思維可視化在初中物理概念教學中的應用
——以“壓強”教學為例

(江蘇省太倉市高新區中學,江蘇 蘇州 215400)

1 概念界定

1.1 可視化

可視化，顧名思義就是“讓本來看不見，看不清的東西看得見、看得更清晰”。思維是看不見摸不著的，當一個人在思考的時候，其他人看不到他的大腦在想什么，只有他把想法說出來，大家才會了解。[1]

1.2 思維可視化

思維可視化是指運用一系列圖示技術，把本來不可視的思維(思考方法和路徑)呈現出來，使其清晰可見。

1.3 思維型課堂

思維型課堂的核心是學生的思維活動，以探究問題為目的，以思維訓練為主導。思維型課堂教學有以下4個基本特征：認知沖突、自主建構、自我監控和應用遷移。[2]

2 初中物理概念教學現狀分析

目前初中物理概念教學中普遍存在重結果、輕過程的現象，忽視生成概念的思維方法和過程，在學生還沒有足夠的感性認識時匆忙給出定義和表達式，這樣就造成了學生對物理概念的學習處于被動接受的狀態，致使大部分學生只是死記物理概念而沒有真正理解物理概念的實質，不能活學活用、融會貫通。形成的普遍現象就是在新課后還要耗費大量時間在題海中，表面上看似弄懂了，但過一段時間又不會做了，到復習階段又是重復進行習題訓練，學生的整個學習過程主要集中在解題上，漸漸地失去了學習的興趣和動力。

3 思維可視化理念下的物理概念教學轉型

所謂課堂轉型是指教學范式的轉型，即從知識傳遞型轉向知識建構型。[3]對于初中物理課堂轉型，可先從概念教學入手，利用思維可視化和實驗過程的可視化，教師能基于學生的思維而教，學生能夠主動參與到整個學習過程，充分發揮主觀能動性。教學中從感性認識入手，通過大量的感性認識，逐漸上升到理性的辨析，筆者嘗試了各種可視化手段，來幫助學生構建起結構化的知識體系。

3.1 情境引入的可視化

壓強概念對熟悉的人來說似乎是非常清晰的，但對剛學習物理不久的初二學生來說，很容易把壓強和壓力概念混淆。

筆者首先播放一段冰面營救的視頻，讓學生感知在壓力不能改變時，通過一定的方法是能改變壓強的。

緊接著再請學生用吸管插入包裝盒，體驗壓力的作用效果，學生用尖銳的一端能很容易插入，緊接著進行了一系列追問。

師：為什么不用平的一端？

生：平的一端不方便插入。

師：平的一端能插入嗎？請你試試看。

學生嘗試換用平的一端，幾番努力后多數成功了，少數沒有成功，而且吸管變歪了，僅在包裝盒上留下了凹陷。

師：這次和上一次有何不同？

生：用的力要大很多。

師：在刺破包裝盒的實驗中你收獲了哪些知識？

生：用尖的一端容易刺破，用的力小；平的一端也能刺破，但用的力要大。

師：刺破包裝盒取決于哪些因素？

生：刺破包裝盒不僅取決于用力的大小，還與受力面積有關。

此時學生對這個“刺破”的問題產生了一定的認知，然后進行分析：包裝盒此時受到吸管對它的力是一種壓力，這個壓力產生了一定的效果，這個效果就是包裝盒產生了形變，形變達到一定程度后破裂了。但是刺破發生形變的時間太短，無法明顯觀察到，因此在引出壓力作用效果這個問題時，筆者增加一個實驗效果可視化的環節，在橡皮泥的兩端分別用手指和指尖同時擠壓，由于橡皮泥不僅能立刻展示形變，而且還可以保留下來，給全體同學觀察，可視性很強，學生看完后能立即明白壓力的作用效果是使被壓物體發生形變，而且再一次體驗到了影響壓力作用效果的因素。

3.2 實驗過程的可視化

通過引入環節的初步探討，學生大多能猜想出壓力的作用效果可能與壓力和受力面積有關。然后進行討論，制定研究方案，利用教材建議的器材進行分組實驗，學生能自主得出結論。在學生實驗后，筆者再增加了一個可視度高的演示實驗，用橡皮泥作為受壓面，利用學生胸卡帶和棉線來改變受力面積，通過改變鉤碼個數來改變壓力的大小，事先錄制視頻(如圖1)，播放時在特定的時間點暫停，提醒學生仔細觀察并思考，運用清晰的可視化實驗獲得了很好的教學效果。

圖1

3.3 概念建構的可視化

圖2

通過實驗學生得出了壓力的作用效果與壓力和受力面積的關系，筆者在從壓力作用效果過渡到壓強概念的教學中增加了以下實驗環節，同樣用上述實驗器材，在受力面積大的帶上掛6個鉤碼，受力面積小的棉線下掛2個鉤碼，觀察發現兩種情況下橡皮泥凹陷程度無明顯差異(如圖2)。

從而引發學生思考：在壓力和受力面積均不同時，如何比較壓力的作用效果？再利用具體的壓力和受力面積的數據，此時學生能把以前學習過的速度、密度等概念定義的方法遷移到當前情境中，想到用比值的方法來比較。

3.4 應用的可視化

每一個物理量都是有實際意義的，當一個力施加到某個物體表面時，由于每個物體表面都有一定的抗壓能力，當這個力產生的壓強大于物體表面所能承受壓強的極限時，物體會被刺破。因此生活中有些需要刺破的情況其實就是要增大壓強，例如刀、釘子等；有些需要減小壓強，例如書包帶、載重卡車的輪胎等。關于增大或減小壓強的方法，筆者使用了例題和可視化實驗，引導學生得出結論。

例1：某公路路面所能承受的最大壓強為8×105Pa。現有一輛卡車，自重2t，有6個輪子，每個輪子與地面的接觸面積是200cm2，當這輛卡車裝載10t貨物在該公路上行駛時，請通過計算說明，卡車是否會對公路路面產生危害？如果是，如何避免這種危害？

通過計算發現此時卡車對路面的壓強超出了路面能承受的最大壓強，會毀壞公路路面。怎么能避免這樣的危害？學生通過回顧計算的過程，很容易回答。

生1：卸掉一些貨物，減小卡車對路面的壓力。

生2：多加幾個輪子，增大卡車對路面的受力面積。

緊接著用氣球做模擬實驗，把氣球壓在一個圖釘上很容易扎破，再把氣球放在多個圖釘上，用力壓也不容易破，但持續增大壓力也會破裂。當把氣球放在多個釘子上最終也破裂了，給學生的視覺沖擊很強，很快聯想到載重卡車為了減小壓強裝了多個車輪，但如果

超載的話同樣會損壞路面。

3.5 總結的可視化

學生學習“壓強”知識時經歷了一次主動構建知識的過程，但學生能記住的信息量是有限的。筆者應用“希沃白板”的思維導圖功能(如圖5)，逐級呈現知識建構的過程，幫助學生構建知識體系。

圖5

4 結語

思維可視化理論強調運用可視化的方法幫助學生展現思維過程與結果，讓教師基于思維而教，讓學生的思維在情境中展開，學生在深度的參與中親歷概念的建構、規律的發現過程，這樣的學習過程使記憶更深刻，實現了概念教學向思維型課堂的轉型。