可视化教学模式对高中微观物理教学的启发

马拴科

（甘肃省金昌市第二中学，甘肃金昌 737202）

高中物理学科中包含着大量的微观知识点，如作用力、摩擦现象、内能、电磁感应、加速度等。这些知识点不仅抽象、难懂，而且有些远离学生的日常生活，是学生不容易掌握的重点。在传统的物理课堂教学中，师生双方往往都付出了大量的时间和精力，却没有达到预期的学习目标。长此以往，不仅制约了学生物理成绩的提升，也导致学生产生厌烦的情绪。可视化教学模式是建立在计算机软件、多媒体技术之上的，能够将原本抽象的物理微观知识点，直观、形象、动态化地呈现出来。教师将可视化技术应用到物理微观知识的教学中，能够有效转变当前课堂教学中存在的诸多弊端，从而提升微观物理知识的教学质量。

一、高中物理微观知识教学现状

（一）高中物理微观知识教学模式单一

虽然新课程改革中明确了高中物理课堂微观知识点的多维度教学目标，但是教师在开展课堂教学时，依然无法摆脱应试教育理念的束缚，往往以“提升学生的成绩”作为唯一的教学目标，不注重学生的学习体验，忽视了学生在学习中的情感。教师往往围绕微观知识的重点规律展开讲解，指导学生通过背诵等方式进行记忆，并借助海量的训练题目帮助学生对课本中的知识进行巩固。这种教学理念无法让学生深入理解物理微观规律，导致学生对知识的学习仅限于表层，无法获得能力提升。

（二）传统“填鸭式”的教学方法依然占据主导地位

高中物理新课程改革背景下，教师在组织课堂教学时，应结合具体的教学内容、学生的学习需求等，灵活选择教学方法，以不断提升课堂教学的有效性。从当前高中物理课堂教学的现状来看，一些教师依然采用“灌输式”的模式，结合教材上的内容，通过口头讲解的模式灌输给学生。学生只能进行机械式地记忆，被动地接受知识，不能够理解知识的内涵与外延，始终束缚在思维定式之中，这一现状难以满足物理学科素养下的教学目标。

（三）对物理实验重视不够，甚至忽视物理实验

物理学科是建立在实验基础之上的，物理实验在整个物理教学中具有不可估量的价值，唯有通过物理实验教学，学生才能真正理解物理概念、掌握物理规律等，并通过实验过程发展自身的操作能力等学科素养。但当前高中物理微观知识的教学中，常常出现忽视物理实验教学的现象，尤其是一些难以完成的微观物理实验，教师基本上采用“讲实验”的模式，仅仅是让学生背诵实验操作步骤，以至于严重制约了物理实验的教学效果［1］。

二、高中微观物理可视化教学模式探究

（一）高中物理微观知识可视化教学模式应用原则

基于物理微观知识教学中面临的诸多困境，以及物理新课程标准下的教学要求，教师运用可视化教学理论开展物理教学，已经成为一种必然趋势。在具体教学实践中，要想真正发挥可视化教学模式的价值，教师应坚持以下三个应用原则。

1.教师主导与学生主体相结合

教师必须树立正确的师生观，明确学生在课堂上的主体地位，以及自身在教学中的主导地位，以保证教学效果。教师在实施可视化教学之前，应精心做好课前准备工作，设计好整个教学过程。同时教师还应将更多的课堂时间留给学生，关注并照顾所有层次的学生，确保所有学生都能参与其中。

2.民主性

在高中物理可视化教学模式下，教师应给学生营造民主和谐的课堂氛围，引导学生敢于提出问题、敢于发表观点，最终促使学生在参与中激发自身的潜能，发散自身的思维。同时，在这一过程中，教师还应理性看待学生之间的层次性，运用不同的标准要求不同的学生。

