王素云 陳祖標(biāo) 陳健俤 戴穎 陳美玲 王屹南

摘 要：福建師范大學(xué)物理新思維工作室攜手一線的物理教師，協(xié)同開展知識可視化與思維可視化的研究與實踐，在邊研究邊實踐的基礎(chǔ)上，逐漸“摸清”并“滲透”物理的“機理脈絡(luò)”與“思維特性”，首次提出物理思維雙核構(gòu)架模型及新思維具象法。運用新思維具象法所繪制的新思維具象圖，借助擬人化或擬物化的圖形方式，將原本看不見的、抽象的學(xué)科知識的邏輯關(guān)聯(lián)、結(jié)構(gòu)脈線以及思維路徑，轉(zhuǎn)化成為具象化的、貼切的圖形表達(dá)，從而實現(xiàn)物理知識與物理思維邏輯的高度融合與統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：物理思維；雙核構(gòu)架；可視化；具象

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）11-0015-4

1 提出全新的思維理論構(gòu)架：物理思維雙核構(gòu)架模型

眾所周知，初中學(xué)段是一個人成長成才的關(guān)鍵時期，它恰逢青少年叛逆期，又是自然科學(xué)分科教育的起始階段。在這一時期，很多學(xué)生往往會因身心發(fā)展的急劇變化或因新課程學(xué)習(xí)難度的驟然提升，而對學(xué)習(xí)產(chǎn)生不適應(yīng)感，甚至茫然失措，進而時常發(fā)出“物理為什么這么難學(xué)”的感嘆。物理“難”就難在其“抽象性”上，因為抽象，所以難懂；因為難懂，所以難學(xué)。既然是問題倒逼，那就從問題入手。既然說物理很抽象，那就盡量讓物理變得不抽象或者不那么抽象。

經(jīng)過課題組成員的多年研究與探索發(fā)現(xiàn)，學(xué)生認(rèn)為物理難學(xué)的根本原因，除了物理課程本身的特點之外，還有一個關(guān)鍵的因素是學(xué)生的思維路徑與學(xué)習(xí)方法的不科學(xué)、不靈動。鑒于此，新思維團隊就基于物理學(xué)科的思維特性，從理論層面首次提出物理思維的“雙核構(gòu)架模型”（見圖1）。

從學(xué)理上來分析有關(guān)物理學(xué)科的“思維特性”和“肌理脈絡(luò)”，所謂物理，其實就是“物”+“理”?！拔铩奔词篱g萬物，大到宇宙，小到粒子，看得見摸得著的謂之“物”，透過“物”，能夠直接通達(dá)“物”之運動的本質(zhì)和規(guī)律，就是“理”；既看不見也摸不著的，則暫時以“混沌”的狀態(tài)存在著，如果通過科學(xué)實驗或理論計算，也能夠找到和發(fā)現(xiàn)其中“物”之運動的本質(zhì)和規(guī)律，并以圖像模型或數(shù)學(xué)模型的方式表示出來，這同樣也是“理”。在現(xiàn)實物理世界中，我們既可以通過具物化或具象化或數(shù)形化的方式，來觀察、測量、分析、思考、歸納和演繹，從而得出“理”，同樣也可以通過科學(xué)實驗和理論計算，將“理”“還原”為或具物或具象或數(shù)形的一個過程。由此可見，物理思維的“具象性”和“數(shù)理性”既相對自成條塊，又相互交叉融合，共同構(gòu)成一個有機的整體。這其中，數(shù)理思維的最高層級即數(shù)理直覺，體現(xiàn)了創(chuàng)造性思維因高度聚合而產(chǎn)生的“靈光乍現(xiàn)”，其結(jié)果往往是一個創(chuàng)造新知識的過程，這便是人們常說的“靈感”。從這個意義上講，“物”+“理”，即“具象性”和“數(shù)理性”，完美構(gòu)設(shè)了物理思維的雙核結(jié)構(gòu)。這就是“物理思維雙核構(gòu)架模型”所要表達(dá)的要義及思想。新思維研究團隊從圖1中得到啟發(fā)：對于初學(xué)物理者，為了降低其學(xué)習(xí)物理的難度，可以從具象性入手，通過借助具物化、具象化、數(shù)形化的手段，把抽象的物理知識脈絡(luò)及邏輯關(guān)聯(lián)以形象、生動的方式貼切地表達(dá)出來，這是幫助初學(xué)者學(xué)好物理的關(guān)鍵一步，同時也是物理新思維團隊研究的關(guān)鍵問題。

