重视科学图示教学-提高学生心智技能.doc

重视科学图示教学，提高学生心智技能
摘要: 在研究有效课堂教学过程中，如何提高学生心智技能是其中一个比较重要的方面，而图示本身具有形象、直观、简洁等特点，因此本文从心智技能中的状态、过程分析技能、运用图象技能、建立模型技能、科学实验探究技能入手分析，通过图示情景教学，从而有效提高学生的心智技能。
关键词: 图示教学 心智技能  
一、问题的提出
（一）现状分析
科学知识的特点是由简到难，逐步深入，许多同学感到科学比较难，习题不好做，认为“数学只要多练，英语、语文只要多背，效果肯定不会差，而科学，背概念大不必不象语文、英语那样多，计算量，也不象数学那样大，可不知怎回事，读得懂题目，却无从下手”。是的，除了七下的光学，还有八上的浮力、压强、密度等等，学生尽管能记住一些概念法则，但运用不能自如……。笔者经过一番学生调查和自己的反思，认为一方面是学科本身比较抽象、难懂；另一方面是学生自身的思维能力受到限制：不能全面地分析问题，满足于对事物的一知半解，只凭对事物的局部了解就草草得出结论，或以数学形式代替科学思维造成思维障碍等，而要改变这种局面，主要在于教师平时重视对学生“心智技能”的培养。
人们的学习不仅是领会知识，还必需掌握一定的心智技能。如学习科学不能只领会一些概念、定理，而且要使其转化为运算、解决实际问题的技能。领会与某种心智技能有关的知识，是该心智技能形成的条件，如掌握运算知识是形成运算技能的条件；而心智技能的形成又是人们顺利地进行学习、掌握知识的一个不可缺少的条件。例如,要领会书本知识,就需要有阅读的技能。可见心智技能既是学习的目的，又是完成学习任务的手段。
（二）图示教学本身具有的特点
图象在科学中有着广泛的应用，如在实验中，运用图象来处理实验数据，探究内在的科学规律，具有独特之处。如：在探究固体熔化时温度的变化规律和水的沸腾情况的实验中，就是运用图象法来处理数据的。它形象直观地表示了物质温度的变化情况，学生在亲历实验自主得出数据的基础上，通过描点、连线绘出图象就能准确地把握住晶体和非晶体的熔化特点、液体的沸腾特点了。
知识的条理化，分析解决问题的思路等问题，用通常意义上的语言或文字表达都是有局限性和低效率性，比如物质科学中的运动和力的分析，电学知识的电路设计，地质科学中的地形图、气象图，生命科学中的人体系统图、各种植物或动物的结构图等都是主要依靠“图形语言”来表述的，学习科学离不开图形。
二、相关理论概念
心智技能是指经过练习巩固起来的、接近自动化的智力活动方式。它是借助于内部语言在头脑中进行认识活动的技能。心智技能的形成一般要经历原型定向 、原型操作、原型内化三个阶段。
1.原型定向
原型通常指那些被模拟的某种自然现象或过程。原型定向是心智技能形成所不可缺少的一个阶段。它的定向，必须借助于一定的物质形式使这种活动“外化”为原型（即实践模式）才能进行。
2.原型操作
所谓原型操作，即依据心智技能的实践模式，把主体在头脑中应建立起来的活动程序计划，以外显的操作方式付诸执行。
3.原型内化
所谓原型内化，即心智活动的实践模式向头脑内部转化，由物质的、外显的、展开的形式变成观念的、内潜的、简缩的形式的过程。
三、运用图示教学提高学生的心智技能的过程
心智技能可分为一般的心智技能和专门的心智技能。前者如观察技能、分析问题和解决问题的技能等；后者如阅读、如运算、作文等等都属于心智技能能等。而状态、过程分析技能、运用图象技能、建立模型技能、科学实验探究技能等都是心智技能，下面将详细阐述如何在科学教学过程中运用图示教学提高学生的心智技能。
（一） 找准、找全变量——状态、过程分析技能
在初中科学中，探究影响导体电阻大小的因素、电流跟电压电阻的关系、影响电热功率大小的因素、影响电磁铁磁性强弱的因素、影响滑动摩擦力大小的因素、决定压力作用效果的因素等等实验，都牵涉到了多个变量，我们都要运用控制变量的方法进行研究；相同的道理，当我们在分析研究问题的时候，遇到已经存在的两个或多个变量，那我们就要注意不能遗漏，不能当“睁眼瞎”。由于多个变量的同时存在，问题是很难直接解决的，这就迫使我们必须换一个角度来分析和解决它。
例一 如图一（甲）所表示的电路中，电源电压保持不变。闭合开关S后，当滑动变阻器的滑片P向左移动的时候，下列判断正确的是（）
A电流表示数变大，电压表示数变小
B电流表示数变大，电压表示数变大
C电流表示数变小，电压表示数变大
D电流表示数变小，电压表示数变小

