利用視覺線索支持物理概念教學(xué)的探討

張正嚴 黃 燕

(1.西南大學(xué)教師教育學(xué)院,重慶 400715;2.西南大學(xué)科學(xué)教育研究中心,重慶 400715)

“物理概念與規(guī)律是客觀事物的本質(zhì)屬性在人們頭腦中的反映,是物理事實的抽象與概括,是觀察、實驗與科學(xué)思維相結(jié)合的產(chǎn)物.”[1]在物理教學(xué)中教師基于學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中對物理事實已有的感性經(jīng)驗,引導(dǎo)學(xué)生對物理事實進行科學(xué)的觀察或?qū)嶒?再經(jīng)過認知思維加工幫助學(xué)生理解物理本質(zhì),從而形成科學(xué)的物理概念.在教學(xué)過程中學(xué)生對物理事實和物理現(xiàn)象的感知十分重要,人們能夠記住10%聽到的東西,30%讀到的東西,但是卻可以記住80%看到的東西.[2]在教育實踐與研究中,通過視覺呈現(xiàn)向?qū)W生傳授科學(xué)知識是最常用的有效手段之一.隨著對視覺呈現(xiàn)研究的不斷深入,出現(xiàn)了不同視覺呈現(xiàn)方式,如,J D Novak提出的概念圖,[3]M J Eppler和R A Burkard提出的知識可視化,[4]增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用[5]等新方法,但在多樣化的視覺呈現(xiàn)方式之下如何使得學(xué)生學(xué)習更有效仍是一個值得研究的問題,視覺線索的出現(xiàn)可以有效解決這一難題,本文通過分析視覺線索在視覺呈現(xiàn)中作用,從學(xué)生認知角度出發(fā)探討了利用視覺線索進行物理概念教學(xué)的策略,以促進學(xué)生有意義的學(xué)習.

1 視覺線索理論基礎(chǔ)、類型、功能

視覺線索是基于多媒體學(xué)習認知理論和認知負荷理論提出的一種教學(xué)技術(shù)屬于線索的一類.線索是指在學(xué)習材料中添加具有指向、組織和整合學(xué)習材料內(nèi)容或結(jié)構(gòu)的符號、詞語等信息,線索不會提供新的信息或改變學(xué)習材料本身內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu).[6]視覺線索是通過改變學(xué)習材料中不同信息的視覺空間特征,影響學(xué)生對不同信息的感知來改善學(xué)習.

1.1 理論基礎(chǔ)

(1) 多媒體學(xué)習認知理論.

“多媒體學(xué)習認知理論(CTML)是由Mayer提出的一種研究學(xué)習者是如何通過語詞和圖像進行學(xué)習的理論.”[7]這一理論的基礎(chǔ)是3種假設(shè):雙通道假設(shè)、有限容量假設(shè)和主動加工假設(shè).① 雙通道假設(shè):學(xué)習者擁有兩種不同的信息加工通道,即視覺-圖像通道和聽覺-語言通道,學(xué)習者主要是通過這兩個通道來感知學(xué)習材料.② 容量有限假設(shè):學(xué)習者在單位時間內(nèi)對學(xué)習材料進行信息加工處理時,視覺和聽覺每個通道所能處理的學(xué)習材料數(shù)量是有限的,當學(xué)習者專注于無關(guān)材料時或者是材料中的無效信息時,其學(xué)習能力就會下降.③ 主動加工假設(shè):學(xué)習者在進行有意義學(xué)習時,為在學(xué)習材料與自身經(jīng)驗之間建立一致的心理表征,學(xué)習者會主動地進行認知加工.其理論模型圖1所示,[8]CTML認為學(xué)習者在處理多媒體信息時會經(jīng)歷選擇、組織、整合3個基本認知的過程.[9]

圖1 多媒體學(xué)習認知理論模型

① 選擇,即從呈現(xiàn)材料中注意到重要元素和有效信息,以便進一步加工,受感覺記憶的影響;② 組織,將選擇信息組織成連貫圖片模型或者語言模型,受工作記憶的影響;③ 整合,將圖片模型和語言模型結(jié)合,再與頭腦中已激活的相關(guān)知識整合在一起,受長時記憶的影響.其中選擇過程屬于概念加工淺層的知覺,在這一階段學(xué)習者感知學(xué)習材料中各元素并識別相關(guān)信息;組織和整合過程屬于概念加工深層的知覺,在這一階段學(xué)習者從知覺加工識別的信息中推斷和獲得新信息.[10]

