例谈基于学科思维导图的思维可视化策略在物理问题解决中的应用

邓宗茂 赖永丰

摘   要：问题解决能力是高中物理学科能力的重要组成部分，而学科思维导图通过可视化的方法方便师生在问题解决过程中表达、诊断、交流、反思、记忆、理解，对培养和提高学生的问题解决能力有独特的作用，是提高学生问题解决能力的有效策略。

关键词：学科思维导图;可视化策略;问题解决

新时代对人的素养提出了新的更高的要求，而高中物理学科对人的素养的形成特别是科学思维能力的提高具有不可替代的重要作用。新版普通高中物理课程标准提出物理学习的核心目标是实现学生的思维发展，而问题解决是思维发展的必经之路，学生只有自主地经历了问题解决的过程，才能不断增强自己的科学思维能力，提高物理学科素养。学科思维导图是在学习了东尼博赞思维导图的绘制理念与方法后结合物理学科特点提出的既有思维导图的形式又有物理学科思维本质的一种教与学的手段，它是主体思维可视化的有效方法，它通过图、表、关键字等方法将内隐于思维主体的思维过程外显出来，方便表达、诊断、交流、反思、记忆、理解。笔者在多年的物理教学实践中坚持以物理学科思维导图对教学内容、教学过程及教学策略等进行优化整合，证明物理学科思维导图能够对提高学生的问题解决能力、优化学生的思维品质起到很好的作用。下面结合教学实际谈谈学科思维导图在高中物理问题解决中的的应用。

1  理清思维路径，便于表达与诊断

在普通高中课程标准实验教科书物理1第5章力与平衡第3节力的平衡中有一个典型问题，它是应用力的平衡条件解决一个实际生活问题。原题如下：用绳子将鸟笼挂在一根横梁上，如图1所示。若鸟笼重19.6 N，求绳子OA与OB的拉力。

在日常教学实践中这个有关三力平衡条件运用的基础性问题学生会反复的出错，大大超出老师的预期。如图2是学生的典型错误，为了让学生能够搞清自己知识结构的缺漏和思维误区，我要求学生画出自己解题过程的学科思维导图，每位同学各自按照自己的解题思路独立画出思维导图后，再经小组合作方式进行交流，通过思维碰撞、互相启发产生了一个小组共同思维导图如图3。导图呈现了学生思考这个问题的过程与路径。同学们分析了三个局部的受力问题，第一是结点O处于三力作用下的平衡状态;第二是细绳OC的两端的受力大小关系;第三是鸟笼是处于二力作用下的平衡状态。在分析这三个问题的过程中学生就能够根据已知的问题情境找到三个问题的联系并用连接线在学科思维导图如图3中表示出来。再结合本题中鸟笼的重力是已知的，就明确了解决这个问题的空间流程是从下到上，从“鸟笼”到“绳OC”再到“结点O”。这样也就顺理成章地能够画出解决这个问题的操作流程图如图4。通过这样的学科思维导图以及流程图的绘制的教学过程让学生明确了思维展开的方式和路径的同时，还可以让师生进一步明确解决这个问题需要哪些物理学科知识和技能，为师生进行准确的学情诊断提供依据。如流程图4就让学生清楚的知道要顺利解决这个问题必须具备的基础知识有二力平衡条件、同一轻绳两端拉力相等、三力平衡条件、力的平行四边形定则、三角函数。促进同学反思自己的解题过程，之所以会得到如图2所示的错误解法原因在于流程图中的应用三力平衡条件得出OA绳与OB绳合力这一思维结点上出错了，没有把握住OA绳与OB绳合力方向竖直向上这一关键点。从而指导学生在这个知识点上要加深理解、准确把握才能正确应用。其他同学应用这个方法也都能够找到各自的思维错误结点和知识缺漏，促进学生进行自我学情诊断，进一步补缺补漏，有的放矢。通过这样一个由已知到未知的一步一个脚印的逻辑推理过程，大大提高学生的科学推理能力，同时还为教师的教学找到切入点和发力点，打造了高中物理高效课堂，促进了学生的深度学习。

2  显化思维结点，利于反思与交流

在普通高中课程标准实验教科书物理1第5章力与平衡第1节力的合成节后作业第4题原题是这样的：有三个共点力，分别是2 N，7 N，8 N，它们合力的最大值和最小值分别是多大？

学生对这个问题的合力的最大值的求解都能够得出正确答案，而合力最小值很多学生就会得到1 N的错误答案。对于这个问题我们学校备课组教师反思自己教学时布置学生绘制出各自的学科思维导图，同学们通过小组合作得到学科思维导图如图5，并且画出了操作流程图如图6。在学生交流各自对这个问题的看法过程中有了关键发现，发现学生在分析这个典型问题时存在思维重要环节的缺漏，正是这个缺漏导致学生的推理过程逻辑出错。

