方書婷

摘要：目的：目前高校的物理實驗課程教學，大多仍止步于傳統(tǒng)的“灌輸式”原理傳授或“照搬式”教學觀摩，制約了高校物理實驗課程的發(fā)展以及學生獲取物理實驗知識的效率，文章意在尋求更有效的教學手段。方法：文章探討了圖形化展示在大學物理實驗課程中的呈現(xiàn)方式及優(yōu)勢，并對當前產(chǎn)生的問題予以分析并提出解決建議。結(jié)果：圖形化展示可加深學生對實驗理論的理解，提升學習興趣，提高實驗教學質(zhì)量。結(jié)論：圖形化展示為高校實驗教學體系的完善畫上了濃重的一筆，我們還在探求更加多元的圖形化展示方式。

關(guān)鍵詞：物理實驗教學 圖形化展示 信息整合

引言

物理實驗是物理學發(fā)展的基礎(chǔ)，對于物理專業(yè)的學生來說，大學物理實驗課程是進入象牙塔后技能學習的第一步，學生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)物理定律，驗證物理理論正確與否，是學習物理知識的有效手段之一。因此，大學物理實驗課程的教學對高校人才的培養(yǎng)具有重要意義。當前高校的物理實驗課程教學，仍止步于傳統(tǒng)的教學方式，以物理原理的簡單傳授或教師親自示范為主，此類方式存在著一定的不足，制約了高校物理實驗課程的發(fā)展以及學生獲取物理實驗知識的效率。

一、傳統(tǒng)大學物理實驗授課的不足

（一）“灌輸式”原理傳授：大學物理實驗課程因其課程性質(zhì)的特殊性，原理相對枯燥。傳統(tǒng)教學方式往往是教師詳細地講解實驗原理、方法、步驟、儀器使用、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理等。灌輸式教學的一個突出特征就是以教師為中心。授課教師常采用照本宣科的方式，授課過程封閉、僵化、程式化，學生被動接受教師“控制”，機械地記憶所講解的內(nèi)容，使原本枯燥的方程和公式更難為學生所接受。學生在上課時對測量的數(shù)據(jù)沒有完整的概念，缺乏實例演示以及更為形象化的講解方式，極大地削弱了學生的學習興趣，導致學生在獲取知識的過程中盲目服從，逐漸喪失批判精神與創(chuàng)造精神。這種教育讓學生只能接收、輸入并存儲知識。

（二）“照搬式”教學觀摩：傳統(tǒng)的大學物理實驗教學及其有關(guān)的解題訓練，一般是將簡化好的物理模型提供給學生，實驗過程中，學生只能依照老師示范進行觀摩，機械模仿，在實驗中出現(xiàn)不符合常規(guī)的物理現(xiàn)象時不能給予合理的解釋，僅僅是為了得到實驗數(shù)據(jù)。部分學生甚至完全敷衍了事，課程結(jié)束后更是對數(shù)據(jù)處理無所適從，只得依據(jù)模板生搬硬套。極少學生對實際的問題進行分析思考，無法從實際問題中提取信息，抓住主要特征，排除次要因素，確立理想化的物理模型的訓練。此種教學方式雖然對學生的基本實驗技能有所提高，但提升的空間不足，對于學生實驗思想的形成和培養(yǎng)、實驗方法的創(chuàng)新都會形成桎梏。因而學生很難對實際的物理對象和物理情景進行理想化處理，在實際問題面前顯得束手無策。

二、圖形化展示在大學物理實驗教學中呈現(xiàn)方式

圖形化展示以多種視覺化手段為載體，將各類信息數(shù)據(jù)以及信息數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系演變成學生可以更直接認知、消化的呈現(xiàn)方式。

在這里，不能以狹義的圖像去概括圖形化，只要是構(gòu)成信息畫面的視覺元素，囊括了圖像、圖形以及一系列視覺表現(xiàn)手段，都可以劃入圖形化的范圍。目前可運用在大學物理實驗教學的圖形化展示手段有：

（一）二維靜態(tài)展示：數(shù)據(jù)顯示，人類的大腦更傾向接受圖形類的信息，通過平面化的圖形，將信息、數(shù)據(jù)、知識等以視覺化的方式呈現(xiàn)，優(yōu)化信息的傳遞，能夠更高效、直觀清晰的傳遞信息。

二維靜態(tài)展示包含了大容量的信息整合設(shè)計，從物理實驗課程中的框架、重點、疑難點出發(fā)，通過長時間的資料與信息的收集、整合，結(jié)合以照片、圖形、概念圖等平面展示方式，直擊課程的關(guān)鍵部分，對展示內(nèi)容輕、重、緩、急的處理，便于學生掌握課程的節(jié)奏和中心內(nèi)容。

