利用视觉线索支持物理概念教学的探讨

张正严 黄 燕

(1.西南大学教师教育学院,重庆 400715;2.西南大学科学教育研究中心,重庆 400715)

“物理概念与规律是客观事物的本质属性在人们头脑中的反映,是物理事实的抽象与概括,是观察、实验与科学思维相结合的产物.”[1]在物理教学中教师基于学生认知结构中对物理事实已有的感性经验,引导学生对物理事实进行科学的观察或实验,再经过认知思维加工帮助学生理解物理本质,从而形成科学的物理概念.在教学过程中学生对物理事实和物理现象的感知十分重要,人们能够记住10%听到的东西,30%读到的东西,但是却可以记住80%看到的东西.[2]在教育实践与研究中,通过视觉呈现向学生传授科学知识是最常用的有效手段之一.随着对视觉呈现研究的不断深入,出现了不同视觉呈现方式,如,J D Novak提出的概念图,[3]M J Eppler和R A Burkard提出的知识可视化,[4]增强现实(AR)技术在教育领域的应用[5]等新方法,但在多样化的视觉呈现方式之下如何使得学生学习更有效仍是一个值得研究的问题,视觉线索的出现可以有效解决这一难题,本文通过分析视觉线索在视觉呈现中作用,从学生认知角度出发探讨了利用视觉线索进行物理概念教学的策略,以促进学生有意义的学习.

1 视觉线索理论基础、类型、功能

视觉线索是基于多媒体学习认知理论和认知负荷理论提出的一种教学技术属于线索的一类.线索是指在学习材料中添加具有指向、组织和整合学习材料内容或结构的符号、词语等信息,线索不会提供新的信息或改变学习材料本身内容和知识结构.[6]视觉线索是通过改变学习材料中不同信息的视觉空间特征,影响学生对不同信息的感知来改善学习.

1.1 理论基础

(1) 多媒体学习认知理论.

“多媒体学习认知理论(CTML)是由Mayer提出的一种研究学习者是如何通过语词和图像进行学习的理论.”[7]这一理论的基础是3种假设:双通道假设、有限容量假设和主动加工假设.① 双通道假设:学习者拥有两种不同的信息加工通道,即视觉-图像通道和听觉-语言通道,学习者主要是通过这两个通道来感知学习材料.② 容量有限假设:学习者在单位时间内对学习材料进行信息加工处理时,视觉和听觉每个通道所能处理的学习材料数量是有限的,当学习者专注于无关材料时或者是材料中的无效信息时,其学习能力就会下降.③ 主动加工假设:学习者在进行有意义学习时,为在学习材料与自身经验之间建立一致的心理表征,学习者会主动地进行认知加工.其理论模型图1所示,[8]CTML认为学习者在处理多媒体信息时会经历选择、组织、整合3个基本认知的过程.[9]

图1 多媒体学习认知理论模型

① 选择,即从呈现材料中注意到重要元素和有效信息,以便进一步加工,受感觉记忆的影响;② 组织,将选择信息组织成连贯图片模型或者语言模型,受工作记忆的影响;③ 整合,将图片模型和语言模型结合,再与头脑中已激活的相关知识整合在一起,受长时记忆的影响.其中选择过程属于概念加工浅层的知觉,在这一阶段学习者感知学习材料中各元素并识别相关信息;组织和整合过程属于概念加工深层的知觉,在这一阶段学习者从知觉加工识别的信息中推断和获得新信息.[10]

人类的视觉感知具有选择性,学习者一次只可以将他们的视觉注意力集中在视觉显示的少量元素上,并且只有一小部分信息可以随后在工作记忆中处理.[11]因此,有效的视觉线索应通过突出有限的学习材料中与学习任务相关的词语或图片来指导学习者的选择过程;并通过帮助学习者建立有效信息之间以及有效信息与学习者脑海已有知识之间的联系来促进组织和整合过程.在物理教学中运用视觉线索,其终极目标在于影响学生更有效选择、组织和整合信息,从而使有意义的学习发生.

