思维地图及其在中学物理教学中的应用，本文主要内容关键词为：思维论文,中学物理论文,地图论文,教学中论文，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。
知识可视化是在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域，它应用视觉表征手段促进群体知识的传播和创新。知识可视化的本质在于将人们的个体知识用各种图解工具以图示的形式表达出来，由此增进知识的传递和创新[1]。知识可视化工具应用于教育教学能帮助教师采用学生易于理解和接受的教学方式，激发学生的学习动机、呈现新的观点、增强记忆力、协调知识生产者之间的传播，使受者主动地解释和探究图形的意义，提高知识创新和迁移的兴趣，促进记忆并培养新知识的应用能力。思维地图就是其中的一种，是用来进行建构知识，发散思维，提高学习能力的一种可视化工具[2]。 一、思维地图的类型、结构和教学功能 不同的知识有不同的特点，人们往往通过不同的思维模式来吸收这些知识。思维地图被分为圆圈图（Circle Map）、起泡图（Bubble Map）、双起泡图（Double Bubble Map）、树形图（Tree Map）、括号图（Brace Map）、流程图（Flow Map）、复流程图（Multi-flow Map）和桥形图（Bridge Map）8种类型[3]。这8种类型的思维地图模拟了人脑吸收知识的8种思考模式，具有其不同的结构和用途。8种思维地图的合理有效使用，可将信息加工过程中一些零散的知识点建构成比较系统的知识组块，进而形成知识网络，降低记忆难度，拓展记忆容量[4]。 1.圆圈图 圆圈图的结构相对简单，由两个同心圆和一个包围这个同心圆的正方形外框构成。其中，在一些特定的情况下，外框可以省略。 圆圈图的特点用一个词概括就是“定义”，利用制图者自身对“目标”的认知，通过文字、符号或者图对其做定义。在制作圆圈图时，将需要被定义或理解的“目标”使用文字、数字、图象或者符号表示在中心的小圆中，其中“目标”可以是任何人物、对象或者观点等。将那些能够定义“目标”的信息尽可能多地记录在外圈中。如需知道制图者是在什么情况下获得定义目标内容的，可以在外框内表示出这些背景情况。图1所示，就是圆圈图的基本结构。
圆圈图在教学中的功能大致能分成以下两种： ①被用于对一个词进行头脑风暴。在对“目标”进行联想之后，再观察定义信息之间的联系。圆圈图生成的定义信息对于教学前的知识回顾是非常重要的，它有助于之后与其他思维地图一起组织信息，完善知识网络。 ②提供了对学生前概念的评估。在用其他思维地图教学之前，教师往往能够先用圆圈图对学生进行教学知识的初步考察，方便教师把握课堂中的教学重、难点，对教学过程进行更加合理的安排。同时，学生也可以通过对比两张圆圈图来进行学习之前与之后的自我评价。 2.起泡图 起泡图是由中心的一个大圆、大圆周围分布的多个小圆、大小圆之间的连线以及一个包围这些圆的外框构成的。其中，小圆的个数可由制图者根据特定的情况增加或者减少，且外框可以根据需要省略或者保留。 起泡图的特点用一个词概括就是“描述”，制图者通过文字和数字等对“目标”的属性进行描述，其中的属性包括：教学属性、科学特征等。在制作起泡图时，将需要被描述的“目标”使用文字、数字、图象或者符号等表示在中心的大圆中，其中“目标”可以是任何人物、对象或者观点等。在大圆周围的小圆中，尽可能多地记录能够描述目标特征的形容词。如需知道制图者是在什么情况下获得描述目标特征的，可以在外框内表示出这些背景情况。图2所示，就是起泡图的基本结构。
