基于可视化工具的物理学习思维方式转变研究_可视化论文

基于可视化工具引发物理学习思维方式变革的研究，本文主要内容关键词为：思维方式论文,物理论文,工具论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      一、知识可视化的理论

      “可视化”在英语中译为：“visualization”，最原始表示“能够看见，清晰地展示”，现也可表示为“图像化”[1]。知识可视化所探讨的问题是：怎样用视觉表征增进知识在不同人中间传播的相关技术、方法、理论等[2]。

      人类80%的信息是通过视觉获得的。可视化的含义即将较为抽象的概念、想法等转换为直观的图像表示的方法，图片直观、形象化的展现形式为学生提供了一种图式（Scheme），皮亚杰认为，图示可以帮助学生更深入理解所学的知识，加快对知识的理解、学习进度[3]。

      思维导图和概念图都属于知识可视化工具，帮助学生把抽象的思维过程转换为形象的、可视的思考过程，大大降低了学习的难度。在不借助可视化工具的情况下，学生解决问题时需要在脑中寻找大量信息并进行分析综合，而利用可视化思维工具，学生只需抽取出与问题对应的相关知识进行重组和排序，找到解决的策略，其本质相当于把脑力工作转化为知识的重组和排列的体力工作。

      二、脑科学理论

      1961年诺贝尔生理学或医学奖获得者斯佩里教授通过对裂脑人的研究，在肯定大脑的左半球对逻辑、数学、推理等占有优势的同时，提出了右脑主要负责图画、音乐、想象等形象思维的观点，在全世界范围内掀起了“右脑革命”的热潮[4]。大部分人侧重使用左脑的逻辑分析、复杂计算、抽象思维，往往忽略了右脑的形象思维、音乐、图像、艺术等方面的功能。研究表明，右脑的记忆功能远超过左脑。

      

      三、思维导图简介

      英国的东尼·博赞（Tony Buzan）是思维导图的创始人。他深入研究大脑神经生理学、神经语言学等方面的知识，并钻研达·芬奇和毕加索等伟人的笔记，在研究多个伟人留下的手稿和文本资料时，发现有着共同点：喜欢用较少的文字配合图像的方式来做笔记。科学家纯纲要式的笔记形式则非常少见。在对成功人士的笔记规则研究基础上，东尼·博赞发明了让人的左右脑彼此协作不分离，充分发挥左脑的文字、线性、逻辑功能，也发挥右脑的图像、色彩、空间想象功能的思考和笔记方式——思维导图。思维导图（Mind Mapping）是以图形为基础的可视化放射性思考模式[5，6]，顺应大脑自然的发散思考方式[7]，整张思维导图由核心主题、关键词、色彩图案等构成，提取关键词需用到左脑的抽象、分析、推理能力，而分支的绘制用到了色彩、图画等，激发右脑积极参与工作，实现全脑并用，大大提高了记忆能力和创造力。

      四、概念图

      20世纪60年代，美国康乃尔大学的诺瓦克（J.D.Novak）提出了概念图，概念图的理论基础源自于奥苏贝尔（D.P.Ausubel）的有意义学习理论，概念图将某一主题的相关概念置于圆圈或方框中，根据逻辑关系用联系将相关概念连接[8]。概念图将学习者在学习过程中的相关知识点以及知识点间的内在联系通过图形或者方框等方式连接起来，实现思维的可视化，一般由节点、链接、文字标注组成。

      

      五、思维导图和概念图的区别和联系

      思维导图和概念图都属于可视化工具，但也存在差异的地方。概念图主要由概念、命题、连接词、层次交叉连接组成，结点是概念，而思维导图由颜色、线条、图像、符号组成，结点可以是概念也可以是关键词或短语[9]。在应用方面，概念图帮助学生构建一个清晰、严谨的知识网络，促进知识的迁移，它更侧重逻辑和推理方面，而思维导图帮助人们在所刻画的事物方面形成一个全局观，它侧重帮助人们建立与主题相关的各种不同思想，不仅可以看出各个分支的联系，同时还能激发作者的灵感、创造性思维[10]。