课堂实录回放如下：

学生甲：图6是我的思维流程，应用学科思维导图图5结论先求F1与F2的合力F合1大小范围是|F1-F2|≤F合1≤F1+F2，可得5≤F合1≤9。求三个力的合力是一个两次求合力的过程，把F合1与F3再做一次合成就可以得到最后的合力F合。接下来的思维路径是运用二级结论，如图7得到最大值为17 N最小值为1 N。

甲展示此图后学生乙提出不同意见：为什么用F合1的最大值9 N与F3合成而忽略了最小值5 N呢？

学生丙：第二次合成与第一次合成前提条件并不完全相同，在第一次合成中两个力F1与F2大小是确定的，而在第二次合成中两个力F合1与F3其中力F3大小确定而另一个力F合1大小是可变的。

这时学生甲大叫：我知道了，这里的F合1大小是可变的，所以三力的合力最小值|F合1-F3|是个随着F合1大小变化而变化的变量，而这个变量|F合1-F3|的最小值在F合1=F3=8 N时，它是可以等于零的。流程表达如图8。

这样将三力合成的问题解决思维可视化的过程就是剖析显化模糊错误思维节点的过程，它把隐性思维节点显性化，将学生甲潜在的思维过程展现出来，让其他学生直观看到学生甲的思维过程，便于师生、生生之间的交流和思维主体学生的自我反思，加深了对知识的理解，将课堂思考引向纵深，也为师生之间、生生之间的合作学习提供了一个很好的媒介和抓手。可以说学科思维导图是新课程提倡的自主、探究、合作学习的良好媒介、方法、策略和实施路径。这样的教学过程中学生自主的问题发现也让学生更加深刻的认识了这个问题的本质的同时让学生有非常好的学习成就感和愉悦的体验，有利于学生油然而生对物理学科的良好情感和乐学态度，进一步培养学生的科学态度与社会责任方面的物理学科核心素养。

3  呈现思维过程，促进记忆与理解

在普通高中课程标准实验教科书物理2功率部分的学习中，功率与力和速度的关系的理解是重点也是难点，而机车启动问题就是一个典型的情境问题。如何让学生能够对这部分知识做到深刻理解、牢固记忆并且能够在需要使用时快速提取是教学的努力方向。而传统教学的教师讲解多，学生思考少的现状往往导致学生对知识理解不够深刻，无法形成结构化的知识系统，局限于机械记忆的浅层学习，直接导致记忆模糊，到了要使用时提取就会受到障碍。我在教学实践中尝试让学生画出机车启动过程的学科思维导图，学生通过独立思考后，小组合作绘制出机车启动过程学科思维导图如图9，更加深刻理解了此过程中物理本质。这个学科思维导图的绘制理清了机车启动过程中各物理量的关系和变化规律，这种可视化的表达让同学们通过两条连接线更深刻理解了两种启动方式的关键思维结点和易错点。第一，恒定功率的情况下机车的牵引力减小时速度怎么變化？第二，恒定牵引力的情况下当机车的实际功率达到额定功率后，机车是匀速运动还是加速运动？这两个思维结点都可以通过联系学科思维导图中的“牛顿第二定律方程F-f=ma”以及“速度大小改变”的依据进行科学推理得出正确的答案。第一个问题关键是a与v同向，速度是增加的;第二个问题关键是牵引力还是大于阻力，机车还是会加速运动的。在经过了以上思维过程后再进一步指导学生画出如图10和图11的思维流程图，学生就可以进一步清晰的理解机车启动过程中各物理量之间的制约关系，从而理解机车运动性质。经过这样的思维导图绘制过程后，学生再尝试解决此类问题就能够做到思路清晰，表达条理。

综上所述，在当前新时代课程改革学科核心素养的视角下，在高中物理日常教与学中坚持运用学科思维导图来辅助学生理清思维路径、显化思维结点、呈现思维过程，让内隐于学生头脑中的思维外显，重要的思维结点得到呈现，方便师生之间和生生之间的表达、交流，有利于教师和学生的诊断、反思，促进学生对物理知识的记忆、理解。增强学生的问题解决能力、优化学生的思维品质、养成良好的思维习惯，同时提高了物理学科的学习成绩和物理学科科学思维方面的核心素养。为学生未来的学习发展奠定坚实的基础，进一步成长为符合新时代要求的全面发展的人。

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