高中物理教學(xué)中知識(shí)可視化的實(shí)踐探究

摘?要：在高中物理學(xué)習(xí)階段，物理知識(shí)大多是比較抽象的，但運(yùn)用知識(shí)可視化模式可以把抽象的物理過程變成有利于被學(xué)生認(rèn)知的圖形，從而有助于學(xué)生更容易理解并掌握知識(shí)。文章基于知識(shí)可視化模式，探討如何借助可視化手段開展課堂教學(xué)、優(yōu)化教學(xué)過程，即探討了在圖示和模型的幫助下建構(gòu)概念和突破難點(diǎn)的策略。

關(guān)鍵詞：知識(shí)可視化;可視化教學(xué);實(shí)踐研究

高中物理教學(xué)運(yùn)用知識(shí)可視化模式，是指構(gòu)建圖形、圖像和文文章字等多樣化的信息元素呈現(xiàn)較為復(fù)雜、抽象的物理知識(shí)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生更好地理解物理知識(shí)。常言道：“一圖勝千言”，就是說人們對(duì)圖像視覺的理解記憶效果比文本快得多。知識(shí)可視化教學(xué)具有直觀形象的特點(diǎn)，可以大大降低內(nèi)容的抽象性和復(fù)雜性。更讓學(xué)生的物理學(xué)思維從零散走向結(jié)構(gòu)，從膚淺走向深刻。從而有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，更好地落實(shí)課程目標(biāo)。

一、 高中物理教學(xué)知識(shí)可視化模式的理論基礎(chǔ)

2004年瑞士盧加諾大學(xué)教授馬丁·愛普提出知識(shí)可視化理論。知識(shí)可視化是指可以用來構(gòu)建、傳達(dá)和表示復(fù)雜知識(shí)的圖形、圖像手段，通過視覺表征形式促進(jìn)知識(shí)的傳播與創(chuàng)新。他提出視覺傳播與視覺認(rèn)知是知識(shí)可視化的理論基礎(chǔ)。無論是知識(shí)可視化設(shè)計(jì)還是應(yīng)用，視覺表征都是這個(gè)過程中的關(guān)鍵部分。

知識(shí)可視化作為教育理念，在課堂教學(xué)中應(yīng)用可視化素材設(shè)計(jì)詳盡的圖形框架，將學(xué)生學(xué)習(xí)過程可視化。知識(shí)可視化作為學(xué)習(xí)工具，能改變學(xué)生的認(rèn)知方式，促進(jìn)學(xué)生有意義學(xué)習(xí)。

二、 高中物理“知識(shí)可視化”模式的教學(xué)實(shí)踐

知識(shí)可視模式在物理教學(xué)實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用，例如在教學(xué)設(shè)計(jì)、課堂教學(xué)、學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變等方面。在課堂教學(xué)中可以用圖形直觀展示，使抽象的問題形象化，在突破難點(diǎn)中有積極作用。同時(shí)也促進(jìn)了學(xué)生的思維發(fā)展，改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高了學(xué)生課堂的參與度。下面是幾個(gè)具體案例：

（一）用“知識(shí)可視化”的圖形構(gòu)建復(fù)雜的物理過程，培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力

運(yùn)用知識(shí)可視化理念設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)圖景運(yùn)用于教學(xué)中，更能激發(fā)學(xué)生的興趣，便于學(xué)生觀察、聯(lián)想和想象，有利于學(xué)生產(chǎn)生頓悟，感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)幾乎是同時(shí)發(fā)生的。

案例一：如圖1（a）所示，在研究平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們用運(yùn)動(dòng)的合成與分解的方法，把平拋運(yùn)動(dòng)分解為水平方向的勻速運(yùn)動(dòng)和豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)。為了使學(xué)生對(duì)兩個(gè)方向的分運(yùn)動(dòng)有更直觀的理解，我們可以參照?qǐng)D1（b）所示圖形，可以直觀形象地看到：水平方向的速度是不變的，豎直方向的速度是逐漸增大的，兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立、互不影響。

案例二：在學(xué)習(xí)開普勒第二定律時(shí)，人教版教材必修二課本上的插圖不夠直觀。如果用如圖2所示，就更加直觀反映太陽雨行星的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等。也可以直觀地說明行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)不是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，而是在近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的快，在遠(yuǎn)日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的慢（可以根據(jù)相等時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的弧長(zhǎng)判斷）。

（二）用“知識(shí)可視化”的思維導(dǎo)圖破解抽象的知識(shí)，突出教學(xué)重點(diǎn)