人類的視覺感知具有選擇性,學(xué)習者一次只可以將他們的視覺注意力集中在視覺顯示的少量元素上,并且只有一小部分信息可以隨后在工作記憶中處理.[11]因此,有效的視覺線索應(yīng)通過突出有限的學(xué)習材料中與學(xué)習任務(wù)相關(guān)的詞語或圖片來指導(dǎo)學(xué)習者的選擇過程;并通過幫助學(xué)習者建立有效信息之間以及有效信息與學(xué)習者腦海已有知識之間的聯(lián)系來促進組織和整合過程.在物理教學(xué)中運用視覺線索,其終極目標在于影響學(xué)生更有效選擇、組織和整合信息,從而使有意義的學(xué)習發(fā)生.

(2) 認知負荷理論.

澳大利亞的約翰·斯威勒提出了認知負荷理論,他從工作記憶能力和學(xué)習時長的限制入手,認為在教學(xué)中學(xué)習者的認知負荷要保持在一個合理的范圍內(nèi).認知負荷理論基于兩個基礎(chǔ)提出:① 學(xué)習者認知過程中工作記憶與長時記憶的運行機制.工作記憶是學(xué)習者有意識對外界信息進行加工處理并做出反應(yīng)的系統(tǒng),其容量和持續(xù)時間都非常有限.[12]② 認知心理學(xué)對學(xué)習本質(zhì)的研究.基于這兩個基礎(chǔ)認知負荷理論提出兩個觀點:[13]① 在教學(xué)設(shè)計時應(yīng)該控制學(xué)習者工作記憶中的認知負荷;② 教學(xué)設(shè)計應(yīng)促進學(xué)習者構(gòu)建圖式并使其自動化運行.

認知負荷理論認為當學(xué)習材料呈現(xiàn)不當或者學(xué)習者被要求同時處理過多無關(guān)信息時,會給學(xué)習者帶來過多外在認知負荷.[14]因此,在通過視覺呈現(xiàn)進行教學(xué)的過程中,教師在單位時間向?qū)W生呈現(xiàn)學(xué)習材料時,需認真考慮學(xué)習材料的呈現(xiàn)內(nèi)容和方式.首先,學(xué)習材料中所涵蓋信息應(yīng)在一個合理的范圍之內(nèi),學(xué)習任務(wù)應(yīng)落在學(xué)生最近發(fā)展區(qū)內(nèi);其次,對于學(xué)習材料中的與學(xué)習任務(wù)相關(guān)程度不同的信息應(yīng)有不同的感知處理;最后,對不同類型信息應(yīng)選擇不同視覺呈現(xiàn)方式.

1.2 視覺線索類型

視覺線索是對學(xué)習材料中視覺元素進行操作,添加視覺符號或?qū)⒁曈X元素顯著化,通過影響學(xué)習者對學(xué)習材料中不同信息的感知來改變學(xué)習者對信息的選擇和加工.[10]視覺線索既可以是對文字進行提示,也可以是對圖像進行提示,通常視覺線索具體呈現(xiàn)方式有:(1) 色彩對比,即通過改變學(xué)習材料中不同元素顏色,加強不同視覺元素之間色彩對比,突出部分視覺元素;(2) 形狀、大小對比,即通過調(diào)整學(xué)習材料中文字的字體大小或放大圖片中某一視覺元素;(3) 添加其他視覺線索,即在學(xué)習材料中添加箭頭、圓圈、閃光或者其他視覺符號等.

根據(jù)視覺線索在學(xué)習者認知過程發(fā)揮的作用不同,可將視覺線索分為非自愿的視覺線索和自愿的視覺線索.[15]非自愿的視覺線索被定義為顯著的視覺特征,指突出視覺元素,用來吸引學(xué)習者注意力的視覺線索,對應(yīng)學(xué)習者認知過程中淺層知覺加工,主要影響學(xué)生在學(xué)習過程中對信息的選擇.自愿視覺線索被定義為信號,指在學(xué)習材料中強調(diào)語義內(nèi)容中的某部分或者語義結(jié)構(gòu)的添加,對應(yīng)學(xué)習者認知過程中深層概念加工,主要影響學(xué)生在學(xué)習過程中對信息的組織和整合.