在教学中，起泡图常被用来提升学生辨别属性和描述事物的能力。起泡图在教学中的功能大致能分成以下两种： ①被用于锻炼学生对知识概念的描述。如果要描述“摩擦力”这个概念，通常会有同学用“力”来表述，但它并不是一个形容词。学生通常熟练于通过名词而并非形容词来描述关键词。在起泡图的制作过程中，不但能够锻炼学生的观察力和分析力，对于知识概念的描述也有较大帮助。 ②可用于区别主客观观点。在学生完成起泡图后可要求他对描述信息进行分析，如果这些描述信息更加科学、详细，学生对于“目标”的理解就可能较为客观，如果描述信息更多是基于美学的感官性词语，那么学生的理解就可能较为主观一些。 3.双起泡图 双起泡图是起泡图的扩展，它是由中心的两个大圆、大圆之间和周围分布的多个小圆、大小圆之间的连线以及一个包围这些圆的外框构成的。其中，小圆的个数可根据制图者所在特定情况增加或者减少，且外框可根据需要省略或者保留。 双起泡图的特点用一个词概括就是“比较”，它是根据人在对照事物间相关属性异同时的思维过程得到的，是用来比较和对照事物间属性的工具。在制作双起泡图时，将需要被比较的两个“目标”使用文字、数字、图象或者符号等分别表示在中心的两个大圆中，其中“目标”可以是任何人物、对象或者观点等。在与两个大圆都连接的小圆中，记录两个目标的共同特征；在两个大圆外侧的小圆中，分别记录只属于相连大圆目标的特征，即外侧的小圆中记录的是两个目标的不同特征。如需知道制图者是在什么情况下获得描述目标特征的，可以在外框内表示出这些背景情况。图3所示，就是双起泡图的基本结构。
在教学中，双起泡图的功能主要就是对两个“目标”之间的联系与区别进行比较，将两个概念、事件、现象等放在同一张图中比较，能让两者的异同点一目了然，利于学生掌握它们各自的特征以及把握两者之间的关系。 4.树形图 树形图因其形状与一棵倒过来的大树相似而得名。自上至下所分的枝杈自一开始随制图者的需要逐渐增加，横线也从最上端的一条，变得逐渐增多。 树形图的特点用一个词概括就是“归类”，它是根据人通过事物特征将其分成不同类别的思维过程得到的，是用来对事物、观点分类的工具。在制作树形图时，将需要被分类的“目标”使用文字、数字、图象或者符号表示在树形图最上端的主线上，其中“目标”可以是任何人物、对象或者观点等。之后，自上而下，分别在下一层记录代表上一层分类的子类，或者能够代表上层分类的具体细节。如需知道制图者是在什么情况下获得该分类信息的，可以在外框内表示出这些背景情况。图4所示，就是树形图的基本结构。
树形图的教学功能主要有以下两种： ①被用于属性的分类。在物理教学中，经常会涉及多种概念的分类问题，通过树型图能够先对物理概念的属性进行分类，再总结分类类目的共同特征，归纳类别名称。通过这种方式，学生不仅能提高学习效率，还便于总结和复习。 ②被用于阅读过程中的信息梳理。在阅读过程中，树型图可被当作读书笔记来使用，学生可以记下内容中的主要思想、分步进展和细节部分，有助于学生更好地梳理内容梗概、细节发展，明确核心内容。 5.括号图 括号图与树型图类似，是由从左至右逐渐变小的括号、括号与括号之间的数条直线和外框构成的，其中括号表示整体中的局部组成，括号图从左至右，随着制图者的需要用于表达“整体—部分”关系的括号和用于填写具体内容的直线会随之增加。而外框也同样可以按照制图者的需要保留或省略。 括号图的特点概括起来就是“整体和部分”，它是根据人们定义整体—部分关系，部分与部分之间关系的思维过程建立的，被用于分析“目标”事物的具体结构。在制作括号图时，将需要被分析的“目标”使用文字、数字、图象或者符号表示在括号图最左端的主线上，其中“目标”可以是任何人物、对象或者观点等。之后，自左至右，制图者按照需要对括号图进行拓展，分别在括号右侧的直线上记录下代表括号左侧“目标”的主要部分或“主要部分”的子部分。如需知道制图者是在什么情况下获得该分类信息的，可以在外框内表示出这些背景情况。图5所示，就是括号图的基本结构。
