顧麗琴 上海市北蔡中學(xué)

“雙減”時(shí)代的到來，對教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式都提出了挑戰(zhàn)，要提高學(xué)習(xí)效率，不能再著力于知識的機(jī)械重復(fù)，必須尋找一種高效的記憶方式，挖掘知識點(diǎn)之間的聯(lián)系及思維規(guī)律，才能達(dá)到減負(fù)增效提質(zhì)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(jìn)行知識傳播的學(xué)習(xí)方式，很多領(lǐng)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(dá)，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(jìn)行知識可視化應(yīng)用的意義

物理是一門注重邏輯思維的學(xué)科，物理概念、物理規(guī)律、科學(xué)方法與科學(xué)思維等內(nèi)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(xué)習(xí)者有比較高的理解力、想象力以及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc綜合應(yīng)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(zhuǎn)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(diǎn)之間的脈絡(luò)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(xué)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(yùn)用了一些可視化工具。本文主要就思維導(dǎo)圖、信息技術(shù)、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(yīng)用

（一）思維導(dǎo)圖的應(yīng)用

思維導(dǎo)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(xué)生的認(rèn)知能力，完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)。筆者主要在單元內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)及課堂教學(xué)中使用。

1.教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)的使用

筆者在進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，要想規(guī)劃出合理的單元教學(xué)活動，需要先設(shè)計(jì)好單元教學(xué)活動框架，此時(shí)利用思維導(dǎo)圖整理出整個單元的教學(xué)邏輯，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)就能比較全面與合理。

例如在電路單元，我的思維導(dǎo)圖如圖1所示：

圖1

從圖1 所示的思維導(dǎo)圖中，可以看出電路這一章的核心知識點(diǎn)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(jié)合教學(xué)設(shè)計(jì)的六個基本要素，進(jìn)行單元的教學(xué)設(shè)計(jì)，就可以比較好地把握住本單元各個知識點(diǎn)之間的聯(lián)系。

2.課堂教學(xué)中的使用

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

例如，如圖2所示的實(shí)驗(yàn)題：

圖2

從知識點(diǎn)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(diǎn)單獨(dú)考查時(shí)，學(xué)生的準(zhǔn)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(xué)班正確率不到15%。究其原因，學(xué)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(dǎo)體電流與電壓關(guān)系”這個知識點(diǎn)轉(zhuǎn)移了，從而忽略了“研究導(dǎo)體電阻大小的影響因素”這個核心問題。

在題目評講時(shí)，筆者在一個教學(xué)班按一般解題思路講解，而在另一個教學(xué)班講解時(shí)，先利用思維導(dǎo)圖引導(dǎo)學(xué)生將題目中涉及的物理量之間的內(nèi)在關(guān)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(dá)到了71%，課堂的效率大大提高了。

從教學(xué)反饋來看，思維導(dǎo)圖是一種行之有效的知識可視化工具，可以有效提高學(xué)生對知識點(diǎn)的整理和掌握，平時(shí)在單元復(fù)習(xí)的時(shí)候，筆者也會幫助學(xué)生利用思維導(dǎo)圖將一個章節(jié)的知識點(diǎn)整理出來，有效梳理各個知識點(diǎn)的內(nèi)在關(guān)系，避免知識碎片化。

（二）“信息技術(shù)”的應(yīng)用

信息技術(shù)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(xué)上的應(yīng)用也非常普遍。筆者除了用一些常規(guī)信息技術(shù)輔助教學(xué)，還常利用編程軟件、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室等資源，將教學(xué)內(nèi)容變?yōu)閯赢?，或者將?shí)驗(yàn)搬上屏幕。直觀的畫面可以幫助學(xué)生有效降低認(rèn)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(shí)驗(yàn)中學(xué)生只能觀察到物距、像距以及成像特點(diǎn)，一倍焦距、兩倍焦距對應(yīng)的位置在實(shí)驗(yàn)中無法體現(xiàn)，學(xué)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(xué)生只能死記硬背，時(shí)間長了遺忘率非常高，以至于在初三的復(fù)習(xí)中，很多學(xué)生反映這部分內(nèi)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)出來，一倍焦距、兩倍焦距在主光軸上標(biāo)注了出來，上課時(shí)遇到凸透鏡成像的題目，學(xué)生可以直接用鼠標(biāo)將物體拖動到相應(yīng)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(zhǔn)備時(shí)，筆者也會利用這個程序，將物體放到隨機(jī)位置，讓學(xué)生復(fù)習(xí)像距與成像情況，也可以雙擊鼠標(biāo)，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(shè)置比較方便，呈現(xiàn)的界面清晰、操作便捷，大大增加了學(xué)生的參與度，也增加了課堂的趣味性，學(xué)習(xí)效率提高了不少。

2.網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的使用

圖4 所示是空中課堂中介紹過的一個網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室“NB 物理實(shí)驗(yàn)”的界面。它提供了很多元件，使用時(shí)可以選擇合適元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真度很高。針對初中物理實(shí)驗(yàn)，它呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果大都經(jīng)過了理想化處理，沒有了系統(tǒng)誤差的干擾，學(xué)生尋找規(guī)律變得更加容易。虛擬實(shí)驗(yàn)室讓實(shí)驗(yàn)不再受時(shí)間和空間的限制，將理論與實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，學(xué)生可以有更多機(jī)會去接觸實(shí)驗(yàn)、觀察現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律，形成高質(zhì)量的知識體系。

