基于知識(shí)可視化的物理實(shí)驗(yàn)課程導(dǎo)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)研究

張 慧 姚琴芬

(江蘇開放大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是一門理實(shí)一體化基礎(chǔ)性公共課程。對(duì)于大一階段學(xué)生的學(xué)習(xí)能力養(yǎng)成起到了非常關(guān)鍵的引導(dǎo)作用，也對(duì)后續(xù)一些專業(yè)課程的教學(xué)模式的展開做了前期鋪墊。改進(jìn)和提升物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效果的策略與工具是一個(gè)重要的教學(xué)研究方向。

1 物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的現(xiàn)狀與問題

伴隨著高考制度規(guī)則和人才培養(yǎng)規(guī)劃的改革和調(diào)整，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與專業(yè)的結(jié)合，現(xiàn)代教育信息技術(shù)的變革發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨了一些新問題，需要新探索和研究。

1.1 學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ζ瘘c(diǎn)比較低，學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力不足，需要引入一些新的內(nèi)容呈現(xiàn)方式和工具幫助學(xué)生盡快地適應(yīng)新變化

學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΠA(chǔ)的實(shí)驗(yàn)儀器操作、觀察、數(shù)據(jù)處理能力和高階的研究解決問題、綜合和創(chuàng)新能力。由于高中階段教學(xué)側(cè)重、實(shí)驗(yàn)條件、高考模式的差異，高職學(xué)生基礎(chǔ)能力一般，高階能力基本是空白。通過教學(xué)觀察和個(gè)別訪談，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生受限于個(gè)人基礎(chǔ)薄弱，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、儀器應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理等課程內(nèi)容理解有限，特別是預(yù)習(xí)階段，還是停留在復(fù)制內(nèi)容的階段，導(dǎo)致把實(shí)驗(yàn)課劃歸到無用課程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和報(bào)告存在抄襲現(xiàn)象，由于缺少主動(dòng)性的思考綜合，導(dǎo)致學(xué)習(xí)收獲少、成就感低。因此有必要在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中引入如何進(jìn)行有效學(xué)習(xí)的方法和工具。

1.2 物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)課程在高職人才培養(yǎng)計(jì)劃中的權(quán)重有所調(diào)整

實(shí)驗(yàn)課程實(shí)行項(xiàng)目分組制，單個(gè)項(xiàng)目課時(shí)分配是2學(xué)時(shí)，對(duì)于理論理解和實(shí)操技巧復(fù)雜的項(xiàng)目，課堂時(shí)間分配非常緊張，需要引入一些新模式和技術(shù)手段輔助教學(xué)。在教學(xué)內(nèi)容和質(zhì)量要有一定保障的前提下，需要教師花費(fèi)更多的時(shí)間和精力進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，特別是在課前預(yù)習(xí)、課后輔導(dǎo)的導(dǎo)學(xué)階段，進(jìn)行高效的知識(shí)資源整合和呈現(xiàn)，以期達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)效果。

1.3 教學(xué)資源有效利用率和使用效果一般，有對(duì)資源的整合和呈現(xiàn)方式做一些研究和改進(jìn)的必要

實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源來源一般有以下3種：自開發(fā)資源，采購(gòu)資源庫，網(wǎng)絡(luò)免費(fèi)資源。自開發(fā)資源的課程針對(duì)性很強(qiáng)，但是系統(tǒng)性有所不足；購(gòu)買的實(shí)驗(yàn)資源庫的優(yōu)點(diǎn)是大而全，但是內(nèi)容和結(jié)構(gòu)布局的針對(duì)性有所欠缺，與課程內(nèi)容設(shè)計(jì)變化的需求不太匹配。網(wǎng)絡(luò)免費(fèi)資源豐富而有時(shí)效性，但是分布是碎片化的，質(zhì)量良莠不齊，需要進(jìn)行篩選修改后，再整合到現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容中加以利用。實(shí)際教學(xué)中這3類資源互為補(bǔ)充，非常需要一種模式或者工具，能夠輔助教師進(jìn)行有效簡(jiǎn)便的資源整合和知識(shí)呈現(xiàn)。

