高中物理可視化教學策略研究

杭國榮 居海軍

電子技術和信息技術的發展為學科教學帶來了新的理念，教師在物理學科教學設計中，利用各種技術手段輔助物理教學，將物理實驗、物理知識和規律、思維的過程以及學生的學習反饋形象地、及時地展示出來，形成可視化的教學呈現方式與物理學科教學的整合。

物理學科是一門以實驗為基礎的自然學科，以實驗探究和邏輯推理發展學生的思維能力。許多學生都反映物理學科太抽象、難學，現行的教學和考試模式也較多地讓學生關注抽象的物理知識，缺乏對實驗的過程和知識獲得的思維過程的關注。其實，物理學科并不是冰冷的，而是我們對物理知識抽象的呈現方式給了人這種感覺。電子技術和信息技術的發展為學科教學帶來了新的理念，教師在物理學科教學設計中，利用各種技術手段將物理實驗、物理知識、物理規律、思維的過程以及學生的學習反饋形象地、及時地展示出來，形成可視化的教學與物理學科教學的整合。學生借助可視化教學能直觀地觀察、體驗、利用這些生動形象的物理實驗和模型等，透過生動形象的物理現象，探索本質，形象地建立起物理知識和規律。

研究表明人腦的80%的功能都是用于處理視覺信息的。教師通過應用可視化教學策略，幫助學生減少認知負擔，使學生全身心的投入到解決問題的過程中，從而培養學生成功解決問題的能力，提高和拓展學生的認知能力和創新能力。教師在進行教學設計時可以從以下幾個方面入手，提高教學的可視化程度。

1物理實驗的可視化策略

物理實驗是物理教學中的一個重要環節，無論是教師演示實驗還是學生分組實驗都是花了大量的教學時間，但教學效果大多不是很理想。例如在教師在做演示實驗時，大部分學生離講臺的距離太遠，學生不能清晰地看到演示的操作細節、實驗的過程和結果，演示實驗的效果大打折扣。學生難以從全方位看清、看懂老師的實驗演示過程，學生分組實驗時，學生在完成實驗時就很難正確地操作儀器設備，高效地完成實驗。教師在教學設計時應該考慮怎樣將實驗的效果提高，通過什么樣的手段將實驗的細節變得可視化。在實驗教學中，教師可以利用實物展示臺、攝像頭、相機甚至手機的電子設備，實現實驗的細節可視化目的。例如，利用洛倫茲力演示儀觀察帶電粒子在磁場中的運動的實驗中，演示器材離學生距離遠，同時里面充有稀薄氣體的玻璃罩反光特別厲害，很難看清玻璃罩中帶電粒子運動路徑上稀薄氣體發出的輝光。實驗中教師可以利用攝像頭或數碼相機的實時取景功能對實驗進行實時展示，通過數據線連接到電腦和投影機，可以在大屏幕上看到實驗的細節；利用一塊不透明的遮光布就可以解決玻璃罩的反光問題，攝影頭或相機在遮光布里面可以拍到非常清晰的實驗效果。例如在研究的彈簧中力的瞬時性問題，可以利用相機或手機拍攝下小球在彈簧的作用下，剪斷細線的瞬間，小球運動和彈簧的形變情況，在電腦上利用播放器慢速播放，將極短時間內眼睛難以觀察的實驗現象在屏幕上可視化，學生在慢速鏡頭下看到的實驗效果對彈簧中的力不能瞬時突變的理解有著巨大的幫助，親眼所見一次比別人講許多遍的效果都要好。現在有的手機本身就帶有慢動作的拍攝功能，在很多物理實驗中都可以派上用場。在演示微小的實驗時，可以利用數碼相機的實時取景功能，在實時取景下相機的對焦點可以放大×1倍、×5倍、×10倍，微小的實驗細節都可以放大可視化。隨著電子技術的發展，手機、相機、電腦等電子產品基本人人都有，開發這些電子產品的教學功能，需要教師們開動腦筋和學習借鑒。

2物理情景的可視化策略

物理規律的獲得和應用都離不開物理情景，能夠建立的清晰的物理情景和物理模型，物理問題的解決工作已經完成了一半。高中物理中一部分物理情景來源于生活、來源于實驗，這些情景是可以通過圖片、視頻和實驗操作展示給學生。例如課本上大量的演示實驗和學生實驗，如驗證小球下落時機械能守恒，帶電粒子在磁場中的偏轉，在氣墊導軌上演示兩滑塊的幾種碰撞情景等。實驗教學能夠調動學生學習物理的興趣，幫助學生建立物理情景和物理模型，提高學生的物理素養和解決物理問題的能力。物理教師要開足實驗課，不能因為怕麻煩，不去做實驗。學生做實驗和聽實驗是有區別的，親身經歷過的事情有些是終生難忘的。高中物理教學中還有很多物理情景因為設備，資金等客觀原因無法展現給學生，教師可以借助多媒體技術和信息技術展現給學生。例如回旋加速器中帶電粒子的運動情況和交變電壓的周期變化情況在flash制作的動畫中能夠非常直觀地觀察到帶電粒子的運動情景。衛星的發射與回收也可以觀看相應的動畫，幫助學生建立物理情景。幾何畫板是一種數形結合的工具，利用它不僅能夠展示物理情景，還能反映數量關系，在小船過河的教學中，利用幾何畫板制作的動畫能夠很好地展現小船過河的三種情景。教師在教學之余，經常地收集一些與物理教學相關的動畫、視頻等，在需要的時候夠能為物理教學服務。