(2) 认知负荷理论.

澳大利亚的约翰·斯威勒提出了认知负荷理论,他从工作记忆能力和学习时长的限制入手,认为在教学中学习者的认知负荷要保持在一个合理的范围内.认知负荷理论基于两个基础提出:① 学习者认知过程中工作记忆与长时记忆的运行机制.工作记忆是学习者有意识对外界信息进行加工处理并做出反应的系统,其容量和持续时间都非常有限.[12]② 认知心理学对学习本质的研究.基于这两个基础认知负荷理论提出两个观点:[13]① 在教学设计时应该控制学习者工作记忆中的认知负荷;② 教学设计应促进学习者构建图式并使其自动化运行.

认知负荷理论认为当学习材料呈现不当或者学习者被要求同时处理过多无关信息时,会给学习者带来过多外在认知负荷.[14]因此,在通过视觉呈现进行教学的过程中,教师在单位时间向学生呈现学习材料时,需认真考虑学习材料的呈现内容和方式.首先,学习材料中所涵盖信息应在一个合理的范围之内,学习任务应落在学生最近发展区内;其次,对于学习材料中的与学习任务相关程度不同的信息应有不同的感知处理;最后,对不同类型信息应选择不同视觉呈现方式.

1.2 视觉线索类型

视觉线索是对学习材料中视觉元素进行操作,添加视觉符号或将视觉元素显著化,通过影响学习者对学习材料中不同信息的感知来改变学习者对信息的选择和加工.[10]视觉线索既可以是对文字进行提示,也可以是对图像进行提示,通常视觉线索具体呈现方式有:(1) 色彩对比,即通过改变学习材料中不同元素颜色,加强不同视觉元素之间色彩对比,突出部分视觉元素;(2) 形状、大小对比,即通过调整学习材料中文字的字体大小或放大图片中某一视觉元素;(3) 添加其他视觉线索,即在学习材料中添加箭头、圆圈、闪光或者其他视觉符号等.

根据视觉线索在学习者认知过程发挥的作用不同,可将视觉线索分为非自愿的视觉线索和自愿的视觉线索.[15]非自愿的视觉线索被定义为显著的视觉特征,指突出视觉元素,用来吸引学习者注意力的视觉线索,对应学习者认知过程中浅层知觉加工,主要影响学生在学习过程中对信息的选择.自愿视觉线索被定义为信号,指在学习材料中强调语义内容中的某部分或者语义结构的添加,对应学习者认知过程中深层概念加工,主要影响学生在学习过程中对信息的组织和整合.

根据视觉线索本身的特征,可将视觉线索分为静态视觉线索与动态视觉线索.在静态表示中通过大小对比、色彩对比或者添加提示符号等手段突出文本或图片中的信息,视觉线索的具体呈现方式不会随时间或空间的改变而改变;在动态表示中通过添加随时间或空间不断变化的信号突出学习材料中重要信息,以帮助学习者进行信息选择,并将信息组织、整合到自我已有的认知结构中,视觉线索具体呈现方式会随时间或空间的改变而改变.

1.3 视觉线索功能

De Koning等人基于Mayer多媒体学习认知理论将视觉线索在学习者认知过程中发挥功能分为3种:[16](1) 选择信息,视觉线索可以引导学习者对学习材料中特定信息和位置的注意,促进对基本信息的选择和提取;(2) 组织信息,视觉线索强调学习材料中信息的结构、主题组织或空间结构关系;(3) 整合信息,视觉线索可以阐明学习材料元素之间和内部的关系,建立新知识与学习者脑海中认知结构的联系,帮助学生建立一个连贯、综合的功能模型.