1.4 物理實(shí)驗(yàn)課程中多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和教學(xué)內(nèi)容具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，利用思維導(dǎo)圖等可視化工具建構(gòu)兩者之間的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于增進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解

理論課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常分屬于兩個(gè)學(xué)期，時(shí)間上的非同步性易導(dǎo)致記憶遺忘，以往的課程教學(xué)要么花費(fèi)較多的時(shí)間在理論的回顧講解上，要么蜻蜓點(diǎn)水一帶而過，無法同時(shí)兼顧到既讓學(xué)生有比較扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又能給予充足的時(shí)間做思考嘗試設(shè)計(jì)操作。思維導(dǎo)圖可視化是促進(jìn)知識(shí)回憶再現(xiàn)的有效工具。一方面，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，利用思維導(dǎo)圖(如概念圖、因果圖等)可以通過結(jié)構(gòu)化的知識(shí)可視化方式展示、梳理清楚理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)之間的邏輯關(guān)聯(lián)，并整合相關(guān)的學(xué)習(xí)資源，在課前和課后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，為實(shí)驗(yàn)做好充分的知識(shí)儲(chǔ)備。另一方面，在理論課教學(xué)時(shí)，利用思維導(dǎo)圖建構(gòu)起關(guān)鍵定理規(guī)律與相關(guān)實(shí)驗(yàn)之間的知識(shí)可視化網(wǎng)絡(luò)，并整合入演示與仿真實(shí)驗(yàn)資源，可以規(guī)避空洞枯燥的理論闡述。例如：霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中涉及到電流與電子速度的關(guān)系，運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)電荷在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，力的平衡，電勢(shì)差的形成等教學(xué)內(nèi)容，可以用思維導(dǎo)圖串聯(lián)展示形成各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的內(nèi)在規(guī)律基礎(chǔ)。

2 教育領(lǐng)域可視化理論研究與工具

2.1 可視化、知識(shí)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(fù)雜的事件、過程、關(guān)系用圖形、圖畫等形式，以形象圖解的方式展現(xiàn)出來。在不同研究領(lǐng)域有各自的內(nèi)涵、模式和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，可視化(visualization)是指利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。與物理學(xué)科關(guān)系緊密的應(yīng)用分支是科學(xué)計(jì)算可視化(visualization in scientific computing)。它能夠把科學(xué)數(shù)據(jù)變?yōu)橹庇^的、以圖形圖像信息表示的、隨時(shí)間和空間變化的物理現(xiàn)象或物理量呈現(xiàn)在研究者面前，使他們能夠方便觀察、模擬和計(jì)算。

知識(shí)可視化(knowledge visualization)是在科學(xué)計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)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(shí)可視化——通向一個(gè)新的學(xué)科及其應(yīng)用領(lǐng)域》中提出了知識(shí)可視化的定義，即“一般來說，知識(shí)可視化領(lǐng)域研究的是視覺表征在改善兩個(gè)或兩個(gè)以上人之間知識(shí)創(chuàng)造和傳遞中的應(yīng)用。因此，知識(shí)可視化是指所有可以用來建構(gòu)和傳遞復(fù)雜見解的圖解手段?！敝R(shí)可視化是一種利用視覺感知上的生理和心理規(guī)律并結(jié)合視覺表征手段，促進(jìn)個(gè)體與個(gè)體、個(gè)體與群體以及群體之間知識(shí)的傳播和創(chuàng)新[1,2]。

2) 知識(shí)可視化的建構(gòu)方法

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

(2) 概念圖。概念圖技術(shù)是20世紀(jì)60年代由美國(guó)康奈爾大學(xué)JosephD．Novak教授等提出。在概念圖中，用箭頭、連線將各個(gè)概念節(jié)點(diǎn)連接起來，并且配合連接詞來表示概念之間的相互關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的表示和組織結(jié)構(gòu)化。這種對(duì)抽象觀點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性描述，可以構(gòu)造信息和闡明關(guān)系，有助于對(duì)抽象概念及概念間的相互聯(lián)系進(jìn)行直觀形象的理解。

