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        利用思維可視化突破高中物理教學難點

        2019-11-13 08:50:52
        物理之友 2019年9期
        關鍵詞:安培力導圖可視化

        (江蘇省常州市第一中學,江蘇 常州 213003)

        物理學科中有很多的教學難點都是一些抽象的、邏輯復雜的物理知識點,給學生造成了一定的學習障礙。利用思維可視化,讓學生本來很難領悟的知識再現(xiàn)在學生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi),能夠增強學生克服困難的信心。思維可視化是指運用圖示、圖表、模擬動畫等方式把本來不可見的思維信息(思考方法和路徑)呈現(xiàn)出來,使其清晰可見的過程。錢學森主張要建構一門形象思維的學科,把形象(直感)思維作為思維科學的突破口??茖W思維作為物理學科核心素養(yǎng)的一個重要方面,在教學中思維可視化是提升學生科學思維能力的重要途徑。

        1 思維可視化的特征與功能

        Mayer說過:“學生從文字和圖片中學習比單獨從文字中學習效果更好?!彼季S可視化把抽象知識用形象的圖表、圖形、圖像以及實驗等可視化手段表達出來,大大地提高了知識的可理解性、可識別性,使知識更容易被記憶、理解、加工和運用。在這個過程中,教學難點往往能夠在基于可視化的教學方法中輕易化解,學生學得更加容易,教師教得也愈發(fā)輕松。

        思維可視化具有以下特征:

        (1) 直觀化與結構化。思維的可視化充分調(diào)動了學習者的形象思維,利用一些直觀的實驗、圖表等讓抽象的內(nèi)容具體形象化,利用思維導圖、認知地圖等幫助學生理順知識邏輯,讓學生腦中零散的知識結構化。

        (2) 深度化與本質(zhì)化。思維可視化能夠使學生更加容易發(fā)現(xiàn)知識與知識的聯(lián)系,深入了解知識之間的關系,深刻理解其本質(zhì)。

        思維可視化的功能強大,可以暴露學生的思維障礙。通過可視化的手段,如讓學生將作業(yè)用實物投影展示,或直接到黑板上板演解題過程,能很容易發(fā)現(xiàn)學生在解題時的思維障礙,從而讓教師更加有效地探知學生的實際困難,使教學更加具有針對性。教師的思維可視化可以展現(xiàn)教師的思維軌跡,教師通過板書、Flash、思維導圖等將自己的教學設計思路展示出來,可以讓學生能夠清晰地看到教師的思路,讓師生達到共知,幫助學生消除思維障礙。

        2 物理教學中思維可視化的手段

        不同學者對知識可視化的工具分類不同,形式多樣,常用的有:表格(Excel)、流程圖(Flow Charts)、概念圖(Concept Map)、思維導圖(Think Maps)、概念卡通(Concept Cartoons)、認知地圖(Cognitive Map)、科學實驗(Scientific Experiments)等。筆者對思維可視化在高中物理難點教學中應用的內(nèi)容、典型方法進行了探索與梳理,并以其中的實驗、模擬動畫、思維導圖為例說明。

        2.1 實驗

        “實驗探究”是重要的科學研究方法,也是思維可視化的一個重要載體。很多老師都有這樣的體會:反反復復講解要用十幾分鐘,用演示實驗可能一分鐘就完成了,效果也好得多。

        例如對于探究安培力的方向,高中物理實驗室里通常用的裝置如圖1、圖2所示,可以看到的現(xiàn)象是接通電源后線框向右擺動、導體棒向左滾動,由此輔證左手定則的教學。