学生在进行物理概念学习时,对学习材料中相关信息的选择、组织与整合至关重要.许国梁主编的《中学物理教学法》指出,物理概念教学是学生在教师的指导之下,调动学生认知结构中已有的感性经验和知识去感知学习材料,再经过认知思维加工逐步形成完整的物理概念.[17]物理概念教学可分为概念导入、概念形成、巩固加深3个阶段.[1]这3个阶段环环相扣、由浅入深逐步推进,只有经历了这3个阶段学生对物理概念的认识才能由感觉记忆进入长时记忆.本文经过分析得到视觉线索与物理概念之间关系如表1所示.

表1 视觉线索与概念教学关系表

概念引入阶段,教师通常会利用丰富的物理情境为学生提供感性认识,而此类情境一般有大量的视觉和听觉元素,先验知识水平较低的学生往往不知道应关注情境中哪些元素,即不知道应将学习材料中哪些信息选择进自己认知加工系统进行加工.对信息的选择一般难以在信息呈现阶段完成,因此视觉系统需要将大量信息短暂地存储于感觉记忆.[18]由于感觉记忆储存时间较短,此时在学习材料中给学习任务相关的信息添加视觉线索,便可及时有效地帮助学生在引入情境中进行信息选择.

概念形成阶段,学生参与科学抽象过程,辨别物理概念本质,对概念的理解由感性上升至理性.[17]学生使用比较、分类、类比、归纳和演绎等抽象思维的方法对感性材料进行整理,将片面反应事物表面联系的信息组织加工为反应物理本质的知识.视觉工作记忆是对视觉信息暂时存储和加工的场所,[19]学生在进行信息的组织加工时,可能会对学习材料中信息主题把握不准确或对某抽象事物结构不清晰,此时适当添加视觉线索引导学生进行推断思考,可有效帮助学生在工作记忆中的信息组织.

概念巩固阶段,学生不断地将新知识与自我脑海中的认知结构建立联系,最终将物理概念储存进长时记忆中.学生通过将新学的物理概念与已学的核心物理概念和次要物理概念建立联系,形成一个连贯的、综合的物理概念网络,最终完成信息的整合.在这个过程中,学生可能不能在概念之间建立联系,此时在学习材料中添加视觉线索,可帮助学生进行信息整合.

在物理概念教学3个过程中,学生对信息的选择、组织、整合起到了决定性的作用,在认知加工过程中学生对信息处理的有效度,从根本上影响了学生对物理概念的学习.

2 视觉线索在物理概念教学中的应用价值

学生在对物理概念进行学习时,各物理概念常常涉及知识点较多,学生对某个知识点难以理解清楚,或者某一物理情景较为复杂干扰信息较多,学生难以获取有效信息,对这类物理情境下的物理知识理解错误,对于物理教学表现出来的困境,可以尝试使用视觉线索来化解.视觉线索的优势有以下3点:(1) 可将重要关键信息显著化,减少学生对无关信息的选择和认知处理,降低学生认知负荷;(2) 可将物理概念中有关学生学习困难知识点进行线索提示,解决教学难点;(3) 可将物理概念中不同知识点进行联系,促进学生物理概念理解,建立概念结构.

2.1 突显科学信息,促进概念情境引入

学生不是空着脑袋进入教室的,在接受正式科学概念教育之前,他们基于生活经验或已有的知识对事物已经存在非本质的认知,即前概念.学生脑中的前概念可能是错误的,也可能存在部分科学之处.目前物理概念教学存在对学生前概念重视不足的问题,[20]如何科学利用学生认知结构中的前概念,仍是一个需要解决的难题.本文认为可利用视觉线索解决部分问题,教师在向学生呈现学习材料后,可利用视觉线索将学生脑海中前概念科学的部分突出,引导学生建立一个完整的、科学的概念.