(3) 認(rèn)知地圖。認(rèn)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(jié)點(diǎn)，并將其相互連接起來。認(rèn)知地圖節(jié)點(diǎn)之間有連接線，但是沒有連接詞，不具有鮮明的層級(jí)關(guān)系，這是它與概念圖的重要區(qū)別之處。

(4) 思維地圖。思維地圖是David Hyerle博士在1988年為幫助學(xué)生學(xué)習(xí)而開發(fā)的可視化表述語言工具，通過在知識(shí)內(nèi)容之間創(chuàng)建聯(lián)系，從而達(dá)到幫助認(rèn)知結(jié)構(gòu)建構(gòu)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(fù)流程圖和樹形圖8種形式訓(xùn)練人的比較和對(duì)比、排序、歸類、因果推理等認(rèn)知技巧，從而提升學(xué)習(xí)者的問題解決能力和高級(jí)思維能力[3]。

3) 知識(shí)可視化的理論基礎(chǔ)

(1) 雙重編碼理論。以視覺和語言兩種形式同時(shí)呈現(xiàn)信息能夠增強(qiáng)大腦的記憶和識(shí)別功能。腦科學(xué)研究表明，左右腦的功能分工是不對(duì)稱的，信息主要是通過視覺通道獲得的，并且人類對(duì)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(shí)可視化將知識(shí)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(fā)思維的產(chǎn)生。

(2) 圖式理論。圖形組織者有多種展示模式：層級(jí)的，概念的，序列的，評(píng)價(jià)的，相關(guān)的，循環(huán)的等等。在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，教師在分析原有知識(shí)能力起點(diǎn)與學(xué)習(xí)者類型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選擇合適的可視化知識(shí)展示模式，提高學(xué)習(xí)者獲取、理解和應(yīng)用知識(shí)的能力。

(3) 知識(shí)管理理論。知識(shí)管理是一種對(duì)知識(shí)、知識(shí)創(chuàng)造過程和知識(shí)的應(yīng)用進(jìn)行規(guī)劃和管理的活動(dòng)，是從“知識(shí)獲取、知識(shí)整理和保存、知識(shí)分享、知識(shí)利用和創(chuàng)新”的循環(huán)螺旋上升的系統(tǒng)[4]。知識(shí)形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，需要一種視覺化模型來表達(dá)和呈現(xiàn)，通過使用可視化知識(shí)建模語言，可以將內(nèi)在的知識(shí)記錄轉(zhuǎn)化為形象直觀的圖形化文檔，有利于對(duì)知識(shí)的思考、輸出、分享、實(shí)踐、內(nèi)化，最終實(shí)現(xiàn)利用知識(shí)、創(chuàng)造價(jià)值的目的。

2.2 可視化軟件工具簡(jiǎn)介

1) 思維導(dǎo)圖軟件

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

2) 科學(xué)數(shù)據(jù)可視化軟件

數(shù)學(xué)和工程領(lǐng)域廣泛使用的可視化軟件有Matlab、Mathematica、Origin等，Mathematica是Wolfram Research開發(fā)的一款技術(shù)性計(jì)算(Technical Computing)軟件。它很好地結(jié)合了數(shù)值和符號(hào)計(jì)算引擎、圖形系統(tǒng)、編程語言、文本系統(tǒng)和與其他應(yīng)用程序的高級(jí)連接[6]。本文中案例選用Mathematica作為數(shù)據(jù)可視化工具。

表1 Mindmanager與Xmind基本信息對(duì)照表

(1) 語法統(tǒng)一、優(yōu)美，符號(hào)計(jì)算能力強(qiáng)大；

(2) 使用最先進(jìn)的計(jì)算美學(xué)和設(shè)計(jì)原理，界面和繪圖美觀，可視化效果強(qiáng)大；

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

(4) 官網(wǎng)參考資料中心有15萬多個(gè)范例，將近1萬個(gè)開源演示項(xiàng)目，豐富的演示教學(xué)視頻和學(xué)習(xí)主題測(cè)試；

