《高中物理可视化的教学策略研究》结题报告

《高中物理可视化的教学策略研究》结题报告

作者：张杰 

目录

第一章 绪论

1.1研究的背景和价值

1.2概念界定

1.2.1可视化

1.2.2视觉表征和知识可视化

1.2.3物理教学可视化

1.3研究的现状

1.4研究的问题

1.5研究的方法

{C}第二章{C}理论基础

2.1信息加工理论

2.2双重编码理论

2.3多媒体学习理论

2.4知识管理理论

2.5脑科学理论

2.6图示理论

第三章 高中物理可视化策略

3.1高中物理教与学的分析

3.2高中物理教学可视化的整体实施策略

3.3高中物理哪些地方亟需可视化

3.4高中物理可视化手段

3.5高中物理教学可视化工具软件

{C}第四章{C}高中物理可视化实践

4.1物理复习案例

4.2物理实验教学实例

4.3物理习题教学实例

4.4 物理思想方法教学案例

4.5可视化教学应注意的问题

第五章 总结与展望

参考文献：

第一章 绪论

1.1研究的背景和价值

背景：《国家中长期教育改革和发展纲要》中强调“学校工作重点集中到强化教学环节、提高教育质量上来。”如何提高课堂教学质量，根据美国哈佛商学院有关研究人员的分析资料表明，人的大脑每天通过五种感官接受外部信息的比例分别为：味觉1%，触觉1.5%，嗅觉3.5%，听觉11%，以及视觉83%。所以，提高课堂教学的质量可以从教学可视化的角度研究。

新课程基本理念：在课程实施上注重自主学习，提倡教学方式多样化。高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。物理教学可视化研究是对新课标中提倡的教学方式多样化的一种积极的探索。

华师一附中着力培养学生的四种关键能力——批判性思维能力、有效沟通能力、数字化能力和生活能力。物理教学可视化研究是对有效沟通能力和数字化能力的有益尝试。

现状及问题：

高中物理是高中理科（自然科学）基础科目之一。高中物理与初中相比难度加大，具有以下特点：1. 知识深度加深。将由定性讨论进入定量计算，如力和运动的关系、动能概念、电磁感应、核能等。2. 知识广度范围扩大。学习很多初中未学过的新内容，如力的合成与分解、牛顿万有引力定律、动量定理、动量守恒定律、光的本性等。3. 知识应用能力提高。

学校开设有计算机课，但学生的学科学习与计算机工具没有融合，学生的学习对工具的利用还处于计算器水平。

学校有传统实验，也有一部分DIS实验和仿真实验。但大部分老师对实验的重视不够，对DIS实验只有在上公开课时才会去用。中学物理老师对Matlab等工具软件能运用的不多。

物理教学可视化的过程就使高中物理课程应广泛引入信息技术，让学生用计算机处理和分析实验数据；用信息技术来改变学习的方式；用网络技术来拓宽学生的视野。高中物理应将科学的思维能力的培养列为重点。具有较强的理性思维的学生，一般都表现出较强的创造性和开拓性。现行的高中物理课程运用数学主要体现在解题上，面太窄。应该更加关注如何运用数学建构物理概念和模型，建立物理运动的方程，认识物理现象的本质，分析和处理物理实验的数据上。物理学习可视化提供了实践上述能力的载体。

目的、意义（为什么研究？价值是什么？解决什么问题？）。

物理教学可视化探索符合新课标的要求。新课标对高中物理应培养的技能有1）培养实验技能。2）培养信息的收集、传递和处理技能。3）培养科学思维能力。4）培养运用数学工具解决物理问题的能力。

在物理教学中利用现代教育技术构建新的教学模式，改善物理教学环境，优化物理课堂教学，增强学生学习兴趣，使物理教学直观化，将抽象问题“具体化”，动态过程“可视化”，空间想象“立体化”，微观现象“宏观化”和实验数据处理“实时化”，提高效率。增强学生分析和处理问题的能力

1.2概念界定

1.2.1可视化：

“可视化”来源于英文“visualization”，其中“visual”意为“视觉的、形象的、可见的”。把抽象的事物或概念转化成形象的图形呈现均称作“可视化”

