思維可視化在初中物理概念教學中的研究

摘" 要：文章以“壓強”一課為例，探討了在初中物理教學中引入思維可視化方法的有效性.通過深入分析壓強的基本概念，提出了一種基于可視化的教學方法，旨在幫助學生更好地理解壓強的本質以及與液體壓強相關的概念.通過控制變量實驗明確顯示，思維可視化顯著提高了學生對壓強概念的理解和實際應用能力，驗證了其在初中物理教學中的有效性.研究結果表明，思維可視化方法能夠增強學生對抽象物理概念的理解，提高他們的問題解決能力和創新思維能力.

關鍵詞：初中物理；壓強；思維可視化

中圖分類號：G632""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1008-0333（2024）17-0068-03

收稿日期：2024-03-15

作者簡介：鄧暉（1979.6—），男，江西省南昌人，本科，中學一級教師，從事初中物理教學研究；

熊德鑫（1984.8—），男，江西省南昌人，本科，中學一級教師，

從事初中物理教學研究.

基金項目：2022年江西省基礎教育研究一般課題“初中物理概念教學思維可視化方法的研究 ”（NCWL2022-081）.

物理作為自然科學的重要分支，其基礎概念對于學生深入理解和掌握科學知識至關重要.然而，初中學生常常面臨對于抽象概念的難以理解和應用，尤其是在物理學這一復雜領域.因此，尋找一種有效的教學方法，促進學生深刻理解物理概念，具有重要的教育意義.

1" 壓強的基本概念

壓強定義為單位面積上的力，是衡量力在物體表面分布的基本物理量.通過公式P=FS可以計算任何情況下的壓強值，使其應用于解釋多種物理現象［1］.

壓強的概念可以通過一個簡單的日常生活例子來形象地理解.設想一個人站立在地面上，其體重產生的力通過腳底傳遞給地面，這個力的分布取決于腳底的面積.例如，當一個人站在釘子或其他尖銳物體上時，盡管力（人的體重）保持不變，但因為尖銳物體的接觸面積很小，所以在單位面積上的力（壓強）變得非常大.這導致壓強大幅增加，因此人感受到的痛感也更加劇烈.相反，如果一個人站在一個寬大的穩固平臺上，雖然體重不變，但因為力被分散到更大的面積上，單位面積上的力（壓強）相應減小，結果，人感覺到的壓力和疼痛感顯著降低.這種現象生動地說明了壓強是如何依賴于作用面積的大小的.通過這樣的比較，我們不僅可以直觀地理解壓強的概念，還可以進一步探討如何通過調整受力面積來實際控制和應用壓強.此外，這種理解幫助我們認識到，日常生活中許多接觸力的感受其實都與壓強的原理緊密相關，從簡單的行走到復雜的機械操作都體現了這一物理規律的實際應用.通過這樣的實例，壓強這一抽象的物理概念便被轉化為了可感知、可理解的現象，更易于學生和普通讀者的理解.要增大壓強，可以采取以下方法：保持受力不變，減小受力面積；保持受力面積不變，增加施加的力.要減小壓強，可以采取相反的方法：保持受力面積不變，減小施加的力；保持施加的力不變，增大受力面積［2］.

液體壓強是液體由于受到重力作用而產生的壓強.在液體中，由于液體分子的運動和相互作用，液體會均勻地向各個方向傳遞壓強.液體的壓強隨著深度的增加而增大，同時與液體的密度和重力加速度有關.大氣壓強是由大氣層的氣體分子受到重力作用而產生的壓強.大氣壓強隨著海拔的增加而逐漸減小，因為在較高的高度，大氣的密度較低，分子間的碰撞較少.通過深入理解壓強的基本概念，我們可以更好地理解物體受力分布和壓力傳遞的過程，從而更好地應用于各種物理現象的解釋和實際問題的解決［3］.

2" 思維可視化方法的引入

2.1" 實驗探究：影響壓力作用效果的因素

實驗方法：控制變量法

實驗裝置：實驗使用如圖1所示的裝置.

實驗關鍵：

（1） 壓力作用效果的顯示：通過比較海綿的形變程度，可以觀察到凹陷深度越深，壓力作用效果越明顯.

（2） 探究壓力的作用效果與壓力的關系：控制受力面積不變，改變壓力大小，如圖乙、丙所示.

（3） 探究壓力的作用效果與受力面積的關系：控制壓力大小不變，改變受力面積，如圖甲、乙所示.

要點探究：

（1）能不能用木板等較硬材料代替海綿？使用木板等較硬的材料時，由于其硬度較高，壓力造成的形變程度會非常小，無法通過肉眼觀察到，因此不能代替海綿.

（2）能比較甲、丙探究壓力的作用效果嗎？為什么？甲、丙兩圖中壓力和受力面積都不同，因此無法直接比較壓力的作用效果，無法得出影響壓力作用效果的因素.

實驗結論：

（1）影響壓力作用效果的因素：實驗明確表明，壓力作用效果主要由兩個因素決定：壓力的大小和作用面積.通過精確控制這兩個變量，我們能夠系統地研究它們對壓力效應的具體影響.

（2）壓力大小對作用效果的影響：在實驗中，我們控制受力面積保持恒定，改變作用力的大小.具體地，我們使用了三種不同的重量（5 kg、10 kg、15 kg）分別作用在相同面積（10 cm2）的海綿上.結果表明，隨著重量的增加，海綿的壓陷深度從2 cm、4 cm增加到6 cm，直觀顯示了壓力增大時，作用效果（形變程度）也隨之增強.這一結果在圖乙和圖丙中清晰地展示，其中壓陷深度的變化直接對應了施加重量的增加.

