利用思維導圖構建光學知識點總結課程的探索與實踐*

2017-04-01 07:25:47張榮香張建飛

物理通報 2017年4期

張榮香張建飛

(河北大學物理科學與技術學院河北保定 071002)

張淼

(河北大學化學與環境科學學院河北保定 071002)

趙新民

(易縣職業技術教育中心河北保定 074200)

黨偉趙曉輝

(河北大學物理科學與技術學院河北保定 071002)

劉濤

(華北電力大學電子與通信工程系河北保定 071003)

丁文革

(河北大學物理科學與技術學院河北保定 071002)

利用思維導圖構建光學知識點總結課程的探索與實踐*

張榮香張建飛

(河北大學物理科學與技術學院河北保定 071002)

張淼

(河北大學化學與環境科學學院河北保定 071002)

趙新民

(易縣職業技術教育中心河北保定 074200)

黨偉趙曉輝

(河北大學物理科學與技術學院河北保定 071002)

劉濤

(華北電力大學電子與通信工程系河北保定 071003)

丁文革

(河北大學物理科學與技術學院河北保定 071002)

結合高等學校物理相關專業光學課程的教學實踐，分析了光學課程的特點，并基于思維導圖獨特的特征，探索了利用思維導圖構建光學知識點總結課程的優勢和步驟，且結合“光的偏振態”具體知識點進行了實踐研究.

思維導圖光學知識點總結課程

思維導圖是英國“記憶之父”托尼·巴贊(Tony Busan)基于大腦的工作機理，于20世紀60年代發明的一種可視化思維工具[1].如圖1所示，思維導圖運用圖文并重的技巧，把各級知識點間的關系用相互隸屬的關聯層次表現出來，具有發散性、可視化、形象生動的特點，能將人們的思維不再局限于大量的文字描述中，而是用直觀的、具有邏輯性的圖形顯示出來[2].鑒于思維導圖獨特的優勢，自發明后這種工具已經從英國推廣到世界各地，并且應用于學習、記憶、管理、企劃等多個領域[3].將思維導圖引入教育，對于知識的梳理和深入理解具有非常重要的作用，因此，不少學者對教學中應用思維導圖的方法進行了探討，分析了在不同學科領域應用思維導圖的優勢[4～9].光學，作為物理相關專業的一門主要課程，具有內容豐富，知識點多，抽象不易理解等特點.本工作針對光學課程的這些特點，探索利用思維導圖工具設計光學知識點總結課程的方法，并進行實踐研究.

圖1 思維導圖圖示

1 光學課程的特點分析

光學是一門古老而又年輕的學科，是研究光的本性、光的產生、光的傳播、光與物質的相互作用以及光在科學研究和生產技術中各種應用的學科，是擴展學生的科學視野、掌握現代科技手段的重要組成部分.作為物理相關專業學生必修的一門專業基礎課，光學課程不僅為學生后續專業課程的學習提供必要的準備，而且為學生將來從事教學、科學研究和其他工作打下良好的基礎，同時光學課程也是各高校光學相關專業研究生考試的主要課程之一.光學作為一門傳統且重要的基礎課程，具有如下幾方面特征.

1.1 各主體內容間關聯度相對較弱

大學本科光學課程主要包括幾何光學、干涉、衍射、偏振和光與物質相互作用這幾方面內容，每一部分內容都很豐富，且很重要.幾何光學部分主要介紹光學的幾何光學相關知識，很多內容在中學已經學過，在大學講解時會進行一定的深入和擴展.這部分知識主要用于光學儀器分析和設計上，沒有涉及光的波動特性.干涉、衍射和偏振這3部分內容主要從不同方面體現光的波動特性，是大學階段光學學習的主要內容，它們之間具有一定的相關性，但總體關聯程度不是太強，且每一部分內容都很重要，是各種光學儀器對不同方面光波動特性進行實際應用的理論基礎.光與物質相互作用主要介紹光在與物質相互作用過程中表現出來的量子特性，側重于從量子方面探究光的本性.

1.2 各主體內容自身各部分之間有較強關聯性

光學課程中盡管各主體內容從不同方面反映光學相關知識，但不同方面都具備一套理論基礎和理論分析方法，同一主體內容中的各部分之間具有較強的關聯性.幾何光學部分主要研究光的成像問題，所以在單個球面的成像公式下利用逐次成像的思想可以分析給定光學系統或儀器中的成像問題.干涉以光的干涉理論為基礎，分析不同類型干涉儀器中的干涉特征，并根據干涉特征進行實際應用分析，分析的方法類似.衍射主要以惠更斯-菲涅耳原理為基礎，分析基于衍射的各種典型光學儀器的衍射特征，并根據衍射特征進行實際應用分析.光與物質相互作用主要分析不同實驗中表現出的量子特征，從而探討光的本性問題.

1.3 各知識點本身不同方面具有很強的關聯性

光學課程中有很多知識點，不同知識點本身是一個整體，相關知識具有很強的關聯性.比如若把光偏振態作為一個知識點，可以根據光振動的不同特征展開介紹不同偏振態，從而對不同偏振態特征及之間的關聯有清晰的認識.因此，以不同知識點為對象，對其相關知識進行總結學習，有助于理解知識的關聯性，并加以靈活擴展和應用.

2 利用思維導圖設計光學知識點總結課程的優勢

光學的內容較為豐富，學生普遍感覺到對知識的整體把握和理解運用有難度.思維導圖是一種強大的圖形工具，其利用視覺符號來表達思想和概念，描述事件之間的因果、從屬、層次等邏輯關系，從而利于知識的遷移.知識點總結是對所學知識進行系統整理的過程，能幫助學生把平時學的相對獨立的內容整體化和系統化.基于思維導圖的特點和優勢，構建光學課程中同一知識點相關知識的思維導圖具有諸多優勢，主要體現在以下幾方面.

