可视化思想在电学教学中的应用

王俊刚

【摘要】可视化是以一种直观的更加容易感知的图示方式描述信息及其加工的过程。具有简洁、明了的传递和加工信息的特点。物理教学的可视化主要是把书中的文字性概念、规律等抽象知识以图像的形式呈现出来，以达到能一目了然的效果。

【关键词】可视化思想 教学 应用

【中图分类号】G42 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）03-0157-02

可视化是以一种直观的更加容易感知的图示方式描述信息及其加工的过程。可视化的最大特点就是能将复杂的、难以理解的知识以视觉感知的方式呈现出来，具有简洁、明了的传递和加工信息的特点。物理教学的可视化主要是把书中的文字性概念、规律等抽象知识以图像的形式呈现出来，以达到能一目了然的效果。这样，有利于学生理解掌握知识。

一、可视化的发展

可视化作为专业术语的出现，始于1987年2月美国国家自然科学基金会召开的一个专题研讨会[1]。可视化（visualization）最早在计算机中有着广泛的应用并形成了可视化技术的一个重要分支——科学计算可视化。即把数据，包括测量获得的数值、图像或是计算涉及、产生的数字信息以直观的图像信息表示出来。

从可视化涵义的角度来看，可视化就是将抽象的或不可见的物理现象或规律以简洁、直观的图像语言表述出来。随着现代信息技术的飞速发展，为可视化提供了技术层面的支持，使得可视化正以一种日趋扩张的趋势冲击着我们的生活，改变着我们思考问题的方式和方法。

在教育领域，由于它将抽象变为直观、把复杂化为简洁的特点受到了越来越多教育研究人员和教师的青睐，国内最具代表性的是华东师范大学在思维可视化这一领域的研究。被誉为世界大脑先生的英国人东尼·博赞的思维导图，书中讲述如何将思维的过程以图示的形式画在纸面上，使人能够对自己的思维形成一个直观的可视化的认识。在人们对自己原有思维可视化的过程中还会萌生出很多创新的想法，在思维可视化的过程中有助于创新思维的发展。目前，各类学科的教学都偏向于可视化的研究，这种趋势已经逐步明显起来。作为学科教学（物理）专业的学生来讲，适应这种趋势的发展并将可视化应用于物理教学中是非常必要的。

二、可视化思想应用于物理课堂教学的优越性

物理学是自然科学的基础学科，在自然科学体系中占具重要地位。由于物理学是一门以实验为基础的学科，许多物理基础知识和规律都是通过观察和实验，并在此基础通过高度概括，总结出来的。无论是学习物理知识，还是将物理知识应用于日常生活中，都离不开这一重要的科学方法。但是，物理学中有很多实验过程是人们不便控制的，还有一部分实验现象是不能直观地看到的，同时由于有些条件不好的学校的实验经费的不足，使得学生不能把每一个需要学生掌握的物理基础实验都亲自动手操作，只能依赖教师的讲解，这样非常不利于学生对知识的理解和掌握。[2]以上这些制约了物理教学的有效性。但是，如果将可视化技术运用到物理学科的教学中，不但这些问题就都可以迎刃而解了，而且还具有很多潜在的优点。

（一）物理的教学中不可避免的会遇到很多抽象的概念，而这部分概念是无法直接用语言描述清楚的。此时，教师就可以利用可视化技术手段将抽象的概念直观化，便于学生理解。

（二）物理教学中尤为重要的一点就是要为学生创造物理学习情景，从而激发学生学习物理的兴趣。图像和颜色对学生视觉的冲击比文字要大的多，这一点无疑是最能吸引学生眼球并激发学生学习兴趣的，例如行星的运动、分子的热运动等这些都是我们平时见不到的，如果将这些现象进行可视化模拟出来不但能激发学生的学习兴趣还能为后面的学习创造物理学习情景。

（三）在物理实验方面，与真实情景中的操作相比更为安全、经济、有效。而且有些实验所需要实验条件在现实中很难做到，例如牛顿第一定律中证明物体在不受力时的运动状态。而采取可视化模拟就可以轻松解决这个问题。

但是，这并不是说可视化就可以完全代替话语描述，正如法国学者魁奈所表述的，“视觉化并不取代话语，而是使其变得更易理解、更敏捷、更有效率”[3]，可视化也是表征事物的一种方式。[4] 三、电学中可视化思想的应用

电学是物理学中重要的一部分，然而在初中刚接触电学时就有很多的学生感觉特别难，老师怎么努力的讲也听不懂只能死记硬背。等到了高中学习更深层次电磁的知识后就越来越听不懂，最后失去了学习物理的信心了。学生难理解这部分知识原因主要是“电”对学生来说太抽象了，从开始的电荷到电流再到后来的电压越来越抽象。学生不能直观的观察“电”，实际操作中是看不到的，例如电流的流动。此时若将这些概念以可视化模拟出来对于学生的理解掌握会有很大的帮助。例如：电荷、電流。 （一）电荷。电荷是初中物理刚接触电学所学的第一个概念，课程标准上的要求是：观察摩擦起电现象，探究并了解同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

