高中物理教學中知識可視化的實踐探究

摘?要：在高中物理學習階段，物理知識大多是比較抽象的，但運用知識可視化模式可以把抽象的物理過程變成有利于被學生認知的圖形，從而有助于學生更容易理解并掌握知識。文章基于知識可視化模式，探討如何借助可視化手段開展課堂教學、優化教學過程，即探討了在圖示和模型的幫助下建構概念和突破難點的策略。

關鍵詞：知識可視化;可視化教學;實踐研究

高中物理教學運用知識可視化模式，是指構建圖形、圖像和文文章字等多樣化的信息元素呈現較為復雜、抽象的物理知識，從而激發學生的學習興趣，引導學生更好地理解物理知識。常言道：“一圖勝千言”，就是說人們對圖像視覺的理解記憶效果比文本快得多。知識可視化教學具有直觀形象的特點，可以大大降低內容的抽象性和復雜性。更讓學生的物理學思維從零散走向結構，從膚淺走向深刻。從而有助于培養學生的學科核心素養，更好地落實課程目標。

一、 高中物理教學知識可視化模式的理論基礎

2004年瑞士盧加諾大學教授馬丁·愛普提出知識可視化理論。知識可視化是指可以用來構建、傳達和表示復雜知識的圖形、圖像手段，通過視覺表征形式促進知識的傳播與創新。他提出視覺傳播與視覺認知是知識可視化的理論基礎。無論是知識可視化設計還是應用，視覺表征都是這個過程中的關鍵部分。

知識可視化作為教育理念，在課堂教學中應用可視化素材設計詳盡的圖形框架，將學生學習過程可視化。知識可視化作為學習工具，能改變學生的認知方式，促進學生有意義學習。

二、 高中物理“知識可視化”模式的教學實踐

知識可視模式在物理教學實踐中有著廣泛的應用，例如在教學設計、課堂教學、學習方式的轉變等方面。在課堂教學中可以用圖形直觀展示，使抽象的問題形象化，在突破難點中有積極作用。同時也促進了學生的思維發展，改善了學生的學習習慣，提高了學生課堂的參與度。下面是幾個具體案例：

（一）用“知識可視化”的圖形構建復雜的物理過程，培養學生的形象思維能力

運用知識可視化理念設計動態圖景運用于教學中，更能激發學生的興趣，便于學生觀察、聯想和想象，有利于學生產生頓悟，感性認識與理性認識幾乎是同時發生的。

案例一：如圖1（a）所示，在研究平拋運動時，我們用運動的合成與分解的方法，把平拋運動分解為水平方向的勻速運動和豎直方向的自由落體運動。為了使學生對兩個方向的分運動有更直觀的理解，我們可以參照圖1（b）所示圖形，可以直觀形象地看到：水平方向的速度是不變的，豎直方向的速度是逐漸增大的，兩個方向的運動相互獨立、互不影響。

案例二：在學習開普勒第二定律時，人教版教材必修二課本上的插圖不夠直觀。如果用如圖2所示，就更加直觀反映太陽雨行星的連線在相等的時間內掃過的面積相等。也可以直觀地說明行星繞太陽的運動不是勻速圓周運動，而是在近日點運動的快，在遠日點運動的慢（可以根據相等時間內運動的弧長判斷）。

（二）用“知識可視化”的思維導圖破解抽象的知識，突出教學重點

從教師教學角度來看，思維導圖可運用于設計教學系統、教學方法，又可運用于習題教學以及呈現經典的物理實驗方法，也能用來進行對每個章節知識點的回顧與復習。教師應積極將思維導圖融入物理教學中，發揮其主導作用，讓學生了解到知識間的聯系并啟迪學生發散思維。使得學生在理解物理概念、物理規律，把握整體知識結構中，能夠清楚掌握每節內容的知識框架和重難點。

在物理習題教學中，思維導圖的應用使物理量之間復雜的邏輯關系呈現直觀的特點，為學生分析和解決物理問題提供更為便捷的突破口。

1. 創設問題情境，建構物理概念

在物理教學中，常有一些學生難以理解的概念和規律，我們可以借助于思維導圖突破難點，建立概念。如創設情境，設置問題鏈，經學生自主討論，逐步解決問題，從而幫助學生建立概念，有效發展學生的思維能力。

以高中物理教學中的加速度為例，加速度是運動學中極為抽象的概念，“它是人類認識史上最難建立的概念之一，也是每個初學物理的人最不易真正掌握的概念。”對于這樣一個抽象概念，我們很難利用日常的感覺經驗來建立這個概念。

2. 用知識可視化突破思維障礙

物理條件的隱蔽性往往會形成思維障礙。學生要突破這種思維障礙，除了掌握一些物理現象出現的條件，熟練掌握概念和規律外，我們在教學中可以采取知識可視化模式突破思維障礙，提高學生分析問題、解決問題的能力。

以高中物理教學中的“衛星的變軌發射問題”和“赤道上的物體、近地衛星和同步衛星的速度比較”為例。

案例：如圖3所示，在圓軌道Ⅰ上做勻速圓周運動，當衛星在P點從圓軌道Ⅰ到橢圓軌道Ⅱ時，衛星要發生離心運動，需要點火加速。在Q點從橢圓軌道Ⅱ到圓軌道Ⅲ，衛星也要發生離心運動，需要點火加速。

但在實際教學中，我們會發現學生很容易出錯。如果采用如圖3所示的思維導圖，學生就很容易理解了。

3. 構建“知識可視化”的圖形，培養學生分析、綜合能力

在習題教學及復習的過程中，學生對抽象和復雜的物理問題往往束手無策，或者面對新型的題目無法理清解題思路時，我們可以借助于可視化教學，從而達到事半功倍的效果。

案例：如圖4所示，勻強磁場的磁感應強度為B，寬度為d，邊界為CD和EF。一電子從CD邊界外側以速率v0垂直勻強磁場射入，入射方向與CD邊界夾角為θ。已知電子的質量為m，電荷量為e，為使電子能從磁場的另一側EF射出，求電子的速率v0至少多大？

本題用知識可視化方法：建立物理圖景（通過動態圓）→由漸變到突變（注意約束條件）→臨界狀態（運用幾何知識）→尋求極值。

三、 結語

在高中物理教學中，借助可視化手段的幫助，學生可以更輕松、更快捷地理解和掌握知識。所以，我們要充分挖掘可視化教學應用的潛力，合理地使用知識可視化方法，根據不同的物理知識采用不同的教學策略，能夠最大限度地提升教學質量，有效地落實課程目標，培養學生的學科核心素養。

參考文獻：

[1]趙慧臣，王淑艷.知識可視化應用于學科教學的新觀點[J].開放教育研究，2014（2）：4-10.

[2]賀全兵.可視化技術的發展及應用[J].中國西部科技，2008（4）：4-7.

作者簡介：

劉建政，江蘇省無錫市，江蘇省懷仁中學。