圖4

筆者在電路教學(xué)時(shí)會經(jīng)常將這個網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，彼此補(bǔ)充對方不足，實(shí)物實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生有更直觀的感受，在最初的課堂中，實(shí)物實(shí)驗(yàn)是不可替代的。隨著對各個元件以及連接技巧的熟悉，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)因其易準(zhǔn)備、易操作、現(xiàn)象快速、明顯等優(yōu)點(diǎn)，就可以用來替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生釋疑解惑。

例如，在遇到電流的安全問題時(shí)，有些學(xué)生不理解電路中的電流或電壓變大了會出現(xiàn)什么危險(xiǎn)，這個模擬實(shí)驗(yàn)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(wǎng)絡(luò)上的資源非常多，教師平時(shí)做個有心人，多學(xué)習(xí)、多積累，總能找到合適的、便于利用的相關(guān)資料用來輔助教學(xué)。

（三）自制圖譜的應(yīng)用

筆者在“電路”單元設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，它的核心知識點(diǎn)基本都是圍繞著電流、電壓、電阻三個物理量展開。但在教學(xué)過程中，筆者經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生學(xué)習(xí)非常認(rèn)真，公式、概念掌握得不錯，可是到應(yīng)用的時(shí)候就沒有了方向。如何幫助此類學(xué)生打開思路是筆者一直在思索的問題。經(jīng)過多次的實(shí)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(guān)系呈現(xiàn)出來，使用時(shí)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(shí)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(jì)算落實(shí)階段

學(xué)生在剛剛接觸電路計(jì)算，各個物理量之間的關(guān)系還不是很熟練，特別是學(xué)困生，記住幾個公式就要花費(fèi)很長時(shí)間。筆者在每節(jié)課的課堂作業(yè)環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生將自制圖譜寫在解題過程旁邊，既可以幫助學(xué)生記憶公式，也方便教師在第一時(shí)間獲得學(xué)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(xué)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(diǎn)的不同，讓此類題目成為很多學(xué)生的夢魘。

筆者在處理這個教學(xué)難點(diǎn)時(shí)，就利用了自制圖譜和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生找到電路中“不變”的物理量，以及引起變化的罪魁禍?zhǔn)住瑒幼冏杵髯柚?，后面的?jì)算就是前文所述的基本計(jì)算。這個方法幫助很多學(xué)習(xí)能力不足的學(xué)生解決了此類動態(tài)計(jì)算問題。

3.帶滑動變阻器的電路安全問題

這個階段很多學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生也會經(jīng)常犯錯，因?yàn)殡娐分械幕瑒幼冏杵鳌㈦娏鞅?、電壓表都有最大值的限制，在?jì)算中一個不小心就可能超過了某個元件的最大值，導(dǎo)致電路元件損壞，如不及時(shí)更換條件，計(jì)算勢必出錯。

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

4.電路故障

自制圖譜的使用不僅在計(jì)算和動態(tài)分析時(shí)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(shí)質(zhì)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(dǎo)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(dá)清楚，學(xué)生則可以動用視覺，代替部分抽象思維，將各個物理量的內(nèi)在關(guān)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(jì)算），都會利用自制圖譜，特別是復(fù)雜的、需要考慮問題多面性的題目時(shí)，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(xué)生而言，在使用自制圖譜后的正確率提高了很多，甚至學(xué)生在復(fù)習(xí)壓強(qiáng)時(shí)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(qiáng)的自制圖譜，但由于壓強(qiáng)題型復(fù)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(xué)生的正確率提高了很多。有學(xué)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(qiáng)的自制圖譜不能用在受力面積變化的壓強(qiáng)題中，還需要不斷探索、完善新的圖譜。

三、知識可視化應(yīng)用的啟示

（一）要以目標(biāo)為引領(lǐng)

在哲學(xué)家亞里士多德看來，技術(shù)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(shí)必須基于一個特定的目標(biāo)，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(jìn)行解讀時(shí)，找到的是“電流”這個目標(biāo)，也有教師會將“電路”作為目標(biāo)。目標(biāo)不同，知識點(diǎn)之間的聯(lián)系脈絡(luò)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?yán)们‘?dāng)?shù)目梢暬ぞ哌M(jìn)行輔助教學(xué)。

（二）要以方法來演繹

正如我們接觸的很多教學(xué)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(nèi)容都有合適的可視化工具表達(dá)。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(xué)設(shè)計(jì)的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)與重難點(diǎn)分解的能力。筆者對電路章節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，從開始的思維導(dǎo)圖應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)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(xué)內(nèi)容清晰演繹的過程。

（三）要以實(shí)效為追求

在自制圖譜的使用過程中，筆者經(jīng)歷了好幾個過程。剛開始的圖譜使用只是源于一部分學(xué)生公式使用不熟練，旨在幫助他們順利完成電路的簡單計(jì)算。后又看到一部分?jǐn)?shù)學(xué)計(jì)算及思維不敏捷的學(xué)生在電路動態(tài)分析時(shí)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(jì)算的安全性問題時(shí)，在圖譜上增加了各個元件最大值的標(biāo)注，使得圖譜的功能進(jìn)一步強(qiáng)大，不僅將串并聯(lián)電路中各個知識點(diǎn)可視化，還能將復(fù)雜的思維過程可視化，這是一個不斷完善、追求實(shí)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(xué)生深度學(xué)習(xí)，教師的潛能可以被充分激發(fā)，真正做到教學(xué)相長。

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