知识可视化在初中物理教学中应用的研究

顾丽琴 上海市北蔡中学

“双减”时代的到来，对教学方式和学习方式都提出了挑战，要提高学习效率，不能再着力于知识的机械重复，必须寻找一种高效的记忆方式，挖掘知识点之间的联系及思维规律，才能达到减负增效提质的目的。视觉信息是所有信息种类中最容易被直观感知到的信息，相对其他信息处理方式，人脑处理视觉信息更快、更轻松，知识可视化就是一种利用视觉优势进行知识传播的学习方式，很多领域都在致力于将抽象的概念、知识变成图形等形象化的表达，这个过程就是将知识可视化的过程。

一、在初中物理课堂中进行知识可视化应用的意义

物理是一门注重逻辑思维的学科，物理概念、物理规律、科学方法与科学思维等内容之间都有着紧密的联系。物理概念、规律因其抽象性、概括性要求学习者有比较高的理解力、想象力以及实验能力与综合应用能力。

采用知识可视化工具，可以将抽象的物理概念和规律转化成直观的图形、视频等形式，使得知识传播方式更多样，传播效率更高；各个知识点之间的脉络图形的创作与绘制，也是一个由抽象到具体的过程，可以将不可见的思维显像化，有效降低教与学的交流难度。

笔者在过去的几年里，尝试在初中的物理课堂中运用了一些可视化工具。本文主要就思维导图、信息技术、自制图谱三种工具的使用心得展开阐述。

二、可视化工具的应用

（一）思维导图的应用

思维导图是利用文字、线条等技巧将各级主题串联起来，以提高学生的认知能力，完善学生的知识结构。笔者主要在单元内容的教学设计及课堂教学中使用。

1.教学设计时的使用

笔者在进行单元教学设计时发现，要想规划出合理的单元教学活动，需要先设计好单元教学活动框架，此时利用思维导图整理出整个单元的教学逻辑，进行教学设计时就能比较全面与合理。

例如在电路单元，我的思维导图如图1所示：

图1

从图1 所示的思维导图中，可以看出电路这一章的核心知识点是电流，以及影响电流大小的电压和电阻，围绕着这三个物理量，再结合教学设计的六个基本要素，进行单元的教学设计，就可以比较好地把握住本单元各个知识点之间的联系。

2.课堂教学中的使用

整体的教学设计及授课是一方面，但在教学过程中笔者发现，从学生接受的情况分析，很多学生还是停留在知识碎片化的层次上，无法将各个知识点的内在联系厘清。

例如，如图2所示的实验题：

图2

从知识点角度分析，本题涉及了电阻的测量方法和影响因素。这些知识点单独考查时，学生的准确率还是蛮高的，可是上面这个题目将他们的知识漏洞暴露了出来，得分率非常低，笔者的两个教学班正确率不到15%。究其原因，学生不知道本题的研究对象是“电阻”，有电流、电压出现题目中，他们的视线被“研究导体电流与电压关系”这个知识点转移了，从而忽略了“研究导体电阻大小的影响因素”这个核心问题。

在题目评讲时，笔者在一个教学班按一般解题思路讲解，而在另一个教学班讲解时，先利用思维导图引导学生将题目中涉及的物理量之间的内在关系整理出来，然后再讲解。在一天后的错题订正中，前一个班级的正确率只有46%，而后一个班级的正确率达到了71%，课堂的效率大大提高了。

从教学反馈来看，思维导图是一种行之有效的知识可视化工具，可以有效提高学生对知识点的整理和掌握，平时在单元复习的时候，笔者也会帮助学生利用思维导图将一个章节的知识点整理出来，有效梳理各个知识点的内在关系，避免知识碎片化。

（二）“信息技术”的应用

信息技术的发展，让我们的生活发生着日新月异的变化，它在教学上的应用也非常普遍。笔者除了用一些常规信息技术辅助教学，还常利用编程软件、网络实验室等资源，将教学内容变为动画，或者将实验搬上屏幕。直观的画面可以帮助学生有效降低认知难度。

