基于知识可视化的物理实验课程导学教学设计研究

张 慧 姚琴芬

(江苏开放大学信息工程学院，江苏 南京 210000)

大学物理实验是一门理实一体化基础性公共课程。对于大一阶段学生的学习能力养成起到了非常关键的引导作用，也对后续一些专业课程的教学模式的展开做了前期铺垫。改进和提升物理实验课程教学效果的策略与工具是一个重要的教学研究方向。

1 物理实验课程教学的现状与问题

伴随着高考制度规则和人才培养规划的改革和调整，实验内容与专业的结合，现代教育信息技术的变革发展，实验教学面临了一些新问题，需要新探索和研究。

1.1 学生的基础实验能力起点比较低，学习驱动力不足，需要引入一些新的内容呈现方式和工具帮助学生尽快地适应新变化

学生的实验能力包含基础的实验仪器操作、观察、数据处理能力和高阶的研究解决问题、综合和创新能力。由于高中阶段教学侧重、实验条件、高考模式的差异，高职学生基础能力一般，高阶能力基本是空白。通过教学观察和个别访谈，发现部分学生受限于个人基础薄弱，对实验设计、仪器应用、数据处理等课程内容理解有限，特别是预习阶段，还是停留在复制内容的阶段，导致把实验课划归到无用课程，实验数据和报告存在抄袭现象，由于缺少主动性的思考综合，导致学习收获少、成就感低。因此有必要在实验课程教学中引入如何进行有效学习的方法和工具。

1.2 物理实验基础课程在高职人才培养计划中的权重有所调整

实验课程实行项目分组制，单个项目课时分配是2学时，对于理论理解和实操技巧复杂的项目，课堂时间分配非常紧张，需要引入一些新模式和技术手段辅助教学。在教学内容和质量要有一定保障的前提下，需要教师花费更多的时间和精力进行教学设计，特别是在课前预习、课后辅导的导学阶段，进行高效的知识资源整合和呈现，以期达到预期的教学目标效果。

1.3 教学资源有效利用率和使用效果一般，有对资源的整合和呈现方式做一些研究和改进的必要

实验教学资源来源一般有以下3种：自开发资源，采购资源库，网络免费资源。自开发资源的课程针对性很强，但是系统性有所不足；购买的实验资源库的优点是大而全，但是内容和结构布局的针对性有所欠缺，与课程内容设计变化的需求不太匹配。网络免费资源丰富而有时效性，但是分布是碎片化的，质量良莠不齐，需要进行筛选修改后，再整合到现有的教学内容中加以利用。实际教学中这3类资源互为补充，非常需要一种模式或者工具，能够辅助教师进行有效简便的资源整合和知识呈现。

1.4 物理实验课程中多个实验项目和教学内容具有内在关联，利用思维导图等可视化工具建构两者之间的知识网络结构，有利于增进学生对知识的理解

理论课和实验教学通常分属于两个学期，时间上的非同步性易导致记忆遗忘，以往的课程教学要么花费较多的时间在理论的回顾讲解上，要么蜻蜓点水一带而过，无法同时兼顾到既让学生有比较扎实的理论基础，又能给予充足的时间做思考尝试设计操作。思维导图可视化是促进知识回忆再现的有效工具。一方面，在实验教学时，利用思维导图(如概念图、因果图等)可以通过结构化的知识可视化方式展示、梳理清楚理论教学内容和实验之间的逻辑关联，并整合相关的学习资源，在课前和课后引导学生进行探究性学习，为实验做好充分的知识储备。另一方面，在理论课教学时，利用思维导图建构起关键定理规律与相关实验之间的知识可视化网络，并整合入演示与仿真实验资源，可以规避空洞枯燥的理论阐述。例如：霍尔效应实验中涉及到电流与电子速度的关系，运动电荷在磁场中的运动，运动电荷在电场中的运动，力的平衡，电势差的形成等教学内容，可以用思维导图串联展示形成各个实验环节的内在规律基础。

2 教育领域可视化理论研究与工具

2.1 可视化、知识可视化概念研究

1) 定义

可视化字面上是“视觉的、形象的”意思，可以理解为将任何抽象和复杂的事件、过程、关系用图形、图画等形式，以形象图解的方式展现出来。在不同研究领域有各自的内涵、模式和技术实现。

在计算机科学领域，可视化(visualization)是指利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。与物理学科关系紧密的应用分支是科学计算可视化(visualization in scientific computing)。它能够把科学数据变为直观的、以图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够方便观察、模拟和计算。