(5) 有大量的物理模塊仿真并附有源程序?qū)С觯梢灾苯討?yīng)用于教學(xué)。例如示波器實(shí)驗(yàn)中李薩如圖動(dòng)態(tài)仿真，通過交互方式，直觀形象地預(yù)演出疊加前后的頻率、振幅、相位變化與輸出圖形的關(guān)系。

3 基于可視化的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施策略和案例研究

實(shí)驗(yàn)過程本質(zhì)上就是從“抽象-形象-抽象”的螺旋上升的知識(shí)循環(huán)，可視化課程教學(xué)改革的目的是以學(xué)生能力培養(yǎng)為目標(biāo)，幫助學(xué)生澄清思路、加強(qiáng)理解，促進(jìn)顯性知識(shí)的組織結(jié)構(gòu)化和隱性知識(shí)的顯性化，并能掌握運(yùn)用一種簡(jiǎn)便有效的學(xué)習(xí)策略和工具，從而激發(fā)創(chuàng)新性思維。

一方面，可視化在優(yōu)化教師教學(xué)和知識(shí)資源整合層面，促進(jìn)基礎(chǔ)類學(xué)習(xí)資源的結(jié)構(gòu)化和可拓展化，并且從過程控制的角度，可視化知識(shí)展示輔助形象與抽象內(nèi)容的轉(zhuǎn)換連接。另一方面，可視化助力學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)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(shù)解決數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和分析問題，有條不紊地做好實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)規(guī)劃和項(xiàng)目實(shí)施預(yù)案等。

3.1 設(shè)計(jì)策略

結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，理實(shí)結(jié)合的特征，呈現(xiàn)清晰項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，突出重點(diǎn)難點(diǎn)的需求[7]，區(qū)別于一般的思維導(dǎo)圖，視覺設(shè)計(jì)還要遵循合理適度的原則。

1) 結(jié)構(gòu)性

針對(duì)實(shí)驗(yàn)自身特點(diǎn)和總結(jié)以往學(xué)生通常會(huì)理解不透徹的要點(diǎn)和易于出錯(cuò)的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同框架結(jié)構(gòu)圖，展示項(xiàng)目結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)思路，引導(dǎo)學(xué)生積累針對(duì)不同問題整理思路的方法，同時(shí)兼顧內(nèi)容的展示和形式的靈活多變。

(1) 主體框架結(jié)構(gòu)層級(jí)清晰統(tǒng)一與分支拓展模塊結(jié)構(gòu)靈活多變相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按難度層次主要分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。先將實(shí)驗(yàn)的各個(gè)模塊、流程、要點(diǎn)、難點(diǎn)用思維導(dǎo)圖鳥瞰形式展現(xiàn)出來，遵循中心明確，集中發(fā)散、思路清晰，層級(jí)展開、圖文配合、立體可現(xiàn)的原則[7]。每種層次實(shí)驗(yàn)有相對(duì)固定的布局模式，根據(jù)視覺感知規(guī)律設(shè)計(jì)導(dǎo)圖的布局和走向，例如在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)的總體布局上，原理、操作、數(shù)據(jù)處理主分支適合布局在右側(cè)，知識(shí)拓展、分析與思考主分支適于布局在左側(cè)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)正好相反。

(2) 根據(jù)項(xiàng)目的具體難點(diǎn)和要點(diǎn)差異選擇組織結(jié)構(gòu)展現(xiàn)模式。對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理中的物理量和方法部分適合概念圖表征知識(shí)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系；實(shí)際操作流程部分適合采用流程圖或者魚骨圖模式。同時(shí)還要注意到一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)：節(jié)點(diǎn)、分支、關(guān)聯(lián)線展示知識(shí)點(diǎn)和相互關(guān)系；標(biāo)簽、圖標(biāo)、鏈接、附件做提示和指導(dǎo)說明，連線顏色，線型，各主題顏色形狀設(shè)置層次分明。

