基于知識可視化的物理實驗課程導學教學設計研究

張 慧 姚琴芬

(江蘇開放大學信息工程學院，江蘇 南京 210000)

大學物理實驗是一門理實一體化基礎性公共課程。對于大一階段學生的學習能力養成起到了非常關鍵的引導作用，也對后續一些專業課程的教學模式的展開做了前期鋪墊。改進和提升物理實驗課程教學效果的策略與工具是一個重要的教學研究方向。

1 物理實驗課程教學的現狀與問題

伴隨著高考制度規則和人才培養規劃的改革和調整，實驗內容與專業的結合，現代教育信息技術的變革發展，實驗教學面臨了一些新問題，需要新探索和研究。

1.1 學生的基礎實驗能力起點比較低，學習驅動力不足，需要引入一些新的內容呈現方式和工具幫助學生盡快地適應新變化

學生的實驗能力包含基礎的實驗儀器操作、觀察、數據處理能力和高階的研究解決問題、綜合和創新能力。由于高中階段教學側重、實驗條件、高考模式的差異，高職學生基礎能力一般，高階能力基本是空白。通過教學觀察和個別訪談，發現部分學生受限于個人基礎薄弱，對實驗設計、儀器應用、數據處理等課程內容理解有限，特別是預習階段，還是停留在復制內容的階段，導致把實驗課劃歸到無用課程，實驗數據和報告存在抄襲現象，由于缺少主動性的思考綜合，導致學習收獲少、成就感低。因此有必要在實驗課程教學中引入如何進行有效學習的方法和工具。

1.2 物理實驗基礎課程在高職人才培養計劃中的權重有所調整

實驗課程實行項目分組制，單個項目課時分配是2學時，對于理論理解和實操技巧復雜的項目，課堂時間分配非常緊張，需要引入一些新模式和技術手段輔助教學。在教學內容和質量要有一定保障的前提下，需要教師花費更多的時間和精力進行教學設計，特別是在課前預習、課后輔導的導學階段，進行高效的知識資源整合和呈現，以期達到預期的教學目標效果。

1.3 教學資源有效利用率和使用效果一般，有對資源的整合和呈現方式做一些研究和改進的必要

實驗教學資源來源一般有以下3種：自開發資源，采購資源庫，網絡免費資源。自開發資源的課程針對性很強，但是系統性有所不足；購買的實驗資源庫的優點是大而全，但是內容和結構布局的針對性有所欠缺，與課程內容設計變化的需求不太匹配。網絡免費資源豐富而有時效性，但是分布是碎片化的，質量良莠不齊，需要進行篩選修改后，再整合到現有的教學內容中加以利用。實際教學中這3類資源互為補充，非常需要一種模式或者工具，能夠輔助教師進行有效簡便的資源整合和知識呈現。

1.4 物理實驗課程中多個實驗項目和教學內容具有內在關聯，利用思維導圖等可視化工具建構兩者之間的知識網絡結構，有利于增進學生對知識的理解

理論課和實驗教學通常分屬于兩個學期，時間上的非同步性易導致記憶遺忘，以往的課程教學要么花費較多的時間在理論的回顧講解上，要么蜻蜓點水一帶而過，無法同時兼顧到既讓學生有比較扎實的理論基礎，又能給予充足的時間做思考嘗試設計操作。思維導圖可視化是促進知識回憶再現的有效工具。一方面，在實驗教學時，利用思維導圖(如概念圖、因果圖等)可以通過結構化的知識可視化方式展示、梳理清楚理論教學內容和實驗之間的邏輯關聯，并整合相關的學習資源，在課前和課后引導學生進行探究性學習，為實驗做好充分的知識儲備。另一方面，在理論課教學時，利用思維導圖建構起關鍵定理規律與相關實驗之間的知識可視化網絡，并整合入演示與仿真實驗資源，可以規避空洞枯燥的理論闡述。例如：霍爾效應實驗中涉及到電流與電子速度的關系，運動電荷在磁場中的運動，運動電荷在電場中的運動，力的平衡，電勢差的形成等教學內容，可以用思維導圖串聯展示形成各個實驗環節的內在規律基礎。