知识可视化(knowledge visualization)是在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域。2004年M.J.埃普拉(M.J.Eppler)和R.A.伯卡德(R.A.Burkhard)共同编写的《知识可视化——通向一个新的学科及其应用领域》中提出了知识可视化的定义，即“一般来说，知识可视化领域研究的是视觉表征在改善两个或两个以上人之间知识创造和传递中的应用。因此，知识可视化是指所有可以用来建构和传递复杂见解的图解手段。”知识可视化是一种利用视觉感知上的生理和心理规律并结合视觉表征手段，促进个体与个体、个体与群体以及群体之间知识的传播和创新[1,2]。

2) 知识可视化的建构方法

(1) 思维导图。思维导图(Mind Mapping TM & Mind MapTM)也称为心智图，是20世纪60年代英国心理学家东尼·博赞(Tony Buzan)发明的一种笔记方法。他认为思维导图是对发散性思维的表达，因此也是人类思维的自然功能。思维导图是一种视觉表征的图形技术，可以挖掘大脑潜能，改善人的思维方式和行为表现。他将思维导图定位为终极的组织性思维工具。

(2) 概念图。概念图技术是20世纪60年代由美国康奈尔大学JosephD．Novak教授等提出。在概念图中，用箭头、连线将各个概念节点连接起来，并且配合连接词来表示概念之间的相互关系，从而实现对知识的表示和组织结构化。这种对抽象观点的结构性描述，可以构造信息和阐明关系，有助于对抽象概念及概念间的相互联系进行直观形象的理解。

(3) 认知地图。认知地图也被称为因果图(causal maps)，是由Ackerman & Eden(2001)提出的，它将“想法”(ideas)作为节点，并将其相互连接起来。认知地图节点之间有连接线，但是没有连接词，不具有鲜明的层级关系，这是它与概念图的重要区别之处。

(4) 思维地图。思维地图是David Hyerle博士在1988年为帮助学生学习而开发的可视化表述语言工具，通过在知识内容之间创建联系，从而达到帮助认知结构建构的目的。通过括弧图、桥接图、气泡图、圆圈图、双气泡图、流程图、复流程图和树形图8种形式训练人的比较和对比、排序、归类、因果推理等认知技巧，从而提升学习者的问题解决能力和高级思维能力[3]。

3) 知识可视化的理论基础

(1) 双重编码理论。以视觉和语言两种形式同时呈现信息能够增强大脑的记忆和识别功能。脑科学研究表明，左右脑的功能分工是不对称的，信息主要是通过视觉通道获得的，并且人类对视觉信息处理的速度、容量、通道并行较之于其他信息表征形式都更加高效。知识可视化将知识以直观、形象的图解方式表示出来，和基于语言的理解相辅相成，激发思维的产生。

(2) 图式理论。图形组织者有多种展示模式：层级的，概念的，序列的，评价的，相关的，循环的等等。在进行教学设计时，教师在分析原有知识能力起点与学习者类型特点的基础上，选择合适的可视化知识展示模式，提高学习者获取、理解和应用知识的能力。

(3) 知识管理理论。知识管理是一种对知识、知识创造过程和知识的应用进行规划和管理的活动，是从“知识获取、知识整理和保存、知识分享、知识利用和创新”的循环螺旋上升的系统[4]。知识形态之间的转化，需要一种视觉化模型来表达和呈现，通过使用可视化知识建模语言，可以将内在的知识记录转化为形象直观的图形化文档，有利于对知识的思考、输出、分享、实践、内化，最终实现利用知识、创造价值的目的。

2.2 可视化软件工具简介

1) 思维导图软件

思维导图软件是利用图形化、形象化的手段来表达人们头脑屮形成的概念、思想和理论的可视化技术工具[5]。它可以将人们大脑中的隐性知识显性化、可视化，方便人们思考、表达，并能促进交流。主流思维导图软件有：Mindmanager、Xmind、Imindmap、Novamind等。本文选用的是Mindmanage和Xmind(见表1)。

2) 科学数据可视化软件

数学和工程领域广泛使用的可视化软件有Matlab、Mathematica、Origin等，Mathematica是Wolfram Research开发的一款技术性计算(Technical Computing)软件。它很好地结合了数值和符号计算引擎、图形系统、编程语言、文本系统和与其他应用程序的高级连接[6]。本文中案例选用Mathematica作为数据可视化工具。

表1 Mindmanager与Xmind基本信息对照表

(1) 语法统一、优美，符号计算能力强大；

(2) 使用最先进的计算美学和设计原理，界面和绘图美观，可视化效果强大；

(3) 代码可读性强，使用直观的类似英文的函数名称和一致明了的设计，代码双行排列，上方为函数名和属性，下方为含义关键词提示和智能帮助信息，没有编程基础也能快速学习；

