视觉思维视角下的物理学习错误分析及教学模型

　　“视觉思维”的概念由美国心理学家鲁道夫·阿恩海姆（Rudolf Arnheim）在20世纪60年代末提出. 视觉思维是人类思维的一种基本形式，是与理性思维具有同等作用和价值的认识方式，其运作单元是视觉意象.物理学习始于日常积累的视觉意象，学生对这些意象筛选、优化、组合就能产生问题解决的方法.然而，视觉自身规律及负效应、视觉意象储备状况、视觉活动能力等因素均影响学生形成正确的物理概念，给问题解决带来障碍.本文尝试以视觉思维的视角探讨学生物理学习错误的形成原因，并提出应对策略，以减少物理学习错误，提高学生视觉思维能力.
　　一、视觉思维的内涵
　　视觉思维是指视觉感官对外部刺激反应形成“视觉意象”，并以“视觉意象”为中介展开的一种创造性思维.美国心理学家麦金（）从思维训练的角度定义了视觉思维的概念，他指出，视觉思维借助三种视觉意象进行：其一是“人们看到的”意象，其二是“心灵之窗所想象的”意象，其三是“我们的构绘”所得的意象.[1]视觉思维就是观看、想象、构绘三种视觉活动相互作用的过程，如图1，在观看和构绘重合区域，观看促进构绘，构绘反过来鼓励观看；在构绘和想象重合区域，构绘激励和表达想象，想象为构绘提供动力和内容；在想象和观看重合区域，想象指导和过滤看到的东西，反过来观看又为想象提供素材.三个圆圈重叠处标志着视觉思维进行得极为充分.[2]
　　二、视觉思维视角下的物理学习错误分析
　　（一）因视觉观看规律及视觉负效应引起的物理学习错误
　　1.视觉方向性：对一种粗心现象的解释
　　生理学家研究发现，视觉具有方向性，人眼观看事物时习惯从左边开始，但会自动移到右方，且位于右侧物体的视像比左侧物体的视像更清晰、稳定些.这是因为：“人眼透镜”成倒立的像，视野右侧的物体成像在视网膜左侧，视觉讯号传到脑的左半部，而通常情况下大脑左半球比右半球血液供应更充分.学生分析物理图像时，经常出现不注意纵坐标含义而导致的错误，如图2，s-t和v-t图像总是混淆，教师往往将此归为粗心.如果从视觉方向性的角度分析，学生的粗心有一定的合理性.因为图像与横坐标的视角重心位于整个图片右侧，学生观看时，不自觉地将注意力放在右侧，图片左侧的纵坐标自然处于视觉漠视区.
　　2.视觉误差：一类错误前概念形成的原因
　　视觉误差是指人和动物通过视觉感知外界物体的大小、明暗、颜色、动静所获得的信息与被感知物体真实特性的差别，也就是错觉.比如，当人们在静止的列车里看旁边运动的火车时，总觉得自己所在的列车在运动.这是因为平常乘车时，车的运动产生外物移动的知觉，在脑海中留下深深的印记，因而当在静止的列车里看到旁边火车的移动与这种知觉一致时，就会不假思索地认为是自己坐的列车启动了.学生的一些错误前概念就是因为视觉误差引起的，比如关于平面镜成像特点的前概念是：当人远离时，像变小，反之，像变大.这是学生对物体大小产生的错觉，对视觉负效应的了解使学生在观察上能摆脱它而不致将错觉认为是正确的，要防止因错觉造成认识上的错误.
　　3.视知觉定式：相似情境题易错的解释
　　对同一类题的不断训练，使学习者对知觉对象的各种特征确立一种稳定的、按重点程度确定的优先序列，从而导致某些特征弱化为与当前训练目的无关的性质，当遇到相似而有变化的物理情境时，这些特征就不会被注意或认识出来，于是产生了视知觉定式.
　　例如，如图3，问题：当滑片移动时，电流表示数如何变化？这类基础题在作业中反复出现，不断强化视知觉，学生自然就产生了固定认识：电路有滑动变阻器、电流表这两个重点元素，当滑动变阻器电阻变大（小）时，电流变小（大），电路连接情况成为与电流表示数变化无关的特征.当电路变为如图4时，视知觉定式发生作用，视觉只关注滑动变阻器及电流表示数变化情况，“并联”并没被认识出来，得出与图3相同的错误结论，这也是视觉负效应的体现.
　　（二）因视觉想象受阻引起的物理学习错误
　　1.视觉意象库储备不足，视觉想象缺乏基础
　　任何思维活动都离不开视觉意象，只有物理意象库储备充足、丰富了，学生的想象才有坚实的基础，问题解决过程中出错的概率就会降低.物理意象的侧重点和丰富程度受地域特点、经济条件、教学方式等因素影响. 比如，北方的雾凇对南方学生而言，如果没去过，遇到雾凇的相关习题，必然会有障碍，因为缺乏视觉观看的体验，想象不出雾凇的样子，而北方的学生就不缺乏雾凇的视觉意象；经济条件较好的学生一般见多识广，头脑中积累的视觉意象更丰富些；对生活中常见的物理情景，学生较易积累相应的视觉意象，而对于微观世界或抽象的物理过程，学生的物理意象就比较匮乏，但这些可以通过物理模型、多媒体等手段来辅助弥补.
　　2.视觉素材自身问题，制约学生视觉想象
　　初中生以形象思维为主，所以物理教材和习题中配有许多插图，为学生开拓了广阔的想象空间.学生在阅读插图的过程中，必须启动视觉想象在自己头脑中加工、组合成一些图形或形象，才能更好地理解插图所表达的视觉信息.[3]但如果插图没有突出关键信息或高于学生认知水平，势必造成学生想象受阻，难以还原出物理情景的真相，产生错误认识.
