利用思維可視化突破初中冰水混合液面升降問題求解疑難

朱福菊 王酉順 何學美 姚 斌

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650092)

1 引言

思維可視化是指運用一系列圖示技術把本來不可見的思維(思考方法和思考路徑)呈現出來，使其清晰可見的過程[1]，即將大腦中的思維“畫”出來.利用思維可視化方法把復雜問題的思考程序進行可視化拆解，可以快速找出學生思考問題時的障礙，便于針對性地提出解決方案，助力學生思維發展.眾多研究顯示，思維可視化是訓練和培養學生科學思維的有效途徑之一[2～6].

冰水混合液面升降雖然是生活中的常見現象和各類考試中的重要考查內容，但由于這類問題的現象不太明顯，需要的觀察時間也較長，往往導致學生在建立完整的物理思維過程中困難重重.本文在思維可視化視域下，把浮冰溶化后液面的升降問題生成形象的魚骨圖，引導學生逐步展開形象化思考，形成對液面升降問題的系統認識，最終在學生頭腦中構建一個完整的思維可視化解題過程.

2 冰水混合液面升降問題中的思維可視化解題策略

解答問題需要從本質入手.對于冰水混合液面升降問題，無論是“升”還是“降”，關鍵在于確定是由什么因素引起液面高度的變化.究其原因，液面的“升”“降”取決于冰化成水后這部分水的體積V排2與未溶化且漂浮時所排開的水的體積V排1之比.因為浮力F浮=ρ液gV排，當液體密度不變時，浮力大小只取決于物體所排開液體的體積，所以比較前后狀態V排的大小就確定了液面高度的變化.確定好這一解題關鍵后即可運用思維可視化方式將研究對象的相關物理量層層拆解，根據時間或空間的順序畫出各個分支，明確各個物理量之間的關系，最后利用思維可視化工具——魚骨圖，將物理問題中的關系圖示化，以突破求解疑難.繪制的思維導圖如圖1所示.

圖1 冰水混合物液面升降解題思維圖

冰水混合物液面升降問題的思維可視化解題策略魚骨圖如圖1所示.魚骨圖的中間部分為解題的關鍵信息點，通過這些關鍵信息點可以把復雜問題分解為若干個簡單問題.魚骨的上下兩側分別為策略分析過程和條件轉化過程.借助解題魚骨圖，可以引導學生掌握清晰的思考程序，把復雜過程分解為簡單步驟，形成高效的解題策略.

3 應用思維可視化解題策略的3個實例

3.1 冰化成水后液面的升降問題

(1)學生思維障礙

初中學生在遇及此類問題時，會受到思維定勢的影響，認為冰是漂浮在水面上，有部分露出水面，化成水后露出部分會使液面升高.

(2)傳統講解

如圖2所示，冰塊漂浮在水面上，F浮=G冰，冰化成水后，F浮=G水=G冰；浮力相等所以V排不變，液面不變.

圖2 冰水混合物模型

解題推導過程如圖3所示.

圖3 傳統講法解題推導圖

分析：學生剛接觸此類問題時，對于浮力與體積的關系還沒有很好的界定，會導致學生聽時明白，過后再獨立分析題時又會進入思維定勢，且遇到稍復雜的此類問題時會造成思維混亂，不利于促進學生科學思維的發展.

(3)思維可視化方式解析

在圖1冰水混合液面升降解題魚骨圖的指引下，結合圖2模型，把液面升降問題分析轉化為求前后狀態V排1和V排2的體積比較，體積又由浮力來推導計算，形成如圖4的解析.

圖4 思維可視化方式解題推導圖

分析：相較于傳統解答，在思維可視化方式指引下，教師也可以直觀看到學生的解題思路，進行及時有效的反饋，提高學習效率.學生從中也能鍛煉解題的思維程序，同時將思維程序遷移到其他復雜問題的解答中.

3.2 冰塊中含有木塊的液面升降問題

(1)學生思維障礙

冰塊中含木塊的模型如圖5所示.因為ρ木<ρ水，分析木塊最終會漂浮于水面，大多學生會認為此時液面會下降.

圖5 冰塊含有木塊模型

(2)思維可視化方式解析

冰塊中含木塊的液面升降問題用思維導圖可視化解析如圖6所示.

圖6 冰塊中含木塊的液面升降問題的解題推導圖

分析：物理教學中要注重對學生思維邏輯的培養，利用思維可視化方式教會學生如何思考問題，并在解決問題的過程中不斷訓練完善學生的思維邏輯，切實提高學生分析問題、解決問題的能力，有效帶動學生思維能力的提升.

3.3 冰塊中含有鐵塊的液面升降問題

(1)學生思維障礙

冰塊中含鐵塊的模型如圖7所示.因為ρ鐵>ρ水，鐵塊最終會沉入水底，致使大多學生會認為此時液面會上升，導致出錯.

圖7 冰塊含有鐵塊模型

(2)思維可視化方式解析

冰塊中含鐵塊的液面升降問題解題思維導圖如圖8所示.

圖8 冰塊中含鐵塊的液面升降問題解題推導圖

分析：通過解題思維魚骨圖，把液面升降問題最終簡化為求浮力問題，降低了求解動態問題的難度.各類冰水混合物液面升降問題的求解雖存在差異，但在圖1思維可視化魚骨圖指引下的解題思路可以推而廣之，進而讓學生輕松學習的同時，促進高階思維發展，提高學生學習興趣.

4 結論

“重知識而輕思維”的教學方式危害巨大，會使學生長期處于淺思考、不思考的狀態，久而久之，學生的思維發展必然受阻，思維能力必然弱化，思維深度必然受限，學生核心素養的有效發展也必然受到抑制[7,8].通過引入思維可視化，把教學重點從注重知識層面向思維層面轉移，促進或迫使師生共同思考，以此產生思維共振.思維可視化教學可以為初高中學習搭建一個臺階，借助思維工具，創設問題情境，促進學生科學思維的深度發展，逐步幫助學生有效提升抽象思維能力.