2) 整合性

(1) 整合碎片化資源。用導(dǎo)圖將積累的教學(xué)素材、學(xué)習(xí)的思維方法、獲取資源的途徑等等學(xué)習(xí)資源以文字、圖片、動(dòng)畫、視頻、媒體、插件、鏈接等形式進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)資源有效集成和共享[8]。碎片化資源具有時(shí)效性，依據(jù)資源的生命周期，可以方便對(duì)導(dǎo)圖進(jìn)行重組、整合和拓展。

圖1 鳥瞰項(xiàng)目思維導(dǎo)圖與部分分支導(dǎo)圖

(2) 整合有序性資源。利用導(dǎo)圖對(duì)于操作調(diào)試流程復(fù)雜的過程進(jìn)行分解步驟視頻串聯(lián)，例如邁克耳孫干涉儀、分光計(jì)一類的光學(xué)類實(shí)驗(yàn)，儀器的調(diào)校是比較精細(xì)繁瑣的，用視頻和動(dòng)畫來預(yù)演調(diào)校的過程是非常高效的教學(xué)手段，但是如果將整個(gè)過程拍攝成單個(gè)視頻的時(shí)長(zhǎng)太長(zhǎng)，會(huì)引發(fā)視覺疲勞和思維倦??；同時(shí)不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需要做出的調(diào)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(dǎo)圖節(jié)點(diǎn)、流程進(jìn)行串聯(lián)，實(shí)操的指導(dǎo)性會(huì)更強(qiáng)，有利于學(xué)生理解、歸納、思考。

3) 交互性

交互性設(shè)計(jì)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(xué)生做支架的模式來實(shí)現(xiàn)。(1)教師預(yù)設(shè)問題，學(xué)生做支架完善。在導(dǎo)圖框架中由教師根據(jù)重點(diǎn)信息傳達(dá)的導(dǎo)向需要選擇設(shè)計(jì)問題，主要是檢驗(yàn)學(xué)生知識(shí)點(diǎn)預(yù)習(xí)掌握情況，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注需要觀察的現(xiàn)象和深入思考的問題。(2)學(xué)生自主提問，教師給予反饋。包含在仿真模塊、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)分析模塊、實(shí)驗(yàn)方法反思過程中遇到的學(xué)習(xí)障礙問題或者通過導(dǎo)圖引導(dǎo)的發(fā)散性思維而產(chǎn)生的新問題和新思路等。

3.2 案例設(shè)計(jì)

本案例是以弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，進(jìn)行了基于知識(shí)和數(shù)據(jù)可視化的整體和分支導(dǎo)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)。

1) 鳥瞰開放式思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)

通過導(dǎo)圖(圖1)展現(xiàn)單個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的全貌鳥瞰，教師搭框架，學(xué)生做支架，突破原有實(shí)驗(yàn)教材和教學(xué)內(nèi)容的時(shí)空限制，形成比較完整的知識(shí)呈現(xiàn)和流動(dòng)[9,10]。同時(shí)，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫作要求，對(duì)導(dǎo)圖部分分支進(jìn)行修改、刪除、添加操作后，就可以直接導(dǎo)出成結(jié)構(gòu)完整、層級(jí)分明的word文檔格式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖中將項(xiàng)目?jī)?nèi)容分為8大主分支：研究對(duì)象、方法設(shè)計(jì)、調(diào)試與測(cè)量、數(shù)據(jù)與分析、仿真實(shí)驗(yàn)、知識(shí)拓展、問題與思考、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求。每條主分支包含多層級(jí)的相關(guān)內(nèi)容分支，部分分支用關(guān)聯(lián)線實(shí)現(xiàn)跨分支的關(guān)系結(jié)構(gòu)，分支項(xiàng)目根據(jù)內(nèi)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(biāo)簽等信息對(duì)分支進(jìn)行了分類。其中部分主分支模塊說明如下：

