例談基于學科思維導圖的思維可視化策略在物理問題解決中的應用

鄧宗茂 賴永豐

摘? ?要：問題解決能力是高中物理學科能力的重要組成部分，而學科思維導圖通過可視化的方法方便師生在問題解決過程中表達、診斷、交流、反思、記憶、理解，對培養和提高學生的問題解決能力有獨特的作用，是提高學生問題解決能力的有效策略。

關鍵詞：學科思維導圖;可視化策略;問題解決

新時代對人的素養提出了新的更高的要求，而高中物理學科對人的素養的形成特別是科學思維能力的提高具有不可替代的重要作用。新版普通高中物理課程標準提出物理學習的核心目標是實現學生的思維發展，而問題解決是思維發展的必經之路，學生只有自主地經歷了問題解決的過程，才能不斷增強自己的科學思維能力，提高物理學科素養。學科思維導圖是在學習了東尼博贊思維導圖的繪制理念與方法后結合物理學科特點提出的既有思維導圖的形式又有物理學科思維本質的一種教與學的手段，它是主體思維可視化的有效方法，它通過圖、表、關鍵字等方法將內隱于思維主體的思維過程外顯出來，方便表達、診斷、交流、反思、記憶、理解。筆者在多年的物理教學實踐中堅持以物理學科思維導圖對教學內容、教學過程及教學策略等進行優化整合，證明物理學科思維導圖能夠對提高學生的問題解決能力、優化學生的思維品質起到很好的作用。下面結合教學實際談談學科思維導圖在高中物理問題解決中的的應用。

1? 理清思維路徑，便于表達與診斷

在普通高中課程標準實驗教科書物理1第5章力與平衡第3節力的平衡中有一個典型問題，它是應用力的平衡條件解決一個實際生活問題。原題如下：用繩子將鳥籠掛在一根橫梁上，如圖1所示。若鳥籠重19.6 N，求繩子OA與OB的拉力。

在日常教學實踐中這個有關三力平衡條件運用的基礎性問題學生會反復的出錯，大大超出老師的預期。如圖2是學生的典型錯誤，為了讓學生能夠搞清自己知識結構的缺漏和思維誤區，我要求學生畫出自己解題過程的學科思維導圖，每位同學各自按照自己的解題思路獨立畫出思維導圖后，再經小組合作方式進行交流，通過思維碰撞、互相啟發產生了一個小組共同思維導圖如圖3。導圖呈現了學生思考這個問題的過程與路徑。同學們分析了三個局部的受力問題，第一是結點O處于三力作用下的平衡狀態;第二是細繩OC的兩端的受力大小關系;第三是鳥籠是處于二力作用下的平衡狀態。在分析這三個問題的過程中學生就能夠根據已知的問題情境找到三個問題的聯系并用連接線在學科思維導圖如圖3中表示出來。再結合本題中鳥籠的重力是已知的，就明確了解決這個問題的空間流程是從下到上，從“鳥籠”到“繩OC”再到“結點O”。這樣也就順理成章地能夠畫出解決這個問題的操作流程圖如圖4。通過這樣的學科思維導圖以及流程圖的繪制的教學過程讓學生明確了思維展開的方式和路徑的同時，還可以讓師生進一步明確解決這個問題需要哪些物理學科知識和技能，為師生進行準確的學情診斷提供依據。如流程圖4就讓學生清楚的知道要順利解決這個問題必須具備的基礎知識有二力平衡條件、同一輕繩兩端拉力相等、三力平衡條件、力的平行四邊形定則、三角函數。促進同學反思自己的解題過程，之所以會得到如圖2所示的錯誤解法原因在于流程圖中的應用三力平衡條件得出OA繩與OB繩合力這一思維結點上出錯了，沒有把握住OA繩與OB繩合力方向豎直向上這一關鍵點。從而指導學生在這個知識點上要加深理解、準確把握才能正確應用。其他同學應用這個方法也都能夠找到各自的思維錯誤結點和知識缺漏，促進學生進行自我學情診斷，進一步補缺補漏，有的放矢。通過這樣一個由已知到未知的一步一個腳印的邏輯推理過程，大大提高學生的科學推理能力，同時還為教師的教學找到切入點和發力點，打造了高中物理高效課堂，促進了學生的深度學習。

2? 顯化思維結點，利于反思與交流

在普通高中課程標準實驗教科書物理1第5章力與平衡第1節力的合成節后作業第4題原題是這樣的：有三個共點力，分別是2 N，7 N，8 N，它們合力的最大值和最小值分別是多大？

