視覺思維視角下的物理學習錯誤分析及教學對策

白孝忠

“視覺思維”的概念由美國心理學家魯道夫·阿恩海姆（Rudolf Arnheim）在20世紀60年代末提出. 視覺思維是人類思維的一種基本形式，是與理性思維具有同等作用和價值的認識方式，其運作單元是視覺意象.物理學習始于日常積累的視覺意象，學生對這些意象篩選、優化、組合就能產生問題解決的方法.然而，視覺自身規律及負效應、視覺意象儲備狀況、視覺活動能力等因素均影響學生形成正確的物理概念，給問題解決帶來障礙.本文嘗試以視覺思維的視角探討學生物理學習錯誤的形成原因，并提出應對策略，以減少物理學習錯誤，提高學生視覺思維能力.

一、視覺思維的內涵

視覺思維是指視覺感官對外部刺激反應形成“視覺意象”，并以“視覺意象”為中介展開的一種創造性思維.美國心理學家麥金（R.H.McKim）從思維訓練的角度定義了視覺思維的概念，他指出，視覺思維借助三種視覺意象進行：其一是“人們看到的”意象，其二是“心靈之窗所想象的”意象，其三是“我們的構繪”所得的意象.[1]視覺思維就是觀看、想象、構繪三種視覺活動相互作用的過程，如圖1，在觀看和構繪重合區域，觀看促進構繪，構繪反過來鼓勵觀看；在構繪和想象重合區域，構繪激勵和表達想象，想象為構繪提供動力和內容；在想象和觀看重合區域，想象指導和過濾看到的東西，反過來觀看又為想象提供素材.三個圓圈重疊處標志著視覺思維進行得極為充分.[2]

二、視覺思維視角下的物理學習錯誤分析

（一）因視覺觀看規律及視覺負效應引起的物理學習錯誤

1.視覺方向性：對一種粗心現象的解釋

生理學家研究發現，視覺具有方向性，人眼觀看事物時習慣從左邊開始，但會自動移到右方，且位于右側物體的視像比左側物體的視像更清晰、穩定些.這是因為：“人眼透鏡”成倒立的像，視野右側的物體成像在視網膜左側，視覺訊號傳到腦的左半部，而通常情況下大腦左半球比右半球血液供應更充分.學生分析物理圖像時，經常出現不注意縱坐標含義而導致的錯誤，如圖2，s-t和v-t圖像總是混淆，教師往往將此歸為粗心.如果從視覺方向性的角度分析，學生的粗心有一定的合理性.因為圖像與橫坐標的視角重心位于整個圖片右側，學生觀看時，不自覺地將注意力放在右側，圖片左側的縱坐標自然處于視覺漠視區.

2.視覺誤差：一類錯誤前概念形成的原因

視覺誤差是指人和動物通過視覺感知外界物體的大小、明暗、顏色、動靜所獲得的信息與被感知物體真實特性的差別，也就是錯覺.比如，當人們在靜止的列車里看旁邊運動的火車時，總覺得自己所在的列車在運動.這是因為平常乘車時，車的運動產生外物移動的知覺，在腦海中留下深深的印記，因而當在靜止的列車里看到旁邊火車的移動與這種知覺一致時，就會不假思索地認為是自己坐的列車啟動了.學生的一些錯誤前概念就是因為視覺誤差引起的，比如關于平面鏡成像特點的前概念是：當人遠離時，像變小，反之，像變大.這是學生對物體大小產生的錯覺，對視覺負效應的了解使學生在觀察上能擺脫它而不致將錯覺認為是正確的，要防止因錯覺造成認識上的錯誤.

3.視知覺定式：相似情境題易錯的解釋

對同一類題的不斷訓練，使學習者對知覺對象的各種特征確立一種穩定的、按重點程度確定的優先序列，從而導致某些特征弱化為與當前訓練目的無關的性質，當遇到相似而有變化的物理情境時，這些特征就不會被注意或認識出來，于是產生了視知覺定式.

例如，如圖3，問題：當滑片移動時，電流表示數如何變化？這類基礎題在作業中反復出現，不斷強化視知覺，學生自然就產生了固定認識：電路有滑動變阻器、電流表這兩個重點元素，當滑動變阻器電阻變大（?。r，電流變?。ù螅?，電路連接情況成為與電流表示數變化無關的特征.當電路變為如圖4時，視知覺定式發生作用，視覺只關注滑動變阻器及電流表示數變化情況，“并聯”并沒被認識出來，得出與圖3相同的錯誤結論，這也是視覺負效應的體現.

（二）因視覺想象受阻引起的物理學習錯誤

1.視覺意象庫儲備不足，視覺想象缺乏基礎

任何思維活動都離不開視覺意象，只有物理意象庫儲備充足、豐富了，學生的想象才有堅實的基礎，問題解決過程中出錯的概率就會降低.物理意象的側重點和豐富程度受地域特點、經濟條件、教學方式等因素影響. 比如，北方的霧凇對南方學生而言，如果沒去過，遇到霧凇的相關習題，必然會有障礙，因為缺乏視覺觀看的體驗，想象不出霧凇的樣子，而北方的學生就不缺乏霧凇的視覺意象；經濟條件較好的學生一般見多識廣，頭腦中積累的視覺意象更豐富些；對生活中常見的物理情景，學生較易積累相應的視覺意象，而對于微觀世界或抽象的物理過程，學生的物理意象就比較匱乏，但這些可以通過物理模型、多媒體等手段來輔助彌補.

2.視覺素材自身問題，制約學生視覺想象

初中生以形象思維為主，所以物理教材和習題中配有許多插圖，為學生開拓了廣闊的想象空間.學生在閱讀插圖的過程中，必須啟動視覺想象在自己頭腦中加工、組合成一些圖形或形象，才能更好地理解插圖所表達的視覺信息.[3]但如果插圖沒有突出關鍵信息或高于學生認知水平，勢必造成學生想象受阻，難以還原出物理情景的真相，產生錯誤認識.