以曲线运动这一概念为例,针对曲线运动中速度方向的教学,学生基于生活中对曲线运动的观察,部分学生认为曲线运动的速度方向是其运动轨迹,部分学生对曲线运动的速度方向已经有一定程度的科学认知但还不能做完全科学的表述.人教版教材通过问题栏目中砂轮和链球两幅图片对曲线运动的速度方向进行引入,可以利用视觉线索对教材中的图片进行进一步加工,即在两幅图片中添加箭头表示出砂轮打磨下来的炽热微粒和飞出去的链球的运动方向,如图2所示.该视觉线索添加的主要目的是对学生注意力的吸引、引导学生对速度方向的思考,次要目的是为后续曲线运动速度方向探究实验做铺垫,帮助学生建立一个连贯的认知加工过程.

图2 曲线运动视觉线索

该视觉线索主要发挥信息选择功能,使用箭头将两幅图中物体运动的方向直接突显出来.针对存在错误前概念的学生,使得他们直观意识到曲线运动中速度方向与运动轨迹存在不同;针对存在部分科学前概念的学生,引导他们思考两个情境中物体运动方向的共同特征.通过实体箭头将不同情境中曲线运动方向的共同属性显示出来,将该信息选择进学生认知加工系统等待加工,在前概念与科学概念之间搭建一个支架;同时为后续实验探究中观察钢球运动痕迹做准备,在学生逻辑上形成自然过渡.

2.2 突显差异信息,促进概念本质理解

根据认知心理学对概念的分类,可将概念分为具体概念和抽象概念:具体概念是指能够通过感官通道感知获取信息,通过抽象概括形成的概念,抽象概念知识不能够通过感官通道获取信息,只能通过理解认识形成概念.[21]物理概念中存在许多抽象概念,抽象概念往往难以为学生提供足够的感性认识,教师常使用各种科学方法将抽象概念具象地呈现在学生面前,但如何使教师的呈现更加直观,更加便于学生的理解,一直是一个难以解决的问题.视觉线索则可作为一种有效手段帮助教师突出抽象物理概念的本质,促进学生的概念理解.

以电势这一概念为例,电势是通过比值定义法得到其定义,在人教版教材中对电势的描述为“电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量之比,叫作电场在这一点的电势”,且电势的一大特点是沿着电场线方向电势逐渐降低.对学生来说,电势是一个典型难以理解的抽象概念,基于学生前面对电场知识的学习可利用视觉线索作出图3,帮助学生理解电势这一概念.图3是以正电荷为例,使用一组同心圆表示该电荷在空间中的电势变化.该视觉线索是利用颜色的渐变反应电势沿着电场线方向电势逐渐降低这一特点,颜色越深代表该处电势越高,颜色越浅代表该处电势越低,可以直观地向学生展示电场中不同位置电势大小变化.

图3 电势视觉线索

该视觉线索主要发挥信息组织功能,使用颜色变化的同心圆组反应电势的空间结构关系,同时为后续等势面的学习进行铺垫.物理学科中存在许多类似于电势的抽象概念,这类概念的某些性质会随空间或时间的改变而呈现规律性的变化,针对这类概念可以利用视觉线索规律性的颜色变化、饱和度变化或是利用动态表示中随时间和空间改变视觉线索形态、大小等具体呈现方式来反应这类抽象物理概念的某些性质,帮助学生更加直观地从本质上理解物理概念.

2.3 突显关联信息,促进概念表征转换

同一物理概念在学生脑海中拥有不同的表现和记载方式,即不同表征.物理概念的表征可以分为经验表征、物理表征和符号表征3类,经验表征倾向基于真实情景描述物理概念,物理表征从事物本质出发描述物理概念,符号表征用特定符号和数学公式描述物理概念,这3类表征抽象程度逐渐升高并共同构成一个完整的物理概念;[22,23]学生对物理概念的学习过程也是学生认知结构中表征发生改变、不同表征之间发生转导的过程.[24]如何促使学生在认知结构中对不同表征的转化与整合,是值得深入探究的点,本文提出利用视觉线索帮助学生整合不同表征的观点.

