基于概念图的高中物理可视化教学初探
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作者:陈丽华 张金良
摘要：近年来，概念图、思维导图、流程图等可视化教学工具在教学中的运用越来越多。高中物理知识抽象复杂，学生理解起来比较困难，因此将概念图引入高中物理教学非常必要。文章以高中物理“曲线运动”一章为例，从课前、课中、课后这三个阶段，对基于概念图的可视化教学进行了探讨，并给出了具体的教学案例。
关键词：概念图;高中物理;可视化教学;曲线运动
中圖分类号：G420 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）13-0285-03
一、引言
可视化教学是指在计算机或者多媒体技术的支持下，教师运用图形学原理，利用图像、动画等可以呈现在视觉范围之内的方式，将教学过程中的模型、规律、概念、公式等展现出来，让学生借助于头脑中形成的思维图像或视觉信息，实现对所学知识主动构建的过程。现代教育技术的快速发展使得可视化教学的实施越来越便利，也涌现出了许多各式各样的可视化教学工具。大量研究表明，概念图、思维导图等可视化教学工具的使用能提高学生学习的积极性，改善教学效果。概念图是能形象表达命题网络中一系列概念含义及其关系的图解，它把人脑中的隐性知识用节点连接起来构成网状结构使知识显性化、可视化，从而便于人们思考、交流和表达。
二、利用概念图促进高中物理可视化教学的必要性和优势分析
物理教学要采用什么样的教学方法和手段才能行之有效，这基于对物理学科的认识。物理学科的特点一方面在于物理学科以观察和实验为基础，且高中物理概念、规律抽象难懂，教师利用图表、视频、音频等可视性资源进行可视化教学是非常有必要的;另一方面在于高中物理概念、规律众多，知识体系庞大，各个知识点之间又相互联系，需要学生经常进行归纳和总结，理清知识脉络，在头脑中建立一个完整和谐的知识结构，这就需要教师将概念图运用到物理教学中，帮助学生建构知识体系。
概念图与其他可视化教学工具相比具有其优势。概念图在构成元素上比较全面，不仅有节点、连线，而且有连接词、命题和层次结构，这使得概念图能够更加直观、深入地表征相关知识;概念图的本质相对于其他教学工具也更加丰富，它不仅是知识的建构、梳理和整合，还是知识的发散和创新。
概念图在可视化教学中有着重要的地位，它不仅支持物理知识的可视化，还支持思维过程的可视化、交互的可视化。课前概念图能帮助学生预习新课，帮助教师了解学生的前概念;课中概念图作为师生交互的载体能调动学生的思维，体现学生的主体性，且运用概念图呈现学生的思维过程，可以使教师及时获得反馈，以便调整教学;课后概念图可作为评价学生学习效果的工具，教师可根据概念图反馈的情况做出评价，学生再进行反思和强化。由此可见，概念图的运用能促进教学全过程的可视化，在高中物理教学中运用是很有必要的。
三、概念图在高中物理“曲线运动”一章可视化教学中的运用
高中物理“曲线运动”这一章以力与运动及其关系的学习为基础，是前面直线运动中的概念和牛顿运动定律运用的延续和扩展，是运动学和动力学知识在曲线运动中的具体应用。这一章的物理概念、规律和方法较多，且物理知识与之前所学内容联系密切，因此比较适合运用概念图来进行可视化教学。
（一）课前
课前可通过两种方式引导学生画出预习部分的概念图。一种方式是教师在导学案上给出不完整的概念图让每位学生自己补全。如图1只给出了两种生活中的曲线运动，让学生列举出更多常见的曲线运动，这有助于他们找出这些运动的共同点，进而得出曲线运动的定义;另一种方式是教师提出任务并进行分组，让学生在课前，小组合作制作直线运动概念图，课上进行展示。因为曲线运动部分的学习是以直线运动为基础的，用位移和速度描述直线运动有助于学生找到描述曲线运动的方法。为方便了解曲线运动和直线运动的区别，课前可要求学生对直线运动部分进行回顾，画出直线运动部分的概念图，这对他们完善整个运动学部分的知识体系有很大的帮助。这样做不仅提高了学生学习新知识的能力，调动了学生主动学习的积极性，而且培养了他们交流合作的能力和课前预习的习惯。
