論知識可視化在高中物理教學中的應用

摘 要：知識可視化是通過視覺符號表征、創造并傳遞知識。解析了概念圖、動畫、示意圖、流程圖、維恩圖等可視化工具在高中物理“力學”教學中的應用案例，并探討了知識可視化過程應遵循的原則。

關鍵詞：知識可視化；高中物理教學；應用案例

知識可視化作為學習工具，旨在改變學習者認知的方式，促進有意義的學習。筆者結合高中物理課程的特點，采用概念圖、圖畫和動畫幾種方式，舉例并論述了知識可視化在高中物理“力學”教學中的作用。

一、概念圖

概念圖是由康奈爾大學的Novak提出的，建立在奧蘇貝爾的有意義學習理論之上。它能表現和揭示知識結構中的意義聯系，構造一個清晰的知識網絡，便于學習者對整個知識架構的掌握，有利于直覺思維的形成，促進知識的遷移。概念圖是由節點和節點之間的連線構成，能夠形象的表達概念與概念之間的邏輯關系，通過概念圖教學，有利于新舊知識的整合，促進學生學習。在物理教學中，為了幫助學生形成完整的認知結構，往往需要教師引導學生抓住知識的內在聯系與要領，統攬全局，對所學的知識進行整合，以形成良好的認知結構。

在物理“力學”教學中，可以使用概念圖將力學知識系統以整體、清晰的方式呈現出來，更有效地組織教學內容，如圖1所示；可以編制導學案，將原來顯現在教師頭腦中的教學內容、教學理論和教學經驗以可視化的形式表現出來，相當于在虛擬的環境中完成了一次教學過程，使教學內容之間的邏輯關系、導學的程序一目了然；也可以診斷學生的前概念，引發認知沖突，通過先行組織者，把課的內容與學習者的認知結構聯系起來；還可以作為支持學生自主探索、鍛煉高階思維能力的學習工具。

二、圖畫

1.流程圖

流程圖由表征操作類型的圖框和表征操作順序的線條構成，圖框中的文字和符號表示操作內容，線條的方向表示先后次序。利用流程圖可以幫助學習者整理思路，清晰地梳理解題過程和方法。如圖2所示，是探討在蹦極過程中，高度、重力勢能、彈性勢能之間的轉化關系，采用循環結構流程圖展示了各變量的相互影響與制約關系。

2.維恩圖

維恩圖是用來表示多個事物重疊關系的視覺表征形式。通常用圓來表征事物，事物的共同屬性在多個圓的交集上，不同屬性在對應圓交集外的區域。在力學中，有許多相似概念，用維恩圖可以呈現概念之間的異同點，厘清它們之間的聯系，增強學習者的概念辨別能力。如圖3所示，使用維恩圖展示了平衡力與相互作用力的異同，易于識別、記憶和理解。

3.示意圖

高中物理力學教學過程中經常采用圖示法，例如，受力分析、運動的位移圖像，速度圖像、振動圖像等。示意圖能夠將公式或者文字無法表述或表述不清的物理狀態、過程、規律呈現出來。尤其對于一些動態的、現實生活中無法觀察到的、艱澀抽象的物理現象，可通過物理方法和數學手段從實物中總結出來，并以圖示為載體將抽象的內容形象化、概括化、直觀化，更有助調動學習者的雙腦思維，便于理解和應用。如圖4所示的滑輪與杠桿共同構成的復雜裝置，采用圖示的方式利于感知和識別問題。

4.圖片

圖片具有直觀性、趣味性和指導性的特點，能夠激發學生學習興趣，增強求知欲，促進學生對物理概念等知識的理解和記憶。物理教學中使用圖片不僅可以生動的展示物體的結構、概念的內涵，還可以直觀地反映不同變量間的變化過程。文字內容要通過圖片解釋清楚，幫助在學生腦子中將抽象的內容以圖片的形式記憶。同時，還應注重以圖代文，采用生動活潑、圖文并茂、簡明直觀的方式，把物理與生活、社會聯系起來，體現人文精神并培養學生的情感價值觀。如圖5所示：在學習杠桿原理內容時，采用圖片作為情境導入，可以激發學生的興趣，為什么“給我一個支點就能移動地球”？圖示中杠桿力臂的長短對比也給接下來要學習的知識點埋下了伏筆。

5.矩陣圖

矩陣圖是用行和列表示多維問題的表格，通過矩陣圖分析問題，確定關鍵節點，多因素綜合思考，可以有效地提高解決問題的效率，梳理各要素之間的關系，是常用的一種圖示方方法，如圖6所示，可以清晰地看出功隨時間的變化，即功率的變化。

三、動畫

動畫通常用于反映物體間或者內部反應原理及其過程。有些是客觀存在，但是由于條件限制，學習者無法用肉眼觀察到的物理現象，如分子運動等。有些是在理想狀態下才能實現的物理現象，如在摩擦力為零的條件下，物體進行勻速直線運動。采用動畫可以幫助學習者有直觀的感官體驗，在形象思維與抽象思維之間建立連接，使學習過程更為簡明而有趣。如圖7所示，使采用Flash制作的交互性課件，學習者可以拖動選擇三種材質的路面，觀察和計算小車在不同摩擦系數路面上的運動狀態。

綜上所述，知識可視化工具不僅可以促進知識和經驗在師生之間的傳播，還能夠激發教學者與學習者的思維能力、記憶能力與創造能力。運用知識可視化過程中不僅要關注知識本身的內容和表現形式，還要對學習者進行分析，結合學習者的認知與情感選擇行之有效的可視化工具與方法，最大限度地提升教的效果和學的質量。

編輯 薛直艷