以电场这一概念为例,在鲁科版教材中,出现了如图4(a)所示在悬浮蓖麻油里模拟电场线的经验表征,在人教版和鲁科版教材中均出现了如图4(b)所示电场线分布示意图的物理表征,以及如图4(c)所示的关于场强的符号表征.学生学习完这些知识时,会出现无法将这些知识在自己脑海中建立一个完整有序的结构的情况.此时,给予学生如图4中的视觉线索,使用3个空白框以及2个箭头将电场概念的经验表征、物理表征和符号表征联系起来,3个空白框内填入电场的不同表征,而箭头可以反应电场不同表征在学习者认知结构中的转导情况,即利用视觉线索帮助学生建立一个完整有序的电场的不同表征转导结构,整合电场线和电场强度,促进学生对电场概念的综合理解.

图4 电场表征视觉线索

该视觉线索发挥整合功能,使用3个空白框以及2个表示转导关系的箭头,将物理概念的三重表征联系起来,帮助学生在认知系统中建立一个有序的表征转导结构.在物理概念教学中存在不能形成概念结构的问题,[25]当前出现概念图、思维导图等工具帮助学生建立不同概念之间的联系,形成概念结构.此类整合性的视觉线索的使用,不仅可以帮助学生在同一概念的三重表征之间建立联系,同时可以帮助学生整合不同概念促进对核心概念的理解,最终形成概念结构.

3 视觉线索使用策略

应当指出视觉线索在物理概念的教学中可以促进学生的学习,但视觉线索只能作为教学的一种辅助手段.在教学中如何更有效使用视觉线索?首先,应当对物理概念进行甄别判断其是否适合使用视觉线索;其次,应基于物理概念的特征,选取适合使用视觉线索的教学工具和使用视觉线索的阶段.作为一种辅助手段,在教学中如何使用视觉线索,将视觉线索与教学融合才更为重要.

3.1 选择合适承载工具

基于学生对于物理概念的认知规律,在教学过程中,教师通常会采用多种教学工具和教学方法向学生解释物理概念.如何使用视觉线索也取决于物理概念的本身特征及学生认知水平,通过对物理概念和视觉线索的分析,除文本显著性提示类视觉线索之外,在物理概念教学中可使用视觉线索的物理概念有以下特点:① 物理概念本身较为抽象,但可用实物作为教学工具可视化显现;② 物理概念涉及知识点本身存在图像,或可用图像呈现相关物理知识或者物理状态;③ 物理概念可通过教学视频向学生传递.

由此,物理概念教学中视觉线索可以通过教学实物(图片)、图像、教学视频3种工具承载.本文对以上3类工具特点进行整理并与视觉线索对应功能联系,如表2所示.

表2 视觉线索承载工具特征表

视觉线索需要合适的工具承载,才能有效促进学生对物理概念的学习.对于通常无法直接向学生呈现的信息,教师可以向学生呈现教学视频,在视频中使用视觉线索,引导学生将注意力集中到有效元素之上,促进学生认知过程对信息的选择,降低认知负荷、提高信息感知效率.例如,在学习“加速度”时,教师使用“张培萌与山鹰教练机比赛获胜”视频进行引入,此视频需要学生关注到人战胜了战斗机,因该比赛视频时长较短,学生不易观察到比赛结果,教师可在原始的视频中加入突显张培萌与山鹰教练机之间距离的视觉线索,让学生明确关注到比赛结果;对于与学生日常生活经验紧密联系的物理概念,教师在进行物理概念讲解时,通常可以使用日常生活中常见物品等实物作为教学工具,向学生传递相关物理知识,在这一过程辅以视觉线索,可以促进学生在信息处理时认知过程中的信息组织.例如,在学习“摩擦力”时,教师使用毛刷将摩擦力方向可视化,可再添加箭头的视觉线索引导学生进一步观察毛刷尖端弯曲方向,促进学生对摩擦力方向的理解;对于物理概念本身涉及的知识点就存在图像或者可用图像表明的情况,通过视觉线索可以加强学生脑海中不同知识之间的联系.例如,在学习“匀变速直线运动的速度与时间的关系”时,可在v-t图中添加突显曲线斜率的实体线段的视觉线索,向学生强调曲线斜率为加速度这一知识点,同时将速度与加速度联系起来.

