初中物理解題模型思維可視化研究

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摘要:借助思維可視化工具，通過以非常規方法測電阻為例，讓知識構建和解決問題的思維過程可視，引導學生從不會思考到如何思考、會思考，真正抓住解決問題的本質，從而達到構建起學生解題思維模型能力的目標。

關鍵詞:思維;可視化;測電阻

物理教師經常遇到的問題是:學生經常說:“老師，上課我都聽得懂，但一遇到做題我就悶了。”其原因還是我們在教學中重在知識的獲得、方法的灌輸和習題的強化訓練，沒有重視學生“知識構建”和“解決問題”的思維過程，讓學生長期處于淺思考、不思考、不會思考的學習狀態，抑制了學生物理學科思維能力的培養。造成學生對物理公式、概念和規律等知識的學習散、零、亂，學生認為物理的學習只需記，然后做題訓練，物理學習變成一種過關考試，教師缺乏對物理思想、物理思維品質系統性的培養，學生不懂思考、不懂如何學習物理，認為物理難學，以至于最后厭學物理，到了高中，學生物理成績更是一落千丈。如何讓學生從“不會思考”到“會思考”，并達到構建解題模型的能力呢?思維可視化就是一個很好的手段。思維可視化就是指運用一系列圖示技術如思維導圖、流程圖、概念圖、模型圖等，把本來不可視的思維(思考方式和思考路徑)呈現出來，使其清晰可見，便于人們高效地記憶、理解和應用知識，從而提高人們學習或處理問題的能力。可視化能讓教師的解題思路與模型的構建具象化地呈現出來，讓學生直觀、可視、可模仿，這恰好符合初中學生由形象到抽象的認知發展水平，有利于他們形成正確的物理學科思維。同時，讓學生自己的思維和建模過程也通過可視化方式呈現出來，學生可以明確自己思維的“堵點”在哪，或者思維的不完善與偏差在哪，從而進行幫助學生，理清思維，有利于幫助學生構建正確的解題思維模型。下面就以“測未知電阻題型”為例，談談借助思維可視化方式在初中物理解題思維模型中的構建方法。

一、思維可視化引導，架構解題通道，形成解題模型

在學習伏安法測電阻后，教師都會展開“非常規法測電阻”的教學。如，只有一個電壓表和已知電阻為R0的定值電阻一個，請你設計實驗，測出Rx的電阻。要求寫出主要測量步驟及表達式(所測的量用適當的字母表示)。這種類型的問題往往對于初中學生來說難度較大，原因就在于已知到未知之間的距離較大，學生要跨過好幾道坎，一下子難以解決問題。如何突破這一難題，教師以思維可視化為工具架起思維通道，根據題意，由知識的本源出發，即實驗原理R=UI，架構起思維的流程圖，如下圖1所示。難點在于Ix的解決，教師引導學生回到已知給出的條件R0和電壓表，學生就很容易地想到應用歐姆定律完成圖中②的問題;教師在此基礎上追問:“怎樣讓I0=Ix呢?”“串聯”這一想法浮現而出，設計出③也就比較順利。解決問題后，不是就此放過，而是教師要站在思維的高度上，對方法進行歸納，應用圖中②就是等效于伏安法中的電流表，明確等效思想在此的應用如圖中⑦所指。若教學停留在此，那思維的廣度與深度就不夠，也難以達到思維的建模目的。此時，教師就要引導學生根據串聯電路U=U1+U2的電壓關系，獲得圖中③④的解決辦法，測量U0、Ux有電壓表直接測量和間接測量。在上面設計的基礎上，若直接要求學生進行電表不可拆的電路設計，又會有一個攔路虎，讓大多數的學生難以跨越。關鍵的問題在于學生的這種思維過程是教師引導下的，缺乏用自身所構建的知識網絡去解決問題，去自主思考、自主構建，只是完成一種解決問題的思維流程，不能抓住思維的本質而上升到學科思維的培養，學生解決一題是一題，不能達到觸類旁通。這時，教師就要充分利用思維可視的好處，使解題的思維過程不再是隱性的過程，而是靜止的圖示和動態的思維兩者的組合，讓學生思維過程直觀可視。學生就能從原有思維可視化圖1中，直觀、清晰地進行對②③④方法的歸納總結，測量未知電阻的關鍵就在于測量U0、Ux兩個物理量，可以直接測量，也可以間接測量。因此后續電表不可拆設計的問題圖中⑤就順其自然，不管是應用開關斷開或閉合，還是移動變阻器劃片，其目的還是為了測量U0、Ux兩個物理量，教學的難點得以突破。在問題解決后，教師一定要引導學生對思維導圖進行反思，此時的反思又分為兩種，一種是利用思維可視化的圖示，按照圖示流程，引導學生把整個解題的思維歷程，重新梳理一遍，使整個思維過程從模糊變清晰、從缺漏變完整、從零散變系統，形成初步的解題思維流程。另一種就是如圖中⑥的虛線思維過程，采用逆向思維，教師引導學生反思，不管是②③④的電表可拆還是⑤中的電表不可拆，其解題關鍵都是U0、Ux兩個物理量，而通道的獲得，恰恰是歸溯回測電阻原理這一解決問題的本質，從而形成基本的、簡潔的解題思維流程模型。這樣的教學不再是灌輸式的，而是教師以問題為引導，通過思維可視化工具，讓整個解題的思維過程一步步地呈現，給學生直觀感，這恰好解決初中學生抽象思維不足的問題，易于形成解題過程的思維流程模型，能很好地幫助學生解決如何“思”的問題。

