知識可視化在初中物理教學中應用的研究

顧麗琴 上海市北蔡中學

“雙減”時代的到來，對教學方式和學習方式都提出了挑戰(zhàn)，要提高學習效率，不能再著力于知識的機械重復，必須尋找一種高效的記憶方式，挖掘知識點之間的聯(lián)系及思維規(guī)律，才能達到減負增效提質的目的。視覺信息是所有信息種類中最容易被直觀感知到的信息，相對其他信息處理方式，人腦處理視覺信息更快、更輕松，知識可視化就是一種利用視覺優(yōu)勢進行知識傳播的學習方式，很多領域都在致力于將抽象的概念、知識變成圖形等形象化的表達，這個過程就是將知識可視化的過程。

一、在初中物理課堂中進行知識可視化應用的意義

物理是一門注重邏輯思維的學科，物理概念、物理規(guī)律、科學方法與科學思維等內容之間都有著緊密的聯(lián)系。物理概念、規(guī)律因其抽象性、概括性要求學習者有比較高的理解力、想象力以及實驗能力與綜合應用能力。

采用知識可視化工具，可以將抽象的物理概念和規(guī)律轉化成直觀的圖形、視頻等形式，使得知識傳播方式更多樣，傳播效率更高；各個知識點之間的脈絡圖形的創(chuàng)作與繪制，也是一個由抽象到具體的過程，可以將不可見的思維顯像化，有效降低教與學的交流難度。

筆者在過去的幾年里，嘗試在初中的物理課堂中運用了一些可視化工具。本文主要就思維導圖、信息技術、自制圖譜三種工具的使用心得展開闡述。

二、可視化工具的應用

（一）思維導圖的應用

思維導圖是利用文字、線條等技巧將各級主題串聯(lián)起來，以提高學生的認知能力，完善學生的知識結構。筆者主要在單元內容的教學設計及課堂教學中使用。

1.教學設計時的使用

筆者在進行單元教學設計時發(fā)現(xiàn)，要想規(guī)劃出合理的單元教學活動，需要先設計好單元教學活動框架，此時利用思維導圖整理出整個單元的教學邏輯，進行教學設計時就能比較全面與合理。

例如在電路單元，我的思維導圖如圖1所示：

圖1

從圖1 所示的思維導圖中，可以看出電路這一章的核心知識點是電流，以及影響電流大小的電壓和電阻，圍繞著這三個物理量，再結合教學設計的六個基本要素，進行單元的教學設計，就可以比較好地把握住本單元各個知識點之間的聯(lián)系。

2.課堂教學中的使用

整體的教學設計及授課是一方面，但在教學過程中筆者發(fā)現(xiàn)，從學生接受的情況分析，很多學生還是停留在知識碎片化的層次上，無法將各個知識點的內在聯(lián)系厘清。

例如，如圖2所示的實驗題：

圖2

從知識點角度分析，本題涉及了電阻的測量方法和影響因素。這些知識點單獨考查時，學生的準確率還是蠻高的，可是上面這個題目將他們的知識漏洞暴露了出來，得分率非常低，筆者的兩個教學班正確率不到15%。究其原因，學生不知道本題的研究對象是“電阻”，有電流、電壓出現(xiàn)題目中，他們的視線被“研究導體電流與電壓關系”這個知識點轉移了，從而忽略了“研究導體電阻大小的影響因素”這個核心問題。

在題目評講時，筆者在一個教學班按一般解題思路講解，而在另一個教學班講解時，先利用思維導圖引導學生將題目中涉及的物理量之間的內在關系整理出來，然后再講解。在一天后的錯題訂正中，前一個班級的正確率只有46%，而后一個班級的正確率達到了71%，課堂的效率大大提高了。

從教學反饋來看，思維導圖是一種行之有效的知識可視化工具，可以有效提高學生對知識點的整理和掌握，平時在單元復習的時候，筆者也會幫助學生利用思維導圖將一個章節(jié)的知識點整理出來，有效梳理各個知識點的內在關系，避免知識碎片化。

（二）“信息技術”的應用

信息技術的發(fā)展，讓我們的生活發(fā)生著日新月異的變化，它在教學上的應用也非常普遍。筆者除了用一些常規(guī)信息技術輔助教學，還常利用編程軟件、網絡實驗室等資源，將教學內容變?yōu)閯赢?，或者將實驗搬上屏幕。直觀的畫面可以幫助學生有效降低認知難度。

1.編程軟件的使用

例如，八年級第二單元的“凸透鏡成像”，實驗中學生只能觀察到物距、像距以及成像特點，一倍焦距、兩倍焦距對應的位置在實驗中無法體現(xiàn)，學生也無法直觀地觀察到凸透鏡成像的變化規(guī)律，因此對“凸透鏡成像規(guī)律”的知識很多學生只能死記硬背，時間長了遺忘率非常高，以至于在初三的復習中，很多學生反映這部分內容掌握得最差。