2 教育領域可視化理論研究與工具

2.1 可視化、知識可視化概念研究

1) 定義

可視化字面上是“視覺的、形象的”意思，可以理解為將任何抽象和復雜的事件、過程、關系用圖形、圖畫等形式，以形象圖解的方式展現出來。在不同研究領域有各自的內涵、模式和技術實現。

在計算機科學領域，可視化(visualization)是指利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。與物理學科關系緊密的應用分支是科學計算可視化(visualization in scientific computing)。它能夠把科學數據變為直觀的、以圖形圖像信息表示的、隨時間和空間變化的物理現象或物理量呈現在研究者面前，使他們能夠方便觀察、模擬和計算。

知識可視化(knowledge visualization)是在科學計算可視化、數據可視化、信息可視化基礎上發展起來的新興研究領域。2004年M.J.埃普拉(M.J.Eppler)和R.A.伯卡德(R.A.Burkhard)共同編寫的《知識可視化——通向一個新的學科及其應用領域》中提出了知識可視化的定義，即“一般來說，知識可視化領域研究的是視覺表征在改善兩個或兩個以上人之間知識創造和傳遞中的應用。因此，知識可視化是指所有可以用來建構和傳遞復雜見解的圖解手段。”知識可視化是一種利用視覺感知上的生理和心理規律并結合視覺表征手段，促進個體與個體、個體與群體以及群體之間知識的傳播和創新[1,2]。

2) 知識可視化的建構方法

(1) 思維導圖。思維導圖(Mind Mapping TM & Mind MapTM)也稱為心智圖，是20世紀60年代英國心理學家東尼·博贊(Tony Buzan)發明的一種筆記方法。他認為思維導圖是對發散性思維的表達，因此也是人類思維的自然功能。思維導圖是一種視覺表征的圖形技術，可以挖掘大腦潛能，改善人的思維方式和行為表現。他將思維導圖定位為終極的組織性思維工具。

(2) 概念圖。概念圖技術是20世紀60年代由美國康奈爾大學JosephD．Novak教授等提出。在概念圖中，用箭頭、連線將各個概念節點連接起來，并且配合連接詞來表示概念之間的相互關系，從而實現對知識的表示和組織結構化。這種對抽象觀點的結構性描述，可以構造信息和闡明關系，有助于對抽象概念及概念間的相互聯系進行直觀形象的理解。

(3) 認知地圖。認知地圖也被稱為因果圖(causal maps)，是由Ackerman & Eden(2001)提出的，它將“想法”(ideas)作為節點，并將其相互連接起來。認知地圖節點之間有連接線，但是沒有連接詞，不具有鮮明的層級關系，這是它與概念圖的重要區別之處。

(4) 思維地圖。思維地圖是David Hyerle博士在1988年為幫助學生學習而開發的可視化表述語言工具，通過在知識內容之間創建聯系，從而達到幫助認知結構建構的目的。通過括弧圖、橋接圖、氣泡圖、圓圈圖、雙氣泡圖、流程圖、復流程圖和樹形圖8種形式訓練人的比較和對比、排序、歸類、因果推理等認知技巧，從而提升學習者的問題解決能力和高級思維能力[3]。

3) 知識可視化的理論基礎

(1) 雙重編碼理論。以視覺和語言兩種形式同時呈現信息能夠增強大腦的記憶和識別功能。腦科學研究表明，左右腦的功能分工是不對稱的，信息主要是通過視覺通道獲得的，并且人類對視覺信息處理的速度、容量、通道并行較之于其他信息表征形式都更加高效。知識可視化將知識以直觀、形象的圖解方式表示出來，和基于語言的理解相輔相成，激發思維的產生。

(2) 圖式理論。圖形組織者有多種展示模式：層級的，概念的，序列的，評價的，相關的，循環的等等。在進行教學設計時，教師在分析原有知識能力起點與學習者類型特點的基礎上，選擇合適的可視化知識展示模式，提高學習者獲取、理解和應用知識的能力。

