知識可視化在初中物理模型教學(xué)中的應(yīng)用

李德昭

物理模型教學(xué)是初中物理課程的核心，目的是幫助學(xué)生進(jìn)一步了解物理學(xué)的基本原理，并能進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。新課改背景下初中物理模型教學(xué)存在教學(xué)方法單一、實(shí)操缺乏科學(xué)指導(dǎo)等問題，影響了物理模型教學(xué)的效果和質(zhì)量。知識可視化是將所學(xué)知識用圖像、表格等形式展現(xiàn)出來，使學(xué)生通過這些信息進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)。這種教學(xué)方式能夠幫助學(xué)生更好地理解知識，尤其是對于初中階段的學(xué)生來說，抽象、復(fù)雜的物理知識會(huì)給他們帶來很大的學(xué)習(xí)壓力。而在知識可視化教學(xué)中，教師可以將物理模型直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使其能夠更好地理解所學(xué)知識?；诖耍疚姆治鲋R可視化在初中物理模型教學(xué)中的應(yīng)用，并給出實(shí)際教學(xué)案例以供參考。

一、研究背景

隨著素質(zhì)教育的不斷推進(jìn)，新課標(biāo)對學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)越來越重視，要求教師要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教育教學(xué)理念，在教學(xué)過程中要注重學(xué)生能力、思維的培養(yǎng)。初中物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，而模型教學(xué)是一種常用的物理教學(xué)方法，它可以使抽象的知識具體化、形象化，從而幫助學(xué)生更好地理解所學(xué)知識。因此，在初中物理教學(xué)中引入模型教學(xué)，能夠使學(xué)生直觀地觀察到所學(xué)知識的形成過程，從而更加深入地理解所學(xué)知識。

然而在實(shí)際教學(xué)過程中，很多教師在進(jìn)行模型教學(xué)時(shí)仍然沿用傳統(tǒng)教育教學(xué)理念，導(dǎo)致學(xué)生無法掌握好物理模型中所蘊(yùn)含的知識。知識可視化可謂解決這些問題的一劑良藥。初中階段的學(xué)生思維活躍，喜歡動(dòng)手操作。采用知識可視化方式開展教學(xué)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使其在模型教學(xué)中主動(dòng)探索、合作探究，從而培養(yǎng)他們的動(dòng)手操作能力。同時(shí)，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識進(jìn)行有效整合與構(gòu)建，在此過程中運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)。

二、知識可視化在初中物理模型教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

初中物理模型主要是通過實(shí)驗(yàn)以及演示來幫助學(xué)生建立物理知識的基礎(chǔ)。初中物理模型更加重視應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)，這也是物理模型在初中階段教學(xué)中對學(xué)生能力要求更高的原因。為了讓學(xué)生深入理解并掌握力學(xué)計(jì)算和數(shù)學(xué)模型背后的含義及相關(guān)概念，教師需要利用多種手段讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作，設(shè)計(jì)和制作一些簡單結(jié)構(gòu)模型滿足教學(xué)要求，有效提高學(xué)生在課堂中的參與度。

在初中物理教學(xué)中，教師需要分析、掌握學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，為其提供有效的學(xué)習(xí)策略。學(xué)生認(rèn)知規(guī)律具有一定的動(dòng)態(tài)性和靈活性，教師需要充分發(fā)揮學(xué)生這一特點(diǎn)，并利用知識可視化的優(yōu)勢有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

首先，引導(dǎo)學(xué)生對知識進(jìn)行自主探究。在初中物理教學(xué)中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生積極參與到對知識的自主探究和發(fā)現(xiàn)中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。其次，為學(xué)生提供有效的學(xué)習(xí)支架。在初中物理教學(xué)中，教師需要結(jié)合知識特點(diǎn)和實(shí)際情況為學(xué)生提供有效的學(xué)習(xí)支架，使其能夠在對知識進(jìn)行自主探究和發(fā)現(xiàn)中有效應(yīng)用知識解決實(shí)際問題。最后，對學(xué)生進(jìn)行全面評價(jià)。在初中物理教學(xué)中，教師需要關(guān)注每一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和發(fā)展情況，對每一名學(xué)生進(jìn)行評價(jià)，為其提供有效的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。因此，在初中物理教學(xué)中，教師需要充分利用知識可視化的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)對學(xué)生全面評價(jià)。