(4) 官网参考资料中心有15万多个范例，将近1万个开源演示项目，丰富的演示教学视频和学习主题测试；

(5) 有大量的物理模块仿真并附有源程序导出，可以直接应用于教学。例如示波器实验中李萨如图动态仿真，通过交互方式，直观形象地预演出叠加前后的频率、振幅、相位变化与输出图形的关系。

3 基于可视化的实验导学教学设计实施策略和案例研究

实验过程本质上就是从“抽象-形象-抽象”的螺旋上升的知识循环，可视化课程教学改革的目的是以学生能力培养为目标，帮助学生澄清思路、加强理解，促进显性知识的组织结构化和隐性知识的显性化，并能掌握运用一种简便有效的学习策略和工具，从而激发创新性思维。

一方面，可视化在优化教师教学和知识资源整合层面，促进基础类学习资源的结构化和可拓展化，并且从过程控制的角度，可视化知识展示辅助形象与抽象内容的转换连接。另一方面，可视化助力学生基础实验能力的培养和提高：多视角处理问题的思考模式，利用可视化的信息技术解决数据呈现和分析问题，有条不紊地做好实验课程学习规划和项目实施预案等。

3.1 设计策略

结合实验课程内容逻辑严谨，理实结合的特征，呈现清晰项目结构，突出重点难点的需求[7]，区别于一般的思维导图，视觉设计还要遵循合理适度的原则。

1) 结构性

针对实验自身特点和总结以往学生通常会理解不透彻的要点和易于出错的难点，设计不同框架结构图，展示项目结构和学习思路，引导学生积累针对不同问题整理思路的方法，同时兼顾内容的展示和形式的灵活多变。

(1) 主体框架结构层级清晰统一与分支拓展模块结构灵活多变相结合。实验项目按难度层次主要分为基础性实验、综合性实验、设计性实验。先将实验的各个模块、流程、要点、难点用思维导图鸟瞰形式展现出来，遵循中心明确，集中发散、思路清晰，层级展开、图文配合、立体可现的原则[7]。每种层次实验有相对固定的布局模式，根据视觉感知规律设计导图的布局和走向，例如在基础性实验和综合性实验的总体布局上，原理、操作、数据处理主分支适合布局在右侧，知识拓展、分析与思考主分支适于布局在左侧，设计性实验正好相反。

(2) 根据项目的具体难点和要点差异选择组织结构展现模式。对于实验原理中的物理量和方法部分适合概念图表征知识节点之间的关系；实际操作流程部分适合采用流程图或者鱼骨图模式。同时还要注意到一些细节设计：节点、分支、关联线展示知识点和相互关系；标签、图标、链接、附件做提示和指导说明，连线颜色，线型，各主题颜色形状设置层次分明。

2) 整合性

(1) 整合碎片化资源。用导图将积累的教学素材、学习的思维方法、获取资源的途径等等学习资源以文字、图片、动画、视频、媒体、插件、链接等形式进行整合，实现资源有效集成和共享[8]。碎片化资源具有时效性，依据资源的生命周期，可以方便对导图进行重组、整合和拓展。

图1 鸟瞰项目思维导图与部分分支导图

(2) 整合有序性资源。利用导图对于操作调试流程复杂的过程进行分解步骤视频串联，例如迈克耳孙干涉仪、分光计一类的光学类实验，仪器的调校是比较精细繁琐的，用视频和动画来预演调校的过程是非常高效的教学手段，但是如果将整个过程拍摄成单个视频的时长太长，会引发视觉疲劳和思维倦怠；同时不同的实验现象，需要做出的调整方法是具有多样性和灵活性的，将操作视频分解成小步骤，用导图节点、流程进行串联，实操的指导性会更强，有利于学生理解、归纳、思考。

3) 交互性

交互性设计主要是增加课前和课后的问题交流和反思，主要是通过教师搭框架，学生做支架的模式来实现。(1)教师预设问题，学生做支架完善。在导图框架中由教师根据重点信息传达的导向需要选择设计问题，主要是检验学生知识点预习掌握情况，引导学生关注需要观察的现象和深入思考的问题。(2)学生自主提问，教师给予反馈。包含在仿真模块、实验现象观察环节、数据分析模块、实验方法反思过程中遇到的学习障碍问题或者通过导图引导的发散性思维而产生的新问题和新思路等。

