教師能基于學(xué)生的思維而教，學(xué)生能夠主動參與到整個學(xué)習(xí)過程，充分發(fā)揮主觀能動性。教學(xué)中從感性認(rèn)識入手，通過大量的感性認(rèn)識，逐漸上升到理性的辨析，筆者嘗試了各種可視化手段，來幫助學(xué)生構(gòu)建起結(jié)構(gòu)化的知識體系。

3.1 情境引入的可視化

壓強概念對熟悉的人來說似乎是非常清晰的，但對剛學(xué)習(xí)物理不久的初二學(xué)生來說，很容易把壓強和壓力概念混淆。

筆者首先播放一段冰面營救的視頻，讓學(xué)生感知在壓力不能改變時，通過一定的方法是能改變壓強的。

緊接著再請學(xué)生用吸管插入包裝盒，體驗壓力的作用效果，學(xué)生用尖銳的一端能很容易插入，緊接著進行了一系列追問。

師：為什么不用平的一端？

生：平的一端不方便插入。

師：平的一端能插入嗎？請你試試看。

學(xué)生嘗試換用平的一端，幾番努力后多數(shù)成功了，少數(shù)沒有成功，而且吸管變歪了，僅在包裝盒上留下了凹陷。

師：這次和上一次有何不同？

生：用的力要大很多。

師：在刺破包裝盒的實驗中你收獲了哪些知識？

生：用尖的一端容易刺破，用的力?。黄降囊欢艘材艽唐?，但用的力要大。

師：刺破包裝盒取決于哪些因素？

生：刺破包裝盒不僅取決于用力的大小，還與受力面積有關(guān)。

此時學(xué)生對這個“刺破”的問題產(chǎn)生了一定的認(rèn)知，然后進行分析：包裝盒此時受到吸管對它的力是一種壓力，這個壓力產(chǎn)生了一定的效果，這個效果就是包裝盒產(chǎn)生了形變，形變達到一定程度后破裂了。但是刺破發(fā)生形變的時間太短，無法明顯觀察到，因此在引出壓力作用效果這個問題時，筆者增加一個實驗效果可視化的環(huán)節(jié)，在橡皮泥的兩端分別用手指和指尖同時擠壓，由于橡皮泥不僅能立刻展示形變，而且還可以保留下來，給全體同學(xué)觀察，可視性很強，學(xué)生看完后能立即明白壓力的作用效果是使被壓物體發(fā)生形變，而且再一次體驗到了影響壓力作用效果的因素。

3.2 實驗過程的可視化

通過引入環(huán)節(jié)的初步探討，學(xué)生大多能猜想出壓力的作用效果可能與壓力和受力面積有關(guān)。然后進行討論，制定研究方案，利用教材建議的器材進行分組實驗，學(xué)生能自主得出結(jié)論。在學(xué)生實驗后，筆者再增加了一個可視度高的演示實驗，用橡皮泥作為受壓面，利用學(xué)生胸卡帶和棉線來改變受力面積，通過改變鉤碼個數(shù)來改變壓力的大小，事先錄制視頻(如圖1)，播放時在特定的時間點暫停，提醒學(xué)生仔細觀察并思考，運用清晰的可視化實驗獲得了很好的教學(xué)效果。

圖1

3.3 概念建構(gòu)的可視化

圖2

通過實驗學(xué)生得出了壓力的作用效果與壓力和受力面積的關(guān)系，筆者在從壓力作用效果過渡到壓強概念的教學(xué)中增加了以下實驗環(huán)節(jié)，同樣用上述實驗器材，在受力面積大的帶上掛6個鉤碼，受力面積小的棉線下掛2個鉤碼，觀察發(fā)現(xiàn)兩種情況下橡皮泥凹陷程度無明顯差異(如圖2)。

從而引發(fā)學(xué)生思考：在壓力和受力面積均不同時，如何比較壓力的作用效果？再利用具體的壓力和受力面積的數(shù)據(jù)，此時學(xué)生能把以前學(xué)習(xí)過的速度、密度等概念定義的方法遷移到當(dāng)前情境中，想到用比值的方法來比較。

3.4 應(yīng)用的可視化

每一個物理量都是有實際意義的，當(dāng)一個力施加到某個物體表面時，由于每個物體表面都有一定的抗壓能力，當(dāng)這個力產(chǎn)生的壓強大于物體表面所能承受壓強的極限時，物體會被刺破。因此生活中有些需要刺破的情況其實就是要增大壓強，例如刀、釘子等；有些需要減小壓強，例如書包帶、載重卡車的輪胎等。關(guān)于增大或減小壓強的方法，筆者使用了例題和可視化實驗，引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論。

例1：某公路路面所能承受的最大壓強為8×105Pa?，F(xiàn)有一輛卡車，自重2t，有6個輪子，每個輪子與地面的接觸面積是200cm2，當(dāng)這輛卡車裝載10t貨物在該公路上行駛時，請通過計算說明，卡車是否會對公路路面產(chǎn)生危害？如果是，如何避免這種危害？

通過計算發(fā)現(xiàn)此時卡車對路面的壓強超出了路面能承受的最大壓強，會毀壞公路路面。怎么能避免這樣的危害？學(xué)生通過回顧計算的過程，很容易回答。

生1：卸掉一些貨物，減小卡車對路面的壓力。

生2：多加幾個輪子，增大卡車對路面的受力面積。

緊接著用氣球做模擬實驗，把氣球壓在一個圖釘上很容易扎破，再把氣球放在多個圖釘上，用力壓也不容易破，但持續(xù)增大壓力也會破裂。當(dāng)把氣球放在多個釘子上最終也破裂了，給學(xué)生的視覺沖擊很強，很快聯(lián)想到載重卡車為了減小壓強裝了多個車輪，但如果

超載的話同樣會損壞路面。

3.5 總結(jié)的可視化

學(xué)生學(xué)習(xí)“壓強”知識時經(jīng)歷了一次主動構(gòu)建知識的過程，但學(xué)生能記住的信息量是有限的。筆者應(yīng)用“希沃白板”的思維導(dǎo)圖功能(如圖5)，逐級呈現(xiàn)知識建構(gòu)的過程，幫助學(xué)生構(gòu)建知識體系。

圖5

4 結(jié)語

思維可視化理論強調(diào)運用可視化的方法幫助學(xué)生展現(xiàn)思維過程與結(jié)果，讓教師基于思維而教，讓學(xué)生的思維在情境中展開，學(xué)生在深度的參與中親歷概念的建構(gòu)、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，這樣的學(xué)習(xí)過程使記憶更深刻，實現(xiàn)了概念教學(xué)向思維型課堂的轉(zhuǎn)型。