高中物理可视化教学策略研究

杭国荣 居海军

电子技术和信息技术的发展为学科教学带来了新的理念，教师在物理学科教学设计中，利用各种技术手段辅助物理教学，将物理实验、物理知识和规律、思维的过程以及学生的学习反馈形象地、及时地展示出来，形成可视化的教学呈现方式与物理学科教学的整合。

物理学科是一门以实验为基础的自然学科，以实验探究和逻辑推理发展学生的思维能力。许多学生都反映物理学科太抽象、难学，现行的教学和考试模式也较多地让学生关注抽象的物理知识，缺乏对实验的过程和知识获得的思维过程的关注。其实，物理学科并不是冰冷的，而是我们对物理知识抽象的呈现方式给了人这种感觉。电子技术和信息技术的发展为学科教学带来了新的理念，教师在物理学科教学设计中，利用各种技术手段将物理实验、物理知识、物理规律、思维的过程以及学生的学习反馈形象地、及时地展示出来，形成可视化的教学与物理学科教学的整合。学生借助可视化教学能直观地观察、体验、利用这些生动形象的物理实验和模型等，透过生动形象的物理现象，探索本质，形象地建立起物理知识和规律。

研究表明人脑的80%的功能都是用于处理视觉信息的。教师通过应用可视化教学策略，帮助学生减少认知负担，使学生全身心的投入到解决问题的过程中，从而培养学生成功解决问题的能力，提高和拓展学生的认知能力和创新能力。教师在进行教学设计时可以从以下几个方面入手，提高教学的可视化程度。

1物理实验的可视化策略

物理实验是物理教学中的一个重要环节，无论是教师演示实验还是学生分组实验都是花了大量的教学时间，但教学效果大多不是很理想。例如在教师在做演示实验时，大部分学生离讲台的距离太远，学生不能清晰地看到演示的操作细节、实验的过程和结果，演示实验的效果大打折扣。学生难以从全方位看清、看懂老师的实验演示过程，学生分组实验时，学生在完成实验时就很难正确地操作仪器设备，高效地完成实验。教师在教学设计时应该考虑怎样将实验的效果提高，通过什么样的手段将实验的细节变得可视化。在实验教学中，教师可以利用实物展示台、摄像头、相机甚至手机的电子设备，实现实验的细节可视化目的。例如，利用洛伦兹力演示仪观察带电粒子在磁场中的运动的实验中，演示器材离学生距离远，同时里面充有稀薄气体的玻璃罩反光特别厉害，很难看清玻璃罩中带电粒子运动路径上稀薄气体发出的辉光。实验中教师可以利用摄像头或数码相机的实时取景功能对实验进行实时展示，通过数据线连接到电脑和投影机，可以在大屏幕上看到实验的细节；利用一块不透明的遮光布就可以解决玻璃罩的反光问题，摄影头或相机在遮光布里面可以拍到非常清晰的实验效果。例如在研究的弹簧中力的瞬时性问题，可以利用相机或手机拍摄下小球在弹簧的作用下，剪断细线的瞬间，小球运动和弹簧的形变情况，在电脑上利用播放器慢速播放，将极短时间内眼睛难以观察的实验现象在屏幕上可视化，学生在慢速镜头下看到的实验效果对弹簧中的力不能瞬时突变的理解有着巨大的帮助，亲眼所见一次比别人讲许多遍的效果都要好。现在有的手机本身就带有慢动作的拍摄功能，在很多物理实验中都可以派上用场。在演示微小的实验时，可以利用数码相机的实时取景功能，在实时取景下相机的对焦点可以放大×1倍、×5倍、×10倍，微小的实验细节都可以放大可视化。随着电子技术的发展，手机、相机、电脑等电子产品基本人人都有，开发这些电子产品的教学功能，需要教师们开动脑筋和学习借鉴。

2物理情景的可视化策略

物理规律的获得和应用都离不开物理情景，能够建立的清晰的物理情景和物理模型，物理问题的解决工作已经完成了一半。高中物理中一部分物理情景来源于生活、来源于实验，这些情景是可以通过图片、视频和实验操作展示给学生。例如课本上大量的演示实验和学生实验，如验证小球下落时机械能守恒，带电粒子在磁场中的偏转，在气垫导轨上演示两滑块的几种碰撞情景等。实验教学能够调动学生学习物理的兴趣，帮助学生建立物理情景和物理模型，提高学生的物理素养和解决物理问题的能力。物理教师要开足实验课，不能因为怕麻烦，不去做实验。学生做实验和听实验是有区别的，亲身经历过的事情有些是终生难忘的。高中物理教学中还有很多物理情景因为设备，资金等客观原因无法展现给学生，教师可以借助多媒体技术和信息技术展现给学生。例如回旋加速器中带电粒子的运动情况和交变电压的周期变化情况在flash制作的动画中能够非常直观地观察到带电粒子的运动情景。卫星的发射与回收也可以观看相应的动画，帮助学生建立物理情景。几何画板是一种数形结合的工具，利用它不仅能够展示物理情景，还能反映数量关系，在小船过河的教学中，利用几何画板制作的动画能够很好地展现小船过河的三种情景。教师在教学之余，经常地收集一些与物理教学相关的动画、视频等，在需要的时候够能为物理教学服务。