      六、在物理教学中的应用

      1.高效的笔记记忆方式

      传统纲要式的笔记方式整洁，有条理。但仅用单一颜色的文字记录，字数冗杂，容易产生视觉疲劳，整齐的排版不利于建立前后章节的知识点关联。而利用思维导图进行笔记节省了大量的文字记录时间，并能抓住关键知识，学生在复习时直击重点。它不同于传统的线性式列点提纲，从思维导图中可以看出全局的整体关系。同时，彩色的物理图示调动右脑一起工作，提高记忆效果。

      下面以平面镜成像规律为例，探讨如何利用思维导图记忆实验结论（如图3所示）：

      

      ①只写出最核心、最重要的知识，这种方式避免记录一堆没有关键意义的文字，让学生把注意的焦点聚焦在核心信息。

      ②应明确：思维导图是教会大家学习的好思维、好方法。但考试时，答题要求要完整性。因此要给导图中的关键词加上主语，成为完整的一句话。

      在新课教学时，利用思维导图板书设计能够帮助学生顺利建立知识框架，理解教材编排的意义。图4为“大气的力量”知识框架图。

      

      2.解决物理疑难问题

      通过习题教学可以培养学生利用理论知识解决实际问题的能力。王伟红老师在《新课程背景下思维导图在高中物理教学中应用的实践研究》一文中，提出了在习题课中，让学生利用思维导图作为解题辅助工具，具有两个明显的优势：“①帮助学生找出已知和所求之间的关系，迅速找到解题思路；②提高学生多角度分析问题的能力[11]。”

      下面以笔者在习题教学中的一道计算题为例，指出可视化工具帮助学生解决疑难问题的思维路径。

      [例1]如下页图5所示，有一根直直的钢管，一个同学把耳朵贴在钢管上，另一个同学在另一侧敲击，问钢管至少要多长，才能听到2个声音？

      

      分析：这道题涉及声音在不同介质中的速度传播快慢，以及人耳分辨两个声音条件的知识。学生对单个知识掌握牢靠，但将它们综合起来运用仍存在困难。

      学生利用思维导图简洁绘制解题思路（见图6）：

      

      图6思维导图解读：

      ①题中问钢管至少要多长，人耳才能听到2个声音，设钢管长为L；

      ②人能够听到2个声音，是因为声音在不同介质中传播快慢不一样，在固体中传播最快、液体中次之、气体最慢；

      ③本题中第一个声音是从钢管传入人耳，第二个声音是从空气传入人耳；

      ④前后两个声音进入人耳的时间至少要相隔0.1 s以上，才能被人耳分辨。

      通过以上思维导图解析，学生画一思维导图：将已知条件绘出，即可形象地看出已知和所求之间的关系，并成功列出下面式子：

      

      3.提高学生多角度分析问题的能力

      平常学习中培养学生利用思维导图进行放射性思考，冲破单向思维的束缚，发展学生思维的敏捷性和灵活性。尤其在课堂的问题讨论教学时，团队成员把头脑中瞬间闪现的想法及时绘出来。在绘制过程中，色彩、图片反过来不断刺激人脑，进一步从多个角度想出更多的点子，把抽象的思考过程形象化、可视化。

      使用方法：①在核心主题中绘出要解决的问题；

      ②让大脑处于自然放松状态，围绕核心主题在脑中搜寻与该主题相关的知识；

      ③进行逻辑排序和筛选，从多个分支中找出最佳的解决方案，或者寻找有相互关联的联合解决方案。

      思维导图是改变人类思考、学习、工作、生活习惯的高效学习方法，迄今为止在全世界的各个行业得到广泛的应用。相对国外的发展，思维导图研究与应用在国内仍处于刚起步阶段。在中国的教育领域中推广思维导图是一项任重道远的系统工程。它不仅对物理教学有帮助，在各个学科均有切入的应用点。笔者只是做了一些尝试性的工作，还需要广大的教育工作者和研究者积极地实践探索，以进一步提高教学质量，更好地促进学生综合能力的发展。

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