在课本中它是由摩擦起电的形式来呈现的：玻璃棒与丝绸摩擦后，玻璃棒上带正电荷；橡胶棒和毛皮摩擦后橡胶棒上带负电荷。但是学生虽然记住了这条结论但是对于其原理还不能理解，虽然没有要求学生掌握这个原理，但是如果不解开学生的迷惑对其后面的学习肯定会产生影响，但这个过程又是微观中的现象解释起来费时、费力，此时如果采取可视化就可以很容易使学生了解这个过程。例如： 摩擦起电。

物质是由分子或原子组成的，而分子又是由原子构成的，原子是由原子核和围绕原子核转动的核外电子构成的。原子核内的质子带正电、核外电子带负电，且每个质子带一个单位的正电、每个电子带一个单位的负电荷。正常状态下物体的原子核所带正电荷和核外电子负电荷是相等的，但当原子失去电子后，由于原子核所带的正电荷数大于核外的负电荷数，所以物体会带正电。相反的，若原子得到电子后，由于原子核所带的正电荷数小于核外的负电荷数，所以此时物体带负电。如图1、图2所示：

图1

图2

在这种将微观过程可视化出来后再给学生讲解，学生会很容易明白这个过程。

1.丝绸和玻璃棒摩擦

当丝绸与玻璃棒摩擦时，由于玻璃棒的原子核对核外电子的束缚能力小于丝绸的原子核对核外电子的束缚能力，所以玻璃棒容易失去电子，从而玻璃棒带正电；丝绸因得到电子而带等量的负电。如图3所示：

图3

2.毛皮与橡胶棒摩擦

当毛皮与橡胶棒摩擦时，由于橡胶棒的原子核对核外电子的束缚能力大于毛皮的原子核对核外电子的束缚能力，所以毛皮容易失去电子，从而毛皮带正电；橡胶棒因得到电子而带等量的负电。如图4所示：

图4

摩擦起电的实质不是创造了电荷，只是电荷从一个物体转移到另一个物体，使正、负电荷分开。

（二）电流。在整个电学的学习中，电流的地位是不可忽视的，后期的学习不论是电场还是电磁等一系列的知识全部和电流有关。但是电流的概念比较抽象，学生不能直观的观察到电流的流动，只能依靠老师的描述来在大脑中构建模型，但每个学生的思维方式都是不同的，所以每个人构建的模型也是不尽相同的。这种方式可能会有利于学生的发散思维的培养，但是学生自主构建的模型肯定会有一定的偏差和错误，要想纠正这些错误和偏差，最实用的办法就是将电流以直观的可视化的形式展现出来。书中对于电流是这样描述的：

1.电流形成的原因

电荷的定向移动产生电流（形成电流的电荷可以是正电荷，也可以是负电荷。在金属导体中能自由移动的电荷是带负电的电子，而在各种酸、碱、盐的水溶液中能自由移动的是正、负离子）。如图5、图6所示：

图5 图6

2.电流的定义

物理学中将通过导体横截面积的电荷量跟通过这些电荷量所用的时间的比值叫做电流，用符号I表示，即：I=Q/t。如图7所示：

图7

3.电流的方向

物理学中规定：把正电荷的移动方向规定为电流的方向。

正、负电荷的定向移动都可形成电流。按照规定，负电荷定向移动方向与电流的方向相反，如金属导线中的电流，主要是自由电子的定向移动，因为电子带负电，所以金属导线中的电流方向与实际做定向移动的自由电子移动方向相反。如图8所示：

图8

在电源的外部，电流的方向是从电源正极出发，经用电器回到电源负极；在电源的内部，电流的方向是从电源负极流向正极。如图9所示：

图9

在通过对电荷、电流两部分内容的简单可视化中，我們可以清晰直观的看到物体的带电过程和原理以及电流的方向的规定与实际导体中自由电子的流动方向实际是相反的。我们可以看出将可视化应用于物理课堂教学有着非常大的优越性，不仅能使学生对抽象概念做到一目了然，而且还减少了教师的工作量不必再纠结怎么介绍才能使学生理解这些知识。

四、结束语

基于可视化的特点和优点，在现阶段将可视化应用于物理的课堂教学的趋势会越来越明显。当然可视化的优点固然明显，但在具体的教学设计中也要根据需要来选择，不随意盲从。可视化对于教师的技能也会有一定的要求。比如教师要学会最简单的画图工具的应用，复杂一点的Flash动画制作，电脑编程等。在实际教学中教师应对实际教学情况来选择。从可视化着手，在教学设计的每一个阶段都尝试通过图示的方法进行，传统的教学设计不仅会变得简单易操作，而且因给予了教师创造的空间也会进一步促进教学设计理论对教学实践的指导。[4]

参考文献：

[1]张维忠，唐慧荣. 可视化教学内容设计的五大原则[J]，电化教育研究，2010，（10）：99—102.

[2]张敏锐，李凌云. 可视化软件在物理教学中的应用[J]，软件导刊，2008，7（12）.

[3]Mirzoeff.视觉文化导论[M]，倪伟译，南京：江苏人民出版社，2006.

[4]李芒，蔡旻君，蒋科蔚，王妍莉. 可视化教学设计方法与应用[J]，电化教育研究，2013.