3物理知识的可视化

有些学生认为高中物理知识点和公式太多，太难记忆；他们利用机械地方式背公式，孤立地学习物理知识，记忆效果较差、容易遗忘。物理是一门有着自身知识系统和方法论的学科，知识问的联系极其紧密，纵横交错、环环相扣。物理学科知识就像是一颗知识之树，有主干，有分支，有细叶。就拿力和运动的知识模块来说吧，两条处理动力学的思路是力和能量，方法分别是牛顿运动定律和动能定理，而动能定理的推导就是在牛顿第二定律和运动学公式的基础上推导出来的，可以说高中物理的动力学问题就是一个牛顿第二定律。教师教学的关键就是帮助学生建立知识间的联系，将知识形成可视化的网络及图像。教师在学科教学的设计是就应当考虑到物理知识的可视化和学科教学的整合，利用如MindMapper等思维导图软件，可以将物理知识网络化、可视化，帮助学生形成物理命题网络、物理图式等系统化的知识网络记忆结构。教师既要教授系统化的物理知识，也要教组织知识的方法——如列表、结构图、逻辑关系以及综合运用等。当学生有了一定的组织知识的经验时，完全可以由学生完成列表格或画知识结构图等组织知识的任务，并在课上交流；其他学生评判知识间的关系是否真实、清晰，及时补充。如图为学生利用知识结构图示画出的机械能的知识网络结构，将知识形成可视化的图式结构，有利于在问题解决的过程中及时地在记忆中提取相关知识。

4学习反馈的可视化

学生对物理知识的掌握的程度如何，在课堂上必须有一个及时的反馈。学生用粉笔在黑板上板演、板画是课堂七传统的教学效果的反馈方式；实物投影也可以用来展示学生的学习成果。交互式电子白板的出现，真正实现了白板与计算机、演示者与听众之间的双向互动。教师或学生直接用感应笔或手指在白板上操作（相当于传统教学中师生用粉笔在黑板上操作）：写字或调用各种软件，然后通过电磁感应反馈到计算机中并迅速通过投影仪投射到电子白板上，学生可以将解题的过程和思路，及时地展示到电子白板上。学习结果反馈的可视化，可以帮助教师迅速的调整教学的进度和难度，也可以帮助学生借鉴其他同学的学习中的得失对自己的学习进行反思。近些年信息技术在辅助教学中的发展为大规模的学生学习结果的反馈提供了可能。点阵数码笔是最近刚刚兴起的一种学习辅助工具，它通过在普通纸张上印刷一层不可见的点阵图案，简称为点阵纸：在笔的前端的高速摄像头随时捕捉笔尖的运动轨迹，同时压力传感器将压力数据传回数据处理器，最终将信息通过蓝牙或者USB线向外传输的新型书写工具。多人用点阵数码笔在纸上书写的同时，他们的书写结果会同步到电脑中，老师可以实时掌握每个人在纸上的书写内容，可以随机在大屏幕上点取任何一个学生的答题内容进行展示，突破了现有的交流模式，节约了时间，使教师在课堂上关注每一位学生的学习情况成为可能。但是点阵笔价格昂贵，给每位学生配置一支点阵笔，普通学校经济难以承受。教师还可以用一个比较经济简单的方法实现每个学生的学习结果反馈可视化：利用在同一个网络中的智能手机和电脑，利用一个叫做苹果录屏大师的小软件，可以将手机屏幕上的内容在电脑屏幕和投影上产生镜像，利用手机拍摄学生完成的成果就可以实时地展示在大屏幕上，分析学生的学习掌握情况。这种经济可行的教学辅助手段能够实现学生学习结果反馈的可视化，能够帮助教师对教学效果进行诊断，及时调整教学的策略。

信息化技术的发展是时代大势所趋，将多媒体和网络技术用于辅助教学中，实现信息技术和物理学科的整合，科学地运用信息技术，促进教学实践活动的整体优化，提高物理教学的效益。信息技术和学科整合的一个新的发展方向就是电子化的学习资源，学生能利用电脑或pad等在线自主地学习，相关的信息技术和学科整合的进度值得教师们关注。