可视化教学手段在物理实验教学中应用_赵西梅.pdf

第 卷 第 期 年 月：可视化教学手段在物理实验教学中应用赵西梅，潘 葳，刘嘉滨（上海交通大学 物理与天文学院，物理国家级实验教学示范中心，上海）摘 要：根据脑科学的“双重编码”理论，可视化是一种发挥大脑视觉认知能力与空间计算能力的思维系统。在物理实验教学中应用物理演示实验、摄像同步教学的可视化教学手段，探讨可视化在物理实验教学中的效果。在教学实践中以声速测量实验为例开展研究，对周四上课学生采用演示实验和摄像同步教学，利用问题前测后测的方式反馈实验效果，并在实验后进行问卷调查；对周一上课学生未采用可视化教学手段，按照常规上课。从前测与后测问题反馈情况和学生调查问卷统计情况以及对照组实验最终成绩差异可以看出，合理使用可视化教学手段能促进物理实验教学效果，并得到学生普遍认可，表明这种可视化教学手段具有推广意义。关键词：可视化；脑科学理论；物理实验；演示实验；教学效果中图分类号：.文献标志码：文章编号：（），（，）：“”，：；收稿日期：基金项目：上海交通大学教育发展中心项目（）作者简介：赵西梅（），女，山东临沂人，硕士，高级实验师，主要从事物理实验方面的教学与研究。：；：引 言脑科学理论揭示，人的大脑对于高效的视觉效果记忆比较深刻，常言道：“百闻不如一见”“一图胜过千言”就是这个道理，而且人类 以上的信息是通过视觉获得的。近几年来，将脑科学理论相关原理用于实践教学的案例越来越多，对于提升教学效果起着很大的促进作用。本文探讨在物理实验教学过程中利用脑科学相关理论，借助大脑视觉感知功能，配合使用物理演示实验这种“知识”可视化教学手段，来促进学生对原理知识第 卷的理解和对实验结果的预判，或使用摄像同步教学这种“场景”可视化教学手段来帮助学生对实验仪器的正确使用，帮助学生更顺畅地完成实验，让学生不但知道怎样做实验，还让学生明白为什么这样做实验，从而达到实验教学目的。相关脑科学理论“可视化”，来源于英文的“”，原意是“可看得见的、清楚的呈现”，也可译为“图示化”，如计算机编程的可视化界面（、等）。事实上，将任何抽象的事物、过程变成图形图像的表示都可以称为可视化。可视化是一种外部认知的方法，即如何利用人眼的感知能力和人脑之外的资源，提升大脑的认知能力。而且可视化是一种发挥大脑视觉认知能力与空间计算能力的思维系统，如果在教学中能够充分激活人脑如图 所示的颞叶（听觉）、额叶（思考）、枕叶（视觉）、顶叶（空间）这四大功能区，使学习者全部脑区都能激活的话，一定能取得很好的教学效果！图 人脑的四大功能区 认知心理学家 提出了大脑的“双重编码理论”（见图），他设想人脑中有两个认知子系统，一个是语义系统，专门处理语言对象，另一个是表象系统，专门用于处理“非语言”对象，两者要同时激活，在语义信息与“非语言”信息（也称为“表象”）之间建立关联，人才能理解语义信息。只有更多激活大脑的某些恰当区域，学习者对信息的理解才更深刻。图 大脑“双重编码理论”从双重编码理论可以看出，知识可视化将知识以动图、演示或者图解的“表象”方式表示出来，为基于语言的理解提供了很好的辅助和补充作用，大大降低了语言通道的认知负荷，加速了思维的发生。充分利用大脑的这一特点，在物理实验教学中恰当使用可视化教学手段可提升教学效果。以声速测量实验为例，介绍如何在实验教学中采用物理演示实验、摄像同步教学等可视化教学手段，加强学生在原理讲解部分对概念的理解，提前预判探索性实验的结果，在仪器讲解部分，提高对仪器的掌握程度及操作内容的熟悉程度，从而使学生快速理解实验原理和熟悉实验操作，提高实验效率。可视化教学手段实施的过程和方法.教学实施 年秋季学期在物理实验导论课程中开展教学研究，分别安排周一和周四上课。学生分别约 人，进行分组教学，每组学生最多 人，每周轮流各 次课，每次课 学时。以声速测量实验为例开展研究工作，是因为学时数较多可以开展颗粒物质声速测量的拓展内容，周四上课同学的声速实验采用演示实验和摄像同步教学，采用问题前测后测的方式反馈实验效果，并在实验后进行问卷调查；周一上课学生没采用可视化教学手段，按照常规上课。.驻波演示实验帮助学生理解共振频率概念（）快速理解概念，寻找共振频率。