學生對這個問題的合力的最大值的求解都能夠得出正確答案，而合力最小值很多學生就會得到1 N的錯誤答案。對于這個問題我們學校備課組教師反思自己教學時布置學生繪制出各自的學科思維導圖，同學們通過小組合作得到學科思維導圖如圖5，并且畫出了操作流程圖如圖6。在學生交流各自對這個問題的看法過程中有了關鍵發現，發現學生在分析這個典型問題時存在思維重要環節的缺漏，正是這個缺漏導致學生的推理過程邏輯出錯。

課堂實錄回放如下：

學生甲：圖6是我的思維流程，應用學科思維導圖圖5結論先求F1與F2的合力F合1大小范圍是|F1-F2|≤F合1≤F1+F2，可得5≤F合1≤9。求三個力的合力是一個兩次求合力的過程，把F合1與F3再做一次合成就可以得到最后的合力F合。接下來的思維路徑是運用二級結論，如圖7得到最大值為17 N最小值為1 N。

甲展示此圖后學生乙提出不同意見：為什么用F合1的最大值9 N與F3合成而忽略了最小值5 N呢？

學生丙：第二次合成與第一次合成前提條件并不完全相同，在第一次合成中兩個力F1與F2大小是確定的，而在第二次合成中兩個力F合1與F3其中力F3大小確定而另一個力F合1大小是可變的。

這時學生甲大叫：我知道了，這里的F合1大小是可變的，所以三力的合力最小值|F合1-F3|是個隨著F合1大小變化而變化的變量，而這個變量|F合1-F3|的最小值在F合1=F3=8 N時，它是可以等于零的。流程表達如圖8。

這樣將三力合成的問題解決思維可視化的過程就是剖析顯化模糊錯誤思維節點的過程，它把隱性思維節點顯性化，將學生甲潛在的思維過程展現出來，讓其他學生直觀看到學生甲的思維過程，便于師生、生生之間的交流和思維主體學生的自我反思，加深了對知識的理解，將課堂思考引向縱深，也為師生之間、生生之間的合作學習提供了一個很好的媒介和抓手。可以說學科思維導圖是新課程提倡的自主、探究、合作學習的良好媒介、方法、策略和實施路徑。這樣的教學過程中學生自主的問題發現也讓學生更加深刻的認識了這個問題的本質的同時讓學生有非常好的學習成就感和愉悅的體驗，有利于學生油然而生對物理學科的良好情感和樂學態度，進一步培養學生的科學態度與社會責任方面的物理學科核心素養。

3? 呈現思維過程，促進記憶與理解

在普通高中課程標準實驗教科書物理2功率部分的學習中，功率與力和速度的關系的理解是重點也是難點，而機車啟動問題就是一個典型的情境問題。如何讓學生能夠對這部分知識做到深刻理解、牢固記憶并且能夠在需要使用時快速提取是教學的努力方向。而傳統教學的教師講解多，學生思考少的現狀往往導致學生對知識理解不夠深刻，無法形成結構化的知識系統，局限于機械記憶的淺層學習，直接導致記憶模糊，到了要使用時提取就會受到障礙。我在教學實踐中嘗試讓學生畫出機車啟動過程的學科思維導圖，學生通過獨立思考后，小組合作繪制出機車啟動過程學科思維導圖如圖9，更加深刻理解了此過程中物理本質。這個學科思維導圖的繪制理清了機車啟動過程中各物理量的關系和變化規律，這種可視化的表達讓同學們通過兩條連接線更深刻理解了兩種啟動方式的關鍵思維結點和易錯點。第一，恒定功率的情況下機車的牽引力減小時速度怎么變化？第二，恒定牽引力的情況下當機車的實際功率達到額定功率后，機車是勻速運動還是加速運動？這兩個思維結點都可以通過聯系學科思維導圖中的“牛頓第二定律方程F-f=ma”以及“速度大小改變”的依據進行科學推理得出正確的答案。第一個問題關鍵是a與v同向，速度是增加的;第二個問題關鍵是牽引力還是大于阻力，機車還是會加速運動的。在經過了以上思維過程后再進一步指導學生畫出如圖10和圖11的思維流程圖，學生就可以進一步清晰的理解機車啟動過程中各物理量之間的制約關系，從而理解機車運動性質。經過這樣的思維導圖繪制過程后，學生再嘗試解決此類問題就能夠做到思路清晰，表達條理。

綜上所述，在當前新時代課程改革學科核心素養的視角下，在高中物理日常教與學中堅持運用學科思維導圖來輔助學生理清思維路徑、顯化思維結點、呈現思維過程，讓內隱于學生頭腦中的思維外顯，重要的思維結點得到呈現，方便師生之間和生生之間的表達、交流，有利于教師和學生的診斷、反思，促進學生對物理知識的記憶、理解。增強學生的問題解決能力、優化學生的思維品質、養成良好的思維習慣，同時提高了物理學科的學習成績和物理學科科學思維方面的核心素養。為學生未來的學習發展奠定堅實的基礎，進一步成長為符合新時代要求的全面發展的人。

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