(1) 研究對(duì)象?！安栐永碚摗薄案ヌm克赫茲實(shí)驗(yàn)”分支對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目做了初步的知識(shí)點(diǎn)解析，“關(guān)注與思考”和“實(shí)驗(yàn)任務(wù)”分支引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注和把握具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)，并插入了相關(guān)圖片、鏈接和備注信息配合知識(shí)呈現(xiàn)。

(2) 方法設(shè)計(jì)。通過雙分支對(duì)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(dòng)畫演示附件；“實(shí)驗(yàn)裝置”分支從基本電路原理和電路改進(jìn)設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理做了展示和分析；通過附件微視頻對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了解剖式的實(shí)物展示、基本功能與操作說明，達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)興趣的目的。

圖2 弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)操作流程圖

該實(shí)驗(yàn)涉及的參量較多，學(xué)生容易發(fā)生概念理解混淆，因此把實(shí)驗(yàn)參量進(jìn)行了分支分類處理：環(huán)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(yīng)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(xué)生明晰實(shí)驗(yàn)需要觀察研究的重點(diǎn)參量關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步關(guān)注和思考環(huán)境參量變化對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響?！艾F(xiàn)象預(yù)測(cè)”是通過仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的課前預(yù)操作對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)果進(jìn)行預(yù)推測(cè)，這部分是由學(xué)生自主完成分支內(nèi)容。

(3) 調(diào)試與測(cè)量。通過“弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)操作流程圖”(圖2)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)施實(shí)驗(yàn)操作，并能依據(jù)該圖對(duì)不同觀察結(jié)果做出對(duì)初始環(huán)境參數(shù)的微調(diào)，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的要求?！皵?shù)據(jù)記錄表”給出了標(biāo)準(zhǔn)的Excel格式模板，是為后續(xù)Mathematica導(dǎo)入數(shù)據(jù)、做分析和可視化處理提供統(tǒng)一記錄格式。

(4) 數(shù)據(jù)與分析。首先通過前兩個(gè)分支，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參量關(guān)系分為非線性關(guān)系(Ug2k與Uout)和線性關(guān)系(峰值序號(hào)n與峰值電壓U)，利用Mathematica進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入提取、可視化處理和分析：非線性關(guān)系使用插值擬合曲線函數(shù)處理，線性關(guān)系數(shù)據(jù)使用最小二乘法直線回歸擬合函數(shù)處理，并給出了具體程序?qū)崿F(xiàn)的流程圖(圖3、圖4)和源程序范例(表2)。

第三分支引導(dǎo)學(xué)生在以上學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，模仿和重組關(guān)鍵函數(shù)，可視化分析反向電壓Ug2p和爐溫T的變化分別對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的影響，引導(dǎo)學(xué)生完善第四分支中的誤差分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)論以及問題與思考模塊的分支支架內(nèi)容。

(5) 知識(shí)拓展。第一分支將概念圖(圖11)和視頻解說附件相結(jié)合，對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的理論基礎(chǔ)推演進(jìn)行了層級(jí)化的知識(shí)結(jié)構(gòu)展示?！翱焖偃腴T”提供了Mathematica軟件的入門教程及視頻鏈接，可以幫助學(xué)生快速上手軟件的常規(guī)基本使用方法?！斑M(jìn)階和示例”分支對(duì)本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)中涉及的數(shù)據(jù)處理相關(guān)類型和函數(shù)提供了針對(duì)性的官網(wǎng)鏈接和示例演示，能幫助學(xué)生快速定位軟件編程知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)延伸內(nèi)容。