三、知識可視化視覺表征工具及其作用

視覺表征是運(yùn)用圖像等視覺語言來傳達(dá)信息，著重于圖像與物體的關(guān)系，以及人們對視覺語言傳播和溝通的看法。主要包括概念圖、思維導(dǎo)圖以及知識動(dòng)畫等形式。

（一）概念圖

1984年，諾瓦克博士首先提出了概念圖理念。概念圖是通過連線來描述概念和概念之間的關(guān)系的，用法是將主題概念置于中央，先由連線將主題與相關(guān)概念聯(lián)系起來，再由連線來解釋二者之間的聯(lián)系，并逐步展開，最后構(gòu)成概念網(wǎng)。概念圖表的層次很清楚，能用最快的速度在腦海中重現(xiàn)該概念的層次結(jié)構(gòu)。

（二）思維導(dǎo)圖

思維導(dǎo)圖與人類的大腦有異曲同工之妙，可以有效地激發(fā)腦部的活動(dòng)，是一種有效的輔助手段，不但可以改進(jìn)教師的教學(xué)方法，還可以改變學(xué)生的思維模式和認(rèn)知模式。思維導(dǎo)圖在整理知識方面具有無可替代的作用，可以清晰地顯示不同知識之間的關(guān)系。

（三）知識動(dòng)畫

知識動(dòng)畫是運(yùn)用電腦技術(shù)，以動(dòng)態(tài)的、可視的形式展示知識以及知識的生成。在課堂教學(xué)中引入知識動(dòng)畫，能夠讓課堂教學(xué)更具創(chuàng)意性。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教師往往會(huì)使用圖像、視頻等輔助材料，對課堂教學(xué)有一定的促進(jìn)作用。知識動(dòng)畫打破了傳統(tǒng)的影像局限，可隨時(shí)選擇暫停、重復(fù)播放，加強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)與溝通，以更好地服務(wù)于學(xué)生，改善其學(xué)習(xí)狀況。

四、初中物理模型教學(xué)中存在的問題

當(dāng)前，我國初中物理學(xué)科的教學(xué)方法和理論水平與新課改理念發(fā)展的要求還有一定的差距。初中物理模型教學(xué)是新課改的一個(gè)重要內(nèi)容，目的是為學(xué)生構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)條件，以提升其物理計(jì)算能力，讓學(xué)生能夠更好地掌握物理知識，了解物理原理以及理解物理規(guī)律，形成正確的思維模式，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)、探究問題能力和創(chuàng)新能力。但目前我國初中物理學(xué)科在教學(xué)過程中還存在諸多問題。

（一）傳統(tǒng)教學(xué)方法相對單一

當(dāng)前，在初中物理教學(xué)過程中，傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要以教師講授為主。這種傳統(tǒng)模式不僅不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和求知欲，而且會(huì)導(dǎo)致教師在傳授基礎(chǔ)知識內(nèi)容時(shí)過于枯燥和乏味。具體而言，教師往往需要進(jìn)行大量的手工操作和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以此模擬實(shí)際生活中產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象，進(jìn)而對所教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和深化。由于這種方法片面且難以讓學(xué)生真正理解透徹所學(xué)知識，難以提高其主動(dòng)性和積極性，難以培養(yǎng)其自主探索、探究問題和創(chuàng)新等能力。

（二）實(shí)驗(yàn)操作缺乏科學(xué)指導(dǎo)和訓(xùn)練

在初中物理模型教學(xué)過程中，學(xué)生往往難以掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作方法和實(shí)驗(yàn)技能，在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)并沒有進(jìn)行深入探究。因此，教師需要以不同的方式引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用簡單的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工具掌握實(shí)驗(yàn)的操作方法，避免學(xué)生用單一或錯(cuò)誤的方法進(jìn)行模型學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。另外，教師需要利用課件幫助學(xué)生理解不同實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工具之間的區(qū)別與聯(lián)系，了解和掌握其中的科學(xué)原理和方法以及設(shè)計(jì)更好的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)程序等。

