基于“双核构架模型”的初中物理教学改革研究

王素云 陈祖标 陈健俤 戴颖 陈美玲 王屹南

摘 要：福建师范大学物理新思维工作室携手一线的物理教师，协同开展知识可视化与思维可视化的研究与实践，在边研究边实践的基础上，逐渐“摸清”并“渗透”物理的“机理脉络”与“思维特性”，首次提出物理思维双核构架模型及新思维具象法。运用新思维具象法所绘制的新思维具象图，借助拟人化或拟物化的图形方式，将原本看不见的、抽象的学科知识的逻辑关联、结构脉线以及思维路径，转化成为具象化的、贴切的图形表达，从而实现物理知识与物理思维逻辑的高度融合与统一。

关键词：物理思维；双核构架；可视化；具象

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）11-0015-4

1 提出全新的思维理论构架：物理思维双核构架模型

众所周知，初中学段是一个人成长成才的关键时期，它恰逢青少年叛逆期，又是自然科学分科教育的起始阶段。在这一时期，很多学生往往会因身心发展的急剧变化或因新课程学习难度的骤然提升，而对学习产生不适应感，甚至茫然失措，进而时常发出“物理为什么这么难学”的感叹。物理“难”就难在其“抽象性”上，因為抽象，所以难懂；因为难懂，所以难学。既然是问题倒逼，那就从问题入手。既然说物理很抽象，那就尽量让物理变得不抽象或者不那么抽象。

经过课题组成员的多年研究与探索发现，学生认为物理难学的根本原因，除了物理课程本身的特点之外，还有一个关键的因素是学生的思维路径与学习方法的不科学、不灵动。鉴于此，新思维团队就基于物理学科的思维特性，从理论层面首次提出物理思维的“双核构架模型”（见图1）。

从学理上来分析有关物理学科的“思维特性”和“肌理脉络”，所谓物理，其实就是“物”+“理”。“物”即世间万物，大到宇宙，小到粒子，看得见摸得着的谓之“物”，透过“物”，能够直接通达“物”之运动的本质和规律，就是“理”；既看不见也摸不着的，则暂时以“混沌”的状态存在着，如果通过科学实验或理论计算，也能够找到和发现其中“物”之运动的本质和规律，并以图像模型或数学模型的方式表示出来，这同样也是“理”。在现实物理世界中，我们既可以通过具物化或具象化或数形化的方式，来观察、测量、分析、思考、归纳和演绎，从而得出“理”，同样也可以通过科学实验和理论计算，将“理”“还原”为或具物或具象或数形的一个过程。由此可见，物理思维的“具象性”和“数理性”既相对自成条块，又相互交叉融合，共同构成一个有机的整体。这其中，数理思维的最高层级即数理直觉，体现了创造性思维因高度聚合而产生的“灵光乍现”，其结果往往是一个创造新知识的过程，这便是人们常说的“灵感”。从这个意义上讲，“物”+“理”，即“具象性”和“数理性”，完美构设了物理思维的双核结构。这就是“物理思维双核构架模型”所要表达的要义及思想。新思维研究团队从图1中得到启发：对于初学物理者，为了降低其学习物理的难度，可以从具象性入手，通过借助具物化、具象化、数形化的手段，把抽象的物理知识脉络及逻辑关联以形象、生动的方式贴切地表达出来，这是帮助初学者学好物理的关键一步，同时也是物理新思维团队研究的关键问题。