3.2 选择合适线索类型

根据视觉线索在学习者认知过程中发挥的功能可以将视觉线索分为自愿的视觉线索与非自愿的视觉线索;根据视觉线索本身特征可将视觉线索分为静态和动态两类.若在物理概念教学中使用视觉线索,对视觉线索类型的选择尤为重要,基于教师使用视觉线索的目的不同,需要选择不同类型的视觉线索.首先应考虑教师想要视觉线索在教学过程中发挥的作用,其次考虑物理概念本身与视觉线索类型的适配度.

具体而言,在概念引入阶段可使用非自愿的视觉线索以促进学生对学习材料中对学习任务相关信息的选择.例如,在教师可在引入的学习材料中添加箭头或圆圈等实体视觉线索,引导学生关注到教师自己想要学生关注到的信息;在概念形成阶段可使用自愿的视觉线索以促进学生的信息组织,既可选择静态又可选择动态视觉线索,若物理概念本身存在随时间或空间改变而改变的特征,可优先选择动态视觉线索向学生直观展示,但同时需要考虑学生的认知水平,视觉线索设计不宜过分复杂.例如,学习“电场强度”时,可使用渐变颜色的视觉线索向学生直观展示点电荷产生的电场中不同位置电场强度的变化规律,在学习“开普勒第二定律”时,可使用带有视觉线索的教学动画向学生直观展示开普勒第二定律的内容:行星绕太阳运动时,在相同时间间隔内,行星和太阳连线扫过面积相同;[26]在概念形成阶段可使用自愿的视觉线索以促进学生的信息整合,除本文所提出将物理概念三重表征进行提示的视觉线索外,在这一阶段视觉线索还可与概念图、思维导图等同时使用,有效促进学生建立概念结构、形成概念网络.例如,在“静电场”章节复习时,可使用概念图将静电场中各层次核心概念、规律之间逻辑关系进行展示,[27]同时,可在概念图中添加色彩对比的视觉线索突显静电场中核心概念,帮助学生建立不同核心概念之间联系.但需说明,根据教师使用视觉线索的目的不同,在概念教学的不同阶段可以使用发挥不同功能的视觉线索,以达到有效促进学生学习的最终目的.

3.3 选择合适呈现方式

在教学过程中使用视觉线索的最终目的是提高学生学习效果.通常在学习材料中增加视觉线索,会增加学习材料的视觉表征,根据注意力分散效应,学习者注意力此时会在不同表征上分散,最终造成信息更难理解.根据视觉线索理论基础中的认知负荷理论,此类分散学习者注意力视觉线索会给学生带来外来认知负荷,它无助于学习者的理解能力提高.[28]在学习材料中添加视觉线索时应考虑视觉线索的具体呈现方式是否会造成学生的注意力分散,给学生带来其他认知负荷,无助于学生理解能力的提高.

视觉线索并非简单地将学习材料中相应位置进行显著化,例如,Adrian Madsen等人[29]与Rouinfar等人[30]都在物理学科常用的“位移-时间”图中斜率为0区域加入视觉线索,但Adrian Madsen等人使用颜色对比的视觉线索未突出斜率,实验结果表明视觉线索未对学生学业成绩产生正向影响;Rouinfar等人添加实体线段的视觉线索将斜率突出,实验结果表明视觉线索对学生学业成绩产生显著的正向影响.

在学习材料中添加视觉线索时,需考虑想要学习者达到的学习效果,如果想要促进学习者对学习材料中有效信息的选择,只需将有效元素显著化来吸引学习者的注意;如果想要促进学习者认知过程中的信息组织和整合,需要添加能够反映知识本身含义或不同知识之间关系的视觉线索.因此,利用视觉线索促进学生对物理概念的学习时,应结合实际情况考虑选择视觉线索的具体呈现方式.