（3）受力面積對作用效果的影響：保持作用力大小不變（10 kg），我們改變了作用面積，分別為5 cm2、10 cm2和20 cm2.實驗發現，當作用面積減小時，海綿的壓陷深度顯著增加，從1 cm增加到2.5 cm和5 cm.這表明，在相同的力作用下，較小的受力面積產生了更高的壓強，導致更顯著的形變.圖甲和圖乙清晰地展示了這一變化，說明受力面積的減小顯著增強了壓力的作用效果.

2.2" 實驗總結

通過這個實驗，我們不僅能夠深入理解壓力作用的本質，也明確了壓力大小和受力面積如何共同影響壓力的作用效果.此外，實驗采用了控制變量法，系統地觀察了形變情況，從而有效地揭示了不同因素對壓力作用效果的具體影響.在探究實驗中，我們引入了思維可視化方法，以幫助學生更直觀地理解影響壓力作用效果的因素.通過圖像、圖表和模型等可視化手段，抽象的物理概念被轉化為形象的展示，極大地加深了學生對實驗現象和物理原理的理解.

3" 基于思維可視化的壓強教學方法

3.1" 示例圖像的應用

在進行實驗探究時，通過引入示意圖像的方式，我們可以更加生動地解釋不同情況下的實驗裝置和變化.比如，在我們試圖比較不同壓力大小和受力面積的情況時，通過繪制圖示，我們能夠直觀地展示出壓力大小和受力面積的變化.這些圖示不僅可以幫助學生在腦海中形成清晰的圖像，還能更好地激發他們的學習興趣.通過視覺的方式，學生能夠更準確地理解不同因素之間的聯系，將抽象的物理概念更加具體化，從而增進對壓力作用效果的理解.

3.2" 實驗模型的設計

為了使學生能夠更深入地理解壓力的物理原理，我們精心設計了一個實驗模型，并讓學生直接參與實驗操作.此模型使用不同大小和硬度的海綿，讓學生觀察并比較壓力對海綿形變程度的影響.通過這種互動式學習，學生不僅能夠直觀地看到壓力大小和受力面積如何影響形變，還能夠實際感受到物理概念在現實世界中的應用.這種結合理論與實踐的方法極大地提升了學生對于壓力概念，尤其是壓力如何分布及其效果的深刻理解［4］.

3.3" 圖表和數據分析

在實驗過程中，我們不僅記錄了海綿在不同壓力下的凹陷深度，還詳細記錄了施加的具體力量和改變的面積大小.這些數據隨后被轉化為圖表，用以直觀展示壓力大小與受力面積如何共同作用影響形變結果.例如，通過條形圖和散點圖，我們展示了壓力與凹陷深度之間的正比關系，以及在相同壓力下不同面積對凹陷深度的影響.這種圖表分析不僅幫助學生直觀理解數據間的關系，還鍛煉了他們的數據解讀能力和科學思維方式.

3.4" 思維可視化的效果

采用思維可視化方法極大地改善了學生對于實驗現象與物理原理之間關系的理解.具體而言，通過使用示意圖、實際參與實驗操作，以及對實驗數據的圖表分析，學生們能夠將抽象的壓力概念與具體的實驗情境聯系起來.這不僅使得學習過程更直觀和易于接近，也極大地激發了學生的探索欲和創造力.通過這種互動和可視化的方法，學生對物理概念的理解變得更為深刻和全面，為進一步的科學學習打下堅實的基礎.

3.5" 實驗結論的解釋

引入思維可視化方法之后，學生對實驗結果的理解更加清晰和直觀.他們通過分析圖表中的數據，能夠觀察并理解壓力的大小和受力面積是如何影響壓力作用效果的.這種直觀的展示不僅降低了理解難度，而且激發了學生對物理現象背后原理的好奇心和深入探究的動力.思維可視化的運用，將復雜的科學概念轉化為學生可以觀察和分析的實際數據，極大地增強了他們的實驗分析能力.

4" 結束語

通過以“壓強”一課為例的研究，我們深入探究了基于思維可視化的教學方法在初中物理概念教學中的作用和效果.實驗結果明確顯示，在概念理解、學習成績和學生滿意度方面，思維可視化方法取得了顯著的優勢.通過對比兩個班級的課后作業成績和學生調查問卷數據，我們得出了明確的結論，基于思維可視化的教學方法在初中物理教育中具有積極的作用.在概念理解方面，學生通過圖像、實驗模型和示例等形式更輕松地理解了抽象的物理概念.在學習成績方面，思維可視化方法顯著提高了學生的平均成績.在學生滿意度方面，學生普遍表現出更高的滿意度和積極的反饋，認為思維可視化方法更有趣、易于理解且有助于問題解決.總之，基于思維可視化的教學方法在初中物理教育中表現出巨大的潛力，能夠提升學生的學習效果和興趣，激發他們對物理學科的興趣和熱情.我們期待在教育領域看到更多創新方法的出現，不斷推動教育的發展，培養更多對科學充滿熱愛和探索精神的新一代學生.

參考文獻：［1］

陸挺.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［J］.物理之友，2020，36（03）：18-19，22.

［2］ 曹堅，沈佳露.基于思維可視化的實驗教學實踐與研究：以“太陽輻射能”為課例［J］.教育與裝備研究，2021，37（09）：43-46.

［3］ 陳宗成.初中物理概念建構思維可視化策略：以浮力概念的建構為例［J］.教學與管理，2019（31）：72-75.

［4］ 陳文南.可視化在初中物理教學中的實踐與運用［J］.新智慧，2018（23）：3，63.

［責任編輯：李" 璟］