视觉思维视角下的物理学习错误分析及教学模型建设
视觉思维视角下的物理学习错误分析及教学模型建设 “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（R.H.McKim）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