(3) 知識管理理論。知識管理是一種對知識、知識創造過程和知識的應用進行規劃和管理的活動，是從“知識獲取、知識整理和保存、知識分享、知識利用和創新”的循環螺旋上升的系統[4]。知識形態之間的轉化，需要一種視覺化模型來表達和呈現，通過使用可視化知識建模語言，可以將內在的知識記錄轉化為形象直觀的圖形化文檔，有利于對知識的思考、輸出、分享、實踐、內化，最終實現利用知識、創造價值的目的。

2.2 可視化軟件工具簡介

1) 思維導圖軟件

思維導圖軟件是利用圖形化、形象化的手段來表達人們頭腦屮形成的概念、思想和理論的可視化技術工具[5]。它可以將人們大腦中的隱性知識顯性化、可視化，方便人們思考、表達，并能促進交流。主流思維導圖軟件有：Mindmanager、Xmind、Imindmap、Novamind等。本文選用的是Mindmanage和Xmind(見表1)。

2) 科學數據可視化軟件

數學和工程領域廣泛使用的可視化軟件有Matlab、Mathematica、Origin等，Mathematica是Wolfram Research開發的一款技術性計算(Technical Computing)軟件。它很好地結合了數值和符號計算引擎、圖形系統、編程語言、文本系統和與其他應用程序的高級連接[6]。本文中案例選用Mathematica作為數據可視化工具。

表1 Mindmanager與Xmind基本信息對照表

(1) 語法統一、優美，符號計算能力強大；

(2) 使用最先進的計算美學和設計原理，界面和繪圖美觀，可視化效果強大；

(3) 代碼可讀性強，使用直觀的類似英文的函數名稱和一致明了的設計，代碼雙行排列，上方為函數名和屬性，下方為含義關鍵詞提示和智能幫助信息，沒有編程基礎也能快速學習；

(4) 官網參考資料中心有15萬多個范例，將近1萬個開源演示項目，豐富的演示教學視頻和學習主題測試；

(5) 有大量的物理模塊仿真并附有源程序導出，可以直接應用于教學。例如示波器實驗中李薩如圖動態仿真，通過交互方式，直觀形象地預演出疊加前后的頻率、振幅、相位變化與輸出圖形的關系。

3 基于可視化的實驗導學教學設計實施策略和案例研究

實驗過程本質上就是從“抽象-形象-抽象”的螺旋上升的知識循環，可視化課程教學改革的目的是以學生能力培養為目標，幫助學生澄清思路、加強理解，促進顯性知識的組織結構化和隱性知識的顯性化，并能掌握運用一種簡便有效的學習策略和工具，從而激發創新性思維。

一方面，可視化在優化教師教學和知識資源整合層面，促進基礎類學習資源的結構化和可拓展化，并且從過程控制的角度，可視化知識展示輔助形象與抽象內容的轉換連接。另一方面，可視化助力學生基礎實驗能力的培養和提高：多視角處理問題的思考模式，利用可視化的信息技術解決數據呈現和分析問題，有條不紊地做好實驗課程學習規劃和項目實施預案等。

3.1 設計策略

結合實驗課程內容邏輯嚴謹，理實結合的特征，呈現清晰項目結構，突出重點難點的需求[7]，區別于一般的思維導圖，視覺設計還要遵循合理適度的原則。

1) 結構性

針對實驗自身特點和總結以往學生通常會理解不透徹的要點和易于出錯的難點，設計不同框架結構圖，展示項目結構和學習思路，引導學生積累針對不同問題整理思路的方法，同時兼顧內容的展示和形式的靈活多變。

(1) 主體框架結構層級清晰統一與分支拓展模塊結構靈活多變相結合。實驗項目按難度層次主要分為基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗。先將實驗的各個模塊、流程、要點、難點用思維導圖鳥瞰形式展現出來，遵循中心明確，集中發散、思路清晰，層級展開、圖文配合、立體可現的原則[7]。每種層次實驗有相對固定的布局模式，根據視覺感知規律設計導圖的布局和走向，例如在基礎性實驗和綜合性實驗的總體布局上，原理、操作、數據處理主分支適合布局在右側，知識拓展、分析與思考主分支適于布局在左側，設計性實驗正好相反。