（三）缺乏整體性研究規(guī)劃及指導(dǎo)意見

由于部分教師未對初中物理課程內(nèi)容進(jìn)行深入分析，沒有形成科學(xué)有效的整體規(guī)劃和指導(dǎo)性意見，導(dǎo)致學(xué)生對物理知識的理解不夠透徹，未能全面地理解知識內(nèi)涵和物理規(guī)律。同時(shí)，當(dāng)前部分教師忽視了教材中的學(xué)習(xí)內(nèi)容對整體知識內(nèi)容的指導(dǎo)作用，未能針對新課改提出的內(nèi)容創(chuàng)新教學(xué)方法和形式。

例如，在初中物理教學(xué)過程中，教師常常將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行簡單加工或轉(zhuǎn)化為三維動(dòng)畫形式后直接在課堂教學(xué)中播放，并沒有將其中某一具體操作細(xì)節(jié)融入初中物理學(xué)中。而且傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和三維動(dòng)畫技術(shù)之間不能很好地結(jié)合成為物理學(xué)整體規(guī)劃及指導(dǎo)意見的重要部分，原因之一是受限于教師的科學(xué)研究、探索能力以及專業(yè)理論發(fā)展水平等。

（四）新課改下部分教師理論素養(yǎng)有待提升

教師對新課程改革的要求往往停留在抽象層面或理解層面，難以促使學(xué)生形成有效的思維方式。教師是初中物理教學(xué)的直接參與者，在模型教學(xué)中起著主導(dǎo)作用。一些初中生由于缺乏基本的理論素養(yǎng)，常常表現(xiàn)出對物理現(xiàn)象不感興趣，缺乏對物理規(guī)律以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識。同時(shí)，學(xué)生自身存在個(gè)體差異，對所學(xué)知識也缺乏深層次理解。

五、初中物理模型教學(xué)存在問題的解決方法

初中物理教師需要根據(jù)學(xué)生的具體情況，設(shè)計(jì)科學(xué)、易懂的問題，并能及時(shí)做出回應(yīng)。在教學(xué)中要注重調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使其在模型教學(xué)中充分發(fā)揮思維與實(shí)踐的作用，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。教師還需要對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)有效指導(dǎo)，避免學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒、自卑心理等問題。

（一）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

知識可視化是目前初中階段運(yùn)用比較廣泛的一種方法，能夠快速地抓取學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，能夠利用現(xiàn)有技術(shù)解決實(shí)際問題。但是要想把初中物理知識轉(zhuǎn)化為可利用的圖像，還需要進(jìn)行一些技術(shù)處理，如通過圖片展示、多媒體演示等形式提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

例如，在“勻速直線運(yùn)動(dòng)”教學(xué)時(shí)，教師可以用不同圖像演示不同物體的運(yùn)動(dòng)速度，通過這種方式提高學(xué)生對運(yùn)動(dòng)速度的感知能力，同時(shí)使其在視覺上加深對物體運(yùn)動(dòng)的印象。在初中物理模型教學(xué)中采用知識可視化教學(xué)方法，能充分利用多媒體設(shè)備、圖形符號以及其他信息傳播手段，以圖文結(jié)合的方式為學(xué)生提供直觀的實(shí)物模型，幫助學(xué)生更好地理解并掌握初中物理知識。

（二）科學(xué)有效地講解知識內(nèi)容

在初中物理模型教學(xué)過程中，要保證學(xué)生學(xué)習(xí)到知識內(nèi)容后能夠迅速理解，并掌握知識內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，教師需要分層次講解知識內(nèi)容。首先，對主要內(nèi)容進(jìn)行梳理總結(jié)，包括實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原因、實(shí)驗(yàn)原理與過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及方法等方面。其次，對學(xué)生能夠理解的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)講解，并且把需要運(yùn)用到模型中的知識點(diǎn)用圖示方式展示出來。在圖示方式展示完后，要及時(shí)給予學(xué)生相應(yīng)的評價(jià)和反饋，幫助學(xué)生進(jìn)一步鞏固和理解知識點(diǎn)。最后，當(dāng)學(xué)生有疑問時(shí)，應(yīng)及時(shí)向?qū)W生提問、輔導(dǎo)和解答。

