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)物理實驗是一門理實一體化基礎(chǔ)性公共課程。對于大一階段學(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。改進和提升物理實驗課程教學(xué)效果的策略與工具是一個重要的教學(xué)研究方向。

1 物理實驗課程教學(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，實驗內(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，實驗教學(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)實驗?zāi)芰ζ瘘c比較低，學(xué)習(xí)驅(qū)動力不足，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)生的實驗?zāi)芰ΠA(chǔ)的實驗儀器操作、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、實驗條件、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)觀察和個別訪談，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生受限于個人基礎(chǔ)薄弱，對實驗設(shè)計、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)致把實驗課劃歸到無用課程，實驗數(shù)據(jù)和報告存在抄襲現(xiàn)象，由于缺少主動性的思考綜合，導(dǎo)致學(xué)習(xí)收獲少、成就感低。因此有必要在實驗課程教學(xué)中引入如何進行有效學(xué)習(xí)的方法和工具。

1.2 物理實驗基礎(chǔ)課程在高職人才培養(yǎng)計劃中的權(quán)重有所調(diào)整

實驗課程實行項目分組制，單個項目課時分配是2學(xué)時，對于理論理解和實操技巧復(fù)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(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，需要教師花費更多的時間和精力進行教學(xué)設(shè)計，特別是在課前預(yù)習(xí)、課后輔導(dǎo)的導(dǎo)學(xué)階段，進行高效的知識資源整合和呈現(xiàn)，以期達到預(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，有對資源的整合和呈現(xiàn)方式做一些研究和改進的必要

實驗教學(xué)資源來源一般有以下3種：自開發(fā)資源，采購資源庫，網(wǎng)絡(luò)免費資源。自開發(fā)資源的課程針對性很強，但是系統(tǒng)性有所不足；購買的實驗資源庫的優(yōu)點是大而全，但是內(nèi)容和結(jié)構(gòu)布局的針對性有所欠缺，與課程內(nèi)容設(shè)計變化的需求不太匹配。網(wǎng)絡(luò)免費資源豐富而有時效性，但是分布是碎片化的，質(zhì)量良莠不齊，需要進行篩選修改后，再整合到現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容中加以利用。實際教學(xué)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(xiàn)。

1.4 物理實驗課程中多個實驗項目和教學(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)兩者之間的知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于增進學(xué)生對知識的理解

理論課和實驗教學(xué)通常分屬于兩個學(xué)期，時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(xué)生有比較扎實的理論基礎(chǔ)，又能給予充足的時間做思考嘗試設(shè)計操作。思維導(dǎo)圖可視化是促進知識回憶再現(xiàn)的有效工具。一方面，在實驗教學(xué)時，利用思維導(dǎo)圖(如概念圖、因果圖等)可以通過結(jié)構(gòu)化的知識可視化方式展示、梳理清楚理論教學(xué)內(nèi)容和實驗之間的邏輯關(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)生進行探究性學(xué)習(xí)，為實驗做好充分的知識儲備。另一方面，在理論課教學(xué)時，利用思維導(dǎo)圖建構(gòu)起關(guān)鍵定理規(guī)律與相關(guān)實驗之間的知識可視化網(wǎng)絡(luò)，并整合入演示與仿真實驗資源，可以規(guī)避空洞枯燥的理論闡述。例如：霍爾效應(yīng)實驗中涉及到電流與電子速度的關(guān)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(xué)內(nèi)容，可以用思維導(dǎo)圖串聯(lián)展示形成各個實驗環(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)實現(xiàn)。

在計算機科學(xué)領(lǐng)域，可視化(visualization)是指利用計算機圖形學(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、模擬和計算。

知識可視化(knowledge visualization)是在科學(xué)計算可視化、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《知識可視化——通向一個新的學(xué)科及其應(yīng)用領(lǐng)域》中提出了知識可視化的定義，即“一般來說，知識可視化領(lǐng)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(chuàng)造和傳遞中的應(yīng)用。因此，知識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，促進個體與個體、個體與群體以及群體之間知識的傳播和創(chuàng)新[1,2]。