(2) 根據項目的具體難點和要點差異選擇組織結構展現模式。對于實驗原理中的物理量和方法部分適合概念圖表征知識節點之間的關系；實際操作流程部分適合采用流程圖或者魚骨圖模式。同時還要注意到一些細節設計：節點、分支、關聯線展示知識點和相互關系；標簽、圖標、鏈接、附件做提示和指導說明，連線顏色，線型，各主題顏色形狀設置層次分明。

2) 整合性

(1) 整合碎片化資源。用導圖將積累的教學素材、學習的思維方法、獲取資源的途徑等等學習資源以文字、圖片、動畫、視頻、媒體、插件、鏈接等形式進行整合，實現資源有效集成和共享[8]。碎片化資源具有時效性，依據資源的生命周期，可以方便對導圖進行重組、整合和拓展。

圖1 鳥瞰項目思維導圖與部分分支導圖

(2) 整合有序性資源。利用導圖對于操作調試流程復雜的過程進行分解步驟視頻串聯，例如邁克耳孫干涉儀、分光計一類的光學類實驗，儀器的調校是比較精細繁瑣的，用視頻和動畫來預演調校的過程是非常高效的教學手段，但是如果將整個過程拍攝成單個視頻的時長太長，會引發視覺疲勞和思維倦怠；同時不同的實驗現象，需要做出的調整方法是具有多樣性和靈活性的，將操作視頻分解成小步驟，用導圖節點、流程進行串聯，實操的指導性會更強，有利于學生理解、歸納、思考。

3) 交互性

交互性設計主要是增加課前和課后的問題交流和反思，主要是通過教師搭框架，學生做支架的模式來實現。(1)教師預設問題，學生做支架完善。在導圖框架中由教師根據重點信息傳達的導向需要選擇設計問題，主要是檢驗學生知識點預習掌握情況，引導學生關注需要觀察的現象和深入思考的問題。(2)學生自主提問，教師給予反饋。包含在仿真模塊、實驗現象觀察環節、數據分析模塊、實驗方法反思過程中遇到的學習障礙問題或者通過導圖引導的發散性思維而產生的新問題和新思路等。

3.2 案例設計

本案例是以弗蘭克-赫茲實驗為研究對象，進行了基于知識和數據可視化的整體和分支導學教學設計。

1) 鳥瞰開放式思維導圖設計

通過導圖(圖1)展現單個實驗項目的全貌鳥瞰，教師搭框架，學生做支架，突破原有實驗教材和教學內容的時空限制，形成比較完整的知識呈現和流動[9,10]。同時，學生可以根據實驗報告的寫作要求，對導圖部分分支進行修改、刪除、添加操作后，就可以直接導出成結構完整、層級分明的word文檔格式的實驗報告。

圖中將項目內容分為8大主分支：研究對象、方法設計、調試與測量、數據與分析、仿真實驗、知識拓展、問題與思考、實驗報告要求。每條主分支包含多層級的相關內容分支，部分分支用關聯線實現跨分支的關系結構，分支項目根據內容展示和功能使用的需要配有圖片、鏈接、附件、備注等等資源，并使用標簽等信息對分支進行了分類。其中部分主分支模塊說明如下：

(1) 研究對象。“波爾原子理論”“弗蘭克赫茲實驗”分支對實驗項目做了初步的知識點解析，“關注與思考”和“實驗任務”分支引導學生關注和把握具體的實驗目的和任務，并插入了相關圖片、鏈接和備注信息配合知識呈現。

(2) 方法設計。通過雙分支對不同速度慢電子轟擊原子的碰撞和能量交換形式做了展示解析，配有動畫演示附件；“實驗裝置”分支從基本電路原理和電路改進設計對實驗原理做了展示和分析；通過附件微視頻對實驗裝置進行了解剖式的實物展示、基本功能與操作說明，達到增強學生感性認識和學習興趣的目的。