在讲解共振干涉法测量声速原理时，需要寻找换能器的共振频率，那么什么是换能器共振频率呢？在声速实验中这样描述：输入信号的频率与压电陶瓷换能器的固有频率相接近时会产生共振，此时示波器上的声压信号幅值达到最大，这个频率就是共振频率。老师用这种语义描述共振频率的概念，学生对这样描述性概念也许不会马上理解，即使能理解也不会深刻。而老师结合驻波演示实验现象，给学生展示什么是共振频率（见图）。当学生观察到有 个驻波产生时（保证在谐振腔频率附近），保持其他参数都不发生变化，只微调频率的大小，发现波幅的大小也相应地发生变化，其中当频率为.时，波幅最大，此时频率为共振频率；其他大于或者小于这个频率时，波幅都不是最大。根据大脑的“双重编码理论”，视觉的“表象”（演示实验的现象）与“语义”表征（语言文字的描述）概念发生了有效关联，因此对于共振频率这个概念理解会更直观也更深刻。（）前测与后测题目。在教学实施过程中提出前测问题：“通过观看演示现象，达到共振频率时，此时驻 波的振幅是最大还是最小，还是不变？”这个为共振 第 期赵西梅，等：可视化教学手段在物理实验教学中应用图 频率与波幅变化关系干涉法实验中讲解如何快速寻找共振频率打下基础。后测题目是：“寻找共振频率时观察的是发射波的信号还是接收波的信号？你是如何快速寻找到共振频率的？”.可视声速变化演示实验帮助学生预判探索（）演示实验前学生的习惯性思维。声速测量实验的拓展内容 颗粒物质中声速大小探究实验，开始探究前，提出一个问题：“你觉得颗粒物质中声速与空气中声速相比谁大？”此时几乎所有学生的答案都是颗粒物质中声速比空气中大的错误结论。因为按照学生的认知，他们认为水中声速比空气中大，固体中的声速比水中的大，则复合介质颗粒物质中声速肯定比空气中大。（）演示实验帮助学生建立探究性思维。进行演示实验，把可视声速变化演示仪其中一组探头间放入小颗粒物质测试袋，结果发现，黄颜色波峰相对空气中时的波峰位置发生了右移，如图 所示。根据时差法原理，两换能器之间的距离 没发生变化，而相对光标键的波包发生了右移，即示波器上水平方向显示的时间变长，因此就可以判断此时放入颗粒物质后声速变小了，也就得出颗粒物质中的声速比空气中声速小的结论。这种演示实验是一种可视化教学手段，能充分发挥大脑视觉认知能力与空间计算能力的独特思维系统。（）通过演示实验预判探索结果，增强学生的自信心。通过简单演示，看到实验现象，根据原理预判结论进一步探究，测出数据，验证结果，最后实验数据结果显示和预判一致。如果没有演示实验，学生进行探究得出最后的结论是否正确，学生也没把握。这种通过演示实验可视化教学手段培养学生提前预判探索结（）放颗粒物质前的波形（）为放颗粒物质后的波形图 可视声速变化果，最终验证结果的探究性思维模式，增强了学生的自信心和好奇心，教学效果良好。.摄像同步教学“场景可视化”教学手段的应用 采用摄像同步教学目的意义摄像同步教学这是一种“场景可视化”教学手段。这种“场景可视化”是利用我们人类强大的视觉感知力、解析力和记忆力，用视觉方式为学生创建知识情境，让学生在情境中形成感知、建立体验，为语义理解提供丰富、清晰、印象深刻的“非语言”信息（即“表象”），以此来促进对“语义信息”的理解。在实验教学中，对于仪器讲解可以采用视频或图片的形式展示给学生，但学生对实验仪器没有感性认知情况下，在大脑中建立不了有效关联，学生希望教师亲自讲解并亲自操作仪器演示的方式，这样学生接受起来效果更好一些。但是限于实验条件限制，个人或者 人围在一台仪器面前，显然有些同学看不到或者看不清楚老师的操作，比如声速测量实验中的数字示波器仪器的使用，操作按钮比较小且按钮比较多的情况；还有一些实验仪器比如分光计调节这样的实验，由于望远镜目镜镜筒的口径很小，教师在调节示范过程中，学生无法观看到望远镜视野中图像的变化尤其是视野中的重要标志线的调节等。那么如何解决这个问题呢？把摄像头直接连接到电子黑板上，或者通过 无线投屏到电子黑板上，把老师的操作过程和实验现象同步呈现在电子黑板上，学生可以观察地更清楚，有问题及时反馈给老师，老师也及时回馈给学生，学生还可以在自己座位上查看实验仪器，对照老师的讲解，这样学生学习效率会大大提高。