1.例题解析
正确答案是C；但很多学生是这样思考的：
第一步 当滑动变阻器的滑片P向左移动的时候，滑动变阻器接入电路有效电阻R滑动变大，电路总电阻R总变大，而电源总电压U总不变，根据欧姆定律I=U/R，所以电路中电流变小，所以电流表的读数变小，学生很快就可以判断出来，A、B选项是错误的。
第二步 滑动变阻器的电压到底怎么变呢？选择D的学生认为因为是串联电路，电流处处相等，电流变小了，根据U=IR，所以滑动变阻器的电压U滑动也变小；选择C的学生只看到滑动变阻器的电阻变大了，根据U=IR，得出滑动变阻器电压应该变大——侥幸选对了答案，但分析还是错误的。
以上学生分析问题时，只看到一个变量，其实滑动变阻器的电压U滑动与I和R都有关系，在本题中，I是变小了，但R是变大的，所以它们的乘积到底怎样？我们无法从中作出判断，这时候，我们要引导学生将目光放远一点，能不能看看那盏灯的电压是怎么变化的，U电灯=IR电灯，因为I变小，R电灯不变，所以U电灯变小，正是因为U电灯变小了，而电源总电压U总不变，根据U滑动=U总—U电灯，所以U滑动变大了。
2.教学启发
（1）注重语言表达
心智技能作为一种心智活动方式，要借助于内部言语默默进行，而内部言语必须以外部言语为基础。在原型操作阶段，外部言语作为心智动作的标志及执行工具，在“内化”过程中具有十分重要的作用。因而，在边做边说的场合下，活动易于向言语执行水平转化。如在例一的解析过程中，要求学生根据图示用言语描述它的实际变量：串联电路中，电流相等，P左移→R滑动↑→R总↑→I↓→而U滑动=IR滑动→所以U滑动=I↓R滑动↑，U滑动怎么变？“不知道！！！”碰壁了，那怎么办？穷则思变，应该看看它的“兄弟（U电灯）”的电压……教师在教学中要为学生创设宽松的学习环境，提供深厚的合作交流氛围，并给予适时必要的指导，要激励学生积极地交流，大胆地表达。
（2）夯实基础知识
在科学课的学习过程中，基本概念和基本规律的学习是重要的，也是困难的。因为每一个科学概念的建立，每一条科学规律的认知，都需要由知道上升为理解，才能达到应用科学概念和科学规律解答问题的目的，象欧姆定律需要记忆，如果出现连U=IR都没有理解和记住的话，那是无法解题的，因此需要学生有以下“两能”，能表述：能熟记并正确地叙述概念、规律的内容。能表达：明确概念、规律的表达公式及公式中每个符号的科学意义。同时要使自己由“机械记忆”转为“意义记忆”，最终上升为“逻辑记忆”。
（3）培养能力
为了培养学生的分析推理能力，教师利用图示分析例题时特别要注意的是这道例题是反映了怎样的一个物理过程,所以在物理过程的分析中,要一步紧接着一步,一环紧扣着一环,每一步或每一环是以什么样的科学规律为依据,而且分析的结果必然是已知物理量和末知物理量的关系通过某些规律将它们联系起来,建立一系列的关系式后,联立求解，这种方法对于顺藤摸瓜的习题是十分有效的。
（4）条理清晰、规范答题
例一中，牵涉到三个电压、三个电阻，三个电流（电流相同），在使用欧姆定律的时候，不能张冠李戴。如何避免张冠李戴，利用图示，如图一（乙）中所示（虚线），这样学生就会感觉到简洁明了，容易记忆和理解了。另外学生在应用科学知识分析解决简单问题的时候，还要注意解题格式规范：如不能省略公式或错写公式；公式中的物理量不能混乱、要写代入过程等等，对不符合规范的学生要求重做，直到养成良好的解题习惯为止。
（5）培养学生实事求是的态度
例一中，根据U=IR，有些人认为I减小了，所以U就小，或者认为R增大了，U就大了，而没有考虑到还有一个量；有的学生考虑到了两个变量，但I减小而R增大，它们的乘积到底怎样，不知道，但他并没有认真思考，也没有请教他人，而是随便蒙混过关，这样的态度是学习的大敌。教师要教育学生多思考、勤于问，或者利用上面的图示，到实验室去，在滑动变阻器两端再接一个电压表，通过实验来验证，这样也可以提高学生学习科学的积极性。
（二） 选准临界点——运用图象技能
“临界条件”则是一个物理量在逐渐变化的过程中，由量变到质变的转折点。 从题目或者图示中领悟、寻找、并且正确表示出这个临界点，往往用新的图示更加有效和直观。常规方法可以在解题中运用，但在很多情况下，用特殊的方法来解决问题会更加快捷。在利用图示寻找临界点的过程，其实也是心智技能形成的过程，心智技能形成过程中的所谓原型内化，即心智活动的实践模式向头脑内部转化，由物质的、外显的、展开的形式变成观念的、内潜的、简缩的形式的过程。
例二 如图二（1）所示，将一铁块用弹簧测力计悬挂起来，并逐渐沉入水中，下列能正确表示铁块所受浮力与浸入深度的的关系是（）