3.2 案例设计

本案例是以弗兰克-赫兹实验为研究对象，进行了基于知识和数据可视化的整体和分支导学教学设计。

1) 鸟瞰开放式思维导图设计

通过导图(图1)展现单个实验项目的全貌鸟瞰，教师搭框架，学生做支架，突破原有实验教材和教学内容的时空限制，形成比较完整的知识呈现和流动[9,10]。同时，学生可以根据实验报告的写作要求，对导图部分分支进行修改、删除、添加操作后，就可以直接导出成结构完整、层级分明的word文档格式的实验报告。

图中将项目内容分为8大主分支：研究对象、方法设计、调试与测量、数据与分析、仿真实验、知识拓展、问题与思考、实验报告要求。每条主分支包含多层级的相关内容分支，部分分支用关联线实现跨分支的关系结构，分支项目根据内容展示和功能使用的需要配有图片、链接、附件、备注等等资源，并使用标签等信息对分支进行了分类。其中部分主分支模块说明如下：

(1) 研究对象。“波尔原子理论”“弗兰克赫兹实验”分支对实验项目做了初步的知识点解析，“关注与思考”和“实验任务”分支引导学生关注和把握具体的实验目的和任务，并插入了相关图片、链接和备注信息配合知识呈现。

(2) 方法设计。通过双分支对不同速度慢电子轰击原子的碰撞和能量交换形式做了展示解析，配有动画演示附件；“实验装置”分支从基本电路原理和电路改进设计对实验原理做了展示和分析；通过附件微视频对实验装置进行了解剖式的实物展示、基本功能与操作说明，达到增强学生感性认识和学习兴趣的目的。

图2 弗兰克-赫兹实验操作流程图

该实验涉及的参量较多，学生容易发生概念理解混淆，因此把实验参量进行了分支分类处理：环境参量(灯丝电压Uf、第一栅极电压Ug1k、反向电压Ug2p、炉温T)、自变量(第二栅极加速电压Ug2k)、应变量(输出微电压Uout)，用注释解析各参量的物理意义和具体功能作用，使学生明晰实验需要观察研究的重点参量关系，引导学生进一步关注和思考环境参量变化对实验数据的影响。“现象预测”是通过仿真实验平台的课前预操作对实验现象结果进行预推测，这部分是由学生自主完成分支内容。

(3) 调试与测量。通过“弗兰克赫兹实验操作流程图”(图2)指导学生实施实验操作，并能依据该图对不同观察结果做出对初始环境参数的微调，以达到实验数据采集的要求。“数据记录表”给出了标准的Excel格式模板，是为后续Mathematica导入数据、做分析和可视化处理提供统一记录格式。

(4) 数据与分析。首先通过前两个分支，将实验数据参量关系分为非线性关系(Ug2k与Uout)和线性关系(峰值序号n与峰值电压U)，利用Mathematica进行数据导入提取、可视化处理和分析：非线性关系使用插值拟合曲线函数处理，线性关系数据使用最小二乘法直线回归拟合函数处理，并给出了具体程序实现的流程图(图3、图4)和源程序范例(表2)。

第三分支引导学生在以上学习基础上，模仿和重组关键函数，可视化分析反向电压Ug2p和炉温T的变化分别对实验数据结果的影响，引导学生完善第四分支中的误差分析、实验结论以及问题与思考模块的分支支架内容。

(5) 知识拓展。第一分支将概念图(图11)和视频解说附件相结合，对实验研究的理论基础推演进行了层级化的知识结构展示。“快速入门”提供了Mathematica软件的入门教程及视频链接，可以帮助学生快速上手软件的常规基本使用方法。“进阶和示例”分支对本项目实验中涉及的数据处理相关类型和函数提供了针对性的官网链接和示例演示，能帮助学生快速定位软件编程知识点的相关延伸内容。

图3 非线性数据拟合及动态关系数据处理鱼骨图

图4 直线拟合与误差参数计算流程图

2) 实验操作流程图设计

实验操作流程具有时间上的延续性和前后环节的逻辑关联性，流程图(图2)设计模式有利于将其中关键性环节的判断、思考和应对策略等这些隐性的、经验性的知识呈现出来，更加形象直观地引导学生观察和操作。该实验操作涉及比较多的环境参数设定，并且需要学生针对观察到的不同实验数据变化现象作出对初始环境参数的微小调整判断[11]，流程图有利于梳理出前后的因果联动关系与规律，并且重要节点配有视频演示附件。

表2 非线性数据拟合及动态关系数据处理源程序

3) 实验数据可视化处理分析导学鱼骨图设计

对实验数据做数据拟合和分析是实验教学中的重点和难点，最小二乘法做线性拟合是在物理实验数据处理中常用的方法，例如在弗兰克-赫兹、杨氏模量、霍尔效应等实验中都会涉及这种数据处理方式，利用科学数据可视化软件Mathematica辅助数据处理，可以达到减少繁琐的数据计算，将枯燥的散点数据可视化，描绘出的图形直观、美观，方便透视出实验测量参量的内在关系，不但易于学生分析和掌握其中的规律，而且也有助于增强学生科学分析思考的技能。