教师的课前准备也可以借助概念图这一可视化教学工具。教师的备课主要是完成教学设计，教学设计中的教学目标、教材分析、教学内容等都可以借助概念图来实现，最后将各个部分的概念图进行修改和融合，形成一个完整流畅的教学设计。如图2所示，这是针对平抛运动这一节课设计的教学目标概念图。本图从物理核心素养四个维度出发设计教学目标，且这些教学目标不是孤立的，而是相互渗透，彼此融合的。如“将平抛运动分解”它既是一个思维方法，也是一种物理观念。可以看出将概念图运用到教学目标的设计中，能将核心素养四维目标融合并进行综合表述，避免忽视目标的整体性。教师这样进行教学设计之后，还可以借助教学设计概念图同其他教师交流并改进，这就实现了师师交互的可视化和教师思维的可视化，进而提高了教师的备课质量。
（二）课中
1.新课引入环节。新课引入环节注重激发学生的学习兴趣，使他们建立新旧知识之间的联系。概念图强调知识的体系和知识点间的内在联系，因此比较适用于以复习旧知的方式来引入新课。以引入平抛运动为例，我们可通过边呈现概念图边复习直线运动和曲线运动来实现，从而建立起曲线运动和直线运动、平抛运动和一般的曲线运动之间的联系。如图3所示，首先回顾直线运动和曲线运动的区别，并引导学生回忆物体做曲线运动的条件，教师在幻灯片上逐步地完善概念图。之后教师提出物体只受重力，它的速度方向与重力方向相互垂直这一特殊情况，并结合生活中的实例或者扔粉笔头这样的演示最终引出平抛运动这一概念。
这种方法实际上就是让学生进行联想，引导学生回忆与新知识密切相关的内容，这些内容作为先行组织者，为新知识的学习提供前提。借助概念图来回忆不仅可以提高旧知识的可利用性，还能了解学生前概念的情况。当学生了解了将要学习的内容时，他们就能把新学习的内容与原有的旧知识形成有意义的联结，进而为之后学生完成对新知识的建构奠定基础。 2.新課讲授环节。新课讲授环节不仅要注重新旧知识间的联系，还要注重物理概念和规律的形成过程。在教学中要让学生体验这一过程，并通过概念图呈现出来，这种可视化的方法能帮助学生巩固旧知识，加深他们对新知识的印象和理解。例如“圆周运动”这一节，在引入圆周运动这一概念后，需要先引入线速度和角速度，画出部分概念图，然后建立这两个概念之间的联系，最终形成完整的概念图。如图4所示，线速度这一概念可以通过演示“自行车车轮转动”引导学生思考和比较轮上各点运动的快慢，并且结合对直线运动中运动速度快慢的描述来引入。这样引入既能激发学生兴趣、引发学生思考，又能让学生对之前直线运动中的速度概念进行回顾，从而有助于学生对线速度概念的理解。在理解“瞬时线速度”这一概念时，可借助概念图清晰地呈现它和直线运动中“瞬时速度”的联系;在学习“匀速圆周运动”这一概念时，教师要引导学生注意匀速圆周运动和匀速直线运动中“匀速”的不同含义，这时候也可以通过概念图将两者的区别直观地呈现出来。角速度这一概念也可由上面的演示引入，再通过教师提问轮上各点相对轮轴心转动的快慢引导学生思考，从而得出描述圆周运动快慢的另一个物理量是角速度，其是描述圆周运动中的点相对圆心转动快慢的物理量。在引入这一概念时，教师要让学生认识到轮上各点的运动快慢和转动快慢的区别，从而对线速度和角速度有更深入的理解。
在圆周运动部分新课讲授时用概念图将圆周运动中的相关概念与直线运动中的相关概念联系起来，进行类比分析，这不仅有助于学生对线速度、角速度、匀速圆周运动等新概念的理解，还能对直线运动中瞬时速度等已学概念进行巩固。
新课讲授时使用概念图打破了传统教学的惯例，教师不必将知识点一一罗列，只需把关键概念及其关联用概念图可视化地展示出来，使学生更容易明确新课的重难点，学生在记笔记时也不用将所有知识点记下，而是借助概念图课上基本弄懂重要知识点，课后再进行完善和拓展就可以了，这样大大提高新课的教学效果。
3.课堂总结环节。课堂总结是对当堂教学内容的简单回顾，在课堂结束之前让学生回顾这节课所学的重要概念。然后教师通过多媒体将这几个重要概念呈现出来，并引导学生说出这些重要概念之间的关系，从而完善本堂课知识的概念图。通过回忆重要概念及其联系，不仅能使学生对整节课的内容有一个整体的把握，还能促进学生对知识的进一步理解和深化，完善学生的认知结构。
在课堂总结环节使用概念图时应注意，对于课堂容量大，知识点较多的情况不宜使用。课堂总结环节是最后几分钟对整节课的简单回顾，因此对于难度较小、知识点较少的情况采用概念图来总结是比较合适的。
（三）课后
