论知识可视化在高中物理教学中的应用

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摘 要：知识可视化是通过视觉符号表征、创造并传递知识。解析了概念图、动画、示意图、流程图、维恩图等可视化工具在高中物理“力学”教学中的应用案例，并探讨了知识可视化过程应遵循的原则。

关键词：知识可视化；高中物理教学；应用案例

知识可视化作为学习工具，旨在改变学习者认知的方式，促进有意义的学习。笔者结合高中物理课程的特点，采用概念图、图画和动画几种方式，举例并论述了知识可视化在高中物理“力学”教学中的作用。

一、概念图

概念图是由康奈尔大学的Novak提出的，建立在奥苏贝尔的有意义学习理论之上。它能表现和揭示知识结构中的意义联系，构造一个清晰的知识网络，便于学习者对整个知识架构的掌握，有利于直觉思维的形成，促进知识的迁移。概念图是由节点和节点之间的连线构成，能够形象的表达概念与概念之间的逻辑关系，通过概念图教学，有利于新旧知识的整合，促进学生学习。在物理教学中，为了帮助学生形成完整的认知结构，往往需要教师引导学生抓住知识的内在联系与要领，统揽全局，对所学的知识进行整合，以形成良好的认知结构。

在物理“力学”教学中，可以使用概念图将力学知识系统以整体、清晰的方式呈现出来，更有效地组织教学内容，如图1所示；可以编制导学案，将原来显现在教师头脑中的教学内容、教学理论和教学经验以可视化的形式表现出来，相当于在虚拟的环境中完成了一次教学过程，使教学内容之间的逻辑关系、导学的程序一目了然；也可以诊断学生的前概念，引发认知冲突，通过先行组织者，把课的内容与学习者的认知结构联系起来；还可以作为支持学生自主探索、锻炼高阶思维能力的学习工具。

二、图画

1.流程图

流程图由表征操作类型的图框和表征操作顺序的线条构成，图框中的文字和符号表示操作内容，线条的方向表示先后次序。利用流程图可以帮助学习者整理思路，清晰地梳理解题过程和方法。如图2所示，是探讨在蹦极过程中，高度、重力势能、弹性势能之间的转化关系，采用循环结构流程图展示了各变量的相互影响与制约关系。

2.维恩图

维恩图是用来表示多个事物重叠关系的视觉表征形式。通常用圆来表征事物，事物的共同属性在多个圆的交集上，不同属性在对应圆交集外的区域。在力学中，有许多相似概念，用维恩图可以呈现概念之间的异同点，厘清它们之间的联系，增强学习者的概念辨别能力。如图3所示，使用维恩图展示了平衡力与相互作用力的异同，易于识别、记忆和理解。

3.示意图

高中物理力学教学过程中经常采用图示法，例如，受力分析、运动的位移图像，速度图像、振动图像等。示意图能够将公式或者文字无法表述或表述不清的物理状态、过程、规律呈现出来。尤其对于一些动态的、现实生活中无法观察到的、艰涩抽象的物理现象，可通过物理方法和数学手段从实物中总结出来，并以图示为载体将抽象的内容形象化、概括化、直观化，更有助调动学习者的双脑思维，便于理解和应用。如图4所示的滑轮与杠杆共同构成的复杂装置，采用图示的方式利于感知和识别问题。

4.图片

图片具有直观性、趣味性和指导性的特点，能够激发学生学习兴趣，增强求知欲，促进学生对物理概念等知识的理解和记忆。物理教学中使用图片不仅可以生动的展示物体的结构、概念的内涵，还可以直观地反映不同变量间的变化过程。文字内容要通过图片解释清楚，帮助在学生脑子中将抽象的内容以图片的形式记忆。同时，还应注重以图代文，采用生动活泼、图文并茂、简明直观的方式，把物理与生活、社会联系起来，体现人文精神并培养学生的情感价值观。如图5所示：在学习杠杆原理内容时，采用图片作为情境导入，可以激发学生的兴趣，为什么“给我一个支点就能移动地球”？图示中杠杆力臂的长短对比也给接下来要学习的知识点埋下了伏笔。

5.矩阵图

矩阵图是用行和列表示多维问题的表格，通过矩阵图分析问题，确定关键节点，多因素综合思考，可以有效地提高解决问题的效率，梳理各要素之间的关系，是常用的一种图示方方法，如图6所示，可以清晰地看出功随时间的变化，即功率的变化。

三、动画

动画通常用于反映物体间或者内部反应原理及其过程。有些是客观存在，但是由于条件限制，学习者无法用肉眼观察到的物理现象，如分子运动等。有些是在理想状态下才能实现的物理现象，如在摩擦力为零的条件下，物体进行匀速直线运动。采用动画可以帮助学习者有直观的感官体验，在形象思维与抽象思维之间建立连接，使学习过程更为简明而有趣。如图7所示，使采用Flash制作的交互性课件，学习者可以拖动选择三种材质的路面，观察和计算小车在不同摩擦系数路面上的运动状态。

综上所述，知识可视化工具不仅可以促进知识和经验在师生之间的传播，还能够激发教学者与学习者的思维能力、记忆能力与创造能力。运用知识可视化过程中不仅要关注知识本身的内容和表现形式，还要对学习者进行分析，结合学习者的认知与情感选择行之有效的可视化工具与方法，最大限度地提升教的效果和学的质量。