摄像头自动对焦情况对教学效果的影响在进行实验教学过程中，发现摄像头是否自动对焦对教学效果产生一定的影响。事实上，选择手动调焦比较好一些，像配有示波器使用的实验，因为讲解过程中会时不时地进行仪器按钮的操作，这时镜头就自动对焦手动的位置，而不是聚焦在目标上。如果调节旋钮比较多的情况下，这种体验感就差，会增加许多等待时间。在声速实验测量实验中，第一次课用自动变焦的镜头，结果延后下课，学生也说从模糊到清晰的等待过程有些不舒服。为了缓和当时尴尬的气氛，我还调侃了一句，这个摄像头像人一样“不敲打不成器”，要经常敲打才工作，当时学生还给了我理解的笑容。有时上课的过程就是老师与同学互动和相互理解的过程，这就是教与学之间微妙的关系。摄像头对准仪器的范围操作效果的影响摄像头对准单台实验仪器使用效果好一些，而多台实验仪器就存在问题。因为当仪器参数设置和实验第 卷现象展示在不同仪器上时，为了让同学们能直观的观察，需要将镜头不停地在多台仪器之间转换，这样摄像头移动就带来视觉上不停转换，学生感觉就有些不舒服。为了获得更好的教学效果或者学生体验舒服一些，可以使用广角镜头，显示的画面就多一些，但是这样图像就显得小了一些，离屏幕远的同学数字看不清楚，也会有不舒服的感受。以后的教学中可尝试用多个摄像头，形成组合画面，这样效果会更好。可视化教学手段实施效果与讨论.前测、后测题目统计结果分析对前测题，通过观看驻波演示仪回答换能器共振频率时，选振幅最大这个正确答案的几乎为；而后测题目，以上的周四上课同学会回答是通过观察反射波，并且是当连续调节频率时，发现反射波的振幅最大时，此时就是所需要找的共振频率。而对没有观看驻波演示实验现象的周一上课同学，仅仅通过在讲解共振干涉法实验，简单操作给学生演示时，学生对于回答后测题目时，约 左右的学生回答正确并能顺利找到共振频率。因此演示实验这种可视化教学手段的运用对学生快速并准确寻找共振频率起到帮助作用。.辅助理解共振频率的问卷调查结果统计驻波演示对辅助理解共振频率的作用，对周四上课 名同学进行了问卷调查，结果如图 所示。图 演示实验统计结果 从图 可以看到.的同学认为借助驻波演示仪的演示作用，能很好理解共振频率，.的同学能较清楚理解，不能理解和很不理解的学生没有，可以看出借助物理演示可视化的教学手段能直观的解释一些物理概念。.摄像头应用问卷调查结果统计摄像头应用对教学效果的影响，对周四上课的 名同学进行了问卷调查。而且在实验仪器比较多的声速测量实验中使用摄像头。统计结果如图 所示。由图 可见，.的同学认为使用摄像头能更清楚地看到老师操作，对理解知识起到良好的作用。还有.的同学反应不如直接看老师的操作更直图 教学效果统计结果观，对于这个反应很正常的，说明这些学生就在老师附近，能直观看到老师操作，这种效果更好一些，但是在人数较多，而且仪器旋钮比较多的情况下，大多数学生不可能都能围在老师身边，能清楚地看到操作画面，这比较符合实际情况。当然因为镜头在不同的仪器之间转换，有时仪器距离镜头的远近不同，有些画面不是很清楚，有极少一部分同学视力不是太好，或者离屏幕远，效果不是太好，这类学生反应看不清楚，学生占.。.学生的体会在问卷调查中设置了一个开放性题目，收集学生其他意见和建议。其中有同学说：“摄像头应用简直太好了，不用都挤到老师面前，而是坐在自己的位置上，舒舒服服观看老师的操作，并且对照着自己桌子上的实验仪器，这样边听老师讲解，边能看到自己的实验仪器，这样印象更深刻一些，特别是对于复杂仪器示波器的使用，这样学习更直观一些，这种感觉太棒了。”.不同时间段学生成绩的统计分析学期结束，把周一和周四上课学生的成绩进行统计分析发现，他们成绩在不同的分数段存在差异，如图 所示。图 学生成绩统计结果 因周一和周四上课的同学采用不同教学手段和教学方法，最后他们的实验成绩存在差异。在大于 分这个区间段周四上课学生高分的人数几乎是周一上课人数的 倍，而在小于 分这个区间的，周四上课的人数也是比周一的上课人数少一些，说明周四上课学生的学习成绩好一些。