        上課時有學生提出:假如安培力不是嚴格沿著水平方向,而是具有豎直方向的分量,也可以得到同樣的實驗結論。在教師的啟發(fā)下一部分同學利用正交分解的思路設計了實驗,裝置如圖3所示,將線框用細金屬絲與豎直懸掛的力傳感器相連,在線框底部打孔,穿入細金屬絲后與水平方向的力傳感器相連,這樣的固定方式使得線框水平方向與豎直方向的受力相互獨立。再將線圈與低壓直流電源相連,多次接通、斷開電路并觀察兩個力傳感器示數(shù)的變化。如果安培力沿水平方向(如圖4),是否通入電流只會影響x方向上力傳感器的讀數(shù),而不會影響y方向上力傳感器的讀數(shù),顯示的Fx-t、Fy-t圖像如圖6所示。如果安培力有豎直方向上的分量(如圖5),那么x、y方向的傳感器的讀數(shù)均會發(fā)生變化,這樣就巧妙地將檢驗安培力的方向轉化為用豎直、水平方向上的力傳感器的讀數(shù)來直觀呈現(xiàn)。

        圖1

        圖2

        圖3

        圖4

        圖5

        圖6

        2.2 模擬動畫

        模擬動畫是一種重要的思維可視化手段,在教學中使用的比較多的主要有幾何畫板、flash等。在必修2勻速圓周運動的學習中,有同學經(jīng)常被類似例1的題目所難住。

        圖7

        例1:如圖7所示,自行車的大齒輪、小齒輪、后輪的半徑不一樣,它們的邊緣有三個點A、B、C在自行車正常騎行時,下列說法正確的是( )。

        A.A、B兩點的角速度大小相等

        B.B、C兩點的線速度大小相等

        C.A、B兩點的向心加速度大小之比等于它們所在圓周的半徑之比

        D.B、C兩點的向心加速度大小之比等于它們所在圓周的半徑之比

        其實學生都有騎自行車的經(jīng)驗,但是很多同學都沒有認真觀察過。有些老師會將自行車倒扣在講臺上讓學生觀察。但由于距離比較近時才能看清楚,課堂直接演示的效果比較差,更加適合學生課后去研究。筆者在教學中用幾何畫板畫出了如圖8的動態(tài)演示,巨幅的動態(tài)圖展示在幕布上,只要輕輕一點讓自行車旋轉起來,學生很容易從現(xiàn)象中得到結論。同樣,在之前還可以用幾何畫板做出課件,研究同軸轉動和皮帶傳動作為本題的鋪墊。

        圖8

        2.3 思維導圖

        在電學實驗的教學過程中,學生反映實驗比較多,內(nèi)容比較繁雜,很難找出它們之間的邏輯聯(lián)系。經(jīng)過梳理發(fā)現(xiàn),其實大多電學實驗都是圍繞伏安法測電阻展開的?;仡檶W生已有的知識儲備,在初中學生已經(jīng)學習過伏安法測電阻。高中主要在電流表、電壓表的內(nèi)阻以及滑動變阻器的接法上進行了拓展。

        圖9

        電表的內(nèi)、外接和滑動變阻器的分壓與限流接法是電學實驗的兩個難點。實驗中需要的基本器材是合適的電壓表與電流表(如沒有就要進行改裝),緊接著將電流分成兩個部分——測量電路與供電電路,分別在測量電路中突破電流表內(nèi)、外接的難點,在供電電路中突破滑動變阻器限流與分壓接法的難點,將描繪小燈泡的伏安特性曲線、測量金屬絲的電阻率、測量電源的電動勢與內(nèi)阻、歐姆表的原理、多用電表的使用等作為伏安法測電阻的應用。利用圖9將相關內(nèi)容全部串聯(lián)起來,通過這張思維導圖,學生就會發(fā)現(xiàn)其實電學實驗的邏輯性很強,有利于學生以伏安法測電阻為主線,建構起整個電學實驗的知識結構。

        3 結語

        在將思維可視化應用到物理教學中時,可以把多種方法融合起來展示。引導學生進行思維可視化嘗試,學生在進行思維可視化過程中容易暴露出問題,這樣老師可以進行有針對性的指導。關注最新的可視化工具,PPT是一個常用的可視化工具,直觀性很強,但是邏輯性不足,很多類似的工具可以彌補其不足,如Fousky、Storyline等。

        我國基礎教育課程改革正在不斷深化,在課改理念指引下,教學方式、學習方式、師生互動方式都在發(fā)生改變。在學科融合的背景下,大力倡導信息技術與課程的整合,大力推行教師專業(yè)化發(fā)展,可見思維可視化的提出也是適逢其時。

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