2.1 圖示表示直觀性強

光學課程中公式較多，如果單純用文字和公式來進行知識的講授，則容易使學生疲乏，教學效果差.思維導圖強調視覺表象，其作為抽象思維的想象載體，將教學內容用圖像、文字、符號、紋路、線條曲直、顏色等形式形象地呈現出來，具有很強的直觀性.對于內容充實的光學課程，以知識點為核心，對相關內容進行加工和整理，確定各知識點相關內容間的隸屬關系或關聯，創建思維導圖，從而使同一知識點的所有信息都組織在一個層次分明的結構圖上，將頭腦中的抽象思維轉化為形象可感的放射性圖示，形如人類大腦神經細胞結構的圖形，可以使知識在頭腦中留下更為深刻的印象.且與純文字和公式相比更具有新鮮感和吸引力，能提高學生學習興趣和注意力.研究表明，使用視覺輔助能使學習效率提高400%[10].

2.2 主題突出層次鮮明

光學課程中知識點很多，實際上每一個知識點可看成一個整體，盡管圍繞每個知識點內容很多，表面看起來也很紛雜，但本質上有緊密聯系.思維導圖利用邏輯推理的形式，以放射性思考為基礎，有邏輯地表現出知識的生成過程.利用這種工具圍繞同一知識點，將相關知識按照關聯性層次分明地表示出來，可以使分散的知識統一起來，呈現極強的邏輯關系.思維導圖不是知識點內容的簡單疊加，而是體現一定關系的、符合邏輯思維的有意義圖示，它能使主題突出，并揭示知識之間的順序關系和層次關系，使學生既可以從整體上對知識點有一個認識，又可以從細節上對其有深入了解，從而有利于學生梳理思維的脈絡思路、理清主次.

2.3 師生共參便于學習

同其他課程一樣，在光學課程的教授中教師的教和學生的學同等重要.利用思維導圖構建知識點總結課程，可以形成清晰的知識結構圖.教師構建思維導圖授課可以使教師的教學思路更加明朗，更便于在教授時開啟學生的思維，從而促進學生認知能力的提高和有效的學習.教師也可以引導學生自己構建思維導圖，加速知識的內化，構建認知結構.只有學生自己用腦思考，自己動手整理，才能把知識轉化為自己的知識.思維導圖的制作過程是對所學光學知識的一個再整理過程，是形成合理認知結構的一種理想工具.學生在完成思維導圖過程中由簡短關鍵的幾個詞將相關內容串點成線，不僅可以深入理解知識，系統歸納知識，而且可以展現出自己的思維模式，從而有助于教師幫助學生進行思維導航，培養學生的分析推理能力，實現光學學習的科學和高效.另外，學生在構建思維導圖過程中，可以與同學交流合作，共同討論問題，這也能不斷提高其自主學習的能力，增強學習效果，激發學生的學習興趣和創造力.

3 利用思維導圖構建光學知識點總結課程的實踐

本文選取光學課程中“光的偏振態”知識點作為構建思維導圖的實例.選取依據是因為不同光學教材中對光偏振態的分類不同[11,12]，并且不同偏振態間又有一定的關聯，從而在光學授課過程中發現學生對光偏振態的類別比較模糊.通過構建思維導圖可以幫助學生理清光不同偏振態間的區別與聯系，從而對不同偏振態具有清晰的認識，并解決不同教材分類不同的迷惑.具體分為以下幾個步驟.

步驟1：按照知識點書寫教案，理清思路，確定思維導圖主題和各層主干關鍵詞.

完整的教案和清晰的思路是制作思維導圖的必要前提，而主題和各層主干關鍵詞是制作思維導圖的關鍵.因此，首先通過廣泛調研準備出有關光偏振態知識的完整授課教案，然后根據教案確定出所要構建思維導圖的主題“光的偏振態”，進一步根據不同偏振態中光矢量振動的不同特征和關聯確定一級主干關鍵詞為“非偏振光”、“完全偏振光”、“部分偏振光”，二級主干關鍵詞為“自然光”、“線偏振光”、“橢圓偏振光”、“圓偏振光”、“自然光+線偏振光”、“自然光+橢圓偏振光”、“自然光+圓偏振光”.

步驟2：選擇思維導圖工具，構建思維導圖，并利用圖形、符號等修飾，使其更加形象鮮明.

構建思維導圖可以手繪，也可以用計算機軟件.使用計算機軟件構建思維導圖非常方便，大大簡化了思維導圖的創建過程，且所構建的思維導圖形象美觀.本工作利用思維導圖工具Novamind構建思維導圖，先選定節點，然后利用Enter或Insert鍵插入各層主干關鍵詞，以此類推構建思維導圖.所構建“光的偏振態”思維導圖全貌如圖2所示.

步驟3：設計思維導圖講解模式，用于教學.

教師構建思維導圖的主要作用之一是給學生進行講授，促進學生的學習.結合現在先進的思維導圖工具可以對構建的思維導圖進行放映設計，創建適合講授、利于學生接受和理解的講解模式.創建的講解模式如圖3所示.放映和講解的基本流程為：

(1)放映圖3(a)，先引出主題“光的偏振態”，引出講解內容，啟發學生思考.

(2)放映圖3(b)，給出一級主干關鍵詞，使學生對不同偏振程度的偏振態有一定了解，并介紹各自特征.

(3)放映圖3(c)，給出二級主干關鍵詞，進一步對偏振態進行細化，并通過層次關系明確隸屬關系.

(4)放映圖2，給出輔助講解公式或圖形，進一步對不同偏振態的特征進行介紹.也可以每部分單獨放映，之后再放映圖2所示總結構.