原因有 个，在周四上课教学中使用演示实验和摄像同步教学可视化手段能让学生更加迅速理解实验原理，熟悉实验仪器，实验操作完成就顺利；在声速拓展内容的探索研究中，因为利用可视声速演示实 第 期赵西梅，等：可视化教学手段在物理实验教学中应用验让学生预判实验结果，最后实验结论就相对周一上课同学准确得多。结 语物理演示实验、摄像同步教学可视化手段应用需要根据教学实际情况决定，针对摄像头应用，当上课学生人数不超过 人时，在实验仪器操作功能讲解时，可以不用摄像头，采用学生直接围观的形式，效果也不错。当然对于分光计这样的实验，还是使用摄像头技术实现同步教学演示分光计视野内图像的方式比较好。总之，从学生调查问卷，前测与后测问题反馈情况以及对照组实验最终成绩存在差异可以看出，这种可视化教学手段确实可以提高物理实验教学效果，并得到同学们的普遍认可。依据脑科学理论，可视化教学手段如果运用恰当的话能极大减轻学生的认知负荷，提高学生学习效率，从而能提高教学效果的作用。基于脑科学理论的这一应用研究同样适用于其他教学领域，值得推广。参考文献（）：赵国庆，黄荣怀，陆志坚 知识可视化的理论与方法 开放教育研究，（）：赵国庆 知识可视化 定义的分析与修订 电化教育研究，（）：王 珏 新领域、新方向：“知识可视化”的解析与应用一基于脑科学的视角 广西职业技术学报，（）：，：，：赵慧臣 知识可视化视觉表征的设计方法 开放教育研究，（）：赵慧臣，王淑艳 知识可视化应用于学科教学的新观点 访瑞士知识可视化研究开拓者马丁爱普教授 开放教育研究，（）：吕景林，乐永康，冀 敏，等 创新驱动，开启新形势下以学生为主体的物理演示实验教学新模式 物理实验，（）：梁法库，路峻岭，汪荣宝 演示实验在大学物理教学中的积极作用 物理与工程，（）：姚 杳，梅仂盈，吕俊鹏，等 趣谈物理演示实验 物理实验，（）：沈元华，陆申龙 基础物理实验 北京：高等教育出版社，：赵西梅，李向亭，潘 葳 可视声速变化演示实验 物理实验，（）：赵西梅，王锦辉，沈学浩，等 声速测量拓展实验的教学研究大学物理实验，（）：赵西梅，李向亭，周 红，等 超声波声速测量的拓展实验 物理实验，（）：李向亭，朱连根，黄学东 声音在物质颗粒中的传播特性 物理实验，（）：杨述武，赵立竹，沈国土 普通物理实验 版 北京：高等教育出版社，：童建平，隋成华，魏高尧，等 时差法声速测量仪的研制 传感技术，（）：（上接第 页）驱动高校“以创促学，以创促教”，以点带面，全面深化学校实验教学改革创新。在新时代“四新”建设背景下，该教学改革模式为国内高校培养当代大学生科学素养精神、创新实践能力、科研训练技能等方面提供了有益的借鉴。参考文献（）：于 斌，颜贤斌“大学生创新创业训练计划”项目管理探索与实践 实验技术与管理，（）：郑晓蕙 生物学实验教学与研究 上海：华东师范大学出版社，范 芳 高校实验教学评价体系现状与分析 实验科学与技术，（）：邹艳芳，章立新，高明，等“大学生创新创业训练计划”与实验教学的协同关系 实验技术与管理，（）：，：张 睿，张学尧，赵小明，等 飞蝗表皮蛋白 的抗体制备及组织定位 中国农业科学，（）：刘亦然，张 虹，靳继苏，等 莲草直胸跳甲 基因家族鉴定 及表 达 分 析 中 国 农 业 科 学，（）：戴启东，周朝辉，艾佳音，等 辽宁省甜樱桃叶枯病病原鉴定 中国果树，（）：潘厚军，邓美玲，古欣婷，等 双氢青蒿素对嗜热四膜虫的毒性效应 水生生物学报，（）：李建芳，彭正华，肖红剑，等 幽门螺杆菌 基因在乳酸菌中的表达及免疫原性分析 中国生物工程杂志，（）：邵亚林，司俊波，常 玮，等 五种兜兰属植物基因组 提取方法比较 分子植物育种，（）：鄂心蕊，席健峰，徐 义，等 耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌耐药机制的研究进展 山东化工，（）：杨 兵，喻 芳，李金兆，等 雏鸡鸡白痢病原菌的分离鉴定及耐药性检测 农业技术与装备，（）：张福升，徐 丽，黄奕诚，等 肺炎克雷伯菌 调控 型菌毛 的合成与功能研究 中国病原生物学杂志，（）：张维杰，汪杨，王国强，等 产 型碳青霉烯酶肺炎克雷伯菌的检测及耐药状况研究 中国医药指南，（）：桂 馨，石嘉豪，汪贵英，等 开放实验教学优化分子生物学精品实验项目 实验室研究与探索，（）：