比如，蘇科版教材九年級下冊在活動“觀察磁場對通電線圈的作用”中，呈現如圖5的圖片，學生看到線圈放在支架上，至于線圈怎么繞、導線兩個頭怎么引出，全憑學生想象.筆者曾讓學生畫出圖5中的線圈結構及開關閉合瞬間電流的方向，幾乎所有學生答案一致，如圖6，顯然學生不清楚線圈中導線的具體走向.教材呈現的視覺素材模糊，沒有突出“線圈的制作過程”這一關鍵信息：將一根長銅絲沿同一方向反復纏繞，就制成了線圈，如圖7.開關閉合瞬間，線圈中的電流為順時針方向.線圈上邊導線電流方向相同，且與下邊導線電流方向相反.

3.物理過程動態變化，視覺想象力不從心endprint

有些物理過程是動態的，學生面對圖像和文字敘述，需要想象變化的過程和相應物理量的變化情況.由于有的教師不重視實驗、教學方法單一，學生積累的動態意象有限，影響視覺想象力的發展.當遇到動態物理過程時，想象力就跟不上文字表述，不是把握不準變化的臨界點，就是理不清對應的變化關系. 比如，杠桿動態平衡、平面鏡轉動引起光線轉動等問題，學生錯誤率就較高.

（三）因缺乏視覺構繪意識和能力引起的物理學習錯誤

視覺構繪是一種視覺形式的表達，借助紙、筆，利用圖形、符號色彩等視覺語言將表象表達出來的心理操作和實踐操作過程.構繪能力是兒童較早發展的一種智能，但由于我們的教學偏重邏輯思維的培養，錯失了借助繪畫發展視覺思維的關鍵期.學生視覺構繪意識淡薄，構繪能力不足，主要體現在以下幾個方面.

1.物理情境生成示意圖的能力

缺乏這種能力必然導致學生對物理問題的思考沒有著力點，思維凌亂，找不到突破口.例如，峭壁前方的山路上有一輛汽車向遠離峭壁的方向勻速行駛，速度為10m/s，汽車鳴笛后經過3s聽到回聲，求鳴笛時車和峭壁間的距離（此時聲速為340m/s）.學生思路出現障礙的根本原因是不能將本題的物理情境轉化成示意圖，從而影響對運動過程的分析和突破口的尋找.學生在構繪物理示意圖的同時，應調動視覺觀看和視覺想象，這有助于思維的展開和靈感的迸發.

2.定格運動瞬間的能力

對動態變化的物理過程而言，關鍵的物理關系往往建立在變化的瞬間，這就勢必要將這些運動瞬間構繪出來，使其“暫?！痹谘矍?，這樣物體運動的全過程就通過幾幅靜態圖像展現出來，這無形中分解了難度，降低了出錯的可能.缺乏這種能力將影響學生對復雜物理問題的分析和理解.

三、教學對策

教學中有必要讓學生了解一些視覺規律、視覺負效應等常識，以便在學習中引起注意，并加以克服.此外，還可以從以下幾方面入手.

（一）多角度觀看視覺素材，變“陌生”為“熟悉”

面對視覺素材，學生首先會對素材關鍵點進行識別，并自覺與大腦中儲存的各種視覺意象對比，當能找到同類型意象時，學生就能順利解決問題，而當兩者有區別時，思維就容易受阻，產生錯誤.有時，觀看的材料與視覺意象表面上不一致，但經轉換后，兩者卻可以和諧統一起來.比如，如圖8，要求畫出螺線管的繞法，學生反復訓練積累了固定的視覺意象，當出現圖9時，學生感覺別扭，不適應，此時將圖逆時針轉90°后，就與學生儲備的視覺意象完全對應起來.又如，如圖10，平躺滑輪組問題，順時針旋轉90°就轉化成學生熟悉的滑輪組，有助于學生理解和知識遷移.

（二）注意強化視覺體驗，豐富意象儲備

阿恩海姆說，“心靈沒有意象，就永遠不能思考”，“每當人們思考問題時，都有某種具體形象作為出發點或基礎”.意象的積累對提高學生思考力具有重要作用.在物理教學中，盡可能多地讓學生“觀看”各種具體物理事件發生發展的真實過程，豐富學生意象貯備；對同一物理問題，可按不同思路提供多樣視覺信息，如當教師的演示實驗與教材設計不相同時，實驗結束后，應接合教材圖片，說明教材的實驗思路，因為課后習題一般與教材設計配套，避免學生接觸教材實驗圖時，產生陌生感，甚至出現看不懂的情況.最后注意，呈現的視覺材料應符合學生認知水平，要求形象、直觀，突出關鍵信息.

（三）培養視覺構繪意識和能力，促進對物理情境的理解

視覺構繪不是一種機械的再現過程，而是與觀看、想象相互作用不斷產生反饋的心理操作過程，學生構繪圖形過程中產生的直覺、形象有助于加深對物理過程和情境的理解，從而獲得靈感.在平時教學中，應鼓勵學生多畫草圖和示意圖，教師在分析物理問題時，注意身體力行，給學生形成潛移默化的影響.

參考文獻：

[1] 麥金.怎樣提高發明創造力——視覺思維訓練[M].王玉秋，吳明泰，于靜濤，等譯.大連：大連理工大學出版社，1991.

[2] 季一鳴.高中物理教學中強化學生視覺思維的探究[D].南京：南京師范大學，2004.

[3] 劉冬巖.插圖教學與視覺思維的發展[J].教育研究與評論，2010（12）：16-20.endprint