二維靜態(tài)展示相對三維、動態(tài)的展示來說，形式更為穩(wěn)定，不僅能夠幫助學生理解大規(guī)模的復(fù)雜信息，亦能讓學生觀察到信息的屬性和意義，讓所呈現(xiàn)對象之間的隱藏關(guān)系直觀化、清晰化，實現(xiàn)學生與知識點之間的交互，直接影響著學生的實驗行為。

筆者認為，將物理實驗課程信息進行二維靜態(tài)展示的視覺轉(zhuǎn)化過程中，需考慮到以下兩個因素：第一，視覺元素的合理化表現(xiàn)。需對呈現(xiàn)對象的色彩、構(gòu)圖、畫面構(gòu)成等做到合理安排。第二，邏輯思維的清晰化表達。需要考慮到實驗信息在視覺轉(zhuǎn)化過程中的前后關(guān)系與邏輯，一切從學生的接受能力出發(fā)。（如圖1）所示，選用色彩中的基本色紅、黃、藍、綠，顏色純度高，明度大，可有效吸引學生注意力，采用扁平化圖形模式，去除冗余、厚重和繁雜的裝飾效果，簡單直接的將信息以圖表化呈現(xiàn)，減少了認知障礙，信息傳達清晰明了邏輯性強。

（二）三維解構(gòu)：三維解構(gòu)和二維靜態(tài)展示的概念區(qū)別在于：二維靜態(tài)展示用長度和寬度來形成視覺傳達，三維解構(gòu)在前者的基礎(chǔ)上延伸了高度，形成了立體的空間展示。

在教學過程中，可運用3dMax，Maya等三維圖像制作軟件，通過三維圖形在計算機中的仿真再現(xiàn)，解構(gòu)實驗物體的內(nèi)部情況，剖析實驗物品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，（如圖2）所示，通過3dMax進行建模，忠實還原了細小的機體細節(jié)，便于學生透徹了解內(nèi)部組織架構(gòu)和實驗原理。

二維靜態(tài)展示的數(shù)據(jù)為單一視角信息，呈現(xiàn)的信息相對簡單，而三維呈現(xiàn)除長度與寬度兩個維度之外，增加了高度，如機械內(nèi)部的軸心、元件的背面等信息都得以呈現(xiàn)，呈現(xiàn)效果逼真、直接、富有立體空間感。

（三）動態(tài)實驗?zāi)M：借助于多媒體技術(shù)，以動畫、圖像視頻等動態(tài)模式，全方位模擬。（如圖3）所示，視頻多角度模擬了實驗操作過程，以生動的、現(xiàn)代化的數(shù)字手段集中展示，提升課堂教學的生動性、形象性，激發(fā)學生學習興趣。

依托此種呈現(xiàn)方式，可收獲以下兩點功能：

1.分解實驗步驟：將完整的實驗過程合理地分成若干環(huán)節(jié)或部分圖像片段，然后按環(huán)節(jié)或部分分別進行講解，亦可將親自演示與圖像片段相結(jié)合。學生在實驗前后可反復(fù)觀看，了解整體流程，做到完全了然于心。

2.實驗效果預(yù)呈現(xiàn)：抽象的語言描述很難在學生腦海中形成具象的實驗結(jié)果預(yù)測，通過圖形化動態(tài)呈現(xiàn)，可以將實驗中可能出現(xiàn)的結(jié)果一一呈現(xiàn)，學生在做實驗之前，可對實驗即將呈現(xiàn)的效果做到“心中有底”，在進行實驗時，方能做到有條不紊。

（四）交互式虛擬實驗互動：虛擬實驗平臺建設(shè)是少投入多產(chǎn)出，實現(xiàn)資源共享的一種全新辦學理念。通過滲透基于圖形圖像的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，搭建虛擬場景與虛擬漫游，構(gòu)建實驗設(shè)備、測試儀器等實驗資源的虛擬現(xiàn)實模型，學生可參與到虛擬實驗互動，借助多媒體技術(shù)打造線上操作系統(tǒng)，學生可達到課前提前演練，課后反復(fù)練習的效果。交互式虛擬實驗互動與傳統(tǒng)實驗室相比，實驗成本低且可反復(fù)使用，對實驗對象的依賴和損害被降低，兼具了開放性與共享性的優(yōu)點。教師更可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺實時監(jiān)測學生的實驗效果，合理優(yōu)化教學內(nèi)容（如圖4）。