3物理知識的可視化

有些學生認為高中物理知識點和公式太多，太難記憶；他們利用機械地方式背公式，孤立地學習物理知識，記憶效果較差、容易遺忘。物理是一門有著自身知識系統和方法論的學科，知識問的聯系極其緊密，縱橫交錯、環環相扣。物理學科知識就像是一顆知識之樹，有主干，有分支，有細葉。就拿力和運動的知識模塊來說吧，兩條處理動力學的思路是力和能量，方法分別是牛頓運動定律和動能定理，而動能定理的推導就是在牛頓第二定律和運動學公式的基礎上推導出來的，可以說高中物理的動力學問題就是一個牛頓第二定律。教師教學的關鍵就是幫助學生建立知識間的聯系，將知識形成可視化的網絡及圖像。教師在學科教學的設計是就應當考慮到物理知識的可視化和學科教學的整合，利用如MindMapper等思維導圖軟件，可以將物理知識網絡化、可視化，幫助學生形成物理命題網絡、物理圖式等系統化的知識網絡記憶結構。教師既要教授系統化的物理知識，也要教組織知識的方法——如列表、結構圖、邏輯關系以及綜合運用等。當學生有了一定的組織知識的經驗時，完全可以由學生完成列表格或畫知識結構圖等組織知識的任務，并在課上交流；其他學生評判知識間的關系是否真實、清晰，及時補充。如圖為學生利用知識結構圖示畫出的機械能的知識網絡結構，將知識形成可視化的圖式結構，有利于在問題解決的過程中及時地在記憶中提取相關知識。

4學習反饋的可視化

學生對物理知識的掌握的程度如何，在課堂上必須有一個及時的反饋。學生用粉筆在黑板上板演、板畫是課堂七傳統的教學效果的反饋方式；實物投影也可以用來展示學生的學習成果。交互式電子白板的出現，真正實現了白板與計算機、演示者與聽眾之間的雙向互動。教師或學生直接用感應筆或手指在白板上操作（相當于傳統教學中師生用粉筆在黑板上操作）：寫字或調用各種軟件，然后通過電磁感應反饋到計算機中并迅速通過投影儀投射到電子白板上，學生可以將解題的過程和思路，及時地展示到電子白板上。學習結果反饋的可視化，可以幫助教師迅速的調整教學的進度和難度，也可以幫助學生借鑒其他同學的學習中的得失對自己的學習進行反思。近些年信息技術在輔助教學中的發展為大規模的學生學習結果的反饋提供了可能。點陣數碼筆是最近剛剛興起的一種學習輔助工具，它通過在普通紙張上印刷一層不可見的點陣圖案，簡稱為點陣紙：在筆的前端的高速攝像頭隨時捕捉筆尖的運動軌跡，同時壓力傳感器將壓力數據傳回數據處理器，最終將信息通過藍牙或者USB線向外傳輸的新型書寫工具。多人用點陣數碼筆在紙上書寫的同時，他們的書寫結果會同步到電腦中，老師可以實時掌握每個人在紙上的書寫內容，可以隨機在大屏幕上點取任何一個學生的答題內容進行展示，突破了現有的交流模式，節約了時間，使教師在課堂上關注每一位學生的學習情況成為可能。但是點陣筆價格昂貴，給每位學生配置一支點陣筆，普通學校經濟難以承受。教師還可以用一個比較經濟簡單的方法實現每個學生的學習結果反饋可視化：利用在同一個網絡中的智能手機和電腦，利用一個叫做蘋果錄屏大師的小軟件，可以將手機屏幕上的內容在電腦屏幕和投影上產生鏡像，利用手機拍攝學生完成的成果就可以實時地展示在大屏幕上，分析學生的學習掌握情況。這種經濟可行的教學輔助手段能夠實現學生學習結果反饋的可視化，能夠幫助教師對教學效果進行診斷，及時調整教學的策略。

信息化技術的發展是時代大勢所趨，將多媒體和網絡技術用于輔助教學中，實現信息技術和物理學科的整合，科學地運用信息技術，促進教學實踐活動的整體優化，提高物理教學的效益。信息技術和學科整合的一個新的發展方向就是電子化的學習資源，學生能利用電腦或pad等在線自主地學習，相關的信息技術和學科整合的進度值得教師們關注。