2 理论基础：本质是知识可视化与思维可视化的统一

可视化一词来源于英文的“visualization”，原意是“可看得见的、清楚的呈现”，也可译为“图示化”。事实上，将任何抽象的事务过程变成图形图像的过程，都可以称为可视化。图片直观、形象化的展现方式为学生提供了一种图示（Scheme）。皮亚杰认为，图示可以帮助学生更深入地理解所学的知识，加快对知识的理解、学习进度[1]。思维可视化是指以图示或图示组合的方式，将原本不可见的思维路径、结构、方法及策略呈现出来，使其变为清晰可见的过程[2]。通俗地讲，就是把大脑中的思维“画”出来的过程。知识可视化则是研究怎样用视觉表征增进知识在不同人间传播的相关技术、方法、理论等。其实质是将人们的个体知识以图解的手段表示出来，形成能够直接作用于人的感官的知识外在表现形式，从而促进知识的传播和创新。经过分析可知，知识可视化和思维可视化理论很好地支持了“物理思维双核构架模型”的观点。

正是基于物理思维双核构架模型和可视化理论两方面的分析，以及多年来对中学物理抽象难学的深入观察与思考，“物理新思维工作室”研究小组先后与福建省晋江市和永安市结成战略协作联盟，携手两个县市的多所中学的一线物理教师，协同开展知识可视化与思维可视化相结合的研究与实践。经过六年来的努力，他们一边把课堂教学中常用的概念图、知识树、问题塔、图像、表格以及东尼·伯赞的思维导图等图示方法的优势和特性杂糅起来，同时将结构化思考、逻辑思考、辩证思考、理解性记忆、追问意识等思维方式有机地融合进去，在国内第一次提出“新思维具象法”，并运用这种新方法进行五个班级的再造课堂实验，取得了非常明显的成效。与此同时，他们也在持续深入的研究和实践中，不断深化和发展对这种新方法的认知，最终将“新思维具象法”定义为：通过深入地理解性逻辑与结构化思考，借助拟人化或拟物化的图形方式，将物理公式、定理或某一特定知识模块中原本看不见的、抽象的学科知识的逻辑关联、结构脉线以及思维路径，转化成为具象化的、贴切的图形表达，从而达到物理知识架构与物理思维逻辑架构的高度融合与统一。因其“形”“神”表达的一致性、新颖性与灵动性，且与物理教学存在着天然的共通性、兼容性与适切性，故称之为“新思维具象法”。以新思维具象法理念为指导所绘制的图形统称为新思维具象图。

值得特别指出的是，新思维具象法定义中提出的“借助拟人化或拟物化的图形表达”，是基于学科知识本身的逻辑关联来决定其图形的外在轮廓及其内在联系的。因此，它首先是贴切的，并且能够是发散的，也可以是交叉的，还可以是闭合的，充分呈现出它的灵活性与灵动性，因而它不仅保持和延展了传统可视化图形手段的优点与长处，同时又避开和克服了它们的缺点与短处，可以说，新思维具象图是对传统图示手段“扬”优“补”缺的结果，真正体现形与神的统一，达到了内隐知识外显化、外显知识生动化的两个重要目标。

3 新思维具象法的应用举例

以新思维具象法理念所绘制的图形，体现了抽象思维、形象思维与直觉思维交叉作用、动态互补的过程。在实际应用中，绘图的主要步骤如下：1.分析、整理知识模块；2.经过深入地思考与推理，按照知识本身的逻辑关联进行结构脉线的初步排布；3.将排列出的图形轮廓加以拟人或拟物化，通过具象化的图形表达，提高知识在不同人之间的传播效率。

下面通过一幅新思维具象图（如图2所示），具体说明其在概念教学中的应用。

在初中物理学中，“功率”和“机械效率”是为了描述“功”在某些方面的性质而引入的，这两个物理量因为描述相同的事物而相关，但它们相互之间并不是因果关系。学生在对具有相关关系的物理概念进行学习时，容易混淆。为了帮助学生理清相关概念，加深对概念的理解，教师绘制了该新思维具象图。