3.直观性

在教学过程中，教师必须坚持直观性的原则，借助实物、信息技术等，将抽象、复杂的知识点直观地呈现在学生的视觉范围之内，使学生在直观感知中理解和掌握知识。

（二）依托可视化技术，直观展示教学内容

高中物理微观知识比较抽象、复杂，学生的学习难度比较大，通过直接讲解或是文字叙述，学生往往无法形成深层次的感知，不能够透彻地理解知识本质。面对这一现状，在可视化教育理论的指导下，高中物理教师在优化微观知识教学时，就可以借助教学视频进行可视化辅助教学，将抽象、难以理解的微观知识点直观、形象地展示出来，以便于学生构建微观与直观的知识体系，从而有效完成微观物理知识的学习。

例如，在“电势”这一微观知识的教学中，由于概念抽象，学生不好理解，为了帮助学生对相关知识形成直观的感知，教师可以采用可视化的教学模式对“电势”进行模拟演示。教师可以在网络上搜集与“电势”相关的动画视频，借助视频的方式，将本章节要学习的内容全部呈现在学生面前，以便于学生直观感知抽象的微观知识，从而形成形象化的感知，深入理解“电势”的概念。接着教师可以给学生展示“闭合电路电势升降动画”的视频，通过改变闭合电路的各项条件，诸如电动势、内电阻、外电阻、电路结构等，让学生感受“电势”的变化。在视频辅助下，学生能够激发出探究微观物理知识的欲望，并在探索过程中逐渐完成物理知识的高效学习。

（三）基于可视化技术，开展物理微观实验

物理研究往往建立在实验基础之上，无论是伽利略的动力学研究，还是托里拆利的大气压强，抑或法拉第的电磁感应现象，都是建立在物理实验基础之上。可以说，物理实验不仅是物理学习的重要组成部分，也是培养学生物理综合素养、科学探究精神的关键。然而，一些物理微观实验由于实验条件、环境和操作等方面的原因，往往不容易轻松开展。对此，教师就可以借助可视化技术，引导学生开展微观仿真实验，并通过仿真实验获得知识，深入理解物理规律，发挥高中物理实验的教学价值。

例如，在“平抛物体的运动”这一知识的教学中，教师就可以运用可视化技术开展“平抛物体的运动”的仿真实验。首先，教师可以展示一个物体在光滑的平面上以速度v 匀速运动，记录其运动轨迹；其次，教师可以将一个物体做自由落体运动，记录其运动轨迹；最后，教师可以将平面运动的物体和自由落体运动的物体轨迹进行合成，展现出以速度v 平抛物体的运动轨迹。在可视化实验过程中，学生可以依据自己的理解或方案改变实验的条件，观察不同实验方法和思路的差异，分析平抛物体的运动规律，构建平抛物体的运动模型，使得学生在虚拟仿真实验的辅助下，对物体的运动知识点形成深层次的感知，进而提升学生的学习效果。同时，在可视化仿真物理实验中，教师应该引导学生对物理实验现象、物理实验数据等提出质疑，并尝试自主解决疑问，在实验中逐渐形成科学探究素养和严谨的科学态度［2］。

（四）构建可视化情景，强化微观概念学习

现代教育学家在研究中发现，人的学习活动总是和某种情景联系在一起。教师唯有将学生置于特定的学习情景中，才能唤醒学生的思维，唤醒学生已有的知识结构，并使学生在原有的知识结构基础上，完成新知识的学习。物理微观知识中存在大量难以理解的物理概念和知识点，教师如果单纯地按照教材上的文字进行描述，学生往往难以理解。面对这一现状，基于可视化教学理论，教师就可以运用可视化技术，围绕抽象的微观知识点，给学生创设可视化的教学情景，充分借助教学情景帮助学生完成抽象物理概念的有效学习。

例如，在“超重和失重”这两个物理概念的教学中，教材中只是通过例题的方式对其进行了简单描述，导致学生在学习中面临着较大的困难。而教师通过可视化技术展示生活中的“超重和失重”现象，能够给学生营造一个可视化的学习情景：利用一个两米高的支架，将两个定滑轮进行固定，自制一个劲度系数比较小的套筒式弹簧秤，并将弹簧秤的上端和细绳连接起来，在弹簧秤的下端挂一个比较重的物，用不同的力道拉细绳，观察弹簧秤示数的变化。在整个实验过程中，教师可结合拉力的实际情况，使重物在滑轮上分别做向上、向下两种运动。学生在实验中可以发现，向上做加速运动的时候，物体会处于超重的状态，而弹簧秤上的示数就会出现变大的现象；当其向下做加速运动的时候，物体就会处于失重的状态，弹簧秤上的示数就会出现变小的现象。在可视化的物理情景中，学生就可以快速掌握这两个物理概念，理解“超重和失重”的本质特征，从而提高学习效果［3］。