圖3 非線性數(shù)據(jù)擬合及動(dòng)態(tài)關(guān)系數(shù)據(jù)處理魚骨圖

圖4 直線擬合與誤差參數(shù)計(jì)算流程圖

2) 實(shí)驗(yàn)操作流程圖設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)操作流程具有時(shí)間上的延續(xù)性和前后環(huán)節(jié)的邏輯關(guān)聯(lián)性，流程圖(圖2)設(shè)計(jì)模式有利于將其中關(guān)鍵性環(huán)節(jié)的判斷、思考和應(yīng)對(duì)策略等這些隱性的、經(jīng)驗(yàn)性的知識(shí)呈現(xiàn)出來，更加形象直觀地引導(dǎo)學(xué)生觀察和操作。該實(shí)驗(yàn)操作涉及比較多的環(huán)境參數(shù)設(shè)定，并且需要學(xué)生針對(duì)觀察到的不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化現(xiàn)象作出對(duì)初始環(huán)境參數(shù)的微小調(diào)整判斷[11]，流程圖有利于梳理出前后的因果聯(lián)動(dòng)關(guān)系與規(guī)律，并且重要節(jié)點(diǎn)配有視頻演示附件。

表2 非線性數(shù)據(jù)擬合及動(dòng)態(tài)關(guān)系數(shù)據(jù)處理源程序

3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化處理分析導(dǎo)學(xué)魚骨圖設(shè)計(jì)

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)擬合和分析是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，最小二乘法做線性擬合是在物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中常用的方法，例如在弗蘭克-赫茲、楊氏模量、霍爾效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)中都會(huì)涉及這種數(shù)據(jù)處理方式，利用科學(xué)數(shù)據(jù)可視化軟件Mathematica輔助數(shù)據(jù)處理，可以達(dá)到減少繁瑣的數(shù)據(jù)計(jì)算，將枯燥的散點(diǎn)數(shù)據(jù)可視化，描繪出的圖形直觀、美觀，方便透視出實(shí)驗(yàn)測(cè)量參量的內(nèi)在關(guān)系，不但易于學(xué)生分析和掌握其中的規(guī)律，而且也有助于增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)分析思考的技能。

初學(xué)一門軟件最有效的學(xué)習(xí)方法就是看實(shí)例、觀演示效果、做模仿、再思考、推演、提升進(jìn)階。利用魚骨圖搭建學(xué)習(xí)思路，分解運(yùn)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(guān)函數(shù)命令使用方法和實(shí)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(jié)合，一圖展現(xiàn)方法全貌。

(1) 非線性數(shù)據(jù)擬合及動(dòng)態(tài)關(guān)系數(shù)據(jù)處理魚骨圖(圖3、圖4)。將加速電壓與輸出Uout關(guān)系曲線數(shù)據(jù)可視化處理[12-14]分解為4個(gè)步驟：數(shù)據(jù)導(dǎo)入、格式化、用插值函數(shù)做非線性擬合曲線、做散點(diǎn)曲線擬合動(dòng)態(tài)圖(圖5、圖6)。每步驟分為操作演示、源程序(表2)、命令參數(shù)說明三部分進(jìn)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(tài)曲線

圖6 非線性擬合動(dòng)態(tài)關(guān)系運(yùn)行結(jié)果圖

(2) 直線擬合與誤差參數(shù)計(jì)算流程圖設(shè)計(jì)。本案例中的尋峰操作由于非線性的散點(diǎn)數(shù)據(jù)無法通過尋峰函數(shù)FindPeaks直接尋峰，也無法通過對(duì)擬合的插值函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)等于零并且二階導(dǎo)數(shù)小于零的方式尋峰，考慮到方便學(xué)生進(jìn)行直觀地學(xué)習(xí)和理解，采用的解決思路是：先繪制出帶數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)簽提示的插值擬合曲線，再通過放大峰點(diǎn)位置的方式，手動(dòng)識(shí)別出各峰值點(diǎn)的位置和測(cè)量參數(shù)值[14]。

直線擬合可以用兩種不同的函數(shù)方法實(shí)現(xiàn)：方法一是使用LinearModelFit函數(shù)并配合該函數(shù)的屬性輸出設(shè)置實(shí)現(xiàn)；方法二是綜合Fit、Correlation、D三種函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