從教師教學(xué)角度來看，思維導(dǎo)圖可運(yùn)用于設(shè)計(jì)教學(xué)系統(tǒng)、教學(xué)方法，又可運(yùn)用于習(xí)題教學(xué)以及呈現(xiàn)經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)方法，也能用來進(jìn)行對(duì)每個(gè)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的回顧與復(fù)習(xí)。教師應(yīng)積極將思維導(dǎo)圖融入物理教學(xué)中，發(fā)揮其主導(dǎo)作用，讓學(xué)生了解到知識(shí)間的聯(lián)系并啟迪學(xué)生發(fā)散思維。使得學(xué)生在理解物理概念、物理規(guī)律，把握整體知識(shí)結(jié)構(gòu)中，能夠清楚掌握每節(jié)內(nèi)容的知識(shí)框架和重難點(diǎn)。

在物理習(xí)題教學(xué)中，思維導(dǎo)圖的應(yīng)用使物理量之間復(fù)雜的邏輯關(guān)系呈現(xiàn)直觀的特點(diǎn)，為學(xué)生分析和解決物理問題提供更為便捷的突破口。

1. 創(chuàng)設(shè)問題情境，建構(gòu)物理概念

在物理教學(xué)中，常有一些學(xué)生難以理解的概念和規(guī)律，我們可以借助于思維導(dǎo)圖突破難點(diǎn)，建立概念。如創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)置問題鏈，經(jīng)學(xué)生自主討論，逐步解決問題，從而幫助學(xué)生建立概念，有效發(fā)展學(xué)生的思維能力。

以高中物理教學(xué)中的加速度為例，加速度是運(yùn)動(dòng)學(xué)中極為抽象的概念，“它是人類認(rèn)識(shí)史上最難建立的概念之一，也是每個(gè)初學(xué)物理的人最不易真正掌握的概念?！睂?duì)于這樣一個(gè)抽象概念，我們很難利用日常的感覺經(jīng)驗(yàn)來建立這個(gè)概念。

2. 用知識(shí)可視化突破思維障礙

物理?xiàng)l件的隱蔽性往往會(huì)形成思維障礙。學(xué)生要突破這種思維障礙，除了掌握一些物理現(xiàn)象出現(xiàn)的條件，熟練掌握概念和規(guī)律外，我們?cè)诮虒W(xué)中可以采取知識(shí)可視化模式突破思維障礙，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

以高中物理教學(xué)中的“衛(wèi)星的變軌發(fā)射問題”和“赤道上的物體、近地衛(wèi)星和同步衛(wèi)星的速度比較”為例。

案例：如圖3所示，在圓軌道Ⅰ上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)衛(wèi)星在P點(diǎn)從圓軌道Ⅰ到橢圓軌道Ⅱ時(shí)，衛(wèi)星要發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)，需要點(diǎn)火加速。在Q點(diǎn)從橢圓軌道Ⅱ到圓軌道Ⅲ，衛(wèi)星也要發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)，需要點(diǎn)火加速。

但在實(shí)際教學(xué)中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生很容易出錯(cuò)。如果采用如圖3所示的思維導(dǎo)圖，學(xué)生就很容易理解了。

3. 構(gòu)建“知識(shí)可視化”的圖形，培養(yǎng)學(xué)生分析、綜合能力

在習(xí)題教學(xué)及復(fù)習(xí)的過程中，學(xué)生對(duì)抽象和復(fù)雜的物理問題往往束手無策，或者面對(duì)新型的題目無法理清解題思路時(shí)，我們可以借助于可視化教學(xué)，從而達(dá)到事半功倍的效果。

案例：如圖4所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，寬度為d，邊界為CD和EF。一電子從CD邊界外側(cè)以速率v0垂直勻強(qiáng)磁場(chǎng)射入，入射方向與CD邊界夾角為θ。已知電子的質(zhì)量為m，電荷量為e，為使電子能從磁場(chǎng)的另一側(cè)EF射出，求電子的速率v0至少多大？

本題用知識(shí)可視化方法：建立物理圖景（通過動(dòng)態(tài)圓）→由漸變到突變（注意約束條件）→臨界狀態(tài)（運(yùn)用幾何知識(shí)）→尋求極值。

三、 結(jié)語

在高中物理教學(xué)中，借助可視化手段的幫助，學(xué)生可以更輕松、更快捷地理解和掌握知識(shí)。所以，我們要充分挖掘可視化教學(xué)應(yīng)用的潛力，合理地使用知識(shí)可視化方法，根據(jù)不同的物理知識(shí)采用不同的教學(xué)策略，能夠最大限度地提升教學(xué)質(zhì)量，有效地落實(shí)課程目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙慧臣，王淑艷.知識(shí)可視化應(yīng)用于學(xué)科教學(xué)的新觀點(diǎn)[J].開放教育研究，2014（2）：4-10.

[2]賀全兵.可視化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].中國(guó)西部科技，2008（4）：4-7.

作者簡(jiǎn)介：

劉建政，江蘇省無錫市，江蘇省懷仁中學(xué)。