思维导图在大学物理实验中的应用

2014-03-27余小英李凡生

河池学院学报 2014年5期

余小英，李凡生

(广西民族师范学院物理与电子工程系，广西崇左 532200)

1 思维导图

思维导图(Mind Map)是由英国有记忆之父之称的著名心理学家Buzan于20世纪60年代提出［1］，也被称为心智图、思维地图，是一种用图像将放射性思考具体化的方法。有学者把思维导图定义为“思维导图是为促进思维激发和思维整理的可视化、非线性思维工具”［2］78－84。由此可知，思维导图的核心作用是激发并整理人的思维。思维导图模拟人脑的运作方式，利用简单的图形和文字，直观地把各级主题的关系通过层级图表现，实现抽象思维和形象思维有机结合。

思维导图的基本构成要素主要由中心词、节点、连线、关键词几方面组成。一般由中心词产生不同的主干并由这些主干各自衍生出若干分支，形成一种网络状且具有层级性的知识体系，这种体系条理分明、简单直观。

在中国，思维导图最早应用于商业领域。而在教育界，关于思维导图的应用和研究，自2007年起才逐渐兴起。据不完全调查统计，已经有超过5.9亿全球使用者通过运用“思维导图”而增加自身知识的获取能力，并且这一数字还有增长之势［3］。

大学物理实验特别是探究设计性实验不但要锻炼和培养学生动手实践能力，同时也能对学生发散思维、创新思维进行强化训练，这些实验所涉及到的知识是多方面的，知识含量非常大。手、脑并用是实验课程的一大特色。左脑被称为“文字脑”，主要处理文字和数据等抽象信息，具有理解、分析、判断等抽象思维功能，有理性和逻辑性的特点;右脑被称为“图像脑”，处理声音和图像等具体信息，具有想象、创意、灵感和超高速反应(超高速记忆和计算)等功能［4］。右脑能够将语言、数字等看到、听到和想到的事物变成图像，并进行思考和记忆。在大学物理实验中恰当地运用思维导图，不但可以使实验中蕴含的大量知识处理简单化，还可以强化左右脑的开发，最大限度地实现实验课中手、脑并用这一大特色。

2 思维导图在大学物理实验教学过程中的应用

大学物理实验是一门将基本操作与基本理论融为一体的理论联系实际的综合性实践课程。物理实验课的根本目的就是培养学生独立思考和判断的能力，提高学生的综合素质，并通过实验，使学生获得一定的物理实验的基本知识、方法和技能。传统的大学物理实验课一般都是上课时首先由教师“照本宣科”地讲解实验步骤，然后学生“依葫芦画瓢”，按部就班地做实验。在这种“教师讲，学生听”的情形下，学生没有得到独立思考的机会，这样很容易造成学生对实验不感兴趣，只想尽快完成实验，教学效果不佳。笔者调查发现，这样的教学模式，学生收获不大。经常是实验做完了，对实验还是一知半解，有的学生甚至连一些基本的知识都不懂，对实验内容一问三不知。同时，在实验过程中学生很容易犯一些低级错误，而且不少错误教师已事先提醒过。造成这一结果的原因，很大程度上是学生在动手做实验前缺乏思维激发和整理。在大学物理实验课中恰当引入思维导图，能引导学生对所学知识进行系统梳理，实现对实验内容的整体把握，以理论来指导实验，充分发挥学生的主观能动性。

2.1 运用思维导图构建课程知识体系

目前，大学物理实验课中实验内容的划分主要有两种形式:一是按学科来划分，即分为力学实验、热学实验、电学实验和光学实验四大部分;二是按实验的层次来划分，即分为基础性实验、综合性实验和探究、设计性实验。不管是以何种形式来划分，不同的实验内容之间都会存在着千丝万缕的联系。如综合性实验和探究、设计性实验中选择测量工具时就包含着基础性实验中的基本仪器的使用;设计性实验本身就是一种考察学生各种知识和仪器的综合运用能力的实验，所以也是一种综合性实验;有些力学实验中也包含有热学、光学或者电学的知识，力、热、光、电这4种实验知识并不是严格的各自独立，而是相互包含的。怎么开课?实验项目怎么安排?教师在做教学计划时都必须认真考虑，对所有的实验项目进行系统梳理，构建出合理的课程知识体系。思维导图模拟人脑的运作方式，正是可以实现这一目标的有利工具。

由浅入深、由简到繁，循序渐进是人们认识事物的一般规律，实验的教学也应遵循这一规律。而实验的难易程度是这样划分的:最容易的是基础性实验，这部分主要是训练学生对基本测量工具的使用，大多是和中学知识有着比较密切的联系，以验证性实验为主;综合性实验相对较难，采用的方式主要是在提供了详细的实验原理的基础上，学生综合运用各种知识和仪器进行实验，并根据实验结果进行分析，进而得出结论;探究、设计性实验是难度最大的，这些实验一般只是提出实验要求，学生要根据实验要求，自己设计实验方案、选择实验器材，反复论证之后才能进行实验。因此，教师在安排实验时应按照学生的实际情况，由浅入深、由易到难安排实验项目，构建出合理的课程知识体系。为此，笔者以XMind为绘制工具，绘制出不同形式的大学物理实验知识体系的脉络图，分别如图1和图2所示，并以此作为实验项目安排的指南。