括号图常用于对某一整体进行结构的细化介绍，通过结构层层的分析、细化，学生能理解一个复杂结构中整体及其各个部分之间的相互关系，进一步明确结构组成，体会结构特点。 6.流程图 流程图由几个从左至右依次排开的矩形、将矩形从左至右依次连接起来的箭头以及按照制图者需要可以选择保留或省略的外框构成，根据需要，有的大矩形下方会出现小的矩形以及将它们从左至右依次连接起来的横线。 流程图的特点用一个词概括就是“序列”，它是根据人们处理某一个事件、系列动作和复杂问题过程中确定每个步骤的安排、序列的思维过程建立的，被用于程序的步骤梳理和任务流程的排序。在制作流程图时，将需要描述的事件、操作的步骤按照顺序利用文字、符号或者图象等方式从左至右依次记录在大矩形中，制图者按照需要安排大矩形的个数，如果还需要具体详细分步介绍的步骤，可在矩形框下方的小矩形中列出步骤中的分步骤。如需知道制图者是在什么情况下获得该事件或操作的步骤顺序的，可以在外框内表示出这些背景情况。图6所示，就是流程图的基本结构。
流程图的教学功能主要有以下两种： ①最普通和高效的功能就是描绘具体事件的流程。比如，用流程图能够方便教学中对物理实验程序、物理解题步骤等进行介绍。 ②用于学生问题处理的评价。在学生解决一个问题之后，要求学生制作一个流程图来展示他解决问题的步骤。这就为教师提供了一个评价学生分析问题的方式，为学生提供了一个自我思路反省的工具。 7.复流程图 复流程图是由中心的大矩形、左右分别与之相连的小矩形及其连线和与小矩形相连的从左向右表示的箭头、外框构成的。 复流程图的特点用一个词概括就是“因果”，它是根据人们识别事件相关原因和影响的思维过程建立的，被用于展示事件发生的成因和造成影响之间的关系。在制作复流程图时，将需要分析的事件利用文字、符号或者图象等方式记录在中间的大矩形中，在中心矩形的左侧小矩形中表示出造成事件发生的原因，在中心矩形的右侧小矩形中表示出事件发生之后造成的结果和影响。制图者可以按照需要安排小矩形的个数。如需知道制图者是在什么情况下获得该事件或操作的步骤顺序的，可以在外框内表示出这些背景情况。图7所示，就是复流程图的基本结构。
复流程图的教学功能主要有如下两种： ①用于已有现象、事件的分析。根据学生对已有现象、事件的认识和判断尽可能多地记录事件发生的原因和造成的结果。通过记录的原因和造成的影响，帮助学生总结、分析现象、事件的本质。特别地，在研究某一系统时，引导学生从中发现事件造成的影响又会反过来作用在事件的成因上，此时复流程图便可用于介绍这种循环的成因和结果之间存在着的反馈关系。 ②对某一现象进行预测的重要工具。在一些训练中要求学生用复流程图制作物理现象—原因表。让学生预测将会发生的物理现象以及原因。这就能够训练学生将他们认为的物理现象起因与其结果联系起来。 8.桥形图 桥形图是由一条具有多个桥状向上箭头标注的直线、直线每个箭头下方表示类比关系的“As”字符、直线左侧一根用于填写具体类比关系的短横线以及外框构成的。外框可以按照制图者的需要保留或者省略。 桥形图的特点用一个词概括就是“类比”，它是根据人们确认关联性词语相似性的思维过程建立的，被用于类比过程的分析。在制作桥形图时，制作者按照左侧横线上所要求的具体类比关系，尽可能多地在右侧直线的桥面上下利用文字、图象或者符号分别填写上符合这种类比关系的一组词语，在各组词语之间用带有“As”字符的箭头隔开。同样，如需要知道制图者是在什么情况下获得这些词语间的类比感受的，可以在外框内表示出这些背景情况。图8所示，就是桥形图的基本结构。