根據(jù)視覺線索本身的特征,可將視覺線索分為靜態(tài)視覺線索與動態(tài)視覺線索.在靜態(tài)表示中通過大小對比、色彩對比或者添加提示符號等手段突出文本或圖片中的信息,視覺線索的具體呈現(xiàn)方式不會隨時間或空間的改變而改變;在動態(tài)表示中通過添加隨時間或空間不斷變化的信號突出學(xué)習材料中重要信息,以幫助學(xué)習者進行信息選擇,并將信息組織、整合到自我已有的認知結(jié)構(gòu)中,視覺線索具體呈現(xiàn)方式會隨時間或空間的改變而改變.

1.3 視覺線索功能

De Koning等人基于Mayer多媒體學(xué)習認知理論將視覺線索在學(xué)習者認知過程中發(fā)揮功能分為3種:[16](1) 選擇信息,視覺線索可以引導(dǎo)學(xué)習者對學(xué)習材料中特定信息和位置的注意,促進對基本信息的選擇和提取;(2) 組織信息,視覺線索強調(diào)學(xué)習材料中信息的結(jié)構(gòu)、主題組織或空間結(jié)構(gòu)關(guān)系;(3) 整合信息,視覺線索可以闡明學(xué)習材料元素之間和內(nèi)部的關(guān)系,建立新知識與學(xué)習者腦海中認知結(jié)構(gòu)的聯(lián)系,幫助學(xué)生建立一個連貫、綜合的功能模型.

學(xué)生在進行物理概念學(xué)習時,對學(xué)習材料中相關(guān)信息的選擇、組織與整合至關(guān)重要.許國梁主編的《中學(xué)物理教學(xué)法》指出,物理概念教學(xué)是學(xué)生在教師的指導(dǎo)之下,調(diào)動學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中已有的感性經(jīng)驗和知識去感知學(xué)習材料,再經(jīng)過認知思維加工逐步形成完整的物理概念.[17]物理概念教學(xué)可分為概念導(dǎo)入、概念形成、鞏固加深3個階段.[1]這3個階段環(huán)環(huán)相扣、由淺入深逐步推進,只有經(jīng)歷了這3個階段學(xué)生對物理概念的認識才能由感覺記憶進入長時記憶.本文經(jīng)過分析得到視覺線索與物理概念之間關(guān)系如表1所示.

表1 視覺線索與概念教學(xué)關(guān)系表

概念引入階段,教師通常會利用豐富的物理情境為學(xué)生提供感性認識,而此類情境一般有大量的視覺和聽覺元素,先驗知識水平較低的學(xué)生往往不知道應(yīng)關(guān)注情境中哪些元素,即不知道應(yīng)將學(xué)習材料中哪些信息選擇進自己認知加工系統(tǒng)進行加工.對信息的選擇一般難以在信息呈現(xiàn)階段完成,因此視覺系統(tǒng)需要將大量信息短暫地存儲于感覺記憶.[18]由于感覺記憶儲存時間較短,此時在學(xué)習材料中給學(xué)習任務(wù)相關(guān)的信息添加視覺線索,便可及時有效地幫助學(xué)生在引入情境中進行信息選擇.

概念形成階段,學(xué)生參與科學(xué)抽象過程,辨別物理概念本質(zhì),對概念的理解由感性上升至理性.[17]學(xué)生使用比較、分類、類比、歸納和演繹等抽象思維的方法對感性材料進行整理,將片面反應(yīng)事物表面聯(lián)系的信息組織加工為反應(yīng)物理本質(zhì)的知識.視覺工作記憶是對視覺信息暫時存儲和加工的場所,[19]學(xué)生在進行信息的組織加工時,可能會對學(xué)習材料中信息主題把握不準確或?qū)δ吵橄笫挛锝Y(jié)構(gòu)不清晰,此時適當添加視覺線索引導(dǎo)學(xué)生進行推斷思考,可有效幫助學(xué)生在工作記憶中的信息組織.

概念鞏固階段,學(xué)生不斷地將新知識與自我腦海中的認知結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系,最終將物理概念儲存進長時記憶中.學(xué)生通過將新學(xué)的物理概念與已學(xué)的核心物理概念和次要物理概念建立聯(lián)系,形成一個連貫的、綜合的物理概念網(wǎng)絡(luò),最終完成信息的整合.在這個過程中,學(xué)生可能不能在概念之間建立聯(lián)系,此時在學(xué)習材料中添加視覺線索,可幫助學(xué)生進行信息整合.

