初中物理解题模型思维可视化研究

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摘要:借助思维可视化工具，通过以非常规方法测电阻为例，让知识构建和解决问题的思维过程可视，引导学生从不会思考到如何思考、会思考，真正抓住解决问题的本质，从而达到构建起学生解题思维模型能力的目标。

关键词:思维;可视化;测电阻

物理教师经常遇到的问题是:学生经常说:“老师，上课我都听得懂，但一遇到做题我就闷了。”其原因还是我们在教学中重在知识的获得、方法的灌输和习题的强化训练，没有重视学生“知识构建”和“解决问题”的思维过程，让学生长期处于浅思考、不思考、不会思考的学习状态，抑制了学生物理学科思维能力的培养。造成学生对物理公式、概念和规律等知识的学习散、零、乱，学生认为物理的学习只需记，然后做题训练，物理学习变成一种过关考试，教师缺乏对物理思想、物理思维品质系统性的培养，学生不懂思考、不懂如何学习物理，认为物理难学，以至于最后厌学物理，到了高中，学生物理成绩更是一落千丈。如何让学生从“不会思考”到“会思考”，并达到构建解题模型的能力呢?思维可视化就是一个很好的手段。思维可视化就是指运用一系列图示技术如思维导图、流程图、概念图、模型图等，把本来不可视的思维(思考方式和思考路径)呈现出来，使其清晰可见，便于人们高效地记忆、理解和应用知识，从而提高人们学习或处理问题的能力。可视化能让教师的解题思路与模型的构建具象化地呈现出来，让学生直观、可视、可模仿，这恰好符合初中学生由形象到抽象的认知发展水平，有利于他们形成正确的物理学科思维。同时，让学生自己的思维和建模过程也通过可视化方式呈现出来，学生可以明确自己思维的“堵点”在哪，或者思维的不完善与偏差在哪，从而进行帮助学生，理清思维，有利于帮助学生构建正确的解题思维模型。下面就以“测未知电阻题型”为例，谈谈借助思维可视化方式在初中物理解题思维模型中的构建方法。

一、思维可视化引导，架构解题通道，形成解题模型

在学习伏安法测电阻后，教师都会展开“非常规法测电阻”的教学。如，只有一个电压表和已知电阻为R0的定值电阻一个，请你设计实验，测出Rx的电阻。要求写出主要测量步骤及表达式(所测的量用适当的字母表示)。这种类型的问题往往对于初中学生来说难度较大，原因就在于已知到未知之间的距离较大，学生要跨过好几道坎，一下子难以解决问题。如何突破这一难题，教师以思维可视化为工具架起思维通道，根据题意，由知识的本源出发，即实验原理R=UI，架构起思维的流程图，如下图1所示。难点在于Ix的解决，教师引导学生回到已知给出的条件R0和电压表，学生就很容易地想到应用欧姆定律完成图中②的问题;教师在此基础上追问:“怎样让I0=Ix呢?”“串联”这一想法浮现而出，设计出③也就比较顺利。解决问题后，不是就此放过，而是教师要站在思维的高度上，对方法进行归纳，应用图中②就是等效于伏安法中的电流表，明确等效思想在此的应用如图中⑦所指。若教学停留在此，那思维的广度与深度就不够，也难以达到思维的建模目的。此时，教师就要引导学生根据串联电路U=U1+U2的电压关系，获得图中③④的解决办法，测量U0、Ux有电压表直接测量和间接测量。在上面设计的基础上，若直接要求学生进行电表不可拆的电路设计，又会有一个拦路虎，让大多数的学生难以跨越。关键的问题在于学生的这种思维过程是教师引导下的，缺乏用自身所构建的知识网络去解决问题，去自主思考、自主构建，只是完成一种解决问题的思维流程，不能抓住思维的本质而上升到学科思维的培养，学生解决一题是一题，不能达到触类旁通。这时，教师就要充分利用思维可视的好处，使解题的思维过程不再是隐性的过程，而是静止的图示和动态的思维两者的组合，让学生思维过程直观可视。学生就能从原有思维可视化图1中，直观、清晰地进行对②③④方法的归纳总结，测量未知电阻的关键就在于测量U0、Ux两个物理量，可以直接测量，也可以间接测量。因此后续电表不可拆设计的问题图中⑤就顺其自然，不管是应用开关断开或闭合，还是移动变阻器划片，其目的还是为了测量U0、Ux两个物理量，教学的难点得以突破。在问题解决后，教师一定要引导学生对思维导图进行反思，此时的反思又分为两种，一种是利用思维可视化的图示，按照图示流程，引导学生把整个解题的思维历程，重新梳理一遍，使整个思维过程从模糊变清晰、从缺漏变完整、从零散变系统，形成初步的解题思维流程。另一种就是如图中⑥的虚线思维过程，采用逆向思维，教师引导学生反思，不管是②③④的电表可拆还是⑤中的电表不可拆，其解题关键都是U0、Ux两个物理量，而通道的获得，恰恰是归溯回测电阻原理这一解决问题的本质，从而形成基本的、简洁的解题思维流程模型。这样的教学不再是灌输式的，而是教师以问题为引导，通过思维可视化工具，让整个解题的思维过程一步步地呈现，给学生直观感，这恰好解决初中学生抽象思维不足的问题，易于形成解题过程的思维流程模型，能很好地帮助学生解决如何“思”的问题。

