可視化教學手段在物理實驗教學中應用

趙西梅， 潘 葳， 劉嘉濱

（上海交通大學物理與天文學院，物理國家級實驗教學示范中心，上海 200240）

0 引言

腦科學理論揭示，人的大腦對于高效的視覺效果記憶比較深刻，常言道：“百聞不如一見”“一圖勝過千言”就是這個道理，而且人類80%以上的信息是通過視覺獲得的。近幾年來，將腦科學理論相關原理用于實踐教學的案例越來越多，對于提升教學效果起著很大的促進作用。

本文探討在物理實驗教學過程中利用腦科學相關理論，借助大腦視覺感知功能，配合使用物理演示實驗這種“知識”可視化教學手段，來促進學生對原理知識的理解和對實驗結果的預判，或使用攝像同步教學這種“場景”可視化教學手段來幫助學生對實驗儀器的正確使用，幫助學生更順暢地完成實驗，讓學生不但知道怎樣做實驗，還讓學生明白為什么這樣做實驗，從而達到實驗教學目的。

1 相關腦科學理論

“可視化”，來源于英文的“visualization”，原意是“可看得見的、清楚的呈現”，也可譯為“圖示化”，如計算機編程的可視化界面（VB、VC 等）［1］。事實上，將任何抽象的事物、過程變成圖形圖像的表示都可以稱為可視化［2］。可視化是一種外部認知的方法，即如何利用人眼的感知能力和人腦之外的資源，提升大腦的認知能力。

而且可視化是一種發揮大腦視覺認知能力與空間計算能力的思維系統，如果在教學中能夠充分激活人腦如圖1 所示的顳葉（聽覺）、額葉（思考）、枕葉（視覺）、頂葉（空間）這四大功能區，使學習者全部腦區都能激活的話，一定能取得很好的教學效果！［3］

圖1 人腦的四大功能區［3］

認知心理學家Allan Paivio提出了大腦的“雙重編碼理論”（見圖2），他設想人腦中有兩個認知子系統，一個是語義系統，專門處理語言對象，另一個是表象系統，專門用于處理“非語言”對象，兩者要同時激活，在語義信息與“非語言”信息（也稱為“表象”）之間建立關聯，人才能理解語義信息［4］。只有更多激活大腦的某些恰當區域，學習者對信息的理解才更深刻。

圖2 大腦“雙重編碼理論”

從雙重編碼理論可以看出，知識可視化將知識以動圖、演示或者圖解的“表象”方式表示出來，為基于語言的理解提供了很好的輔助和補充作用，大大降低了語言通道的認知負荷，加速了思維的發生［5-6］。

充分利用大腦的這一特點，在物理實驗教學中恰當使用可視化教學手段可提升教學效果。以聲速測量實驗為例，介紹如何在實驗教學中采用物理演示實驗［7-9］、攝像同步教學等可視化教學手段，加強學生在原理講解部分對概念的理解，提前預判探索性實驗的結果，在儀器講解部分，提高對儀器的掌握程度及操作內容的熟悉程度，從而使學生快速理解實驗原理和熟悉實驗操作，提高實驗效率。

2 可視化教學手段實施的過程和方法

2.1 教學實施

2021 年秋季學期在物理實驗導論課程中開展教學研究，分別安排周一和周四上課。學生分別約62人，進行分組教學，每組學生最多16 人，每周輪流各1次課，每次課5 學時。以聲速測量實驗為例開展研究工作，是因為學時數較多可以開展顆粒物質聲速測量的拓展內容，周四上課同學的聲速實驗采用演示實驗和攝像同步教學，采用問題前測后測的方式反饋實驗效果，并在實驗后進行問卷調查；周一上課學生沒采用可視化教學手段，按照常規上課。

2.2 駐波演示實驗幫助學生理解共振頻率概念

（1）快速理解概念，尋找共振頻率。在講解共振干涉法測量聲速原理時，需要尋找換能器的共振頻率，那么什么是換能器共振頻率呢？

在聲速實驗中這樣描述：輸入信號的頻率與壓電陶瓷換能器的固有頻率相接近時會產生共振，此時示波器上的聲壓信號幅值達到最大，這個頻率就是共振頻率［10］。老師用這種語義描述共振頻率的概念，學生對這樣描述性概念也許不會馬上理解，即使能理解也不會深刻。而老師結合駐波演示實驗現象，給學生展示什么是共振頻率（見圖3）。當學生觀察到有2 個駐波產生時（保證在諧振腔頻率附近），保持其他參數都不發生變化，只微調頻率的大小，發現波幅的大小也相應地發生變化，其中當頻率為32.40 Hz時，波幅最大，此時頻率為共振頻率；其他大于或者小于這個頻率時，波幅都不是最大。