圖2 弗蘭克-赫茲實驗操作流程圖

該實驗涉及的參量較多，學生容易發生概念理解混淆，因此把實驗參量進行了分支分類處理：環境參量(燈絲電壓Uf、第一柵極電壓Ug1k、反向電壓Ug2p、爐溫T)、自變量(第二柵極加速電壓Ug2k)、應變量(輸出微電壓Uout)，用注釋解析各參量的物理意義和具體功能作用，使學生明晰實驗需要觀察研究的重點參量關系，引導學生進一步關注和思考環境參量變化對實驗數據的影響。“現象預測”是通過仿真實驗平臺的課前預操作對實驗現象結果進行預推測，這部分是由學生自主完成分支內容。

(3) 調試與測量。通過“弗蘭克赫茲實驗操作流程圖”(圖2)指導學生實施實驗操作，并能依據該圖對不同觀察結果做出對初始環境參數的微調，以達到實驗數據采集的要求。“數據記錄表”給出了標準的Excel格式模板，是為后續Mathematica導入數據、做分析和可視化處理提供統一記錄格式。

(4) 數據與分析。首先通過前兩個分支，將實驗數據參量關系分為非線性關系(Ug2k與Uout)和線性關系(峰值序號n與峰值電壓U)，利用Mathematica進行數據導入提取、可視化處理和分析：非線性關系使用插值擬合曲線函數處理，線性關系數據使用最小二乘法直線回歸擬合函數處理，并給出了具體程序實現的流程圖(圖3、圖4)和源程序范例(表2)。

第三分支引導學生在以上學習基礎上，模仿和重組關鍵函數，可視化分析反向電壓Ug2p和爐溫T的變化分別對實驗數據結果的影響，引導學生完善第四分支中的誤差分析、實驗結論以及問題與思考模塊的分支支架內容。

(5) 知識拓展。第一分支將概念圖(圖11)和視頻解說附件相結合，對實驗研究的理論基礎推演進行了層級化的知識結構展示。“快速入門”提供了Mathematica軟件的入門教程及視頻鏈接，可以幫助學生快速上手軟件的常規基本使用方法。“進階和示例”分支對本項目實驗中涉及的數據處理相關類型和函數提供了針對性的官網鏈接和示例演示，能幫助學生快速定位軟件編程知識點的相關延伸內容。

圖3 非線性數據擬合及動態關系數據處理魚骨圖

圖4 直線擬合與誤差參數計算流程圖

2) 實驗操作流程圖設計

實驗操作流程具有時間上的延續性和前后環節的邏輯關聯性，流程圖(圖2)設計模式有利于將其中關鍵性環節的判斷、思考和應對策略等這些隱性的、經驗性的知識呈現出來，更加形象直觀地引導學生觀察和操作。該實驗操作涉及比較多的環境參數設定，并且需要學生針對觀察到的不同實驗數據變化現象作出對初始環境參數的微小調整判斷[11]，流程圖有利于梳理出前后的因果聯動關系與規律，并且重要節點配有視頻演示附件。

表2 非線性數據擬合及動態關系數據處理源程序

3) 實驗數據可視化處理分析導學魚骨圖設計

對實驗數據做數據擬合和分析是實驗教學中的重點和難點，最小二乘法做線性擬合是在物理實驗數據處理中常用的方法，例如在弗蘭克-赫茲、楊氏模量、霍爾效應等實驗中都會涉及這種數據處理方式，利用科學數據可視化軟件Mathematica輔助數據處理，可以達到減少繁瑣的數據計算，將枯燥的散點數據可視化，描繪出的圖形直觀、美觀，方便透視出實驗測量參量的內在關系，不但易于學生分析和掌握其中的規律，而且也有助于增強學生科學分析思考的技能。

初學一門軟件最有效的學習方法就是看實例、觀演示效果、做模仿、再思考、推演、提升進階。利用魚骨圖搭建學習思路，分解運算和可視化效果操作，分步驟錄屏演示視頻附件，并配合相關函數命令使用方法和實例的拓展鏈接，可以將邏輯思考過程和程序操作流程有效結合，一圖展現方法全貌。