初学一门软件最有效的学习方法就是看实例、观演示效果、做模仿、再思考、推演、提升进阶。利用鱼骨图搭建学习思路，分解运算和可视化效果操作，分步骤录屏演示视频附件，并配合相关函数命令使用方法和实例的拓展链接，可以将逻辑思考过程和程序操作流程有效结合，一图展现方法全貌。

(1) 非线性数据拟合及动态关系数据处理鱼骨图(图3、图4)。将加速电压与输出Uout关系曲线数据可视化处理[12-14]分解为4个步骤：数据导入、格式化、用插值函数做非线性拟合曲线、做散点曲线拟合动态图(图5、图6)。每步骤分为操作演示、源程序(表2)、命令参数说明三部分进行展示说明，配有操作解说演示视频、备注、链接等资源。

图5 非线性拟合静态曲线

图6 非线性拟合动态关系运行结果图

(2) 直线拟合与误差参数计算流程图设计。本案例中的寻峰操作由于非线性的散点数据无法通过寻峰函数FindPeaks直接寻峰，也无法通过对拟合的插值函数求一阶导数等于零并且二阶导数小于零的方式寻峰，考虑到方便学生进行直观地学习和理解，采用的解决思路是：先绘制出带数据点坐标标签提示的插值拟合曲线，再通过放大峰点位置的方式，手动识别出各峰值点的位置和测量参数值[14]。

直线拟合可以用两种不同的函数方法实现：方法一是使用LinearModelFit函数并配合该函数的属性输出设置实现；方法二是综合Fit、Correlation、D三种函数实现。

两种方法各有优势：方法一中的LinearModelFit函数可以通过属性获取丰富的拟合计算参数，快速简洁，适合数学和软件掌握较好的学生；方法二涉及的3种函数使用都比较简单易理解，适合基础较为薄弱的学生。设计图(图4)分别对直线拟合实现的两种方法进行了分支说明，每分支配合处理流程，操作演示附件，源程序和相关命令参数解析链接、备注等。参考源程序(表3)与运行结果(图7、图8)。

(3) 其他数据可视化源程序与运行结果说明。“数据与分析”中的其他参数相关性分析[15]还涉及反向拒斥电压Ug2p对Uout位置影响、炉温T对Uout位置影响关系两个分支，参照以上的源程序代码稍作修改和重组，即可做出数据展示分析图，这两个分支是要求学生学习前面分支导学的内容后，自主做支架的部分，参考源程序(表4)和运行结果(图9、图10)。

表3 寻峰、直线拟合、绘图数据分析

图7 绘制残差结果图

图8 直线拟合曲线与点集图结果

表4 Hg管拒斥电压Ug2p、炉温T与Uout关系可视化参考源程序

图9 Hg管不同反向电压Ug2p输出Uout曲线对比图

图10 Hg管不同炉温T输出Uout曲线对比图

4) 原子模型与波尔理论的概念图设计

波尔的理论假设是原子模型结构修正建立过程中的一个重要的关键节点，通过概念图(图11)设计，将原子模型建立与发展的推演修正过程、相关标志性实验、研究理论的进步与局限进行可视化展示，帮助学生有序整理分散的知识点并建构知识框架。

图11 原子模型概念图

4 结语与展望

运用可视化工具软件的教学导学设计辅助实验教学取得了比较理想的教学效果反馈。通过问卷调查和个别访谈形式，基于知识可视化的实验教学设计模式对学生学习态度改善和学习能力提升起到了比较积极的作用效果。我们对实验教学班全部共计112名学生发放了问卷调查表，收到有效反馈问卷数量为110份，有70.9%的学生表示学习兴趣和驱动力有提升，68.2%的学生表示学习成就感增强，75.4%的学生表示自学和探究性学习的能力有提高，80%的学生表示应用学习工具解决实际问题的能力有改善。任课教师反馈学生实验知识准备和实验报告质量有显著改善。通过随机个别访谈，也有部分学生反馈学习的难度有所增大，所以在具体的内容和策略设计方面，还需做持续性的优化和完善研究。

随着5G时代的到来，在线数据可视化、云计算、在线导图、虚拟现实技术的应用普及，可以预测线上线下的技术融合会衍生出更加丰富的知识可视化的应用模式和场景，如何将其与物理实验教学相结合，形成模型、方法、技术相结合的理论和实践体系是非常有应用价值的研究方向。