1.例题解析
正确答案是D，很多学生感到无从下手，因为一个图就够看懂的了，这两组图结合起来，不是更加麻烦吗？有了恐惧的心理，加上数学中的坐标知识没有掌握好，心里就更加没有底，凭感觉：浸入水中越深，浮力越大，所以选择了C。其实对于这样的题目，我们可以鼓励同学先将前半个问题分析透彻，然后再来看选项，而分析前面问题的关键是选准临界点。我们可以根据题目意思，将整个放入水中的过程用一组图（图二3）示来表示，相当于用录象机将这个过程完整记录下来，然后正确选择临界状态的图示：甲还没有浸入水中，F浮=0，乙逐渐浸入水中，排开水的体积逐渐增大，F浮=逐渐增大，丙全部浸入水中，F浮=最大，丁继续深入，但排开水的体积不变，所以F浮=最大（不变），这个过程中，我们主要抓住丙这个临界点，然后在图二（2）中去寻找，浮力从0开始，逐渐增大，最后不变，因此很容易选择。

2.如何寻找临界点
如何寻找临界点？在解题的时候，一定要全面分析、透彻理解，从整体上把握试题的结构、特点，抓住关键性词语，充分挖掘题中信息（包括隐含条件和临界条件），找出已知条件和所求的问题；在此基础上，确定研究对象，进行分析，画出过程示意图、运动情景图、轨迹图或电路图等，从而找出临界点。也可以象图三（2）一样用具体的、有形的、人们所熟知的事物来类比要说明的那些抽象的、无形的、陌生的事物，把要表达的科学问题说清楚说明白，从而清楚地表示出该题逐渐加入溶质的过程，顺利找到临界点。
例三 在一定的温度下，向不饱和的硫酸钠溶液中逐渐加入硫酸钠晶体，如图三（1）能表示加入的晶体质量和溶液中的质量分数变化的关系的是（）

分析 正确答案是B，其中A、C、D这三个选项都有迷惑性，相互之间又有微妙的不同，比如B、C形状相同，就是起点不同，A与C不同之处在于最后浓度的变化，A与D形式一样，也是起点不一样，这些微妙的变化，反映出的原理却完全不一样，学生在解答这样的题目的时候，应该将每一个图示进行分析，能讲出每一个选项、每一幅图的意义。当然，在开始训练的时候，我们可以用图三（2）图示将题目意思表达出来，