2 理論基礎(chǔ)：本質(zhì)是知識可視化與思維可視化的統(tǒng)一

可視化一詞來源于英文的“visualization”，原意是“可看得見的、清楚的呈現(xiàn)”，也可譯為“圖示化”。事實上，將任何抽象的事務(wù)過程變成圖形圖像的過程，都可以稱為可視化。圖片直觀、形象化的展現(xiàn)方式為學(xué)生提供了一種圖示（Scheme）。皮亞杰認(rèn)為，圖示可以幫助學(xué)生更深入地理解所學(xué)的知識，加快對知識的理解、學(xué)習(xí)進度[1]。思維可視化是指以圖示或圖示組合的方式，將原本不可見的思維路徑、結(jié)構(gòu)、方法及策略呈現(xiàn)出來，使其變?yōu)榍逦梢姷倪^程[2]。通俗地講，就是把大腦中的思維“畫”出來的過程。知識可視化則是研究怎樣用視覺表征增進知識在不同人間傳播的相關(guān)技術(shù)、方法、理論等。其實質(zhì)是將人們的個體知識以圖解的手段表示出來，形成能夠直接作用于人的感官的知識外在表現(xiàn)形式，從而促進知識的傳播和創(chuàng)新。經(jīng)過分析可知，知識可視化和思維可視化理論很好地支持了“物理思維雙核構(gòu)架模型”的觀點。

正是基于物理思維雙核構(gòu)架模型和可視化理論兩方面的分析，以及多年來對中學(xué)物理抽象難學(xué)的深入觀察與思考，“物理新思維工作室”研究小組先后與福建省晉江市和永安市結(jié)成戰(zhàn)略協(xié)作聯(lián)盟，攜手兩個縣市的多所中學(xué)的一線物理教師，協(xié)同開展知識可視化與思維可視化相結(jié)合的研究與實踐。經(jīng)過六年來的努力，他們一邊把課堂教學(xué)中常用的概念圖、知識樹、問題塔、圖像、表格以及東尼·伯贊的思維導(dǎo)圖等圖示方法的優(yōu)勢和特性雜糅起來，同時將結(jié)構(gòu)化思考、邏輯思考、辯證思考、理解性記憶、追問意識等思維方式有機地融合進去，在國內(nèi)第一次提出“新思維具象法”，并運用這種新方法進行五個班級的再造課堂實驗，取得了非常明顯的成效。與此同時，他們也在持續(xù)深入的研究和實踐中，不斷深化和發(fā)展對這種新方法的認(rèn)知，最終將“新思維具象法”定義為：通過深入地理解性邏輯與結(jié)構(gòu)化思考，借助擬人化或擬物化的圖形方式，將物理公式、定理或某一特定知識模塊中原本看不見的、抽象的學(xué)科知識的邏輯關(guān)聯(lián)、結(jié)構(gòu)脈線以及思維路徑，轉(zhuǎn)化成為具象化的、貼切的圖形表達(dá)，從而達(dá)到物理知識架構(gòu)與物理思維邏輯架構(gòu)的高度融合與統(tǒng)一。因其“形”“神”表達(dá)的一致性、新穎性與靈動性，且與物理教學(xué)存在著天然的共通性、兼容性與適切性，故稱之為“新思維具象法”。以新思維具象法理念為指導(dǎo)所繪制的圖形統(tǒng)稱為新思維具象圖。

值得特別指出的是，新思維具象法定義中提出的“借助擬人化或擬物化的圖形表達(dá)”，是基于學(xué)科知識本身的邏輯關(guān)聯(lián)來決定其圖形的外在輪廓及其內(nèi)在聯(lián)系的。因此，它首先是貼切的，并且能夠是發(fā)散的，也可以是交叉的，還可以是閉合的，充分呈現(xiàn)出它的靈活性與靈動性，因而它不僅保持和延展了傳統(tǒng)可視化圖形手段的優(yōu)點與長處，同時又避開和克服了它們的缺點與短處，可以說，新思維具象圖是對傳統(tǒng)圖示手段“揚”優(yōu)“補”缺的結(jié)果，真正體現(xiàn)形與神的統(tǒng)一，達(dá)到了內(nèi)隱知識外顯化、外顯知識生動化的兩個重要目標(biāo)。

3 新思維具象法的應(yīng)用舉例

以新思維具象法理念所繪制的圖形，體現(xiàn)了抽象思維、形象思維與直覺思維交叉作用、動態(tài)互補的過程。在實際應(yīng)用中，繪圖的主要步驟如下：1.分析、整理知識模塊；2.經(jīng)過深入地思考與推理，按照知識本身的邏輯關(guān)聯(lián)進行結(jié)構(gòu)脈線的初步排布；3.將排列出的圖形輪廓加以擬人或擬物化，通過具象化的圖形表達(dá)，提高知識在不同人之間的傳播效率。

下面通過一幅新思維具象圖（如圖2所示），具體說明其在概念教學(xué)中的應(yīng)用。

在初中物理學(xué)中，“功率”和“機械效率”是為了描述“功”在某些方面的性質(zhì)而引入的，這兩個物理量因為描述相同的事物而相關(guān)，但它們相互之間并不是因果關(guān)系。學(xué)生在對具有相關(guān)關(guān)系的物理概念進行學(xué)習(xí)時，容易混淆。為了幫助學(xué)生理清相關(guān)概念，加深對概念的理解，教師繪制了該新思維具象圖。