初中生容易对上述两个概念产生混淆，据调查分析大致有如下两个原因：1.这两个概念都是《机械与人》这一章的知识，都是为了描述功在某些方面的性质引入的；2.两个物理概念都有一个“率”字，学生若没有深入理解其物理意义，机械地记住了相关计算公式，日久便会混淆乱用。为了帮助学生有效地学习，真正地理解知识的内涵，了解物理概念建立的背景及每个物理概念引入的必要性，教师从它们的本源概念——“功”讲起。物体能够对外施力，并且在力的方向上移动了一段距离，即可说这个物体或者这个力有做功，计算公式：W=Fs。既然机械能够对外做功，在生产生活中人们必然要考虑做功的快慢以及总功被有效利用的程度。为了研究做功的快慢，物理学家利用比值定义法，将功与时间的比定义为功率，本质即为比较1个单位时间内力所做的功；为了研究做的总功被有效利用的程度，物理学家遵循比值的思想，将有用功与总功的比值定义为机械效率，本质即为有用功占据总功的比例。综上分析，这两个概念都是从“功”的概念衍生出来的，它们具有相关关系，但并没有因果关系。为了进一步帮助学生理清其内部的联系，教师利用表格的方式从定义、物理意义、公式、单位、结果五个方面进行对比分析。

经过分析整理后，图形的轮廓已显现出来，为了让图形更加生动可爱，加深学生的记忆，提高知识的传播效率，进一步对思维图进行拟人或者拟物化。由于机械能够对外做功，而汽车是简单机械组装而成的复杂机械，因此可以选用小车的轮廓对思维图加以拟物化。从图中的右边说起（图2），小车能够对外做功，人们必然关心做功的快慢和做功的效率。利用汽车的后轮代表功率，汽车在行驶的过程中，由于存在摩擦和机械本身有重力等原因，需要额外做功，伴随产生了有关效率的问题，因此用前轮代表机械效率。由此展开，进一步借用铺砌在路面上的五层水泥砖，由上向下分别代表功率和机械效率的五个方面：定义、物理意义、公式、单位、结果。这样，一辆行驶在五层砖路面上的小车，就构成了一幅栩栩如生的汽车，生动活泼地展示了两个相关的物理概念与本源概念——“功”之间的紧密联系，以及它们在各方面的区别。

4 总 结

“机械小车”一图从五个方面对“功率”和“机械效率”这两个相关概念进行对比分析，并且将它们与本源概念——“功”之间的关联进行整理说明，让学生深入了解每个物理量引入的背景和意义。这幅具象图通过综合运用各种物理思维方法，对相关知识模块进行归纳并整合，是一幅充分体现了发散思维与集中思维相结合特征的知识群落思维图。

在合作校的一线教学中，新思维具象图在规律教学、实验教学、复习课中已有广泛的应用，教师应该充分重视可视化图形工具对学习的积极影响。在教室内，我们常常会遇到这样的情形：有的学生不会撰写优美、流畅的文字，却能通过意境隽永、思想丰富的图画来表达自己对某个问题的理解。科学家爱因斯坦的想法也都是以或多或少的清晰的图像呈现的，他坦言自己有时候很难将某一观点写成文字。人类历史上，许多伟大的发现即是开始于一个清楚的图像想象，例如，爱因斯坦广义相对论的雏形来源于想象自己驾驶着飞船航行于宇宙间，牛顿把宇宙视为由各部分彼此关系所集合的一架机器……[3]物理新思維具象法一方面可以将丰富、抽象的知识关联变得清晰、易见、可爱，加强了接受者对内容的理解与记忆；另一方面，建构的图示也与大脑思维产生共振，多种思维方式、思维方法交替、层叠相互作用，充分锻炼学生的抽象思维和形象思维等能力，从而进一步激发学生的创造性思维。

参考文献：

[1]夏惠贤.多元智力理论与个性化教学[M].上海：上海科技教育出版社， 2003：106-107.

[2]刘濯源.基于未来课堂的思维可视化研究[J].技术与应用，2013（1）：83-84.

[3]刘冬岩， 林冰冰. 有“眼光”的教与学——视觉思维与课堂教学研究[M]. 厦门：厦门大学出版社， 2014：2-5.

（栏目编辑 赵保钢）