甲是原来的溶液，溶质质量分数不为0，乙的质量分数大于甲，丙中加入的没有溶解，所以溶液中的溶质与乙一样，质量分数相等。所以该题的临界点是乙，如果抓住这个过程中的临界点，问题就好解决了。
（三） 复杂问题简单化——建立模型技能
在研究某一个科学现象和规律中，不可以或很难直接揭示事物的本质，而采取与之相似的更为简单明了的现象来替代的方法，即把研究对象的一些次要因素舍去，抓住主要因素，对实际问题进行理想化处理后再现原形的本质的东西，构成科学模型，这是一种重要的科学研究方法。这种方法若运用恰当，不仅能顺利得出结论，而且容易被学生接受和理解，而且对培养学生的思维方式、能力训练，都具有重要的意义。如早期托勒密的“地心说”，后来哥白尼的“日心说”，都是对天体运动进行的“建模”；伽利略提出的“理想斜面”上的运动，是对运动过程“建模”；而卢瑟福提出的核式结构模型则是对原子结构的“建模”。这些伟大的思想推动了科学的进步，在科学发展史上留下了光辉的篇章。
例四，下列四幅测定水流大小的设计图中，P是悬挂在一细长金属丝下面的小球，O是悬挂点，OP绕O点转动，CD是水平放置的光滑电阻丝，CD与细金属OP始终保持良好的接触。设计要求，水不流动时细金属丝与电阻丝上的C点接触，电压表的示数为零，有水流动时细金属丝将会偏转一个角度，水的流速越大，偏转的角度越大，电压表的示数也会越大。下列符合其设计要求的是（）

1.例题解析
正确答案是D。很多学生眼睛看花了，还是没有看明白，首先题目的意思需要理解，不能因为阅读量大了就没有耐心和信心；其次四个选项是四个比较复杂的类似电路图，但又不是完全意义上的电路图，还牵涉到电压表的连接；学生必须两者都清楚了才能顺利解题。当时班级没有几个学生能得到正确的答案。主要原因是看不懂这个图，其实这个图已经将题目意义比较好地表达出来了，但还要将其转变为更加正规的电路图。笔者让学生将电流流经的路径用笔描出来，首先描A，发现学生是这样处理的（如图四（2）中虚线），错误之处有二，其一，电压表串联在电路中电路相当于开路；其二，OC这条原来的虚线，表示这里没有导线，电流是不能流经的。特别是第二点，更为关键。当学生知道这点，就能正确地画出电路图（如图四（3）），正确选出答案了。

2.教学启发
（1） 对于一些情境新颖、贴进生活，与现代高新技术联系密切的问题，往往文字叙述较长，包含信息较多，更应认真阅读，细心体会。
（2） 正确对待解题过程中出现的错误：学知识不可能不走弯路，在解题过程中出现错误是常有的事，当代著名的哲学家波普尔认为：“我们能够从我们不断的错误中学习”“我们的一切知识都只能通过纠正我们的错误而增长”。所以我们应该抓住错误不放，将它作为我们进步提高的起点，许多错误是由于我们没有理解概念、规律造成的，找到错误的根源，可以使我们对概念、规律的理解提高一步，这是根本上的提高，极为有用。
（3） 在透彻理解现象与现象之间、过程与过程之间、物理量与物理量之间的相互联系的基础上，建立科学模型，确定解题思路和方法，用规范的解题步骤表达出来。建立理想化的模型能使所学的内容化繁为简，重点突出，脉络分明，便于学生进行分析、比较、综合、概括，可以不断地把分散的概念系统化，不断地把新概念纳入旧概念的系统中，逐步在头脑中建立一个清晰的概念系统，使学生在学习的过程中少走弯路。
（四）实验类比——科学实验探究技能
科学是一门以实验为基础的科学，在教学过程中,绝大部分的科学规律都是通过演示实验的结果总结出来的。让学生注意观察实验现象,分析实验结果,从实验结果中归纳出规律性的结论,这是规律教学的第一步;第二步则是科学规律成立的条件即适用范围，这是极其重要的，否则仅仅记住规律,而不知道其适用范围,可能一用就错。
类比法是一种推理方法。为了把要表达的科学问题说清楚说明白，往往用具体的、简单的、人们所熟知的事物来类比要说明的那些抽象的、无形的、陌生的事物，通过借助于一个比较熟悉的对象的某些特征，去理解和掌握另一个有相似性的对象的某些特征，这样形象直观很容易被学生理解。
例五 把装满水的瓶子口朝下垂直浸入水中放置。将瓶子慢慢向上提起，当瓶子有一部分已经从水中提起，但瓶口还没有离开水面时，下列说法正确的是（）
A瓶中的水不流出，瓶子仍然充满水
B瓶中的水将全部流出，瓶子变成空的
C瓶子露出水面的部分是空的，留在水面以下的部分有水
D无法确定瓶内是否有水