初中生容易對上述兩個概念產(chǎn)生混淆，據(jù)調(diào)查分析大致有如下兩個原因：1.這兩個概念都是《機械與人》這一章的知識，都是為了描述功在某些方面的性質(zhì)引入的；2.兩個物理概念都有一個“率”字，學(xué)生若沒有深入理解其物理意義，機械地記住了相關(guān)計算公式，日久便會混淆亂用。為了幫助學(xué)生有效地學(xué)習(xí)，真正地理解知識的內(nèi)涵，了解物理概念建立的背景及每個物理概念引入的必要性，教師從它們的本源概念——“功”講起。物體能夠?qū)ν馐┝Γ⑶以诹Φ姆较蛏弦苿恿艘欢尉嚯x，即可說這個物體或者這個力有做功，計算公式：W=Fs。既然機械能夠?qū)ν庾龉Γ谏a(chǎn)生活中人們必然要考慮做功的快慢以及總功被有效利用的程度。為了研究做功的快慢，物理學(xué)家利用比值定義法，將功與時間的比定義為功率，本質(zhì)即為比較1個單位時間內(nèi)力所做的功；為了研究做的總功被有效利用的程度，物理學(xué)家遵循比值的思想，將有用功與總功的比值定義為機械效率，本質(zhì)即為有用功占據(jù)總功的比例。綜上分析，這兩個概念都是從“功”的概念衍生出來的，它們具有相關(guān)關(guān)系，但并沒有因果關(guān)系。為了進一步幫助學(xué)生理清其內(nèi)部的聯(lián)系，教師利用表格的方式從定義、物理意義、公式、單位、結(jié)果五個方面進行對比分析。

經(jīng)過分析整理后，圖形的輪廓已顯現(xiàn)出來，為了讓圖形更加生動可愛，加深學(xué)生的記憶，提高知識的傳播效率，進一步對思維圖進行擬人或者擬物化。由于機械能夠?qū)ν庾龉?，而汽車是簡單機械組裝而成的復(fù)雜機械，因此可以選用小車的輪廓對思維圖加以擬物化。從圖中的右邊說起（圖2），小車能夠?qū)ν庾龉?，人們必然關(guān)心做功的快慢和做功的效率。利用汽車的后輪代表功率，汽車在行駛的過程中，由于存在摩擦和機械本身有重力等原因，需要額外做功，伴隨產(chǎn)生了有關(guān)效率的問題，因此用前輪代表機械效率。由此展開，進一步借用鋪砌在路面上的五層水泥磚，由上向下分別代表功率和機械效率的五個方面：定義、物理意義、公式、單位、結(jié)果。這樣，一輛行駛在五層磚路面上的小車，就構(gòu)成了一幅栩栩如生的汽車，生動活潑地展示了兩個相關(guān)的物理概念與本源概念——“功”之間的緊密聯(lián)系，以及它們在各方面的區(qū)別。

4 總 結(jié)

“機械小車”一圖從五個方面對“功率”和“機械效率”這兩個相關(guān)概念進行對比分析，并且將它們與本源概念——“功”之間的關(guān)聯(lián)進行整理說明，讓學(xué)生深入了解每個物理量引入的背景和意義。這幅具象圖通過綜合運用各種物理思維方法，對相關(guān)知識模塊進行歸納并整合，是一幅充分體現(xiàn)了發(fā)散思維與集中思維相結(jié)合特征的知識群落思維圖。

在合作校的一線教學(xué)中，新思維具象圖在規(guī)律教學(xué)、實驗教學(xué)、復(fù)習(xí)課中已有廣泛的應(yīng)用，教師應(yīng)該充分重視可視化圖形工具對學(xué)習(xí)的積極影響。在教室內(nèi)，我們常常會遇到這樣的情形：有的學(xué)生不會撰寫優(yōu)美、流暢的文字，卻能通過意境雋永、思想豐富的圖畫來表達(dá)自己對某個問題的理解。科學(xué)家愛因斯坦的想法也都是以或多或少的清晰的圖像呈現(xiàn)的，他坦言自己有時候很難將某一觀點寫成文字。人類歷史上，許多偉大的發(fā)現(xiàn)即是開始于一個清楚的圖像想象，例如，愛因斯坦廣義相對論的雛形來源于想象自己駕駛著飛船航行于宇宙間，牛頓把宇宙視為由各部分彼此關(guān)系所集合的一架機器……[3]物理新思維具象法一方面可以將豐富、抽象的知識關(guān)聯(lián)變得清晰、易見、可愛，加強了接受者對內(nèi)容的理解與記憶；另一方面，建構(gòu)的圖示也與大腦思維產(chǎn)生共振，多種思維方式、思維方法交替、層疊相互作用，充分鍛煉學(xué)生的抽象思維和形象思維等能力，從而進一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

參考文獻：

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[2]劉濯源.基于未來課堂的思維可視化研究[J].技術(shù)與應(yīng)用，2013（1）：83-84.

[3]劉冬巖， 林冰冰. 有“眼光”的教與學(xué)——視覺思維與課堂教學(xué)研究[M]. 廈門：廈門大學(xué)出版社， 2014：2-5.

（欄目編輯 趙保鋼）