在学完一章或一个专题之后，教师可以布置任务要求学生课后完成一章或一个专题的概念图，由于涉及的知识点较多，所以让学生将自主学习和合作学习相结合来完成任务更好。例如在学完曲线运动这一章之后，可以让学生课后自主画出这一整章的概念图。如图5所示，在绘制该概念图时，学生不仅对平抛运动、匀速圆周运动这两种特殊的曲线运动进行了回顾，还对之前的匀速直线运动、自由落体运动部分进行了巩固。曲线运动部分是与直线运动部分紧密相连的，画完本章的概念图之后可让学生再进行拓展，在图5的基础上补充直线运动部分的知识点，合作完成整个运动学部分的概念图。
在做课后习题的时候，教师也可要求学生理清自己的思路，画出简单的概念图，通过概念图清晰呈现自己的思维过程，并在此基础上进行整理，将习题分成几种题型，这样更容易掌握不同的解题方法。通过概念图将解题的思维过程可视化不仅有助于学生形成正确的思路，还能提高学生分析和解决问题的能力，教师应引导学生积极使用概念图呈现自己的思路，实现思维的可视化。
另外，借助学生绘制的概念图教师还可检验自己的教学效果，了解学生的知识结构和思维过程，找出学生存在的问题，教师可由此做出评价，学生收到评价后再进行反思修改，从而实现师生交互的可视化。课后学生也可通过概念图和小组成员交流讨论，探讨解题的思路，解决学习中遇到的问题。由此可见，概念图支持师生和生生交互的可视化，在课后使用可促进他们之间的交流和评价，从而增进和谐的教与学关系。
四、小结
高中阶段物理知识较难理解，学生学习物理需要有足够的兴趣和主动性，概念图这一可视化工具对于维持学生学习物理的兴趣具有一定的作用。在高中物理教学中运用概念图实现了物理知识的可视化、思维过程的可视化以及师生交互的可视化，增加了物理教学的形象性和趣味性，在一定程度上调动了学生学习物理的积极性，促进了学生对物理知识的理解和知识体系的建构，训练了学生的思维;同时也优化了教学设计，提高了物理教师教学的效率和质量，值得在高中物理教学中进一步应用。
参考文献：
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A Preliminary Study on Visualization Teaching of Physics in Senior High School Based on Conceptual Map
—Taking the Chapter "Curve Motion" as an Example
CHEN Li-hua，ZHANG Jin-liang
（Yangzhou University，Yangzhou，Jiangsu 225000，China）
Abstract：In recent years，the application of visual teaching tools such as conceptual diagram，thinking guide chart and flow chart is increasing.High school physics knowledge is complex and students are difficult to understand，so it is very necessary to introduce conceptual diagram into high school physics teaching.In this paper，taking the chapter of “curve movement”of high school physics as an example，it discusses the visualization teaching based on conceptual diagram from the three stages before，during and after class，and gives specific teaching cases.
Key words：concept map;senior high school physics;visual teaching;curve movement
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