在物理概念教學(xué)3個過程中,學(xué)生對信息的選擇、組織、整合起到了決定性的作用,在認知加工過程中學(xué)生對信息處理的有效度,從根本上影響了學(xué)生對物理概念的學(xué)習.

2 視覺線索在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用價值

學(xué)生在對物理概念進行學(xué)習時,各物理概念常常涉及知識點較多,學(xué)生對某個知識點難以理解清楚,或者某一物理情景較為復(fù)雜干擾信息較多,學(xué)生難以獲取有效信息,對這類物理情境下的物理知識理解錯誤,對于物理教學(xué)表現(xiàn)出來的困境,可以嘗試使用視覺線索來化解.視覺線索的優(yōu)勢有以下3點:(1) 可將重要關(guān)鍵信息顯著化,減少學(xué)生對無關(guān)信息的選擇和認知處理,降低學(xué)生認知負荷;(2) 可將物理概念中有關(guān)學(xué)生學(xué)習困難知識點進行線索提示,解決教學(xué)難點;(3) 可將物理概念中不同知識點進行聯(lián)系,促進學(xué)生物理概念理解,建立概念結(jié)構(gòu).

2.1 突顯科學(xué)信息,促進概念情境引入

學(xué)生不是空著腦袋進入教室的,在接受正式科學(xué)概念教育之前,他們基于生活經(jīng)驗或已有的知識對事物已經(jīng)存在非本質(zhì)的認知,即前概念.學(xué)生腦中的前概念可能是錯誤的,也可能存在部分科學(xué)之處.目前物理概念教學(xué)存在對學(xué)生前概念重視不足的問題,[20]如何科學(xué)利用學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中的前概念,仍是一個需要解決的難題.本文認為可利用視覺線索解決部分問題,教師在向?qū)W生呈現(xiàn)學(xué)習材料后,可利用視覺線索將學(xué)生腦海中前概念科學(xué)的部分突出,引導(dǎo)學(xué)生建立一個完整的、科學(xué)的概念.

以曲線運動這一概念為例,針對曲線運動中速度方向的教學(xué),學(xué)生基于生活中對曲線運動的觀察,部分學(xué)生認為曲線運動的速度方向是其運動軌跡,部分學(xué)生對曲線運動的速度方向已經(jīng)有一定程度的科學(xué)認知但還不能做完全科學(xué)的表述.人教版教材通過問題欄目中砂輪和鏈球兩幅圖片對曲線運動的速度方向進行引入,可以利用視覺線索對教材中的圖片進行進一步加工,即在兩幅圖片中添加箭頭表示出砂輪打磨下來的熾熱微粒和飛出去的鏈球的運動方向,如圖2所示.該視覺線索添加的主要目的是對學(xué)生注意力的吸引、引導(dǎo)學(xué)生對速度方向的思考,次要目的是為后續(xù)曲線運動速度方向探究實驗做鋪墊,幫助學(xué)生建立一個連貫的認知加工過程.

圖2 曲線運動視覺線索

該視覺線索主要發(fā)揮信息選擇功能,使用箭頭將兩幅圖中物體運動的方向直接突顯出來.針對存在錯誤前概念的學(xué)生,使得他們直觀意識到曲線運動中速度方向與運動軌跡存在不同;針對存在部分科學(xué)前概念的學(xué)生,引導(dǎo)他們思考兩個情境中物體運動方向的共同特征.通過實體箭頭將不同情境中曲線運動方向的共同屬性顯示出來,將該信息選擇進學(xué)生認知加工系統(tǒng)等待加工,在前概念與科學(xué)概念之間搭建一個支架;同時為后續(xù)實驗探究中觀察鋼球運動痕跡做準備,在學(xué)生邏輯上形成自然過渡.

2.2 突顯差異信息,促進概念本質(zhì)理解

根據(jù)認知心理學(xué)對概念的分類,可將概念分為具體概念和抽象概念:具體概念是指能夠通過感官通道感知獲取信息,通過抽象概括形成的概念,抽象概念知識不能夠通過感官通道獲取信息,只能通過理解認識形成概念.[21]物理概念中存在許多抽象概念,抽象概念往往難以為學(xué)生提供足夠的感性認識,教師常使用各種科學(xué)方法將抽象概念具象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,但如何使教師的呈現(xiàn)更加直觀,更加便于學(xué)生的理解,一直是一個難以解決的問題.視覺線索則可作為一種有效手段幫助教師突出抽象物理概念的本質(zhì),促進學(xué)生的概念理解.