二、學生思維可視化模仿，自主暴露問題，構建解題模型

此時，題目變式為已知R0和電流表呢?讓學生模仿圖1的思維流程圖進行解題。這時教師不要在乎學生解答過程有多漂亮，關鍵是學生要把自己的思考過程，通過模仿用思維流程圖呈現出來，讓他們的思維顯現，從而暴露出自己思維的不足之處。由于是同類型的問題，學生就可以對著圖1中的流程圖進行自主糾正，這也是解題模型思維可視化培養的關鍵一步，先有模仿，然后才能創新。那么，這種學生自主建構過程，暴露的問題在哪里呢?第一，思維的廣度與深刻性不足。學生由于以往機械式解題的習慣，形成思維的惰性，他們認為只要能解決問題就好，而不思考一題多解，就會給后續一類題型的解答造成阻礙。在已知R0和電流表測電阻問題設計過程同樣的如圖1中的②③④⑤過程，但學生往往到②一種情況就好，不利用并聯電路的電流關系I=Ix+I0，推導Ix、I0的測量也分為直接測量與間接測量。若學生只進行直接的測量，思維的廣度與發散性就不足，解決問題的知識橫向擴展就不夠，就很難通過思考進行歸納發現解題的通道，獲取解決問題的最佳途徑。對于電表不可拆如圖1中⑤同樣學生也會一種，思維的廣度明顯不足，缺乏解題的多樣性，問題的解決就不徹底，解題模型的構建就會存在缺陷。而另一部分初中學生平時很少進行解題后的反思、歸納、整理，學生在已知R0和電流表測電阻問題解題模仿中，進行Ix、I0直接測量與間接測量的多種解法設計時，易忽略反思歸納這一環節，學生很難抓住問題的本質，造成后續電表不可拆這類設計的困難，也對解題思維的構建起到很大的阻力。通過思維可視化，學生對著自己完成的思維流程圖，對照圖1的流程圖，就易于暴露自己思維過程的不足，從而進行彌補，促進學生進行廣度、深度的思考，在模仿中達到對解題思維模型的構建。同時，教師通過可視化思維流程，很好引導學生認識到不管是伏阻法，還是安阻法測電阻，本質的思維方法就是等效替代法(如表1)。教師通過串、并聯電路中電阻關系中等效思想的應用，從原理R=UI出發，把學生引導到應用電阻箱替代定值電阻R0，根據等效思想，通過Ux=U0、Ix=I0，推導出Rx=R0，從而獲得另一種更具操作性測量電阻的方法，如圖2所示。進一步增強解題的廣度與深度，解題思維模型會構建得更加完善。第二，思維的跳躍性問題。學生在思維的構建中，往往都不想多花時間，喜歡走捷徑。如本例中先設計儀表可拆，后設計不可拆的，學生就覺得麻煩，直接進行不可拆設計。對此我們要對學生進行分類。一類是優生，他們通過老師例題講解后，基本上已內化生成基本的解題模型，不經過可拆電表的設計，根據原理就能抓住問題的本質，直接進行不可拆電表的設計，達到一種思維的深加工，這符合他們的認知規律，這是允許的，也是我們老師應當給予鼓勵的。