1.2.2视觉表征和知识可视化：

“视觉表征”来源于英文“visual representation”。视觉表征指人类将抽象的东西以视觉化的方式再现和表述。“视觉表征主要研究视觉符号意义，探讨其如何表现现象，以及观看者如何理解图像等问题”。

“知识可视化”是一个新的研究领域，它是在科学计算可视化、数据可视化和信息可视化三者基础上发展起来的。所有能表现和传输复杂理解的图解化手段均为知识可视化。2009年赵国庆提出了知识可视化定义：“知识可视化指的是研究怎么样运用视觉表征改进两个或两个以上人之间复杂的知识创造和传递的学科”

1.2.3物理教学可视化：

物理教学可视化包括：1.利用低成本小实验呈现物理现象和规律。2.利用计算机开展数字化实验和仿真实验。3.利用计算机将数字信息变为直观的、以图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在学生面前，使他们能够观察、模拟和计算。

1.3研究的现状

在中国知网上搜索与可视化教学有关的文章大概有以下数据

以上研究概括起来有几个特点：

1. 开始进行可视化教学研究，但还不够系统。对可视化教学有零星的理论，少有理论和实践结合的丰富实例。

2.   大学老师进行的可视化研究偏重于需要编程的一些数学软件，如MATLAB ,mathematic.中学老师用到的局限于思维导图、观念地图等。

3.   数学和物理都适用，大学和中学都适用的几何画板。

4.   仿真实验和DIS（传感器）在课堂教学中有运用，但还不是常态。

1.4研究的问题

高中物理可视化的手段有哪些。高中物理哪些内容亟需可视化。可视化的过程与物理建模、可视化的过程丰富和拓展了探究式教学、现代信息技术与物理课程的深度融合。

1.5研究的方法

1.5.1文献研究法

在整个研究中，认真重读高中物理新课程标准，查阅了大量的与物理教学可视化相关的文献，主要是在中国知网、百度文库以及物理杂志，从而拓展了研究思路。

1.5.2行动研究法

通过对课标的再学习，开展实践研究，在教学过程中编制大量的课件，不断探索物理教学可视化的有效方法。

1.5.3比较研究法

通过对各种可视化工具的比较，将物理教学可视化进行分类研究。可视化的内容和可视化的工具和方法进行匹配。

1.5.4案例研究法

分别按高中物理的内容力、热、电、光、原进行可视化方案研究；按概念规律课型、习题课、试卷讲评课等研究可视化案例。按所使用的工具软件制作适合的相应类型课件的案例。

第二章理论基础

2.1信息加工理论

加涅把学习过程比拟为信息的加工过程：学习环境中的刺激作用于学习者的感受器（感觉器官），感受器以神经冲动的形式将信息输入至中枢神经系统。信息在一个感受记录器里短暂停留后由选择性知觉将它转换成可辨认的形式并输入短时记忆。如果信息在短时记忆中没有被复述，一般只能保存几秒钟，且短时记忆容量有限，一次只能记7+-2个项目。需要长期保存的信息需经过语义编码转化成有意义的模式（多数是类似句子的有意义命题）才能进入长时记忆。长时记忆的信息可重新提取到短时记忆并和其它学习结合成新的知识。当信息从短时记忆或长时记忆提取并传递到反应发生器，从而激活效应器（肌肉）时，就导致学习者对环境的、可观察到的习得行为，使观察者得知起初的刺激已产生了预期效果，信息就这样被“加工”，学习者就是这样完成一次学习过程。

加涅认为每一个学习行动都可以分解成八个阶段，即动机阶段（期望）、领会阶段（注意）、习得阶段(编码）、不错阶段（记忆）回忆阶段（提取）概括阶段（迁移）、作业阶段（反应）、反馈阶段（强化）其中括号内的内容是与个阶段相对应的内部心理加工过程。

研究表明：人类五官感知客观世界的比率是：视觉占83%，听觉占11%，嗅觉占3.5%，触觉占1.5%，味觉占1%。同时，人脑中贮存形象信息和语言信息的比例是：1000：1。

1加强实验和观察，是形成丰富的物理表象的重要途径。2. 还要充分运用教学挂图和课本中的插图。3从声象教材中充分摄取物理表象。

研究表明：同样的学习内容，单纯用听觉学习。单纯用视觉学习。视听并用学习，三小时后，记忆效率分别为：60%，70%，80%；三天后，记忆效率分别为：15%，40%，75%。