具體過程如下：

1.實景搭建：建立在局域性的校園網(wǎng)基礎(chǔ)之上，依托Lumion、unity或unreal4等3視化工具合成虛擬實驗室場景，只需在終端設(shè)備連接校園網(wǎng)即可開始學習，整體場景構(gòu)建與真實的實驗室完全一致，真實感強烈，容易贏得學生的認同感與歸屬感。

2.交互構(gòu)建：交互方案的構(gòu)建主要通過Flash與Javascript或ActionScript實現(xiàn)，由單個或多個具體的仿真實驗組成。依靠Flash強大的開發(fā)平臺，運用腳本語言，完成場景與操作行為的交互動畫。結(jié)合以圖片、文字、聲效，增加虛擬實驗室的沉浸感和逼真感，學生動態(tài)控制實驗行為，系統(tǒng)根據(jù)行為做出反應(yīng)，實現(xiàn)交互。

三、圖形化展示在大學物理實驗教學中的優(yōu)勢

圖形圖像是信息傳遞的主要途徑。研究表明，圖形和色彩比文字更能刺激人腦的思維，更能豐富人的情感，加強理解記憶，從而直接影響人們的認知行為。相比語言與文字，其接受程度更高，接受速度更決，卻鮮少出現(xiàn)于物理實驗課程中。圖形化展示可以更清晰地呈現(xiàn)物理實驗的設(shè)計步驟與思路，其易讀性和易記性可以為物理實驗教學打下堅實基礎(chǔ)。

（一）更有效的信息載體：圖形化展示方式可作為物理情境的一種有效的信息載體，有利于更加清晰地呈現(xiàn)設(shè)計步驟與思路，將信息進行歸納、分類、概括并將其轉(zhuǎn)化為圖形，來提升實驗內(nèi)容的易讀性和易記性，能在有效地吸引學生注意力的同時，迅速讓學生掌握實驗的重點，降低思維難度。合理的圖形化展示可減少學生的認知成本，提高知識傳播的效率。

（二）更方便的學習方式：圖形化的展示方式擺脫了傳統(tǒng)實驗課程中完全依賴教師的授課形態(tài)，學生可將圖形資料拷貝后，反復(fù)觀看，直到對實驗信息、過程等課程內(nèi)容完全理解為止。

（三）更有效的思維拓展工具：圖形化展示有利于拓展學生數(shù)形結(jié)合的思維模式，有利于推動教師改進教學方式，提升學生的科學思維能力，開拓學生探索能力，拔高學生創(chuàng)新創(chuàng)造意識。

（四）更便利的教學手段：物理實驗課程的操作理論性強，相對枯燥，運用圖形化展示結(jié)合課堂教學，可提升學生的學習興趣，提高學生注意力。此外，視頻、圖片等教學素材可供學生反復(fù)觀看，增強學生的自主學習能力，教師亦擺脫了重復(fù)操作的體能負累，一定程度上減輕了教師的教學壓力。

四、目前存在的問題

（一）數(shù)據(jù)與美學的碰撞，專業(yè)跨界有挑戰(zhàn)：物理專業(yè)人才在審美水平、視覺表現(xiàn)手段上仍然有待提高，因此，物理實驗課程的圖形化展示需要設(shè)計類人才的加入，但設(shè)計類人才亦缺乏對于物理理論及數(shù)據(jù)的深層次理解，雙方專業(yè)領(lǐng)域不同，勢必造成數(shù)據(jù)原理與美學原理的跨界碰撞，但這就需要雙方加強溝通，在進行圖形化處理時，更需綜合考量學生認知，緊密圍繞美學、溝通的原則，使實驗信息的構(gòu)建與傳達能夠順利被理解和消化。

（二）實驗課程數(shù)據(jù)繁雜，信息整合有難度：在這里整合的理解是將一些零散的東西通過某種方式彼此銜接，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的資源共享和協(xié)同工作。其主要精髓在于將零散要素結(jié)合在一起，并最終形成有價值有效率的一個整體。

大學物理實驗課程數(shù)據(jù)多、體量大，如何對繁雜的實驗數(shù)據(jù)進行梳理、解析和處理成為目前圖形化展示亟需解決的問題，教師個人力量有限，高效率教研隊伍的組建勢在必行。

結(jié)語

圖形化展示為高校實驗教學體系的完善畫上了濃重的一筆，將枯燥的公式定量和結(jié)果進行可視化處理，加深學生對實驗理論的理解，有效提高了實驗教學的質(zhì)量，提升學生的學習興趣，為學生提供了分析實際問題的研究手段及方法，更促進了學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。通過不斷的摸索與實踐，我們還在探求更加多元的圖形化展示方式，力求在內(nèi)容呈現(xiàn)與實際應(yīng)用層面更上一臺階。