1.编程软件的使用

例如，八年级第二单元的“凸透镜成像”，实验中学生只能观察到物距、像距以及成像特点，一倍焦距、两倍焦距对应的位置在实验中无法体现，学生也无法直观地观察到凸透镜成像的变化规律，因此对“凸透镜成像规律”的知识很多学生只能死记硬背，时间长了遗忘率非常高，以至于在初三的复习中，很多学生反映这部分内容掌握得最差。

针对这个情况，笔者利用Visual Basic 语言编写了一段代码，将实验现象呈现出来，一倍焦距、两倍焦距在主光轴上标注了出来，上课时遇到凸透镜成像的题目，学生可以直接用鼠标将物体拖动到相应位置，像距与成像情况就会显示出来，如图3所示，知识一目了然。

在课前准备时，笔者也会利用这个程序，将物体放到随机位置，让学生复习像距与成像情况，也可以双击鼠标，让蜡烛移动起来，像的动态变化规律一目了然。这类编程的软件，灵活度比较高，添加或更改设置比较方便，呈现的界面清晰、操作便捷，大大增加了学生的参与度，也增加了课堂的趣味性，学习效率提高了不少。

2.网络实验室的使用

图4 所示是空中课堂中介绍过的一个网络实验室“NB 物理实验”的界面。它提供了很多元件，使用时可以选择合适元件进行实验，仿真度很高。针对初中物理实验，它呈现的实验结果大都经过了理想化处理，没有了系统误差的干扰，学生寻找规律变得更加容易。虚拟实验室让实验不再受时间和空间的限制，将理论与实验有机结合，学生可以有更多机会去接触实验、观察现象、总结规律，形成高质量的知识体系。

图4

笔者在电路教学时会经常将这个网络实验与实物实验相结合，彼此补充对方不足，实物实验可以让学生有更直观的感受，在最初的课堂中，实物实验是不可替代的。随着对各个元件以及连接技巧的熟悉，网络实验因其易准备、易操作、现象快速、明显等优点，就可以用来替代实物实验，帮助学生释疑解惑。

例如，在遇到电流的安全问题时，有些学生不理解电路中的电流或电压变大了会出现什么危险，这个模拟实验可以让他们直观地看到现象，元件的损坏会让他们印象深刻，从而理解了电路安全的重要性。

现在的信息科技发展非常全面，网络上的资源非常多，教师平时做个有心人，多学习、多积累，总能找到合适的、便于利用的相关资料用来辅助教学。

（三）自制图谱的应用

笔者在“电路”单元设计时发现，它的核心知识点基本都是围绕着电流、电压、电阻三个物理量展开。但在教学过程中，笔者经常发现有些学生学习非常认真，公式、概念掌握得不错，可是到应用的时候就没有了方向。如何帮助此类学生打开思路是笔者一直在思索的问题。经过多次的实践与修改，笔者找到了一个合适的图谱，可以将电路中各个元件的各个物理量以及它们之间的关系呈现出来，使用时可以将看不见的思维过程以可视化的方式清晰地呈现出来，如图5 所示，即为串联电路、并联电路授课时所用的自制图谱。

图5

这个自制图谱可以用在以下几个阶段：

1.基本计算落实阶段

学生在刚刚接触电路计算，各个物理量之间的关系还不是很熟练，特别是学困生，记住几个公式就要花费很长时间。笔者在每节课的课堂作业环节中，让学生将自制图谱写在解题过程旁边，既可以帮助学生记忆公式，也方便教师在第一时间获得学生的掌握情况。

2.带滑动变阻器的动态电路

此类题型是电学中不能回避的题目，由于滑动变阻器滑片位置的变化，电路中有些物理量不变，有些物理量会发生变化，加之串联电路、并联电路特点的不同，让此类题目成为很多学生的梦魇。

笔者在处理这个教学难点时，就利用了自制图谱和网络实验，引导学生找到电路中“不变”的物理量，以及引起变化的罪魁祸首——滑动变阻器阻值，后面的计算就是前文所述的基本计算。这个方法帮助很多学习能力不足的学生解决了此类动态计算问题。

3.带滑动变阻器的电路安全问题

这个阶段很多学习能力强的学生也会经常犯错，因为电路中的滑动变阻器、电流表、电压表都有最大值的限制，在计算中一个不小心就可能超过了某个元件的最大值，导致电路元件损坏，如不及时更换条件，计算势必出错。