以電勢這一概念為例,電勢是通過比值定義法得到其定義,在人教版教材中對電勢的描述為“電荷在電場中某一點的電勢能與它的電荷量之比,叫作電場在這一點的電勢”,且電勢的一大特點是沿著電場線方向電勢逐漸降低.對學(xué)生來說,電勢是一個典型難以理解的抽象概念,基于學(xué)生前面對電場知識的學(xué)習可利用視覺線索作出圖3,幫助學(xué)生理解電勢這一概念.圖3是以正電荷為例,使用一組同心圓表示該電荷在空間中的電勢變化.該視覺線索是利用顏色的漸變反應(yīng)電勢沿著電場線方向電勢逐漸降低這一特點,顏色越深代表該處電勢越高,顏色越淺代表該處電勢越低,可以直觀地向?qū)W生展示電場中不同位置電勢大小變化.

圖3 電勢視覺線索

該視覺線索主要發(fā)揮信息組織功能,使用顏色變化的同心圓組反應(yīng)電勢的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系,同時為后續(xù)等勢面的學(xué)習進行鋪墊.物理學(xué)科中存在許多類似于電勢的抽象概念,這類概念的某些性質(zhì)會隨空間或時間的改變而呈現(xiàn)規(guī)律性的變化,針對這類概念可以利用視覺線索規(guī)律性的顏色變化、飽和度變化或是利用動態(tài)表示中隨時間和空間改變視覺線索形態(tài)、大小等具體呈現(xiàn)方式來反應(yīng)這類抽象物理概念的某些性質(zhì),幫助學(xué)生更加直觀地從本質(zhì)上理解物理概念.

2.3 突顯關(guān)聯(lián)信息,促進概念表征轉(zhuǎn)換

同一物理概念在學(xué)生腦海中擁有不同的表現(xiàn)和記載方式,即不同表征.物理概念的表征可以分為經(jīng)驗表征、物理表征和符號表征3類,經(jīng)驗表征傾向基于真實情景描述物理概念,物理表征從事物本質(zhì)出發(fā)描述物理概念,符號表征用特定符號和數(shù)學(xué)公式描述物理概念,這3類表征抽象程度逐漸升高并共同構(gòu)成一個完整的物理概念;[22,23]學(xué)生對物理概念的學(xué)習過程也是學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中表征發(fā)生改變、不同表征之間發(fā)生轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程.[24]如何促使學(xué)生在認知結(jié)構(gòu)中對不同表征的轉(zhuǎn)化與整合,是值得深入探究的點,本文提出利用視覺線索幫助學(xué)生整合不同表征的觀點.

以電場這一概念為例,在魯科版教材中,出現(xiàn)了如圖4(a)所示在懸浮蓖麻油里模擬電場線的經(jīng)驗表征,在人教版和魯科版教材中均出現(xiàn)了如圖4(b)所示電場線分布示意圖的物理表征,以及如圖4(c)所示的關(guān)于場強的符號表征.學(xué)生學(xué)習完這些知識時,會出現(xiàn)無法將這些知識在自己腦海中建立一個完整有序的結(jié)構(gòu)的情況.此時,給予學(xué)生如圖4中的視覺線索,使用3個空白框以及2個箭頭將電場概念的經(jīng)驗表征、物理表征和符號表征聯(lián)系起來,3個空白框內(nèi)填入電場的不同表征,而箭頭可以反應(yīng)電場不同表征在學(xué)習者認知結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)導(dǎo)情況,即利用視覺線索幫助學(xué)生建立一個完整有序的電場的不同表征轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)構(gòu),整合電場線和電場強度,促進學(xué)生對電場概念的綜合理解.

圖4 電場表征視覺線索

該視覺線索發(fā)揮整合功能,使用3個空白框以及2個表示轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)系的箭頭,將物理概念的三重表征聯(lián)系起來,幫助學(xué)生在認知系統(tǒng)中建立一個有序的表征轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)構(gòu).在物理概念教學(xué)中存在不能形成概念結(jié)構(gòu)的問題,[25]當前出現(xiàn)概念圖、思維導(dǎo)圖等工具幫助學(xué)生建立不同概念之間的聯(lián)系,形成概念結(jié)構(gòu).此類整合性的視覺線索的使用,不僅可以幫助學(xué)生在同一概念的三重表征之間建立聯(lián)系,同時可以幫助學(xué)生整合不同概念促進對核心概念的理解,最終形成概念結(jié)構(gòu).

