例談基于學(xué)科思維導(dǎo)圖的思維可視化策略在物理問題解決中的應(yīng)用

鄧宗茂 賴永豐

摘? ?要：?jiǎn)栴}解決能力是高中物理學(xué)科能力的重要組成部分，而學(xué)科思維導(dǎo)圖通過可視化的方法方便師生在問題解決過程中表達(dá)、診斷、交流、反思、記憶、理解，對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)生的問題解決能力有獨(dú)特的作用，是提高學(xué)生問題解決能力的有效策略。

關(guān)鍵詞：學(xué)科思維導(dǎo)圖;可視化策略;問題解決

新時(shí)代對(duì)人的素養(yǎng)提出了新的更高的要求，而高中物理學(xué)科對(duì)人的素養(yǎng)的形成特別是科學(xué)思維能力的提高具有不可替代的重要作用。新版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出物理學(xué)習(xí)的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)學(xué)生的思維發(fā)展，而問題解決是思維發(fā)展的必經(jīng)之路，學(xué)生只有自主地經(jīng)歷了問題解決的過程，才能不斷增強(qiáng)自己的科學(xué)思維能力，提高物理學(xué)科素養(yǎng)。學(xué)科思維導(dǎo)圖是在學(xué)習(xí)了東尼博贊思維導(dǎo)圖的繪制理念與方法后結(jié)合物理學(xué)科特點(diǎn)提出的既有思維導(dǎo)圖的形式又有物理學(xué)科思維本質(zhì)的一種教與學(xué)的手段，它是主體思維可視化的有效方法，它通過圖、表、關(guān)鍵字等方法將內(nèi)隱于思維主體的思維過程外顯出來，方便表達(dá)、診斷、交流、反思、記憶、理解。筆者在多年的物理教學(xué)實(shí)踐中堅(jiān)持以物理學(xué)科思維導(dǎo)圖對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程及教學(xué)策略等進(jìn)行優(yōu)化整合，證明物理學(xué)科思維導(dǎo)圖能夠?qū)μ岣邔W(xué)生的問題解決能力、優(yōu)化學(xué)生的思維品質(zhì)起到很好的作用。下面結(jié)合教學(xué)實(shí)際談?wù)剬W(xué)科思維導(dǎo)圖在高中物理問題解決中的的應(yīng)用。

1? 理清思維路徑，便于表達(dá)與診斷

在普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理1第5章力與平衡第3節(jié)力的平衡中有一個(gè)典型問題，它是應(yīng)用力的平衡條件解決一個(gè)實(shí)際生活問題。原題如下：用繩子將鳥籠掛在一根橫梁上，如圖1所示。若鳥籠重19.6 N，求繩子OA與OB的拉力。

在日常教學(xué)實(shí)踐中這個(gè)有關(guān)三力平衡條件運(yùn)用的基礎(chǔ)性問題學(xué)生會(huì)反復(fù)的出錯(cuò)，大大超出老師的預(yù)期。如圖2是學(xué)生的典型錯(cuò)誤，為了讓學(xué)生能夠搞清自己知識(shí)結(jié)構(gòu)的缺漏和思維誤區(qū)，我要求學(xué)生畫出自己解題過程的學(xué)科思維導(dǎo)圖，每位同學(xué)各自按照自己的解題思路獨(dú)立畫出思維導(dǎo)圖后，再經(jīng)小組合作方式進(jìn)行交流，通過思維碰撞、互相啟發(fā)產(chǎn)生了一個(gè)小組共同思維導(dǎo)圖如圖3。導(dǎo)圖呈現(xiàn)了學(xué)生思考這個(gè)問題的過程與路徑。同學(xué)們分析了三個(gè)局部的受力問題，第一是結(jié)點(diǎn)O處于三力作用下的平衡狀態(tài);第二是細(xì)繩OC的兩端的受力大小關(guān)系;第三是鳥籠是處于二力作用下的平衡狀態(tài)。在分析這三個(gè)問題的過程中學(xué)生就能夠根據(jù)已知的問題情境找到三個(gè)問題的聯(lián)系并用連接線在學(xué)科思維導(dǎo)圖如圖3中表示出來。再結(jié)合本題中鳥籠的重力是已知的，就明確了解決這個(gè)問題的空間流程是從下到上，從“鳥籠”到“繩OC”再到“結(jié)點(diǎn)O”。這樣也就順理成章地能夠畫出解決這個(gè)問題的操作流程圖如圖4。通過這樣的學(xué)科思維導(dǎo)圖以及流程圖的繪制的教學(xué)過程讓學(xué)生明確了思維展開的方式和路徑的同時(shí)，還可以讓師生進(jìn)一步明確解決這個(gè)問題需要哪些物理學(xué)科知識(shí)和技能，為師生進(jìn)行準(zhǔn)確的學(xué)情診斷提供依據(jù)。如流程圖4就讓學(xué)生清楚的知道要順利解決這個(gè)問題必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)有二力平衡條件、同一輕繩兩端拉力相等、三力平衡條件、力的平行四邊形定則、三角函數(shù)。促進(jìn)同學(xué)反思自己的解題過程，之所以會(huì)得到如圖2所示的錯(cuò)誤解法原因在于流程圖中的應(yīng)用三力平衡條件得出OA繩與OB繩合力這一思維結(jié)點(diǎn)上出錯(cuò)了，沒有把握住OA繩與OB繩合力方向豎直向上這一關(guān)鍵點(diǎn)。從而指導(dǎo)學(xué)生在這個(gè)知識(shí)點(diǎn)上要加深理解、準(zhǔn)確把握才能正確應(yīng)用。其他同學(xué)應(yīng)用這個(gè)方法也都能夠找到各自的思維錯(cuò)誤結(jié)點(diǎn)和知識(shí)缺漏，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行自我學(xué)情診斷，進(jìn)一步補(bǔ)缺補(bǔ)漏，有的放矢。通過這樣一個(gè)由已知到未知的一步一個(gè)腳印的邏輯推理過程，大大提高學(xué)生的科學(xué)推理能力，同時(shí)還為教師的教學(xué)找到切入點(diǎn)和發(fā)力點(diǎn)，打造了高中物理高效課堂，促進(jìn)了學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