而另一類基礎較弱的學生，是由于思維的惰性，他們解決問題就想一步到位，遇到困難就不想完成，又不能問題抓住本質，實質上違背了他們的認知規律中層層遞進的原則，給思維造成困點。這類學生在解決問題時，思維是不透徹的，往往也是解題思維模型構建主要的問題之一。因此，教師在這部分學生思維可視化引導過程中，就要嚴格遵循學生原有的知識水平與認知規律，進行完整的思維可視化訓練，如圖1所示思維流程模型，層層推進，才能構建解題思維模型，才能讓他們從如何思到學會思。第三，欠缺思維的逆向反思。學生在自主解決問題過程中，最缺乏的就是靜下心來的逆向反思，如圖1中雙虛線箭頭⑥的過程。這是因為原來的思維流程，滿足邏輯遞進原則，層層推導即可，大多數學生印象深刻的就是伏阻法或安阻法測電阻的思維過程和多種測量方法，他們很難在這種復雜問題中抓住解決問題的本質，進行思維的凝練。我們通過思維可視化建構起這一通道，讓他們模仿中逆向反思，從儀表可拆與不可拆的各種問題的解決方法中，歸結到解題通道上，又從解題通道回歸原理和等效替代法上，在繁雜的解題過程中，他們會看到解決問題的本質，不僅能化繁為簡，而且構建解題模型中的思維核心，也鍛煉了學生學習物理學科的良好思維品質。因此，在學生自主構建解題思維流程的過程中，應用思維可視化一定要注重訓練學生思維的廣度與深度，層層推進，步步落實，讓學生形成解題思路。多歸納，多反思，讓學生在逆向反思中，回歸知識本身與物理方法，抓住解決問題的關鍵，從而構建起完整的解題思維模型。

三、思維可視化小結，提煉凝化，內化解題模型

同一類型的問題，它的解決方法有多種，若不加以歸納，學生解題思維模型的構建會“多”而“雜”，學生就不能抓住知識應用與思維的本質，進行思維的再編碼，知識的再內化。這時就需要通過思維導圖進行可視化小結，如圖3所示，教師引導，讓學生對測電阻應用的知識和思維再現，進行高度的提煉、凝化，讓學生構建起清晰、完整的系統的可視化知識體系，測電阻有哪幾種方法，每種方法的核心是什么，解決問題的關鍵簡潔呈現一目了然，達到提綱挈領，凝練思維的目的。這樣就會在學生的知識構建中留下深刻的記憶，在今后遇到此類問題，學生就很容易從知識體系中輸出，也為學習測小燈泡電功率打下堅實的基礎。這種借助思維可視的教學，在整個解題思維模型的構建過程中，讓學生經歷從易到難，從簡單到復雜，從單一到多樣的思維過程，又回歸本源即物理的核心，化繁為簡，也讓學生感悟物理學思想的本質:在復雜變化的問題中，往往隱含著最簡單、最本質的道理。讓學生在自我親身體驗中，進行知識與思維的雙重構建，讓思維的“動”和圖示的“靜”很好地結合，大大提升學生的思維品質和解題能力。

參考文獻:

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作者：陳峰