二、学生思维可视化模仿，自主暴露问题，构建解题模型

此时，题目变式为已知R0和电流表呢?让学生模仿图1的思维流程图进行解题。这时教师不要在乎学生解答过程有多漂亮，关键是学生要把自己的思考过程，通过模仿用思维流程图呈现出来，让他们的思维显现，从而暴露出自己思维的不足之处。由于是同类型的问题，学生就可以对着图1中的流程图进行自主纠正，这也是解题模型思维可视化培养的关键一步，先有模仿，然后才能创新。那么，这种学生自主建构过程，暴露的问题在哪里呢?第一，思维的广度与深刻性不足。学生由于以往机械式解题的习惯，形成思维的惰性，他们认为只要能解决问题就好，而不思考一题多解，就会给后续一类题型的解答造成阻碍。在已知R0和电流表测电阻问题设计过程同样的如图1中的②③④⑤过程，但学生往往到②一种情况就好，不利用并联电路的电流关系I=Ix+I0，推导Ix、I0的测量也分为直接测量与间接测量。若学生只进行直接的测量，思维的广度与发散性就不足，解决问题的知识横向扩展就不够，就很难通过思考进行归纳发现解题的通道，获取解决问题的最佳途径。对于电表不可拆如图1中⑤同样学生也会一种，思维的广度明显不足，缺乏解题的多样性，问题的解决就不彻底，解题模型的构建就会存在缺陷。而另一部分初中学生平时很少进行解题后的反思、归纳、整理，学生在已知R0和电流表测电阻问题解题模仿中，进行Ix、I0直接测量与间接测量的多种解法设计时，易忽略反思归纳这一环节，学生很难抓住问题的本质，造成后续电表不可拆这类设计的困难，也对解题思维的构建起到很大的阻力。通过思维可视化，学生对着自己完成的思维流程图，对照图1的流程图，就易于暴露自己思维过程的不足，从而进行弥补，促进学生进行广度、深度的思考，在模仿中达到对解题思维模型的构建。同时，教师通过可视化思维流程，很好引导学生认识到不管是伏阻法，还是安阻法测电阻，本质的思维方法就是等效替代法(如表1)。教师通过串、并联电路中电阻关系中等效思想的应用，从原理R=UI出发，把学生引导到应用电阻箱替代定值电阻R0，根据等效思想，通过Ux=U0、Ix=I0，推导出Rx=R0，从而获得另一种更具操作性测量电阻的方法，如图2所示。进一步增强解题的广度与深度，解题思维模型会构建得更加完善。第二，思维的跳跃性问题。学生在思维的构建中，往往都不想多花时间，喜欢走捷径。如本例中先设计仪表可拆，后设计不可拆的，学生就觉得麻烦，直接进行不可拆设计。对此我们要对学生进行分类。一类是优生，他们通过老师例题讲解后，基本上已内化生成基本的解题模型，不经过可拆电表的设计，根据原理就能抓住问题的本质，直接进行不可拆电表的设计，达到一种思维的深加工，这符合他们的认知规律，这是允许的，也是我们老师应当给予鼓励的。而另一类基础较弱的学生，是由于思维的惰性，他们解决问题就想一步到位，遇到困难就不想完成，又不能问题抓住本质，实质上违背了他们的认知规律中层层递进的原则，给思维造成困点。这类学生在解决问题时，思维是不透彻的，往往也是解题思维模型构建主要的问题之一。因此，教师在这部分学生思维可视化引导过程中，就要严格遵循学生原有的知识水平与认知规律，进行完整的思维可视化训练，如图1所示思维流程模型，层层推进，才能构建解题思维模型，才能让他们从如何思到学会思。第三，欠缺思维的逆向反思。学生在自主解决问题过程中，最缺乏的就是静下心来的逆向反思，如图1中双虚线箭头⑥的过程。这是因为原来的思维流程，满足逻辑递进原则，层层推导即可，大多数学生印象深刻的就是伏阻法或安阻法测电阻的思维过程和多种测量方法，他们很难在这种复杂问题中抓住解决问题的本质，进行思维的凝练。我们通过思维可视化建构起这一通道，让他们模仿中逆向反思，从仪表可拆与不可拆的各种问题的解决方法中，归结到解题通道上，又从解题通道回归原理和等效替代法上，在繁杂的解题过程中，他们会看到解决问题的本质，不仅能化繁为简，而且构建解题模型中的思维核心，也锻炼了学生学习物理学科的良好思维品质。因此，在学生自主构建解题思维流程的过程中，应用思维可视化一定要注重训练学生思维的广度与深度，层层推进，步步落实，让学生形成解题思路。多归纳，多反思，让学生在逆向反思中，回归知识本身与物理方法，抓住解决问题的关键，从而构建起完整的解题思维模型。