图1 按层次划分的大学物理实验知识体系思维导图

图2 按学科划分的大学物理实验知识体系思维导图

2.2 思维导图在实验过程中的应用

虽然大学物理实验的重点是培养学生的实验技能，但并不意味着教师就可以完全放手让学生自己掌控整个实验的时间。特别是对刚迈入大学的新生，他们在中学阶段接触的实验并不是“做实验”，而是“讲实验”，因此，直接让他们动手做实验，他们往往觉得无从着手，就算让学生硬着头皮去做实验，也是错误不断。针对这种情况，教师必须将必要的理论知识讲透才行。而大学物理实验课时有限，教师讲解理论的时间不能太多，更多的时间要留给学生做实验。摆在教师面前的难题就是:在有限的时间内如何把理论讲得深透，同时还要留出足够的时间来让学生亲自动手做实验。因此，教师在讲解实验理论知识时要抓住重点，层次分明。思维导图可以将人的思维过程可视化，且图文并茂、重点突出、层次明确，学生更容易接受，相关记忆也比较牢固。因此，巧妙运用思维导图可在一定程度上缓解这一矛盾。

如“重力加速度的测量”这个综合性实验，总共安排了6个课时。实验要求学生采用4种不同的方法测量重力加速度，并比较这几种方法的差异。这4种方法分别是:落体、单摆、复摆和气垫导轨。每种方法都有不同的测量原理和适用条件，误差来源也各不相同，学生不好记忆。如果按照一般的讲授方法，4种方法全部讲完，至少要花费1节课的时间，而且学生感觉很混乱，很多知识都没有记住。针对这一情况，笔者试着制作思维导图(如图3)并运用于教学中:以“重力加速度的测量”为中心词，各种测量方法为二级子标题，每一种测量方法的详细的内容通过以三级子标题的形式在一侧写出。教师讲解时，首先利用思维导图鸟瞰整个实验内容，精讲骨架与结构，再逐步深入介绍每一种测量方法。这样图文并茂、层次分明的讲解比纯文字的表述更直观，学生更容易产生联想并记住相关知识，教师可以在一定程度上缩短讲授的时间。学生根据这样的导图，很容易记住关键的知识点，比较各种测量方法的差异时，分析也比较到位。

图3 重力加速度测量实验思维导图

2.3 思维导图在学生探究、设计实验中的应用

探究、设计实验是学生对大学物理实验知识和技能的综合运用。在进行实验之前，每个学生都会有自己对实验的猜想和实验方案，为了得到一个比较合理的实验方案，必须先在小组中对实验方案进行讨论。由于学生的知识能力水平和看问题的角度不尽相同，提出的实验方案必然有区别。为了使学生的讨论有序且有效，教师要在其中担任负责人、主持人和专家的角色，各角色担负的工作如下:

负责人:主要制定所要研究的议题，引导学生抓住议题的关键;

主持人:引发学生头脑风暴，处理会议中出现的问题，激发学生对议题的兴趣，多用些询问的方法，鼓励学生发言，引导学生往更远更广的地方进行思考;学生讨论结束之后，对收集上来的想法和观点进行系统化的处理(1)简化每一个想法，简言之就是总结出关键字;(2)将每个设想用专业的术语标记出关键点;(3)对于类似的想法，进行综合;

专家:毕竟教师对实验的理解和实验经验的理解都不是学生所能比拟的，因此，在对学生观点归纳完成之后，教师就要以专家的身份对提出的方案进行系统的质疑并加以完善，将学生提出的所有想法和设想拿出来，根据事实进行分析和质疑，值得提出的是，通常在这个过程中，对学生提出的新的设想，如果该设想无法实现，有限制因素的，教师就要有所针对地提出修改意见。

教师要完成以上角色的任务，并不是一件简单的事情。为了不让学生在讨论中跑题，实现有效的记录和整理，纯粹靠文字来表述是不现实的。因此，教师可以借助思维导图强大的图文表述功能来较好地解决这一问题。同时，思维导图也可以运用在学生的小组讨论中，用来引领学生围绕讨论主题展开讨论。

如大学物理实验中的“金属线胀系数测量”实验，教师就用这样一张思维导图(如图4)对学生进行引导。首先，教师作为负责人，引导学生找出实验的关键和难点:“如何测量出金属在温度变化时的微小形变量”，并以此为议题;其次，在课堂上，教师担任主持人的角色，为避免学生在讨论中偏离主题，要求学生从测量原则、测量方法和测量步骤三方面去考虑问题。采用提问的方式，鼓励学生提出自己的想法，并从学生提出的想法中提炼出关键词，如“实验操作简单”、“实验精度高”、“实验现象明显”等等;最后，教师充当专家的角色，对学生提出的各种设想进行补充和完善。可以说，学生提出每种方案都有自己的可行性或优缺点。通过该导图，教师可以对学生提出的方案的优缺点和可行性进行分析，加以补充和完善，使学生实验方案更有理有据。通过思维导图，教师对学生实验设想的分析也显得更具条理性，学生也容易接受，从而提高实验实效。

图4 金属线胀系数实验设计的思维导图

3 思维导图在大学物理实验中的优缺点

思维导图是一种思维的工具，在大学物理实验中可以应用思维导图作为辅助。教师通过画思维导图，使抽象的物理知识呈现的方式生动化，教学材料的组织有理化，教学中问题的设置都更加的科学化、严谨化。他能帮助教师更清晰、流畅地表达知识，学生也更容易理解接受，从而加深师生互动交流的广度和深度。教师通过鼓励学生打破书本中章节知识的限制，使学生更清楚知识之间的联系，大学实验理论知识在学生头脑中也更为清晰，有利于培养学生思维的严密性。利用思维导图，学生在实验中碰到各种问题时学会更全面、更清晰地分析问题并做出相对科学的决策。

当然，思维导图只是教学的一种辅助工具，应用时要恰当，不可滥用。例如对一些实验原理、实验步骤等陈述性的东西，用思维导图中的图像来讲解效果并不好。同时，教师在运用思维导图过程中，不能随手涂画，要尽量地体现思维导图的规范性，给学生树立良好的示范作用，以此培养学生良好的科学习惯。