桥形图的教学功能主要有如下两种： ①被用于明确两种物质间的对应关系。在教学过程中，可以通过桥形图对两种相似的物质、体系进行类比教学，例如可将其融入高中物理学科磁场与电场知识的类比教学。 ②用于知识间的迁移。桥形图可以对某种知识间的具体关系进行思维迁移，联系到具有类似关系的知识，以此巩固这种类比关系，也有助于知识点间的联结记忆[5]。 二、K-W-L-H教学模式 物理教学中，教师常常通过实验论证、理论推导、概念类比等来帮助学生理解物理知识。但新的“K-W-L-H”教学模式的提出以及大量类似思维地图的教学工具的产生，为要求提高学生物理思维和“发现问题—分析问题—解决问题”能力的物理教学提出了新的方法。 美国现有的“K-W-L-H”教学模式充分发挥了学生的主体作用，要求学生主动地对自己已有的知识进行评价，提出希望解决的问题，从自身已学习到的知识出发，力求通过实验、查阅资料、知识迁移等方法获取新的知识，在整个过程中，教师只是辅助学生进行学习，采用引导、启发等间接教授的方式，在交流中让学生不仅获得新的知识，同时体会知识的获取方式[6]。 在应用“K-W-L-H”教学模式的学习过程中，学生首先能够确定自己已有知识是什么（Know）；明确自己未知而又想知道的是什么（Want）；在学习之后，又获取了哪些知识（Learn）；总结这些获取的知识是通过什么样的方法得到的（How）。思维地图的多种教学功能正好完全适用于这种教学模式指导下的每一个教学过程。 （1）确定已有知识（Know） 在确定已有知识的阶段，可以使用思维地图中的圆圈图反映前概念、用起泡图描述已有知识、用树形图体现处于学习阶段的系统的已知部分等等。 （2）明确未知知识（Want） 在明确未知知识阶段，可使用思维地图中的圆圈图对未知知识进行定义，以此发现无法通过已知知识定义的内容，即未知知识需要研究的部分；使用双起泡图可通过相似的已学知识与未学知识之间的对比明确学习重点。 （3）回顾新学知识（Learn） 在学习之后，可以使用思维地图对新学知识进行回顾。用圆圈图可对新学知识进行头脑风暴，通过定义的方式回顾知识的具体内容；用流程图可对课堂的“引入—初识—深入—应用”等几个步骤进行全程回顾，巩固知识推导过程；用括号图可将新学知识与旧知识结合起来，对整体知识结构进行全面的梳理，理清新旧知识之间的关系。 （4）总结知识获取方法（How） 在知识获取之后，总结获取方法也是必不可少的。在这个阶段可以通过几种思维地图的联合使用总结方法、比较方法、优化方法。首先，主要使用流程图回顾新知识的学习过程，在分步骤中着重记录该步骤中使用的学习方法；在总结方法之后，利用双起泡图，可以将自己使用的方法与以前学习中使用过的或是其他人使用的方法进行比较，分析优势或缺点；最后，选出自己认为最为适合本学习过程的最优方法，通过复流程图进行提前预测，分析方法使用的可行性，总结分析结果，以便应用于之后类似的学习情况。 由此可见，思维地图强大的教学功能能够达到辅助“K-W-L-H”教学模式的效果，并能够在强调物理思维能力培养的物理教学中发挥作用。在完善学生原有知识结构的基础上，将旧知识与新知识联结起来，完善知识结构，提高学生“学会学习”的能力。 三、“磁感应强度”教学设计案例 以“K-W-L-H”教学模式为依据，以思维地图为工具，我们制作了高中物理“磁感应强度”课堂教学设计案例。 “磁感应强度”教学设计 1.教学内容分析 “磁感应强度”选自人教版高中《物理》（选修3-1）第3章第2节。 教材中，“磁感应强度”内容设置在“磁现象和磁场”内容后，为了定量地描述磁场的分布，类似电场强度E一样，引入磁感应强度。通过文字描述、实验讨论，类比电场强度，定义了磁感应强度，介绍了磁场中磁感应强度的大小、方向。磁感应强度的学习，是高中阶段“磁”相关内容学习的开始，是学习“安培力”、“洛伦兹力”、“电磁感应”等重要概念的基础，因此，“磁感应强度”内容在整个高中物理教学中占有重要地位。 