4.难以在课堂上展现出来的物理事物如涉及到场的力的特性和能的特性比较抽象，难以全面深刻地理解、需要计算机将等势线等势面可视化。人造卫星和微观粒子的运动不可能在实验室完成，可用计算机仿真实验。

2.2双重编码理论：

心理学家佩维奥是双重编码理论的提出者，他强调在信息的贮存、加工与提取中，语言与非语言的信息加工过程是同样重要的。因为，"人的认知是独特的，它专用于同时对语言与非语言的事物和事件的处理。此外，语言系统是特殊的，它直接以口头与书面的形式处理语言的输入与输出，与此同时，它又保存着与非语词的事物、事件和行为有关的象征功能。任何一种表征理论都必须适合这种双重功能"(Pavio,1986,p.53)。双重编码理论假设，存在着两个认知的子系统:其一专用于对非语词事物、事件(即映象)的表征与处理，而另一个则用于语言的处理。佩维奥同时还假定，存在两种不同的表征单元:适用于心理映象的"图象单元"和适用于语言实体的"语言单元"。前者是根据部分与整体的关系组织的，而后者是根据联想与层级组织的。

2.3多媒体学习理论

多媒体学习认知理论是由美国当代教育心理学家、认知心理学家理查德•E•迈耶(Richard E•Mayer)在其书《多媒体学习》中提出,并通过大量的心理实验证明该理论正确性和科学性。迈耶认为“按照人的心理工作方式设计的多媒体信息比没有按照人的心理工作方式设计的多媒体信息更可能产生有意义学习”,基于此认识,迈耶研究了多媒体学习的认知规律,依据双通道假设、容量有限假设、主动加工假设的心理学原理提出了多媒体学习的五个步骤和多媒体认知模型,并且提出了多媒体设计的七个原则。

多媒体学习认知理论的三个假设:

(1)双通道假设。指人们进行认知加工时对视觉表征和听觉表征的材料都有相应的信息加工通道。

(2)容量有限假设。人们进行认知加工时是需要消耗认知资源的,而认知资源是有限的,因此在每个信息加工通道上一次加工的信息数量是也有限的。

(3)主动加工假设。是指人们为了对呈现的材料与他们的经验建立起一致的心理表征会主动参与认知加工。主动的认知加工过程包括形成注意、组织新进入的信息和将新进入的信息与其他知识整合。

多媒体学习的认知模型。多媒体学习认知模型也代表信息加工系统,该模型形象的反应了人类进行多媒体学习时的学习原理;以语词和画面呈现的多媒体材料,分别通过听觉通道和视觉通道进入到人的感觉记忆中心,需要指出的是以文本呈现的语词材料,是由眼睛感觉通过视觉通道进入感觉记忆中心的,进入到感觉记忆中心的视觉表象和听觉表象能作短暂停留,之后需要进行选择,视觉和听觉表象的选择是基于容量有限假设,在感觉记忆中心在相应的通道只能选择有限的信息进入到工作记忆中心。多媒体学习的主要过程发生在工作以及中,在积极主动的意识状态下,工作记忆被用于暂时性地贮存知识和操作加工知识,工作记忆是以双通道为基础的,因此在完成相应通道中信息的信息模型建构后,还需要在两种通道之间建立关联,即将有关联的听觉表象和视觉表象进行转换,比如当听到“狗”这个单词时,你可能在脑海中会浮想出一只狗的图像;最后需要提取长时记忆中的先前知识,将经过加工后的信息与先前知识进行整合,存储到长时记忆中去。

2.4知识管理理论

所谓知识管理的定义为，在组织中建构一个量化与质化的知识系统，让组织中的资讯与知识，透过获得、创造、分享、整合、记录、存取、更新、创新等过程，不断的回馈到知识系统内，形成永不间断的累积个人与组织的知识成为组织智慧的循环，应用到教学中就是学生和学生之间，学生和老师之间，老师和老师之间教学相长过程。

知识分为：显性知识---以文字、符号、图形等方式表达的知识。隐形知识---未以文字、符号、图形等方式表达的知识，存在于人的大脑中。

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