3 視覺線索使用策略

應(yīng)當指出視覺線索在物理概念的教學(xué)中可以促進學(xué)生的學(xué)習,但視覺線索只能作為教學(xué)的一種輔助手段.在教學(xué)中如何更有效使用視覺線索?首先,應(yīng)當對物理概念進行甄別判斷其是否適合使用視覺線索;其次,應(yīng)基于物理概念的特征,選取適合使用視覺線索的教學(xué)工具和使用視覺線索的階段.作為一種輔助手段,在教學(xué)中如何使用視覺線索,將視覺線索與教學(xué)融合才更為重要.

3.1 選擇合適承載工具

基于學(xué)生對于物理概念的認知規(guī)律,在教學(xué)過程中,教師通常會采用多種教學(xué)工具和教學(xué)方法向?qū)W生解釋物理概念.如何使用視覺線索也取決于物理概念的本身特征及學(xué)生認知水平,通過對物理概念和視覺線索的分析,除文本顯著性提示類視覺線索之外,在物理概念教學(xué)中可使用視覺線索的物理概念有以下特點:① 物理概念本身較為抽象,但可用實物作為教學(xué)工具可視化顯現(xiàn);② 物理概念涉及知識點本身存在圖像,或可用圖像呈現(xiàn)相關(guān)物理知識或者物理狀態(tài);③ 物理概念可通過教學(xué)視頻向?qū)W生傳遞.

由此,物理概念教學(xué)中視覺線索可以通過教學(xué)實物(圖片)、圖像、教學(xué)視頻3種工具承載.本文對以上3類工具特點進行整理并與視覺線索對應(yīng)功能聯(lián)系,如表2所示.

表2 視覺線索承載工具特征表

視覺線索需要合適的工具承載,才能有效促進學(xué)生對物理概念的學(xué)習.對于通常無法直接向?qū)W生呈現(xiàn)的信息,教師可以向?qū)W生呈現(xiàn)教學(xué)視頻,在視頻中使用視覺線索,引導(dǎo)學(xué)生將注意力集中到有效元素之上,促進學(xué)生認知過程對信息的選擇,降低認知負荷、提高信息感知效率.例如,在學(xué)習“加速度”時,教師使用“張培萌與山鷹教練機比賽獲勝”視頻進行引入,此視頻需要學(xué)生關(guān)注到人戰(zhàn)勝了戰(zhàn)斗機,因該比賽視頻時長較短,學(xué)生不易觀察到比賽結(jié)果,教師可在原始的視頻中加入突顯張培萌與山鷹教練機之間距離的視覺線索,讓學(xué)生明確關(guān)注到比賽結(jié)果;對于與學(xué)生日常生活經(jīng)驗緊密聯(lián)系的物理概念,教師在進行物理概念講解時,通?？梢允褂萌粘Ｉ钪谐Ｒ娢锲返葘嵨镒鳛榻虒W(xué)工具,向?qū)W生傳遞相關(guān)物理知識,在這一過程輔以視覺線索,可以促進學(xué)生在信息處理時認知過程中的信息組織.例如,在學(xué)習“摩擦力”時,教師使用毛刷將摩擦力方向可視化,可再添加箭頭的視覺線索引導(dǎo)學(xué)生進一步觀察毛刷尖端彎曲方向,促進學(xué)生對摩擦力方向的理解;對于物理概念本身涉及的知識點就存在圖像或者可用圖像表明的情況,通過視覺線索可以加強學(xué)生腦海中不同知識之間的聯(lián)系.例如,在學(xué)習“勻變速直線運動的速度與時間的關(guān)系”時,可在v-t圖中添加突顯曲線斜率的實體線段的視覺線索,向?qū)W生強調(diào)曲線斜率為加速度這一知識點,同時將速度與加速度聯(lián)系起來.

3.2 選擇合適線索類型

根據(jù)視覺線索在學(xué)習者認知過程中發(fā)揮的功能可以將視覺線索分為自愿的視覺線索與非自愿的視覺線索;根據(jù)視覺線索本身特征可將視覺線索分為靜態(tài)和動態(tài)兩類.若在物理概念教學(xué)中使用視覺線索,對視覺線索類型的選擇尤為重要,基于教師使用視覺線索的目的不同,需要選擇不同類型的視覺線索.首先應(yīng)考慮教師想要視覺線索在教學(xué)過程中發(fā)揮的作用,其次考慮物理概念本身與視覺線索類型的適配度.