　　比如，苏科版教材九年级下册在活动“观察磁场对通电线圈的作用”中，呈现如图5的图片，学生看到线圈放在支架上，至于线圈怎么绕、导线两个头怎么引出，全凭学生想象.笔者曾让学生画出图5中的线圈结构及开关闭合瞬间电流的方向，几乎所有学生答案一致，如图6，显然学生不清楚线圈中导线的具体走向.教材呈现的视觉素材模糊，没有突出“线圈的制作过程”这一关键信息：将一根长铜丝沿同一方向反复缠绕，就制成了线圈，如图7.开关闭合瞬间，线圈中的电流为顺时针方向.线圈上边导线电流方向相同，且与下边导线电流方向相反.
　　3.物理过程动态变化，视觉想象力不从心
有些物理过程是动态的，学生面对图像和文字叙述，需要想象变化的过程和相应物理量的变化情况.由于有的教师不重视实验、教学方法单一，学生积累的动态意象有限，影响视觉想象力的发展.当遇到动态物理过程 时，想象力就跟不上文字表述，不是把握不准变化的临界点，就是理不清对应的变化关系. 比如，杠杆动态平衡、平面镜转动引起光线转动等问题，学生错误率就较高.
　　（三）因缺乏视觉构绘意识和能力引起的物理学习错误
　　视觉构绘是一种视觉形式的表达，借助纸、笔，利用图形、符号色彩等视觉语言将表象表达出来的心理操作和实践操作过程.构绘能力是儿童较早发展的一种智能，但由于我们的教学偏重逻辑思维的培养，错失了借助绘画发展视觉思维的关键期.学生视觉构绘意识淡薄，构绘能力不足，主要体现在以下几个方面.
　　1.物理情境生成示意图的能力
　　缺乏这种能力必然导致学生对物理问题的思考没有着力点，思维凌乱，找不到突破口.例如，峭壁前方的山路上有一辆汽车向远离峭壁的方向匀速行驶，速度为10m/s，汽车鸣笛后经过3s听到回声，求鸣笛时车和峭壁间的距离（此时声速为340m/s）.学生思路出现障碍的根本原因是不能将本题的物理情境转化成示意图，从而影响对运动过程的分析和突破口的寻找.学生在构绘物理示意图的同时，应调动视觉观看和视觉想象，这有助于思维的展开和灵感的迸发.
　　2.定格运动瞬间的能力
　　对动态变化的物理过程而言，关键的物理关系往往建立在变化的瞬间，这就势必要将这些运动瞬间构绘出来，使其“暂停”在眼前，这样物体运动的全过程就通过几幅静态图像展现出来，这无形中分解了难度，降低了出错的可能.缺乏这种能力将影响学生对复杂物理问题的分析和理解.
　　三、教学对策
　　教学中有必要让学生了解一些视觉规律、视觉负效应等常识，以便在学习中引起注意，并加以克服.此外，还可以从以下几方面入手.
　　（一）多角度观看视觉素材，变“陌生”为“熟悉”
　　面对视觉素材，学生首先会对素材关键点进行识别，并自觉与大脑中储存的各种视觉意象对比，当能找到同类型意象时，学生就能顺利解决问题，而当两者有区别时，思维就容易受阻，产生错误.有时，观看的材料与视觉意象表面上不一致，但经转换后，两者却可以和谐统一起来.比如，如图8，要求画出螺线管的绕法，学生反复训练积累了固定的视觉意象，当出现图9时，学生感觉别扭，不适应，此时将图逆时针转90°后，就与学生储备的视觉意象完全对应起来.又如，如图10，平躺滑轮组问题，顺时针旋转90°就转化成学生熟悉的滑轮组，有助于学生理解和知识迁移.
　　（二）注意强化视觉体验，丰富意象储备
　　阿恩海姆说，“心灵没有意象，就永远不能思考”，“每当人们思考问题时，都有某种具体形象作为出发点或基础”.意象的积累对提高学生思考力具有重要作用.在物理教学中，尽可能多地让学生“观看”各种具体物理事件发生发展的真实过程，丰富学生意象贮备；对同一物理问题，可按不同思路提供多样视觉信息，如当教师的演示实验与教材设计不相同时，实验结束后，应接合教材图片，说明教材的实验思路，因为课后习题一般与教材设计配套，避免学生接触教材实验图时，产生陌生感，甚至出现看不懂的情况.最后注意，呈现的视觉材料应符合学生认知水平，要求形象、直观，突出关键信息.
　　（三）培养视觉构绘意识和能力，促进对物理情境的理解
　　视觉构绘不是一种机械的再现过程，而是与观看、想象相互作用不断产生反馈的心理操作过程，学生构绘图形过程中产生的直觉、形象有助于加深对物理过程和情境的理解，从而获得灵感.在平时教学中，应鼓励学生多画草图和示意图，教师在分析物理问题时，注意身体力行，给学生形成潜移默化的影响.
　　参考文献：
　　[1] 麦金.怎样提高发明创造力——视觉思维训练[M].王玉秋，吴明泰，于静涛，等译.大连：大连理工大学出版社，1991.
　　[2] 季一鸣.高中物理教学中强化学生视觉思维的探究[D].南京：南京师范大学，2004.
　　[3] 刘冬岩.插图教学与视觉思维的发展[J].教育研究与评论，2010（12）：16-20

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