針對這個情況，筆者利用Visual Basic 語言編寫了一段代碼，將實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)出來，一倍焦距、兩倍焦距在主光軸上標注了出來，上課時遇到凸透鏡成像的題目，學生可以直接用鼠標將物體拖動到相應位置，像距與成像情況就會顯示出來，如圖3所示，知識一目了然。

在課前準備時，筆者也會利用這個程序，將物體放到隨機位置，讓學生復習像距與成像情況，也可以雙擊鼠標，讓蠟燭移動起來，像的動態(tài)變化規(guī)律一目了然。這類編程的軟件，靈活度比較高，添加或更改設置比較方便，呈現(xiàn)的界面清晰、操作便捷，大大增加了學生的參與度，也增加了課堂的趣味性，學習效率提高了不少。

2.網絡實驗室的使用

圖4 所示是空中課堂中介紹過的一個網絡實驗室“NB 物理實驗”的界面。它提供了很多元件，使用時可以選擇合適元件進行實驗，仿真度很高。針對初中物理實驗，它呈現(xiàn)的實驗結果大都經過了理想化處理，沒有了系統(tǒng)誤差的干擾，學生尋找規(guī)律變得更加容易。虛擬實驗室讓實驗不再受時間和空間的限制，將理論與實驗有機結合，學生可以有更多機會去接觸實驗、觀察現(xiàn)象、總結規(guī)律，形成高質量的知識體系。

圖4

筆者在電路教學時會經常將這個網絡實驗與實物實驗相結合，彼此補充對方不足，實物實驗可以讓學生有更直觀的感受，在最初的課堂中，實物實驗是不可替代的。隨著對各個元件以及連接技巧的熟悉，網絡實驗因其易準備、易操作、現(xiàn)象快速、明顯等優(yōu)點，就可以用來替代實物實驗，幫助學生釋疑解惑。

例如，在遇到電流的安全問題時，有些學生不理解電路中的電流或電壓變大了會出現(xiàn)什么危險，這個模擬實驗可以讓他們直觀地看到現(xiàn)象，元件的損壞會讓他們印象深刻，從而理解了電路安全的重要性。

現(xiàn)在的信息科技發(fā)展非常全面，網絡上的資源非常多，教師平時做個有心人，多學習、多積累，總能找到合適的、便于利用的相關資料用來輔助教學。

（三）自制圖譜的應用

筆者在“電路”單元設計時發(fā)現(xiàn)，它的核心知識點基本都是圍繞著電流、電壓、電阻三個物理量展開。但在教學過程中，筆者經常發(fā)現(xiàn)有些學生學習非常認真，公式、概念掌握得不錯，可是到應用的時候就沒有了方向。如何幫助此類學生打開思路是筆者一直在思索的問題。經過多次的實踐與修改，筆者找到了一個合適的圖譜，可以將電路中各個元件的各個物理量以及它們之間的關系呈現(xiàn)出來，使用時可以將看不見的思維過程以可視化的方式清晰地呈現(xiàn)出來，如圖5 所示，即為串聯(lián)電路、并聯(lián)電路授課時所用的自制圖譜。

圖5

這個自制圖譜可以用在以下幾個階段：

1.基本計算落實階段

學生在剛剛接觸電路計算，各個物理量之間的關系還不是很熟練，特別是學困生，記住幾個公式就要花費很長時間。筆者在每節(jié)課的課堂作業(yè)環(huán)節(jié)中，讓學生將自制圖譜寫在解題過程旁邊，既可以幫助學生記憶公式，也方便教師在第一時間獲得學生的掌握情況。

2.帶滑動變阻器的動態(tài)電路

此類題型是電學中不能回避的題目，由于滑動變阻器滑片位置的變化，電路中有些物理量不變，有些物理量會發(fā)生變化，加之串聯(lián)電路、并聯(lián)電路特點的不同，讓此類題目成為很多學生的夢魘。

筆者在處理這個教學難點時，就利用了自制圖譜和網絡實驗，引導學生找到電路中“不變”的物理量，以及引起變化的罪魁禍首——滑動變阻器阻值，后面的計算就是前文所述的基本計算。這個方法幫助很多學習能力不足的學生解決了此類動態(tài)計算問題。

3.帶滑動變阻器的電路安全問題

這個階段很多學習能力強的學生也會經常犯錯，因為電路中的滑動變阻器、電流表、電壓表都有最大值的限制，在計算中一個不小心就可能超過了某個元件的最大值，導致電路元件損壞，如不及時更換條件，計算勢必出錯。