例如，在“串、并聯(lián)電路的比較”教學(xué)時(shí)，教師可以構(gòu)建與串聯(lián)、并聯(lián)電路相關(guān)的知識實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。首先，教師可以利用這個(gè)模型對這部分知識進(jìn)行講解，讓學(xué)生更加直觀地認(rèn)識到串、并聯(lián)電路中電流的流向，引導(dǎo)學(xué)生更好地理解這部分知識。其次，在進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，教師可以用模型呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原因、實(shí)驗(yàn)原理與過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及方法。最后，教師可以讓學(xué)生在觀察和分析知識模型之后進(jìn)行溝通與學(xué)習(xí)，一起討論實(shí)驗(yàn)的目的和實(shí)驗(yàn)過程的注意事項(xiàng)，并將總結(jié)出的理論與班級中其他同學(xué)一起分享。

（三）提升知識應(yīng)用能力

在初中物理模型教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)操作是學(xué)生接觸到物理知識的最主要方式。初中物理模型教學(xué)的目標(biāo)是要求學(xué)生熟練地操作與學(xué)習(xí)物理知識，培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力，從而提升其知識應(yīng)用能力。通過教師的講解和演示，學(xué)生能夠更加全面地理解知識內(nèi)容，掌握理論知識和實(shí)驗(yàn)方法技巧。目前一些初中物理實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)將學(xué)生對物理模型的操作技能融入其中，利用圖像等形式展示物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)計(jì)算在實(shí)際生活中的應(yīng)用效果。

在實(shí)際教學(xué)過程中，教師還需要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)課堂練習(xí)題、課后作業(yè)等練習(xí)，以提升學(xué)生的知識運(yùn)用能力。此外，通過課后作業(yè)中出現(xiàn)的應(yīng)用問題引發(fā)學(xué)生進(jìn)行討論與反思，使學(xué)生更好地理解所學(xué)物理概念及原理的應(yīng)用。下文以“光的折射”教學(xué)為例進(jìn)行分析。

首先，教師可以利用水杯、水、鉛筆等簡單的物品設(shè)計(jì)“折斷的鉛筆”實(shí)驗(yàn)，向?qū)W生展示光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)發(fā)生的折射現(xiàn)象。教師可以先讓學(xué)生觀察水杯中沒有水時(shí)鉛筆的形狀，再向水杯中倒入水，讓學(xué)生觀察鉛筆的形狀是否發(fā)生變化。教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考為什么鉛筆會(huì)看起來像折斷了一樣以及如何用物理知識解釋這一現(xiàn)象。之后教師可以鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果。

其次，教師可以提出一些問題，幫助學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如：鉛筆在水中看起來比在空氣中短了多少？鉛筆在水中的折射角是多少？鉛筆在空氣和水之間的界面上的入射角是多少？讓學(xué)生在問題的引導(dǎo)下積極思考，用所學(xué)數(shù)學(xué)公式計(jì)算出這些數(shù)據(jù)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

最后，教師可以讓學(xué)生將這個(gè)實(shí)驗(yàn)與日常生活中的其他光的折射現(xiàn)象聯(lián)系起來，如：為什么池塘里的魚看起來比實(shí)際的位置更淺？為什么我們在游泳池里看到的人會(huì)有變形？為什么我們戴眼鏡時(shí)會(huì)感覺視野變大或變?。拷處熆梢宰寣W(xué)生用自己的話解釋這些現(xiàn)象，并用圖像或視頻展示給其他同學(xué)。此外，教師應(yīng)該給予學(xué)生及時(shí)、客觀的評價(jià)和反饋，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力探究物理現(xiàn)象。

六、結(jié)語

總而言之，初中物理模型教學(xué)是學(xué)生了解物理基本知識的基礎(chǔ)上開展物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，對學(xué)生的能力培養(yǎng)具有重要作用。知識可視化教學(xué)能夠?yàn)槲锢砟Ｐ徒虒W(xué)提供助力。因此，為了提高物理模型教學(xué)質(zhì)效，教師可以采用知識可視化教學(xué)法開展模型教學(xué)，讓學(xué)生掌握一定的模型操作技能，提升其物理素養(yǎng)。