2.学习者分析 “磁感应强度”的教学对象是高中二年级的学生。在本节课之前，学生已经初步了解了磁场的概念，在初中物理学习中已对磁感线有了初步印象。同时，在电场强度的学习中学生已经体验了“引入电场线、试探电荷确定电场方向、大小”的方法，有此基础，学生理解“用磁感线和小磁针来定义磁场方向”不会太难。但按照学生已有知识，无法测量磁针在磁场中的受力大小，所以相应的磁感应强度大小的学习将会对学生造成一定的困难。 高二学生已熟悉科学探究的方法，对于用实验方法探究物理原理的过程并不陌生，并已经具备了一定的实验能力和合作学习的能力。同时，这些学生已经具备了基本的思维地图使用制作能力，经历过思维地图教学。 3.教学重难点 基于以上教学内容分析和学习者分析，教学重难点如下： 教学重点：知道磁感应强度的方向和大小；会使用磁感应强度的定义式计算。 教学难点：明确用实验探究影响通电导线受力因素的推导过程。 1.知识与技能 ①知道磁感应强度的定义； ②明确磁感应强度的方向； ③认识磁感应强度的定义式、单位。 2.过程与方法 ①通过观察图片，知道磁场有强弱之分，从而得到磁感应强度的定义； ②通过观察电场强度的树形图，明确还需要知道的磁感应强度知识； ③通过回顾电场强度方向的流程，制作推导磁感应强度方向的流程图； ④通过理论结合实验，能够推导得到影响通电导线受力的因素； ⑤通过流程图，回顾整堂课的推导过程，巩固课堂知识，总结推导方法。 3.情感态度与价值观 ①通过小组讨论实验设置的过程，增强团队协作的能力； ②通过电场强度与磁感应强度的类比，感受物理知识之间的相互联系，增强物理学习的热情。 两张关于磁铁的图片、空白树形图、空白流程图、空白圆圈图、蹄形磁铁、导体棒、导线、金属夹、电源、铁架台。 本堂课将按照“K-W-L-H”模式，利用“电场强度”与“磁感应强度”之间的类比关系，借助思维地图结合小组讨论和实验进行教学。 1.回顾已有知识（Know） 在课前让学生以小组为单位使用圆圈图描述自己已经习得的全部关于“磁场”的知识。如图9所示，是学生根据对“磁场”已有的了解所做的圆圈图。
2.明确未知知识（Want） 教师向学生展示垃圾分类厂电磁铁分离金属垃圾和小磁铁吸起铁钉的图片。如图10、图11所示。
让学生谈谈两张图片中磁铁的区别，能够发现不同磁铁具有的磁性不同。提出问题：电场有强弱，我们用电场强度来描述，磁场也有强弱，用什么描述？ 教师给出定义：与电场强度相对应，将用以描述磁场强弱的物理量叫做磁感应强度。 要求学生思考：既然“磁感应强度”与“电场强度”对应，那么我们所学电场强度的内容与磁感应强度是否类似？所使用的研究方法是否能够借鉴参考？教师要求学生以小组为单位，通过树形图回顾电场强度的相关知识以及推导方法，如图12所示。
通过以上树形图，学生能主动对电场强度的知识进行梳理，明确本节课将以研究磁感应强度的方向和大小为主要内容，借鉴电场强度知识的推导方法，通过类比，为研究磁感应强度提供思路。 （1）磁感应强度的方向 师生一起回顾电场强度方向的推导过程，并将过程呈现在流程图中，如图13所示。
在电场中引入试探正电荷，规定电场强度方向与正电荷受力方向相同，与负电荷受力方向相反。之后，为了方便判断，引入电场线，用电场线的切线方向表示该点的电场强度方向。 对应磁感应强度方向问题，因学生已有磁感线的概念，所以此推导相对简单。让学生在以上流程图基础上讨论应该如何定义磁感应强度的方向，并绘制流程图，如图14所示。