利用自制圖譜在分析題目和電路圖時，將涉及的元件的最大值記錄在圖譜中相應物理量的位置上，再在圖譜中按照一般思路進行計算，會很容易發(fā)現(xiàn)某個物理量超過最大值，及時更換條件，有效避免了危險問題的出現(xiàn)。

4.電路故障

自制圖譜的使用不僅在計算和動態(tài)分析時可以用，電路的故障分析中也可以使用，電路中的短路故障實質就是該電阻的阻值變?yōu)榱肆?，斷路是阻值變?yōu)闊o窮大，利用自制圖譜可以將發(fā)生故障的元件兩端電壓以及通過的電流推導出來，可以加深對故障現(xiàn)象的理解。

5.教師講題階段

書寫自制圖譜的過程，就是一個分析題目的過程，每個環(huán)節(jié)都可以在圖譜中呈現(xiàn)出來。思維的可視化幫助教師用簡短的語言將思維路徑表達清楚，學生則可以動用視覺，代替部分抽象思維，將各個物理量的內在關系聯(lián)系起來，解決問題也就變得簡單了。筆者現(xiàn)在講解電路中的大多數(shù)問題（不僅是計算），都會利用自制圖譜，特別是復雜的、需要考慮問題多面性的題目時，自制圖譜都能幫助闡述清楚。

6.自制圖譜的延伸與展望

電路的自制圖譜非常好用，特別是對于中等程度的學生而言，在使用自制圖譜后的正確率提高了很多，甚至學生在復習壓強時也想用自制圖譜解決問題，在他們的啟發(fā)下，我又嘗試著尋找壓強的自制圖譜，但由于壓強題型復雜多變，目前只找到一個適用范圍相對較大的自制圖譜。利用它之后，學生的正確率提高了很多。有學生反饋，現(xiàn)在做題都離不開自制圖譜了。美中不足的是，壓強的自制圖譜不能用在受力面積變化的壓強題中，還需要不斷探索、完善新的圖譜。

三、知識可視化應用的啟示

（一）要以目標為引領

在哲學家亞里士多德看來，技術過程是制造者為了某個目的而有意識去做的。一切創(chuàng)作活動都是為了某種目的的活動。教師在知識可視化工具的選擇與使用時必須基于一個特定的目標，這樣才能保證工具使用的效率。對教材的解讀，每個教師都有著自己的方式，例如筆者對“電路”單元進行解讀時，找到的是“電流”這個目標，也有教師會將“電路”作為目標。目標不同，知識點之間的聯(lián)系脈絡不同，但只要找到一個核心，將所有知識形成一個完整的體系，都可以嘗試利用恰當?shù)目梢暬ぞ哌M行輔助教學。

（二）要以方法來演繹

正如我們接觸的很多教學方法中任何一種方法都不是萬能的，在知識可視化的過程中，也不是所有的內容都有合適的可視化工具表達。在知識的選擇和工具的使用上就能充分體現(xiàn)教師對教材的宏觀把控、教學設計的統(tǒng)籌設計與重難點分解的能力。筆者對電路章節(jié)的教學設計，從開始的思維導圖應用，網絡實驗室的輔助，再到自制圖譜的開發(fā)與完善，就是一個不斷選擇合適方法將教學內容清晰演繹的過程。

（三）要以實效為追求

在自制圖譜的使用過程中，筆者經歷了好幾個過程。剛開始的圖譜使用只是源于一部分學生公式使用不熟練，旨在幫助他們順利完成電路的簡單計算。后又看到一部分數(shù)學計算及思維不敏捷的學生在電路動態(tài)分析時的一臉迷茫，筆者就想著要幫助他們將不可見的思路呈現(xiàn)出來，于是在圖譜上尋求突破，以求增加它的功能。繼而在解決電路計算的安全性問題時，在圖譜上增加了各個元件最大值的標注，使得圖譜的功能進一步強大，不僅將串并聯(lián)電路中各個知識點可視化，還能將復雜的思維過程可視化，這是一個不斷完善、追求實效的過程，有這樣的外在動力存在，為了尋找合適的可視化工具，為了助力學生深度學習，教師的潛能可以被充分激發(fā)，真正做到教學相長。

實踐表明，知識可視化在教學中的應用非常有利于教學效率的提升，也有利于學生學習效率和思維能力的提升。只是在實施過程中也會遇到一些阻礙性因素，比如部分學生在使用過程中會嫌麻煩、利用工具時不熟練等等，制約了使用各種工具的效率。因此，在實施過程中還需耐心，持之以恒地利用這些工具，以達到教學效率的最大化。