（五）基于可视化技术，丰富教学形式

高中微观物理教学中，教师需要充分发挥可视化技术的优势，将物理微观知识通过直观形式显示出来，确定可视化教学的具体类型，积极增强课堂的教学设计。当前，高中微观物理的教学当中，可视化的教学形式最为常见的是思维导图、概念图、鱼骨图等。

首先，思维导图，主要是将主题关键词作为中心，立足于主干逐渐向四周发散，使各个分支构成互相连接的节点结构。思维导图具备逻辑性以及发散性，其主干和各个分支之间是互相联系的，且内部有着明确的层级关系［4］。绘制思维导图的具体步骤为：第一步，按照高中物理的具体教学目标，把中心主题即关键词置于中心位置；第二步，把中心主题及其一级、二级主题进行任务分解，并绘制相应的分支，构成思维导图的框架；第三步，主要通过色彩或者粗细不同的线条区分重难点；第四步，明确各个分支的关键词，并融入相应的图像与图形，并对思维导图的具体内容进行补充。

其次，概念图，主要是通过节点对概念进行代表，通过线条进行连接，并通过文字加以标注与展示。概念图有着显著的层级结构，其交叉连接形式可以充分呈现出知识之间的连贯性以及创造性。在对概念图进行绘制时，主要方式是通过计算机绘制概念的内涵和外延。如对“磁场”进行教学时，教师就可以通过信息技术展示磁场的概念图，包括磁场产生的本质、磁场的描述、磁场力、应用等方面的内容，以更好地帮助学生认识磁场，并将其可视化。

最后，鱼骨图，主要模仿鱼的骨架绘制出相应的知识结构图，鱼骨图的架构主要立足于问题的导引以及解决，鱼头代表着问题；“鱼脊椎”代表着问题出现的根源；“鱼的大骨”代表着问题有效解决的核心要素；“鱼小骨”代表着其他的相关细节要素。通过“鱼骨图”的运用，教师能够形象、直观地呈现出相关物理问题及其生成原因、解决措施等。由此可知，高中物理教学中，教师可以通过三种可视化的方式，增强课堂整体的教学设计。

（六）运用可视化技术，构建完整知识体系

高中物理中包含着非常多的微观知识点、公式，多数学生在日常学习中都面临着非常大的困难，如知识点繁杂、难以记忆、知识点间的关系混乱。在这种背景下，学生如果只是机械式地背诵、孤立地学习，很难达到预期的学习效果。而各物理知识点之间又是紧密相连的，知识点纵横交错、环环相扣，其中有主干知识，也有分支知识，更有细枝末节。

例如，在“力和运动”的知识体系中，“力和运动”是核心，牛顿运动定律以及动能定理是方法，动能定理就是在牛顿第二定律、运动学的基础上推导出来的。此时，为了强化学生的学习效果，教师就可以借助可视化技术帮助学生构建知识点的内在联系，将繁杂的物理知识点进行整合，使其成为可视化的知识网络，或者知识图像。另外，在具体的教学过程中，教师还可以充分借助各种图形软件，借助结构图、逻辑关系图等将物理知识结构呈现出来，最终使学生在可视化的学习工具引导下，完成物理各个知识点的高效学习。

综上所述，物理学科教学中包含着大量的微观知识点，不仅是课堂教学的重点，也是教学难点。然而当前高中物理微观知识课堂教学中，受多种因素的制约，教学效果不尽如人意，依然存在诸多问题，严重制约了学生综合素养的发展。基于此，高中物理教师必须立足于物理微观知识的教学现状，结合可视化教学理念的内涵，借助信息技术、虚拟实验、实物情景、思维导图等，将微观物理知识呈现在学生的视觉范围之内，以真正提升学生的学习效果。