兩種方法各有優(yōu)勢(shì)：方法一中的LinearModelFit函數(shù)可以通過屬性獲取豐富的擬合計(jì)算參數(shù)，快速簡(jiǎn)潔，適合數(shù)學(xué)和軟件掌握較好的學(xué)生；方法二涉及的3種函數(shù)使用都比較簡(jiǎn)單易理解，適合基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生。設(shè)計(jì)圖(圖4)分別對(duì)直線擬合實(shí)現(xiàn)的兩種方法進(jìn)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(guān)命令參數(shù)解析鏈接、備注等。參考源程序(表3)與運(yùn)行結(jié)果(圖7、圖8)。

(3) 其他數(shù)據(jù)可視化源程序與運(yùn)行結(jié)果說明?！皵?shù)據(jù)與分析”中的其他參數(shù)相關(guān)性分析[15]還涉及反向拒斥電壓Ug2p對(duì)Uout位置影響、爐溫T對(duì)Uout位置影響關(guān)系兩個(gè)分支，參照以上的源程序代碼稍作修改和重組，即可做出數(shù)據(jù)展示分析圖，這兩個(gè)分支是要求學(xué)生學(xué)習(xí)前面分支導(dǎo)學(xué)的內(nèi)容后，自主做支架的部分，參考源程序(表4)和運(yùn)行結(jié)果(圖9、圖10)。

表3 尋峰、直線擬合、繪圖數(shù)據(jù)分析

圖7 繪制殘差結(jié)果圖

圖8 直線擬合曲線與點(diǎn)集圖結(jié)果

表4 Hg管拒斥電壓Ug2p、爐溫T與Uout關(guān)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(duì)比圖

圖10 Hg管不同爐溫T輸出Uout曲線對(duì)比圖

4) 原子模型與波爾理論的概念圖設(shè)計(jì)

波爾的理論假設(shè)是原子模型結(jié)構(gòu)修正建立過程中的一個(gè)重要的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，通過概念圖(圖11)設(shè)計(jì)，將原子模型建立與發(fā)展的推演修正過程、相關(guān)標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)、研究理論的進(jìn)步與局限進(jìn)行可視化展示，幫助學(xué)生有序整理分散的知識(shí)點(diǎn)并建構(gòu)知識(shí)框架。

圖11 原子模型概念圖

4 結(jié)語與展望

運(yùn)用可視化工具軟件的教學(xué)導(dǎo)學(xué)設(shè)計(jì)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得了比較理想的教學(xué)效果反饋。通過問卷調(diào)查和個(gè)別訪談形式，基于知識(shí)可視化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)模式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度改善和學(xué)習(xí)能力提升起到了比較積極的作用效果。我們對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)班全部共計(jì)112名學(xué)生發(fā)放了問卷調(diào)查表，收到有效反饋問卷數(shù)量為110份，有70.9%的學(xué)生表示學(xué)習(xí)興趣和驅(qū)動(dòng)力有提升，68.2%的學(xué)生表示學(xué)習(xí)成就感增強(qiáng)，75.4%的學(xué)生表示自學(xué)和探究性學(xué)習(xí)的能力有提高，80%的學(xué)生表示應(yīng)用學(xué)習(xí)工具解決實(shí)際問題的能力有改善。任課教師反饋學(xué)生實(shí)驗(yàn)知識(shí)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量有顯著改善。通過隨機(jī)個(gè)別訪談，也有部分學(xué)生反饋學(xué)習(xí)的難度有所增大，所以在具體的內(nèi)容和策略設(shè)計(jì)方面，還需做持續(xù)性的優(yōu)化和完善研究。

隨著5G時(shí)代的到來，在線數(shù)據(jù)可視化、云計(jì)算、在線導(dǎo)圖、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用普及，可以預(yù)測(cè)線上線下的技術(shù)融合會(huì)衍生出更加豐富的知識(shí)可視化的應(yīng)用模式和場(chǎng)景，如何將其與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，形成模型、方法、技術(shù)相結(jié)合的理論和實(shí)踐體系是非常有應(yīng)用價(jià)值的研究方向。