圖3 頻率與波幅變化關系

根據大腦的“雙重編碼理論”，視覺的“表象”（演示實驗的現象）與“語義”表征（語言文字的描述）概念發生了有效關聯，因此對于共振頻率這個概念理解會更直觀也更深刻。

（2）前測與后測題目。在教學實施過程中提出前測問題：“通過觀看演示現象，達到共振頻率時，此時駐波的振幅是最大還是最小，還是不變？”這個為共振干涉法實驗中講解如何快速尋找共振頻率打下基礎。后測題目是：“尋找共振頻率時觀察的是發射波的信號還是接收波的信號？你是如何快速尋找到共振頻率的？”

2.3 可視聲速變化演示實驗［11］幫助學生預判探索

（1）演示實驗前學生的習慣性思維。聲速測量實驗的拓展內容［12-14］——顆粒物質中聲速大小探究實驗，開始探究前，提出一個問題：“你覺得顆粒物質中聲速與空氣中聲速相比誰大？”此時幾乎所有學生的答案都是顆粒物質中聲速比空氣中大的錯誤結論。因為按照學生的認知，他們認為水中聲速比空氣中大，固體中的聲速比水中的大，則復合介質顆粒物質中聲速肯定比空氣中大。

（2）演示實驗幫助學生建立探究性思維。進行演示實驗，把可視聲速變化演示儀其中一組探頭間放入小顆粒物質測試袋，結果發現，黃顏色波峰相對空氣中時的波峰位置發生了右移，如圖4 所示。根據時差法原理［15-16］，兩換能器之間的距離L 沒發生變化，而相對光標鍵的波包發生了右移，即示波器上水平方向顯示的時間變長，因此就可以判斷此時放入顆粒物質后聲速變小了，也就得出顆粒物質中的聲速比空氣中聲速小的結論［11］。這種演示實驗是一種可視化教學手段，能充分發揮大腦視覺認知能力與空間計算能力的獨特思維系統。

圖4 可視聲速變化［11］

（3）通過演示實驗預判探索結果，增強學生的自信心。通過簡單演示，看到實驗現象，根據原理預判結論進一步探究，測出數據，驗證結果，最后實驗數據結果顯示和預判一致。如果沒有演示實驗，學生進行探究得出最后的結論是否正確，學生也沒把握。這種通過演示實驗可視化教學手段培養學生提前預判探索結果，最終驗證結果的探究性思維模式，增強了學生的自信心和好奇心，教學效果良好。

2.4 攝像同步教學“場景可視化”教學手段的應用

2.4.1 采用攝像同步教學目的意義

攝像同步教學這是一種“場景可視化”教學手段。這種“場景可視化”是利用我們人類強大的視覺感知力、解析力和記憶力，用視覺方式為學生創建知識情境，讓學生在情境中形成感知、建立體驗，為語義理解提供豐富、清晰、印象深刻的“非語言”信息（即“表象”），以此來促進對“語義信息”的理解。

在實驗教學中，對于儀器講解可以采用視頻或圖片的形式展示給學生，但學生對實驗儀器沒有感性認知情況下，在大腦中建立不了有效關聯，學生希望教師親自講解并親自操作儀器演示的方式，這樣學生接受起來效果更好一些。

但是限于實驗條件限制，16 個人或者20 人圍在一臺儀器面前，顯然有些同學看不到或者看不清楚老師的操作，比如聲速測量實驗中的數字示波器儀器的使用，操作按鈕比較小且按鈕比較多的情況；還有一些實驗儀器比如分光計調節這樣的實驗，由于望遠鏡目鏡鏡筒的口徑很小，教師在調節示范過程中，學生無法觀看到望遠鏡視野中圖像的變化尤其是視野中的重要標志線的調節等。那么如何解決這個問題呢？

把攝像頭直接連接到電子黑板上，或者通過pad無線投屏到電子黑板上，把老師的操作過程和實驗現象同步呈現在電子黑板上，學生可以觀察地更清楚，有問題及時反饋給老師，老師也及時回饋給學生，學生還可以在自己座位上查看實驗儀器，對照老師的講解，這樣學生學習效率會大大提高。

2.4.2 攝像頭自動對焦情況對教學效果的影響

在進行實驗教學過程中，發現攝像頭是否自動對焦對教學效果產生一定的影響。事實上，選擇手動調焦比較好一些，像配有示波器使用的實驗，因為講解過程中會時不時地進行儀器按鈕的操作，這時鏡頭就自動對焦手動的位置，而不是聚焦在目標上。如果調節旋鈕比較多的情況下，這種體驗感就差，會增加許多等待時間。

在聲速實驗測量實驗中，第一次課用自動變焦的鏡頭，結果延后下課，學生也說從模糊到清晰的等待過程有些不舒服。為了緩和當時尷尬的氣氛，我還調侃了一句，這個攝像頭像人一樣“不敲打不成器”，要經常敲打才工作，當時學生還給了我理解的笑容。有時上課的過程就是老師與同學互動和相互理解的過程，這就是教與學之間微妙的關系。

