摘 要：知識可視化是通過視覺符號表征、創(chuàng)造并傳遞知識。解析了概念圖、動畫、示意圖、流程圖、維恩圖等可視化工具在高中物理“力學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用案例，并探討了知識可視化過程應(yīng)遵循的原則。

關(guān)鍵詞：知識可視化；高中物理教學(xué)；應(yīng)用案例

知識可視化作為學(xué)習(xí)工具，旨在改變學(xué)習(xí)者認(rèn)知的方式，促進(jìn)有意義的學(xué)習(xí)。筆者結(jié)合高中物理課程的特點，采用概念圖、圖畫和動畫幾種方式，舉例并論述了知識可視化在高中物理“力學(xué)”教學(xué)中的作用。

一、概念圖

概念圖是由康奈爾大學(xué)的Novak提出的，建立在奧蘇貝爾的有意義學(xué)習(xí)理論之上。它能表現(xiàn)和揭示知識結(jié)構(gòu)中的意義聯(lián)系，構(gòu)造一個清晰的知識網(wǎng)絡(luò)，便于學(xué)習(xí)者對整個知識架構(gòu)的掌握，有利于直覺思維的形成，促進(jìn)知識的遷移。概念圖是由節(jié)點和節(jié)點之間的連線構(gòu)成，能夠形象的表達(dá)概念與概念之間的邏輯關(guān)系，通過概念圖教學(xué)，有利于新舊知識的整合，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。在物理教學(xué)中，為了幫助學(xué)生形成完整的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，往往需要教師引導(dǎo)學(xué)生抓住知識的內(nèi)在聯(lián)系與要領(lǐng)，統(tǒng)攬全局，對所學(xué)的知識進(jìn)行整合，以形成良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

在物理“力學(xué)”教學(xué)中，可以使用概念圖將力學(xué)知識系統(tǒng)以整體、清晰的方式呈現(xiàn)出來，更有效地組織教學(xué)內(nèi)容，如圖1所示；可以編制導(dǎo)學(xué)案，將原來顯現(xiàn)在教師頭腦中的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理論和教學(xué)經(jīng)驗以可視化的形式表現(xiàn)出來，相當(dāng)于在虛擬的環(huán)境中完成了一次教學(xué)過程，使教學(xué)內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系、導(dǎo)學(xué)的程序一目了然；也可以診斷學(xué)生的前概念，引發(fā)認(rèn)知沖突，通過先行組織者，把課的內(nèi)容與學(xué)習(xí)者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來；還可以作為支持學(xué)生自主探索、鍛煉高階思維能力的學(xué)習(xí)工具。

二、圖畫

1.流程圖

流程圖由表征操作類型的圖框和表征操作順序的線條構(gòu)成，圖框中的文字和符號表示操作內(nèi)容，線條的方向表示先后次序。利用流程圖可以幫助學(xué)習(xí)者整理思路，清晰地梳理解題過程和方法。如圖2所示，是探討在蹦極過程中，高度、重力勢能、彈性勢能之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，采用循環(huán)結(jié)構(gòu)流程圖展示了各變量的相互影響與制約關(guān)系。

2.維恩圖

維恩圖是用來表示多個事物重疊關(guān)系的視覺表征形式。通常用圓來表征事物，事物的共同屬性在多個圓的交集上，不同屬性在對應(yīng)圓交集外的區(qū)域。在力學(xué)中，有許多相似概念，用維恩圖可以呈現(xiàn)概念之間的異同點，厘清它們之間的聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的概念辨別能力。如圖3所示，使用維恩圖展示了平衡力與相互作用力的異同，易于識別、記憶和理解。

3.示意圖

高中物理力學(xué)教學(xué)過程中經(jīng)常采用圖示法，例如，受力分析、運(yùn)動的位移圖像，速度圖像、振動圖像等。示意圖能夠?qū)⒐交蛘呶淖譄o法表述或表述不清的物理狀態(tài)、過程、規(guī)律呈現(xiàn)出來。尤其對于一些動態(tài)的、現(xiàn)實生活中無法觀察到的、艱澀抽象的物理現(xiàn)象，可通過物理方法和數(shù)學(xué)手段從實物中總結(jié)出來，并以圖示為載體將抽象的內(nèi)容形象化、概括化、直觀化，更有助調(diào)動學(xué)習(xí)者的雙腦思維，便于理解和應(yīng)用。如圖4所示的滑輪與杠桿共同構(gòu)成的復(fù)雜裝置，采用圖示的方式利于感知和識別問題。

4.圖片

圖片具有直觀性、趣味性和指導(dǎo)性的特點，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)求知欲，促進(jìn)學(xué)生對物理概念等知識的理解和記憶。物理教學(xué)中使用圖片不僅可以生動的展示物體的結(jié)構(gòu)、概念的內(nèi)涵，還可以直觀地反映不同變量間的變化過程。文字內(nèi)容要通過圖片解釋清楚，幫助在學(xué)生腦子中將抽象的內(nèi)容以圖片的形式記憶。同時，還應(yīng)注重以圖代文，采用生動活潑、圖文并茂、簡明直觀的方式，把物理與生活、社會聯(lián)系起來，體現(xiàn)人文精神并培養(yǎng)學(xué)生的情感價值觀。如圖5所示：在學(xué)習(xí)杠桿原理內(nèi)容時，采用圖片作為情境導(dǎo)入，可以激發(fā)學(xué)生的興趣，為什么“給我一個支點就能移動地球”？圖示中杠桿力臂的長短對比也給接下來要學(xué)習(xí)的知識點埋下了伏筆。

5.矩陣圖

矩陣圖是用行和列表示多維問題的表格，通過矩陣圖分析問題，確定關(guān)鍵節(jié)點，多因素綜合思考，可以有效地提高解決問題的效率，梳理各要素之間的關(guān)系，是常用的一種圖示方方法，如圖6所示，可以清晰地看出功隨時間的變化，即功率的變化。

三、動畫

動畫通常用于反映物體間或者內(nèi)部反應(yīng)原理及其過程。有些是客觀存在，但是由于條件限制，學(xué)習(xí)者無法用肉眼觀察到的物理現(xiàn)象，如分子運(yùn)動等。有些是在理想狀態(tài)下才能實現(xiàn)的物理現(xiàn)象，如在摩擦力為零的條件下，物體進(jìn)行勻速直線運(yùn)動。采用動畫可以幫助學(xué)習(xí)者有直觀的感官體驗，在形象思維與抽象思維之間建立連接，使學(xué)習(xí)過程更為簡明而有趣。如圖7所示，使采用Flash制作的交互性課件，學(xué)習(xí)者可以拖動選擇三種材質(zhì)的路面，觀察和計算小車在不同摩擦系數(shù)路面上的運(yùn)動狀態(tài)。

綜上所述，知識可視化工具不僅可以促進(jìn)知識和經(jīng)驗在師生之間的傳播，還能夠激發(fā)教學(xué)者與學(xué)習(xí)者的思維能力、記憶能力與創(chuàng)造能力。運(yùn)用知識可視化過程中不僅要關(guān)注知識本身的內(nèi)容和表現(xiàn)形式，還要對學(xué)習(xí)者進(jìn)行分析，結(jié)合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知與情感選擇行之有效的可視化工具與方法，最大限度地提升教的效果和學(xué)的質(zhì)量。

編輯 薛直艷