高中物理教学中知识可视化的实践探究

摘 要：在高中物理学习阶段，物理知识大多是比较抽象的，但运用知识可视化模式可以把抽象的物理过程变成有利于被学生认知的图形，从而有助于学生更容易理解并掌握知识。文章基于知识可视化模式，探讨如何借助可视化手段开展课堂教学、优化教学过程，即探讨了在图示和模型的帮助下建构概念和突破难点的策略。

关键词：知识可视化;可视化教学;实践研究

高中物理教学运用知识可视化模式，是指构建图形、图像和文文章字等多样化的信息元素呈现较为复杂、抽象的物理知识，从而激发学生的学习兴趣，引导学生更好地理解物理知识。常言道：“一图胜千言”，就是说人们对图像视觉的理解记忆效果比文本快得多。知识可视化教学具有直观形象的特点，可以大大降低内容的抽象性和复杂性。更让学生的物理学思维从零散走向结构，从肤浅走向深刻。从而有助于培养学生的学科核心素养，更好地落实课程目标。

一、 高中物理教学知识可视化模式的理论基础

2004年瑞士卢加诺大学教授马丁·爱普提出知识可视化理论。知识可视化是指可以用来构建、传达和表示复杂知识的图形、图像手段，通过视觉表征形式促进知识的传播与创新。他提出视觉传播与视觉认知是知识可视化的理论基础。无论是知识可视化设计还是应用，视觉表征都是这个过程中的关键部分。

知识可视化作为教育理念，在课堂教学中应用可视化素材设计详尽的图形框架，将学生学习过程可视化。知识可视化作为学习工具，能改变学生的认知方式，促进学生有意义学习。

二、 高中物理“知识可视化”模式的教学实践

知识可视模式在物理教学实践中有着广泛的应用，例如在教学设计、课堂教学、学习方式的转变等方面。在课堂教学中可以用图形直观展示，使抽象的问题形象化，在突破难点中有积极作用。同时也促进了学生的思维发展，改善了学生的学习习惯，提高了学生课堂的参与度。下面是几个具体案例：

（一）用“知识可视化”的图形构建复杂的物理过程，培养学生的形象思维能力

运用知识可视化理念设计动态图景运用于教学中，更能激发学生的兴趣，便于学生观察、联想和想象，有利于学生产生顿悟，感性认识与理性认识几乎是同时发生的。

案例一：如图1（a）所示，在研究平抛运动时，我们用运动的合成与分解的方法，把平抛运动分解为水平方向的匀速运动和竖直方向的自由落体运动。为了使学生对两个方向的分运动有更直观的理解，我们可以参照图1（b）所示图形，可以直观形象地看到：水平方向的速度是不变的，竖直方向的速度是逐渐增大的，两个方向的运动相互独立、互不影响。

案例二：在学习开普勒第二定律时，人教版教材必修二课本上的插图不够直观。如果用如图2所示，就更加直观反映太阳雨行星的连线在相等的时间内扫过的面积相等。也可以直观地说明行星绕太阳的运动不是匀速圆周运动，而是在近日点运动的快，在远日点运动的慢（可以根据相等时间内运动的弧长判断）。

（二）用“知识可视化”的思维导图破解抽象的知识，突出教学重点

从教师教学角度来看，思维导图可运用于设计教学系统、教学方法，又可运用于习题教学以及呈现经典的物理实验方法，也能用来进行对每个章节知识点的回顾与复习。教师应积极将思维导图融入物理教学中，发挥其主导作用，让学生了解到知识间的联系并启迪学生发散思维。使得学生在理解物理概念、物理规律，把握整体知识结构中，能够清楚掌握每节内容的知识框架和重难点。

在物理习题教学中，思维导图的应用使物理量之间复杂的逻辑关系呈现直观的特点，为学生分析和解决物理问题提供更为便捷的突破口。

1. 创设问题情境，建构物理概念

在物理教学中，常有一些学生难以理解的概念和规律，我们可以借助于思维导图突破难点，建立概念。如创设情境，设置问题链，经学生自主讨论，逐步解决问题，从而帮助学生建立概念，有效发展学生的思维能力。

以高中物理教学中的加速度为例，加速度是运动学中极为抽象的概念，“它是人类认识史上最难建立的概念之一，也是每个初学物理的人最不易真正掌握的概念。”对于这样一个抽象概念，我们很难利用日常的感觉经验来建立这个概念。

2. 用知识可视化突破思维障碍

物理条件的隐蔽性往往会形成思维障碍。学生要突破这种思维障碍，除了掌握一些物理现象出现的条件，熟练掌握概念和规律外，我们在教学中可以采取知识可视化模式突破思维障碍，提高学生分析问题、解决问题的能力。

以高中物理教学中的“卫星的变轨发射问题”和“赤道上的物体、近地卫星和同步卫星的速度比较”为例。

案例：如图3所示，在圆轨道Ⅰ上做匀速圆周运动，当卫星在P点从圆轨道Ⅰ到椭圆轨道Ⅱ时，卫星要发生离心运动，需要点火加速。在Q点从椭圆轨道Ⅱ到圆轨道Ⅲ，卫星也要发生离心运动，需要点火加速。

但在实际教学中，我们会发现学生很容易出错。如果采用如图3所示的思维导图，学生就很容易理解了。

3. 构建“知识可视化”的图形，培养学生分析、综合能力

在习题教学及复习的过程中，学生对抽象和复杂的物理问题往往束手无策，或者面对新型的题目无法理清解题思路时，我们可以借助于可视化教学，从而达到事半功倍的效果。

案例：如图4所示，匀强磁场的磁感应强度为B，宽度为d，边界为CD和EF。一电子从CD边界外侧以速率v0垂直匀强磁场射入，入射方向与CD边界夹角为θ。已知电子的质量为m，电荷量为e，为使电子能从磁场的另一侧EF射出，求电子的速率v0至少多大？

本题用知识可视化方法：建立物理图景（通过动态圆）→由渐变到突变（注意约束条件）→临界状态（运用几何知识）→寻求极值。

三、 结语

在高中物理教学中，借助可视化手段的帮助，学生可以更轻松、更快捷地理解和掌握知识。所以，我们要充分挖掘可视化教学应用的潜力，合理地使用知识可视化方法，根据不同的物理知识采用不同的教学策略，能够最大限度地提升教学质量，有效地落实课程目标，培养学生的学科核心素养。

参考文献：

[1]赵慧臣，王淑艳.知识可视化应用于学科教学的新观点[J].开放教育研究，2014（2）：4-10.

[2]贺全兵.可视化技术的發展及应用[J].中国西部科技，2008（4）：4-7.

作者简介：

刘建政，江苏省无锡市，江苏省怀仁中学。