具體而言,在概念引入階段可使用非自愿的視覺線索以促進學(xué)生對學(xué)習材料中對學(xué)習任務(wù)相關(guān)信息的選擇.例如,在教師可在引入的學(xué)習材料中添加箭頭或圓圈等實體視覺線索,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注到教師自己想要學(xué)生關(guān)注到的信息;在概念形成階段可使用自愿的視覺線索以促進學(xué)生的信息組織,既可選擇靜態(tài)又可選擇動態(tài)視覺線索,若物理概念本身存在隨時間或空間改變而改變的特征,可優(yōu)先選擇動態(tài)視覺線索向?qū)W生直觀展示,但同時需要考慮學(xué)生的認知水平,視覺線索設(shè)計不宜過分復(fù)雜.例如,學(xué)習“電場強度”時,可使用漸變顏色的視覺線索向?qū)W生直觀展示點電荷產(chǎn)生的電場中不同位置電場強度的變化規(guī)律,在學(xué)習“開普勒第二定律”時,可使用帶有視覺線索的教學(xué)動畫向?qū)W生直觀展示開普勒第二定律的內(nèi)容:行星繞太陽運動時,在相同時間間隔內(nèi),行星和太陽連線掃過面積相同;[26]在概念形成階段可使用自愿的視覺線索以促進學(xué)生的信息整合,除本文所提出將物理概念三重表征進行提示的視覺線索外,在這一階段視覺線索還可與概念圖、思維導(dǎo)圖等同時使用,有效促進學(xué)生建立概念結(jié)構(gòu)、形成概念網(wǎng)絡(luò).例如,在“靜電場”章節(jié)復(fù)習時,可使用概念圖將靜電場中各層次核心概念、規(guī)律之間邏輯關(guān)系進行展示,[27]同時,可在概念圖中添加色彩對比的視覺線索突顯靜電場中核心概念,幫助學(xué)生建立不同核心概念之間聯(lián)系.但需說明,根據(jù)教師使用視覺線索的目的不同,在概念教學(xué)的不同階段可以使用發(fā)揮不同功能的視覺線索,以達到有效促進學(xué)生學(xué)習的最終目的.

3.3 選擇合適呈現(xiàn)方式

在教學(xué)過程中使用視覺線索的最終目的是提高學(xué)生學(xué)習效果.通常在學(xué)習材料中增加視覺線索,會增加學(xué)習材料的視覺表征,根據(jù)注意力分散效應(yīng),學(xué)習者注意力此時會在不同表征上分散,最終造成信息更難理解.根據(jù)視覺線索理論基礎(chǔ)中的認知負荷理論,此類分散學(xué)習者注意力視覺線索會給學(xué)生帶來外來認知負荷,它無助于學(xué)習者的理解能力提高.[28]在學(xué)習材料中添加視覺線索時應(yīng)考慮視覺線索的具體呈現(xiàn)方式是否會造成學(xué)生的注意力分散,給學(xué)生帶來其他認知負荷,無助于學(xué)生理解能力的提高.

視覺線索并非簡單地將學(xué)習材料中相應(yīng)位置進行顯著化,例如,Adrian Madsen等人[29]與Rouinfar等人[30]都在物理學(xué)科常用的“位移-時間”圖中斜率為0區(qū)域加入視覺線索,但Adrian Madsen等人使用顏色對比的視覺線索未突出斜率,實驗結(jié)果表明視覺線索未對學(xué)生學(xué)業(yè)成績產(chǎn)生正向影響;Rouinfar等人添加實體線段的視覺線索將斜率突出,實驗結(jié)果表明視覺線索對學(xué)生學(xué)業(yè)成績產(chǎn)生顯著的正向影響.

在學(xué)習材料中添加視覺線索時,需考慮想要學(xué)習者達到的學(xué)習效果,如果想要促進學(xué)習者對學(xué)習材料中有效信息的選擇,只需將有效元素顯著化來吸引學(xué)習者的注意;如果想要促進學(xué)習者認知過程中的信息組織和整合,需要添加能夠反映知識本身含義或不同知識之間關(guān)系的視覺線索.因此,利用視覺線索促進學(xué)生對物理概念的學(xué)習時,應(yīng)結(jié)合實際情況考慮選擇視覺線索的具體呈現(xiàn)方式.