(1) 非線性數據擬合及動態關系數據處理魚骨圖(圖3、圖4)。將加速電壓與輸出Uout關系曲線數據可視化處理[12-14]分解為4個步驟：數據導入、格式化、用插值函數做非線性擬合曲線、做散點曲線擬合動態圖(圖5、圖6)。每步驟分為操作演示、源程序(表2)、命令參數說明三部分進行展示說明，配有操作解說演示視頻、備注、鏈接等資源。

圖5 非線性擬合靜態曲線

圖6 非線性擬合動態關系運行結果圖

(2) 直線擬合與誤差參數計算流程圖設計。本案例中的尋峰操作由于非線性的散點數據無法通過尋峰函數FindPeaks直接尋峰，也無法通過對擬合的插值函數求一階導數等于零并且二階導數小于零的方式尋峰，考慮到方便學生進行直觀地學習和理解，采用的解決思路是：先繪制出帶數據點坐標標簽提示的插值擬合曲線，再通過放大峰點位置的方式，手動識別出各峰值點的位置和測量參數值[14]。

直線擬合可以用兩種不同的函數方法實現：方法一是使用LinearModelFit函數并配合該函數的屬性輸出設置實現；方法二是綜合Fit、Correlation、D三種函數實現。

兩種方法各有優勢：方法一中的LinearModelFit函數可以通過屬性獲取豐富的擬合計算參數，快速簡潔，適合數學和軟件掌握較好的學生；方法二涉及的3種函數使用都比較簡單易理解，適合基礎較為薄弱的學生。設計圖(圖4)分別對直線擬合實現的兩種方法進行了分支說明，每分支配合處理流程，操作演示附件，源程序和相關命令參數解析鏈接、備注等。參考源程序(表3)與運行結果(圖7、圖8)。

(3) 其他數據可視化源程序與運行結果說明。“數據與分析”中的其他參數相關性分析[15]還涉及反向拒斥電壓Ug2p對Uout位置影響、爐溫T對Uout位置影響關系兩個分支，參照以上的源程序代碼稍作修改和重組，即可做出數據展示分析圖，這兩個分支是要求學生學習前面分支導學的內容后，自主做支架的部分，參考源程序(表4)和運行結果(圖9、圖10)。

表3 尋峰、直線擬合、繪圖數據分析

圖7 繪制殘差結果圖

圖8 直線擬合曲線與點集圖結果

表4 Hg管拒斥電壓Ug2p、爐溫T與Uout關系可視化參考源程序

圖9 Hg管不同反向電壓Ug2p輸出Uout曲線對比圖

圖10 Hg管不同爐溫T輸出Uout曲線對比圖

4) 原子模型與波爾理論的概念圖設計

波爾的理論假設是原子模型結構修正建立過程中的一個重要的關鍵節點，通過概念圖(圖11)設計，將原子模型建立與發展的推演修正過程、相關標志性實驗、研究理論的進步與局限進行可視化展示，幫助學生有序整理分散的知識點并建構知識框架。

圖11 原子模型概念圖

4 結語與展望

運用可視化工具軟件的教學導學設計輔助實驗教學取得了比較理想的教學效果反饋。通過問卷調查和個別訪談形式，基于知識可視化的實驗教學設計模式對學生學習態度改善和學習能力提升起到了比較積極的作用效果。我們對實驗教學班全部共計112名學生發放了問卷調查表，收到有效反饋問卷數量為110份，有70.9%的學生表示學習興趣和驅動力有提升，68.2%的學生表示學習成就感增強，75.4%的學生表示自學和探究性學習的能力有提高，80%的學生表示應用學習工具解決實際問題的能力有改善。任課教師反饋學生實驗知識準備和實驗報告質量有顯著改善。通過隨機個別訪談，也有部分學生反饋學習的難度有所增大，所以在具體的內容和策略設計方面，還需做持續性的優化和完善研究。

隨著5G時代的到來，在線數據可視化、云計算、在線導圖、虛擬現實技術的應用普及，可以預測線上線下的技術融合會衍生出更加豐富的知識可視化的應用模式和場景，如何將其與物理實驗教學相結合，形成模型、方法、技術相結合的理論和實踐體系是非常有應用價值的研究方向。