利用思維可視化突破初中冰水混合液面升降問題求解疑難

朱福菊 王酉順 何學(xué)美 姚 斌

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650092)

1 引言

思維可視化是指運用一系列圖示技術(shù)把本來不可見的思維(思考方法和思考路徑)呈現(xiàn)出來，使其清晰可見的過程[1]，即將大腦中的思維“畫”出來.利用思維可視化方法把復(fù)雜問題的思考程序進(jìn)行可視化拆解，可以快速找出學(xué)生思考問題時的障礙，便于針對性地提出解決方案，助力學(xué)生思維發(fā)展.眾多研究顯示，思維可視化是訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的有效途徑之一[2～6].

冰水混合液面升降雖然是生活中的常見現(xiàn)象和各類考試中的重要考查內(nèi)容，但由于這類問題的現(xiàn)象不太明顯，需要的觀察時間也較長，往往導(dǎo)致學(xué)生在建立完整的物理思維過程中困難重重.本文在思維可視化視域下，把浮冰溶化后液面的升降問題生成形象的魚骨圖，引導(dǎo)學(xué)生逐步展開形象化思考，形成對液面升降問題的系統(tǒng)認(rèn)識，最終在學(xué)生頭腦中構(gòu)建一個完整的思維可視化解題過程.

2 冰水混合液面升降問題中的思維可視化解題策略

解答問題需要從本質(zhì)入手.對于冰水混合液面升降問題，無論是“升”還是“降”，關(guān)鍵在于確定是由什么因素引起液面高度的變化.究其原因，液面的“升”“降”取決于冰化成水后這部分水的體積V排2與未溶化且漂浮時所排開的水的體積V排1之比.因為浮力F浮=ρ液gV排，當(dāng)液體密度不變時，浮力大小只取決于物體所排開液體的體積，所以比較前后狀態(tài)V排的大小就確定了液面高度的變化.確定好這一解題關(guān)鍵后即可運用思維可視化方式將研究對象的相關(guān)物理量層層拆解，根據(jù)時間或空間的順序畫出各個分支，明確各個物理量之間的關(guān)系，最后利用思維可視化工具——魚骨圖，將物理問題中的關(guān)系圖示化，以突破求解疑難.繪制的思維導(dǎo)圖如圖1所示.

圖1 冰水混合物液面升降解題思維圖

冰水混合物液面升降問題的思維可視化解題策略魚骨圖如圖1所示.魚骨圖的中間部分為解題的關(guān)鍵信息點，通過這些關(guān)鍵信息點可以把復(fù)雜問題分解為若干個簡單問題.魚骨的上下兩側(cè)分別為策略分析過程和條件轉(zhuǎn)化過程.借助解題魚骨圖，可以引導(dǎo)學(xué)生掌握清晰的思考程序，把復(fù)雜過程分解為簡單步驟，形成高效的解題策略.

3 應(yīng)用思維可視化解題策略的3個實例

3.1 冰化成水后液面的升降問題

(1)學(xué)生思維障礙

初中學(xué)生在遇及此類問題時，會受到思維定勢的影響，認(rèn)為冰是漂浮在水面上，有部分露出水面，化成水后露出部分會使液面升高.

(2)傳統(tǒng)講解

如圖2所示，冰塊漂浮在水面上，F(xiàn)浮=G冰，冰化成水后，F(xiàn)浮=G水=G冰；浮力相等所以V排不變，液面不變.

圖2 冰水混合物模型

解題推導(dǎo)過程如圖3所示.

圖3 傳統(tǒng)講法解題推導(dǎo)圖

分析：學(xué)生剛接觸此類問題時，對于浮力與體積的關(guān)系還沒有很好的界定，會導(dǎo)致學(xué)生聽時明白，過后再獨立分析題時又會進(jìn)入思維定勢，且遇到稍復(fù)雜的此類問題時會造成思維混亂，不利于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展.

(3)思維可視化方式解析

在圖1冰水混合液面升降解題魚骨圖的指引下，結(jié)合圖2模型，把液面升降問題分析轉(zhuǎn)化為求前后狀態(tài)V排1和V排2的體積比較，體積又由浮力來推導(dǎo)計算，形成如圖4的解析.

圖4 思維可視化方式解題推導(dǎo)圖

分析：相較于傳統(tǒng)解答，在思維可視化方式指引下，教師也可以直觀看到學(xué)生的解題思路，進(jìn)行及時有效的反饋，提高學(xué)習(xí)效率.學(xué)生從中也能鍛煉解題的思維程序，同時將思維程序遷移到其他復(fù)雜問題的解答中.

3.2 冰塊中含有木塊的液面升降問題

(1)學(xué)生思維障礙

冰塊中含木塊的模型如圖5所示.因為ρ木<ρ水，分析木塊最終會漂浮于水面，大多學(xué)生會認(rèn)為此時液面會下降.

圖5 冰塊含有木塊模型

(2)思維可視化方式解析

冰塊中含木塊的液面升降問題用思維導(dǎo)圖可視化解析如圖6所示.

圖6 冰塊中含木塊的液面升降問題的解題推導(dǎo)圖

分析：物理教學(xué)中要注重對學(xué)生思維邏輯的培養(yǎng)，利用思維可視化方式教會學(xué)生如何思考問題，并在解決問題的過程中不斷訓(xùn)練完善學(xué)生的思維邏輯，切實提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，有效帶動學(xué)生思維能力的提升.

3.3 冰塊中含有鐵塊的液面升降問題

(1)學(xué)生思維障礙

冰塊中含鐵塊的模型如圖7所示.因為ρ鐵>ρ水，鐵塊最終會沉入水底，致使大多學(xué)生會認(rèn)為此時液面會上升，導(dǎo)致出錯.

圖7 冰塊含有鐵塊模型

(2)思維可視化方式解析

冰塊中含鐵塊的液面升降問題解題思維導(dǎo)圖如圖8所示.

圖8 冰塊中含鐵塊的液面升降問題解題推導(dǎo)圖

分析：通過解題思維魚骨圖，把液面升降問題最終簡化為求浮力問題，降低了求解動態(tài)問題的難度.各類冰水混合物液面升降問題的求解雖存在差異，但在圖1思維可視化魚骨圖指引下的解題思路可以推而廣之，進(jìn)而讓學(xué)生輕松學(xué)習(xí)的同時，促進(jìn)高階思維發(fā)展，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

4 結(jié)論

“重知識而輕思維”的教學(xué)方式危害巨大，會使學(xué)生長期處于淺思考、不思考的狀態(tài)，久而久之，學(xué)生的思維發(fā)展必然受阻，思維能力必然弱化，思維深度必然受限，學(xué)生核心素養(yǎng)的有效發(fā)展也必然受到抑制[7,8].通過引入思維可視化，把教學(xué)重點從注重知識層面向思維層面轉(zhuǎn)移，促進(jìn)或迫使師生共同思考，以此產(chǎn)生思維共振.思維可視化教學(xué)可以為初高中學(xué)習(xí)搭建一個臺階，借助思維工具，創(chuàng)設(shè)問題情境，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的深度發(fā)展，逐步幫助學(xué)生有效提升抽象思維能力.