三、思维可视化小结，提炼凝化，内化解题模型

同一类型的问题，它的解决方法有多种，若不加以归纳，学生解题思维模型的构建会“多”而“杂”，学生就不能抓住知识应用与思维的本质，进行思维的再编码，知识的再内化。这时就需要通过思维导图进行可视化小结，如图3所示，教师引导，让学生对测电阻应用的知识和思维再现，进行高度的提炼、凝化，让学生构建起清晰、完整的系统的可视化知识体系，测电阻有哪几种方法，每种方法的核心是什么，解决问题的关键简洁呈现一目了然，达到提纲挈领，凝练思维的目的。这样就会在学生的知识构建中留下深刻的记忆，在今后遇到此类问题，学生就很容易从知识体系中输出，也为学习测小灯泡电功率打下坚实的基础。这种借助思维可视的教学，在整个解题思维模型的构建过程中，让学生经历从易到难，从简单到复杂，从单一到多样的思维过程，又回归本源即物理的核心，化繁为简，也让学生感悟物理学思想的本质:在复杂变化的问题中，往往隐含着最简单、最本质的道理。让学生在自我亲身体验中，进行知识与思维的双重构建，让思维的“动”和图示的“静”很好地结合，大大提升学生的思维品质和解题能力。

参考文献:

［1］刘濯源．思维可视化:减负增效的新支点［J］．中小学管理，2014(6):10－13．

［2］李文颖．运用可视化教学突破初中物理教学难点的实践研究［D］．呼和浩特:内蒙古师范大学，2016．

［3］顾文权，顾炳峰．渗透等效思想突破教学难点［J］．中学物理，2020(9):51－53．

作者：陈峰