2? 顯化思維結(jié)點(diǎn)，利于反思與交流

在普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理1第5章力與平衡第1節(jié)力的合成節(jié)后作業(yè)第4題原題是這樣的：有三個(gè)共點(diǎn)力，分別是2 N，7 N，8 N，它們合力的最大值和最小值分別是多大？

學(xué)生對(duì)這個(gè)問題的合力的最大值的求解都能夠得出正確答案，而合力最小值很多學(xué)生就會(huì)得到1 N的錯(cuò)誤答案。對(duì)于這個(gè)問題我們學(xué)校備課組教師反思自己教學(xué)時(shí)布置學(xué)生繪制出各自的學(xué)科思維導(dǎo)圖，同學(xué)們通過小組合作得到學(xué)科思維導(dǎo)圖如圖5，并且畫出了操作流程圖如圖6。在學(xué)生交流各自對(duì)這個(gè)問題的看法過程中有了關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在分析這個(gè)典型問題時(shí)存在思維重要環(huán)節(jié)的缺漏，正是這個(gè)缺漏導(dǎo)致學(xué)生的推理過程邏輯出錯(cuò)。

課堂實(shí)錄回放如下：

學(xué)生甲：圖6是我的思維流程，應(yīng)用學(xué)科思維導(dǎo)圖圖5結(jié)論先求F1與F2的合力F合1大小范圍是|F1-F2|≤F合1≤F1+F2，可得5≤F合1≤9。求三個(gè)力的合力是一個(gè)兩次求合力的過程，把F合1與F3再做一次合成就可以得到最后的合力F合。接下來的思維路徑是運(yùn)用二級(jí)結(jié)論，如圖7得到最大值為17 N最小值為1 N。

甲展示此圖后學(xué)生乙提出不同意見：為什么用F合1的最大值9 N與F3合成而忽略了最小值5 N呢？

學(xué)生丙：第二次合成與第一次合成前提條件并不完全相同，在第一次合成中兩個(gè)力F1與F2大小是確定的，而在第二次合成中兩個(gè)力F合1與F3其中力F3大小確定而另一個(gè)力F合1大小是可變的。

這時(shí)學(xué)生甲大叫：我知道了，這里的F合1大小是可變的，所以三力的合力最小值|F合1-F3|是個(gè)隨著F合1大小變化而變化的變量，而這個(gè)變量|F合1-F3|的最小值在F合1=F3=8 N時(shí)，它是可以等于零的。流程表達(dá)如圖8。