2.4.3 攝像頭對準儀器的范圍操作效果的影響

攝像頭對準單臺實驗儀器使用效果好一些，而多臺實驗儀器就存在問題。因為當儀器參數設置和實驗現象展示在不同儀器上時，為了讓同學們能直觀的觀察，需要將鏡頭不停地在多臺儀器之間轉換，這樣攝像頭移動就帶來視覺上不停轉換，學生感覺就有些不舒服。為了獲得更好的教學效果或者學生體驗舒服一些，可以使用廣角鏡頭，顯示的畫面就多一些，但是這樣圖像就顯得小了一些，離屏幕遠的同學數字看不清楚，也會有不舒服的感受。以后的教學中可嘗試用多個攝像頭，形成組合畫面，這樣效果會更好。

3 可視化教學手段實施效果與討論

3.1 前測、后測題目統計結果分析

對前測題，通過觀看駐波演示儀回答換能器共振頻率時，選振幅最大這個正確答案的幾乎為100%；而后測題目，90%以上的周四上課同學會回答是通過觀察反射波，并且是當連續調節頻率時，發現反射波的振幅最大時，此時就是所需要找的共振頻率。而對沒有觀看駐波演示實驗現象的周一上課同學，僅僅通過在講解共振干涉法實驗，簡單操作給學生演示時，學生對于回答后測題目時，約70%左右的學生回答正確并能順利找到共振頻率。因此演示實驗這種可視化教學手段的運用對學生快速并準確尋找共振頻率起到幫助作用。

3.2 輔助理解共振頻率的問卷調查結果統計

駐波演示對輔助理解共振頻率的作用，對周四上課62 名同學進行了問卷調查，結果如圖5 所示。

圖5 演示實驗統計結果

從圖5 可以看到77.5%的同學認為借助駐波演示儀的演示作用，能很好理解共振頻率，20.9%的同學能較清楚理解，不能理解和很不理解的學生沒有，可以看出借助物理演示可視化的教學手段能直觀的解釋一些物理概念。

3.3 攝像頭應用問卷調查結果統計

攝像頭應用對教學效果的影響，對周四上課的62名同學進行了問卷調查。而且在實驗儀器比較多的聲速測量實驗中使用攝像頭。統計結果如圖6 所示。

圖6 教學效果統計結果

由圖6 可見，79.6%的同學認為使用攝像頭能更清楚地看到老師操作，對理解知識起到良好的作用。還有2.2%的同學反應不如直接看老師的操作更直觀，對于這個反應很正常的，說明這些學生就在老師附近，能直觀看到老師操作，這種效果更好一些，但是在人數較多，而且儀器旋鈕比較多的情況下，大多數學生不可能都能圍在老師身邊，能清楚地看到操作畫面，這比較符合實際情況。當然因為鏡頭在不同的儀器之間轉換，有時儀器距離鏡頭的遠近不同，有些畫面不是很清楚，有極少一部分同學視力不是太好，或者離屏幕遠，效果不是太好，這類學生反應看不清楚，學生占1.6%。

3.4 學生的體會

在問卷調查中設置了一個開放性題目，收集學生其他意見和建議。其中有同學說：“攝像頭應用簡直太好了，不用都擠到老師面前，而是坐在自己的位置上，舒舒服服觀看老師的操作，并且對照著自己桌子上的實驗儀器，這樣邊聽老師講解，邊能看到自己的實驗儀器，這樣印象更深刻一些，特別是對于復雜儀器示波器的使用，這樣學習更直觀一些，這種感覺太棒了。”

3.5 不同時間段學生成績的統計分析

學期結束，把周一和周四上課學生的成績進行統計分析發現，他們成績在不同的分數段存在差異，如圖7 所示。

圖7 學生成績統計結果

因周一和周四上課的同學采用不同教學手段和教學方法，最后他們的實驗成績存在差異。在大于88 分這個區間段周四上課學生高分的人數幾乎是周一上課人數的3 倍，而在小于84 分這個區間的，周四上課的人數也是比周一的上課人數少一些，說明周四上課學生的學習成績好一些。

原因有2 個，①在周四上課教學中使用演示實驗和攝像同步教學可視化手段能讓學生更加迅速理解實驗原理，熟悉實驗儀器，實驗操作完成就順利；②在聲速拓展內容的探索研究中，因為利用可視聲速演示實驗讓學生預判實驗結果，最后實驗結論就相對周一上課同學準確得多。

4 結語

物理演示實驗、攝像同步教學可視化手段應用需要根據教學實際情況決定，針對攝像頭應用，當上課學生人數不超過10 人時，在實驗儀器操作功能講解時，可以不用攝像頭，采用學生直接圍觀的形式，效果也不錯。當然對于分光計這樣的實驗，還是使用攝像頭技術實現同步教學演示分光計視野內圖像的方式比較好。

總之，從學生調查問卷，前測與后測問題反饋情況以及對照組實驗最終成績存在差異可以看出，這種可視化教學手段確實可以提高物理實驗教學效果，并得到同學們的普遍認可。

依據腦科學理論，可視化教學手段如果運用恰當的話能極大減輕學生的認知負荷，提高學生學習效率，從而能提高教學效果的作用。基于腦科學理論的這一應用研究同樣適用于其他教學領域，值得推廣。