思维可视化在初中物理概念教学中的应用——以“压强”教学为例

(江苏省太仓市高新区中学,江苏 苏州 215400)

1 概念界定

1.1 可视化

可视化，顾名思义就是“让本来看不见，看不清的东西看得见、看得更清晰”。思维是看不见摸不着的，当一个人在思考的时候，其他人看不到他的大脑在想什么，只有他把想法说出来，大家才会了解。[1]

1.2 思维可视化

思维可视化是指运用一系列图示技术，把本来不可视的思维(思考方法和路径)呈现出来，使其清晰可见。

1.3 思维型课堂

思维型课堂的核心是学生的思维活动，以探究问题为目的，以思维训练为主导。思维型课堂教学有以下4个基本特征：认知冲突、自主建构、自我监控和应用迁移。[2]

2 初中物理概念教学现状分析

目前初中物理概念教学中普遍存在重结果、轻过程的现象，忽视生成概念的思维方法和过程，在学生还没有足够的感性认识时匆忙给出定义和表达式，这样就造成了学生对物理概念的学习处于被动接受的状态，致使大部分学生只是死记物理概念而没有真正理解物理概念的实质，不能活学活用、融会贯通。形成的普遍现象就是在新课后还要耗费大量时间在题海中，表面上看似弄懂了，但过一段时间又不会做了，到复习阶段又是重复进行习题训练，学生的整个学习过程主要集中在解题上，渐渐地失去了学习的兴趣和动力。

3 思维可视化理念下的物理概念教学转型

所谓课堂转型是指教学范式的转型，即从知识传递型转向知识建构型。[3]对于初中物理课堂转型，可先从概念教学入手，利用思维可视化和实验过程的可视化，教师能基于学生的思维而教，学生能够主动参与到整个学习过程，充分发挥主观能动性。教学中从感性认识入手，通过大量的感性认识，逐渐上升到理性的辨析，笔者尝试了各种可视化手段，来帮助学生构建起结构化的知识体系。

3.1 情境引入的可视化

压强概念对熟悉的人来说似乎是非常清晰的，但对刚学习物理不久的初二学生来说，很容易把压强和压力概念混淆。

笔者首先播放一段冰面营救的视频，让学生感知在压力不能改变时，通过一定的方法是能改变压强的。

紧接着再请学生用吸管插入包装盒，体验压力的作用效果，学生用尖锐的一端能很容易插入，紧接着进行了一系列追问。

师：为什么不用平的一端？

生：平的一端不方便插入。

师：平的一端能插入吗？请你试试看。

学生尝试换用平的一端，几番努力后多数成功了，少数没有成功，而且吸管变歪了，仅在包装盒上留下了凹陷。

师：这次和上一次有何不同？

生：用的力要大很多。

师：在刺破包装盒的实验中你收获了哪些知识？

生：用尖的一端容易刺破，用的力小；平的一端也能刺破，但用的力要大。

师：刺破包装盒取决于哪些因素？

生：刺破包装盒不仅取决于用力的大小，还与受力面积有关。

此时学生对这个“刺破”的问题产生了一定的认知，然后进行分析：包装盒此时受到吸管对它的力是一种压力，这个压力产生了一定的效果，这个效果就是包装盒产生了形变，形变达到一定程度后破裂了。但是刺破发生形变的时间太短，无法明显观察到，因此在引出压力作用效果这个问题时，笔者增加一个实验效果可视化的环节，在橡皮泥的两端分别用手指和指尖同时挤压，由于橡皮泥不仅能立刻展示形变，而且还可以保留下来，给全体同学观察，可视性很强，学生看完后能立即明白压力的作用效果是使被压物体发生形变，而且再一次体验到了影响压力作用效果的因素。

3.2 实验过程的可视化

通过引入环节的初步探讨，学生大多能猜想出压力的作用效果可能与压力和受力面积有关。然后进行讨论，制定研究方案，利用教材建议的器材进行分组实验，学生能自主得出结论。在学生实验后，笔者再增加了一个可视度高的演示实验，用橡皮泥作为受压面，利用学生胸卡带和棉线来改变受力面积，通过改变钩码个数来改变压力的大小，事先录制视频(如图1)，播放时在特定的时间点暂停，提醒学生仔细观察并思考，运用清晰的可视化实验获得了很好的教学效果。

图1

3.3 概念建构的可视化

图2

通过实验学生得出了压力的作用效果与压力和受力面积的关系，笔者在从压力作用效果过渡到压强概念的教学中增加了以下实验环节，同样用上述实验器材，在受力面积大的带上挂6个钩码，受力面积小的棉线下挂2个钩码，观察发现两种情况下橡皮泥凹陷程度无明显差异(如图2)。

从而引发学生思考：在压力和受力面积均不同时，如何比较压力的作用效果？再利用具体的压力和受力面积的数据，此时学生能把以前学习过的速度、密度等概念定义的方法迁移到当前情境中，想到用比值的方法来比较。

3.4 应用的可视化

每一个物理量都是有实际意义的，当一个力施加到某个物体表面时，由于每个物体表面都有一定的抗压能力，当这个力产生的压强大于物体表面所能承受压强的极限时，物体会被刺破。因此生活中有些需要刺破的情况其实就是要增大压强，例如刀、钉子等；有些需要减小压强，例如书包带、载重卡车的轮胎等。关于增大或减小压强的方法，笔者使用了例题和可视化实验，引导学生得出结论。

例1：某公路路面所能承受的最大压强为8×105Pa。现有一辆卡车，自重2t，有6个轮子，每个轮子与地面的接触面积是200cm2，当这辆卡车装载10t货物在该公路上行驶时，请通过计算说明，卡车是否会对公路路面产生危害？如果是，如何避免这种危害？

通过计算发现此时卡车对路面的压强超出了路面能承受的最大压强，会毁坏公路路面。怎么能避免这样的危害？学生通过回顾计算的过程，很容易回答。

生1：卸掉一些货物，减小卡车对路面的压力。

生2：多加几个轮子，增大卡车对路面的受力面积。

紧接着用气球做模拟实验，把气球压在一个图钉上很容易扎破，再把气球放在多个图钉上，用力压也不容易破，但持续增大压力也会破裂。当把气球放在多个钉子上最终也破裂了，给学生的视觉冲击很强，很快联想到载重卡车为了减小压强装了多个车轮，但如果

超载的话同样会损坏路面。

3.5 总结的可视化

学生学习“压强”知识时经历了一次主动构建知识的过程，但学生能记住的信息量是有限的。笔者应用“希沃白板”的思维导图功能(如图5)，逐级呈现知识建构的过程，帮助学生构建知识体系。

图5

4 结语

思维可视化理论强调运用可视化的方法帮助学生展现思维过程与结果，让教师基于思维而教，让学生的思维在情境中展开，学生在深度的参与中亲历概念的建构、规律的发现过程，这样的学习过程使记忆更深刻，实现了概念教学向思维型课堂的转型。