在磁场中引入小磁针，规定磁感应强度方向与小磁针N极指向相同，与S极受力方向相反。为方便判断，结合之前学习过的磁感线概念，在模拟磁感线实验时，把每根铁屑看作小磁针，则磁场中某点磁感线的切线方向就是该点磁感应强度的方向。 （2）磁感应强度的大小 引导学生回顾电场强度大小的推导方法，首先定义单位电荷受电场力的大小为电场强度的大小E，之后测出某电荷在电场中的受力大小，受力大小与该电荷带电量之比就是电场强度的大小。 将此方法应用于磁感应强度大小的测量中就会发现，因为小磁针的磁极不能单独存在，所以无法对小磁针在磁场中受力大小做测量，也就无法比较磁感应强度的大小，即使用小磁针不能测得磁感应强度的大小，需要转换思路。 引导学生思考，磁场除对放入其中的小磁针有力的作用外，还对与磁感线不平行的通电导线有力的作用，如果能测出“单位电流”在磁场中的受力大小，就可得到磁感应强度的大小。向学生介绍：在物理学中，将很短一段通电导线中的电流I与导线长度L的乘积叫做电流元，即所指的“单位电流”。 按照已有知识无法定量测量通电导线的受力大小，所以在课堂中就只能通过实验初步定性研究影响通电导线受力的因素。教师给出基本实验装置，让学生以小组为单位，根据讨论得到的影响因素，在此实验装置基础上对装置的设计改造进行讨论，画出复流程图，如图15所示。
根据以上复流程图，利用教师提供的实验器材，完成实验仪器的组装，如图16所示。
学生进行实验，在自己设计的复流程图上记录对应实验所观察到的结果，如图17所示。
由此实验得到结论：“通电导线受力大小与磁场强弱、电流强度和导线长度有关。”其中，通过“与磁场强度有关”的结论可以明确磁感应强度大小可以用通电导线在磁场中的受力大小表示。 教师向学生介绍经过科学家大量的理论推导和实验证明，最终得到：通电导线与磁场方向垂直时，它的受力大小既与导线中电流I成正比，又与导线长度L成正比，即 F=BIL 其中，B是除电流大小和导线长度外影响受力大小的另一个影响因素——磁感应强度。最终得到磁感应强度大小的定义式：
磁感应强度B的单位是特斯拉，符号为T。 3.巩固新知（Learn） 在磁感应强度的大小和方向都完成学习之后，引导学生参考用于回顾电场强度知识的树形图，制作一张集中磁感应强度知识和推导方法的树形图，如图18所示。 根据所做树形图，学生能够及时巩固“磁感应强度”的知识以及对应的推导方法。 4.总结方法（How） 让学生使用流程图，回顾整堂课的教学过程，要求主要体现“电场强度”与“磁感应强度”之间的推导方法的异同，巩固“类比”这种过程。流程图如图19所示。向学生强调本堂课使用的方法：判断两个物理概念的相关程度，总结已学概念的教学过程，将推导过程类比到未学知识的教学中。判断类比过程是否可行，选择应用或在原有推导基础上进行改变，这里要注意，磁感应强度的得出不可以简单地与电场强度的得到相类比。类比方法值得学习借鉴，并应用于今后的学习中。
形成性评价 1.关于磁感应强度，下列说法中正确的是（ ） （A）由
可知，B与F成正比，与IL成反比 （B）磁场中某一点的磁感应强度是由磁场本身决定的，其大小和方向是唯一确定的，与通电导线无关 （C）通电导线受安培力不为零的地方一定存在磁场，通电导线不受安培力的地方一定不存在磁场 （D）通电导线放在磁场中的某点，该点就有磁感应强度，如果将通电导线拿走，该点的磁感应强度就为零 2.关于磁感应强度，下列说法中正确的是（ ） （A）根据定义，磁场中某点的磁感应强度的方向与导线放置的方向有关 （B）B是矢量，方向与F的方向一致 （C）B是矢量，方向与小磁针在该点静止时S极所指的方向相反 （D）在确定的磁场中，某点的磁感应强度方向与该点是否放小磁针无关 3.有一段直导线长1cm，通过5A电流，把它垂直磁感线方向放置于磁场中的某点时，受到的磁场力为0.1N，则该点的磁感应强度大小为多少？ 4.将电场强度与磁感应强度放入一张双起泡图中，比较电场强度与磁感应强度知识内容的异同点。
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