這樣將三力合成的問題解決思維可視化的過程就是剖析顯化模糊錯(cuò)誤思維節(jié)點(diǎn)的過程，它把隱性思維節(jié)點(diǎn)顯性化，將學(xué)生甲潛在的思維過程展現(xiàn)出來，讓其他學(xué)生直觀看到學(xué)生甲的思維過程，便于師生、生生之間的交流和思維主體學(xué)生的自我反思，加深了對(duì)知識(shí)的理解，將課堂思考引向縱深，也為師生之間、生生之間的合作學(xué)習(xí)提供了一個(gè)很好的媒介和抓手?？梢哉f學(xué)科思維導(dǎo)圖是新課程提倡的自主、探究、合作學(xué)習(xí)的良好媒介、方法、策略和實(shí)施路徑。這樣的教學(xué)過程中學(xué)生自主的問題發(fā)現(xiàn)也讓學(xué)生更加深刻的認(rèn)識(shí)了這個(gè)問題的本質(zhì)的同時(shí)讓學(xué)生有非常好的學(xué)習(xí)成就感和愉悅的體驗(yàn)，有利于學(xué)生油然而生對(duì)物理學(xué)科的良好情感和樂學(xué)態(tài)度，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任方面的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

3? 呈現(xiàn)思維過程，促進(jìn)記憶與理解

在普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理2功率部分的學(xué)習(xí)中，功率與力和速度的關(guān)系的理解是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，而機(jī)車啟動(dòng)問題就是一個(gè)典型的情境問題。如何讓學(xué)生能夠?qū)@部分知識(shí)做到深刻理解、牢固記憶并且能夠在需要使用時(shí)快速提取是教學(xué)的努力方向。而傳統(tǒng)教學(xué)的教師講解多，學(xué)生思考少的現(xiàn)狀往往導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)理解不夠深刻，無法形成結(jié)構(gòu)化的知識(shí)系統(tǒng)，局限于機(jī)械記憶的淺層學(xué)習(xí)，直接導(dǎo)致記憶模糊，到了要使用時(shí)提取就會(huì)受到障礙。我在教學(xué)實(shí)踐中嘗試讓學(xué)生畫出機(jī)車啟動(dòng)過程的學(xué)科思維導(dǎo)圖，學(xué)生通過獨(dú)立思考后，小組合作繪制出機(jī)車啟動(dòng)過程學(xué)科思維導(dǎo)圖如圖9，更加深刻理解了此過程中物理本質(zhì)。這個(gè)學(xué)科思維導(dǎo)圖的繪制理清了機(jī)車啟動(dòng)過程中各物理量的關(guān)系和變化規(guī)律，這種可視化的表達(dá)讓同學(xué)們通過兩條連接線更深刻理解了兩種啟動(dòng)方式的關(guān)鍵思維結(jié)點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)。第一，恒定功率的情況下機(jī)車的牽引力減小時(shí)速度怎么變化？第二，恒定牽引力的情況下當(dāng)機(jī)車的實(shí)際功率達(dá)到額定功率后，機(jī)車是勻速運(yùn)動(dòng)還是加速運(yùn)動(dòng)？這兩個(gè)思維結(jié)點(diǎn)都可以通過聯(lián)系學(xué)科思維導(dǎo)圖中的“牛頓第二定律方程F-f=ma”以及“速度大小改變”的依據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理得出正確的答案。第一個(gè)問題關(guān)鍵是a與v同向，速度是增加的;第二個(gè)問題關(guān)鍵是牽引力還是大于阻力，機(jī)車還是會(huì)加速運(yùn)動(dòng)的。在經(jīng)過了以上思維過程后再進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生畫出如圖10和圖11的思維流程圖，學(xué)生就可以進(jìn)一步清晰的理解機(jī)車啟動(dòng)過程中各物理量之間的制約關(guān)系，從而理解機(jī)車運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。經(jīng)過這樣的思維導(dǎo)圖繪制過程后，學(xué)生再嘗試解決此類問題就能夠做到思路清晰，表達(dá)條理。

綜上所述，在當(dāng)前新時(shí)代課程改革學(xué)科核心素養(yǎng)的視角下，在高中物理日常教與學(xué)中堅(jiān)持運(yùn)用學(xué)科思維導(dǎo)圖來輔助學(xué)生理清思維路徑、顯化思維結(jié)點(diǎn)、呈現(xiàn)思維過程，讓內(nèi)隱于學(xué)生頭腦中的思維外顯，重要的思維結(jié)點(diǎn)得到呈現(xiàn)，方便師生之間和生生之間的表達(dá)、交流，有利于教師和學(xué)生的診斷、反思，促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的記憶、理解。增強(qiáng)學(xué)生的問題解決能力、優(yōu)化學(xué)生的思維品質(zhì)、養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，同時(shí)提高了物理學(xué)科的學(xué)習(xí)成績(jī)和物理學(xué)科科學(xué)思維方面的核心素養(yǎng)。為學(xué)生未來的學(xué)習(xí)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，進(jìn)一步成長(zhǎng)為符合新時(shí)代要求的全面發(fā)展的人。

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