1.例题解析
该题正确答案是A，它是建立在大气压的测定——托里拆利实验的基础上的，该实验还要考虑到二力平衡、液体压强等相关原理，间接测量出大气压的数值，按照常规，学生在了解托里拆利实验或者大气压的数值以及熟练掌握二力平衡相关知识的基础上，再来解答该题。现在面对着图示，我们不妨放开来，让学生进行实验类比（托里拆利实验），实验探究。甲是水，乙是水银，甲是啤酒瓶，乙是1米管，请猜测酒瓶中的水会下降吗？学生做出猜测之后，可以进行实验，这个实验取材非常简单，操作起来也非常容易，效果也非常明显，关键是进行分析。甲乙液柱没有下降的共同原因是大气压支撑住了，不同点是甲乙液柱产生的压强不相同，根据液体压强特点和公式，利用二力平衡原理，进行计算，发现甲液柱产生的压强非常小。教师进一步引导，将啤酒瓶延长，最后可以达到多少？这样的实验、探究和分析，不但巩固了大气压的测定，复习了力学中的相关知识，更是对学生“内化”的过程，让学生真正理解、掌握了相关知识，提升了能力。
2 .教学启发
要重视实验、做好实验，科学是一门实验学科，科学实验探究技能的培养需要在老师指导下认真分析各种现象产生的条件和原因，自己动手独立完成实验，这样有助于形成正确的概念，加深对所学概念和规律的理解，也有助于培养学生科学的实验态度和创新精神。在科学实验探究过程中，指导学生能对每个实验要明确的实验目的、原理,熟悉实验器材,明确实验要测量的物理量和较准确地测量这些物理量所采取的合理实验步骤；能知道实验误差的来源,熟练地操作实验器材和正确地处理实验数据；鼓励学生要有意识、有目标的培养自己的观察能力和实验操作能力，以及实事求是的科学态度。此外教师应引导学生关注科学、技术、社会及其关系，关注学生在科学探究中的经历、体验和感悟，鼓励学生从日常生活、自然现象或实验现象中发现与科学有关的问题，提出问题并学会猜想与假设，学会设计实验方案，正确运用科学实验的方法。
四、实施科学图示教学的几点思考
图示有一定的格式，容易造成学生思维定势，图示文字十分简洁，学生在掌握图示的基础上，还必须认真阅读理解课文，教师无论是在授课、讲题还是分析习题，都要用规范的语言教学，都要引导学生自己概括等，让学生根据图示能不断地梳理我们的知识结构，这样学生才能对各阶段所学的知识内容，有更清晰更全面的认识，才能防止知识点的遗漏。
图示主要表现在内容上的逻辑联系，这就要求教师将图示教学与其它教学方法有机地结合 ，吸取传统教法中的精华，使学生在丰富的科学学习中受到启发，上升到理性认识，得到美的享受。
图示教学缩短了学生认识教材的过程，在激发学生学习科学的兴趣，增强学习信心，提高学习效率方面起到了作用。如何更好地能促进学生各种能力，尤其是科学思维能力和创造性思维的发展，这也对教师素质的发展提出了更高的要求。
重视科学图示教学，只是培养学生心智技能的一个方面，学生心智技能的培养还包括其他很多方面。在教学的不同阶段图示教学的特点也不同，比如新课阶段，复习课阶段，这就要求教师只有在教学过程中不断地总结和反思，采取各种措施熟练掌握解决科学问题的常用思路方法和技巧，探索出最佳教学方案，从而优化教学过程，提高学生心智技能，提高学生学习效率，让学生发生“从做题型到逻辑思维、分析推理型” 的转变， 变“被动地等待答案，到主动地探求去寻找答案”的变化。

【参考资料】
1、物理教学探讨第一期，2010
2、庞维国著 《自主学习：学与教的原理和策略》华东师范大学出版社 2003.4
3、张万兴主编 《促进学生的主体性发展》中央大学出版社 2004.5
4、李瑾榆主编 《新课程与教师专业发展》首都师范大学出版社 2003.1
5、张华主编 《课程与教学论》 上海教育出版社
6、吴也显《教学论新编》