利用自制图谱在分析题目和电路图时，将涉及的元件的最大值记录在图谱中相应物理量的位置上，再在图谱中按照一般思路进行计算，会很容易发现某个物理量超过最大值，及时更换条件，有效避免了危险问题的出现。

4.电路故障

自制图谱的使用不仅在计算和动态分析时可以用，电路的故障分析中也可以使用，电路中的短路故障实质就是该电阻的阻值变为了零，断路是阻值变为无穷大，利用自制图谱可以将发生故障的元件两端电压以及通过的电流推导出来，可以加深对故障现象的理解。

5.教师讲题阶段

书写自制图谱的过程，就是一个分析题目的过程，每个环节都可以在图谱中呈现出来。思维的可视化帮助教师用简短的语言将思维路径表达清楚，学生则可以动用视觉，代替部分抽象思维，将各个物理量的内在关系联系起来，解决问题也就变得简单了。笔者现在讲解电路中的大多数问题（不仅是计算），都会利用自制图谱，特别是复杂的、需要考虑问题多面性的题目时，自制图谱都能帮助阐述清楚。

6.自制图谱的延伸与展望

电路的自制图谱非常好用，特别是对于中等程度的学生而言，在使用自制图谱后的正确率提高了很多，甚至学生在复习压强时也想用自制图谱解决问题，在他们的启发下，我又尝试着寻找压强的自制图谱，但由于压强题型复杂多变，目前只找到一个适用范围相对较大的自制图谱。利用它之后，学生的正确率提高了很多。有学生反馈，现在做题都离不开自制图谱了。美中不足的是，压强的自制图谱不能用在受力面积变化的压强题中，还需要不断探索、完善新的图谱。

三、知识可视化应用的启示

（一）要以目标为引领

在哲学家亚里士多德看来，技术过程是制造者为了某个目的而有意识去做的。一切创作活动都是为了某种目的的活动。教师在知识可视化工具的选择与使用时必须基于一个特定的目标，这样才能保证工具使用的效率。对教材的解读，每个教师都有着自己的方式，例如笔者对“电路”单元进行解读时，找到的是“电流”这个目标，也有教师会将“电路”作为目标。目标不同，知识点之间的联系脉络不同，但只要找到一个核心，将所有知识形成一个完整的体系，都可以尝试利用恰当的可视化工具进行辅助教学。

（二）要以方法来演绎

正如我们接触的很多教学方法中任何一种方法都不是万能的，在知识可视化的过程中，也不是所有的内容都有合适的可视化工具表达。在知识的选择和工具的使用上就能充分体现教师对教材的宏观把控、教学设计的统筹设计与重难点分解的能力。笔者对电路章节的教学设计，从开始的思维导图应用，网络实验室的辅助，再到自制图谱的开发与完善，就是一个不断选择合适方法将教学内容清晰演绎的过程。

（三）要以实效为追求

在自制图谱的使用过程中，笔者经历了好几个过程。刚开始的图谱使用只是源于一部分学生公式使用不熟练，旨在帮助他们顺利完成电路的简单计算。后又看到一部分数学计算及思维不敏捷的学生在电路动态分析时的一脸迷茫，笔者就想着要帮助他们将不可见的思路呈现出来，于是在图谱上寻求突破，以求增加它的功能。继而在解决电路计算的安全性问题时，在图谱上增加了各个元件最大值的标注，使得图谱的功能进一步强大，不仅将串并联电路中各个知识点可视化，还能将复杂的思维过程可视化，这是一个不断完善、追求实效的过程，有这样的外在动力存在，为了寻找合适的可视化工具，为了助力学生深度学习，教师的潜能可以被充分激发，真正做到教学相长。

实践表明，知识可视化在教学中的应用非常有利于教学效率的提升，也有利于学生学习效率和思维能力的提升。只是在实施过程中也会遇到一些阻碍性因素，比如部分学生在使用过程中会嫌麻烦、利用工具时不熟练等等，制约了使用各种工具的效率。因此，在实施过程中还需耐心，持之以恒地利用这些工具，以达到教学效率的最大化。