2) 知識可視化的建構(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60年代英國心理學(xué)家東尼·博贊(Tony Buzan)發(fā)明的一種筆記方法。他認為思維導(dǎo)圖是對發(fā)散性思維的表達，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60年代由美國康奈爾大學(xué)JosephD．Novak教授等提出。在概念圖中，用箭頭、連線將各個概念節(jié)點連接起來，并且配合連接詞來表示概念之間的相互關(guān)系，從而實現(xiàn)對知識的表示和組織結(jié)構(gòu)化。這種對抽象觀點的結(jié)構(gòu)性描述，可以構(gòu)造信息和闡明關(guān)系，有助于對抽象概念及概念間的相互聯(lián)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(jié)點，并將其相互連接起來。認知地圖節(jié)點之間有連接線，但是沒有連接詞，不具有鮮明的層級關(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，通過在知識內(nèi)容之間創(chuàng)建聯(lián)系，從而達到幫助認知結(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)練人的比較和對比、排序、歸類、因果推理等認知技巧，從而提升學(xué)習(xí)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(chǔ)

(1) 雙重編碼理論。以視覺和語言兩種形式同時呈現(xiàn)信息能夠增強大腦的記憶和識別功能。腦科學(xué)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(fā)思維的產(chǎn)生。

(2) 圖式理論。圖形組織者有多種展示模式：層級的，概念的，序列的，評價的，相關(guān)的，循環(huán)的等等。在進行教學(xué)設(shè)計時，教師在分析原有知識能力起點與學(xué)習(xí)者類型特點的基礎(chǔ)上，選擇合適的可視化知識展示模式，提高學(xué)習(xí)者獲取、理解和應(yīng)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(chuàng)造過程和知識的應(yīng)用進行規(guī)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(chuàng)新”的循環(huán)螺旋上升的系統(tǒng)[4]。知識形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，需要一種視覺化模型來表達和呈現(xiàn)，通過使用可視化知識建模語言，可以將內(nèi)在的知識記錄轉(zhuǎn)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(nèi)化，最終實現(xiàn)利用知識、創(chuàng)造價值的目的。

2.2 可視化軟件工具簡介

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(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)性計算(Technical Computing)軟件。它很好地結(jié)合了數(shù)值和符號計算引擎、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基本信息對照表

(1) 語法統(tǒng)一、優(yōu)美，符號計算能力強大；

(2) 使用最先進的計算美學(xué)和設(shè)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(shù)名稱和一致明了的設(shè)計，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15萬多個范例，將近1萬個開源演示項目，豐富的演示教學(xué)視頻和學(xué)習(xí)主題測試；

(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)。例如示波器實驗中李薩如圖動態(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 基于可視化的實驗導(dǎo)學(xué)教學(xué)設(shè)計實施策略和案例研究

實驗過程本質(zhì)上就是從“抽象-形象-抽象”的螺旋上升的知識循環(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、加強理解，促進顯性知識的組織結(jié)構(gòu)化和隱性知識的顯性化，并能掌握運用一種簡便有效的學(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)和知識資源整合層面，促進基礎(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)實驗?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，有條不紊地做好實驗課程學(xué)習(xí)規(guī)劃和項目實施預(yù)案等。

3.1 設(shè)計策略

結(jié)合實驗課程內(nèi)容邏輯嚴謹，理實結(jié)合的特征，呈現(xiàn)清晰項目結(jié)構(gòu)，突出重點難點的需求[7]，區(qū)別于一般的思維導(dǎo)圖，視覺設(shè)計還要遵循合理適度的原則。

1) 結(jié)構(gòu)性

針對實驗自身特點和總結(jié)以往學(xué)生通常會理解不透徹的要點和易于出錯的難點，設(shè)計不同框架結(jié)構(gòu)圖，展示項目結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)思路，引導(dǎo)學(xué)生積累針對不同問題整理思路的方法，同時兼顧內(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。實驗項目按難度層次主要分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗。先將實驗的各個模塊、流程、要點、難點用思維導(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，層級展開、圖文配合、立體可現(xiàn)的原則[7]。每種層次實驗有相對固定的布局模式，根據(jù)視覺感知規(guī)律設(shè)計導(dǎo)圖的布局和走向，例如在基礎(chǔ)性實驗和綜合性實驗的總體布局上，原理、操作、數(shù)據(jù)處理主分支適合布局在右側(cè)，知識拓展、分析與思考主分支適于布局在左側(cè)，設(shè)計性實驗正好相反。

(2) 根據(jù)項目的具體難點和要點差異選擇組織結(jié)構(gòu)展現(xiàn)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(jié)點之間的關(guān)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(jié)設(shè)計：節(jié)點、分支、關(guān)聯(lián)線展示知識點和相互關(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、動畫、視頻、媒體、插件、鏈接等形式進行整合，實現(xiàn)資源有效集成和共享[8]。碎片化資源具有時效性，依據(jù)資源的生命周期，可以方便對導(dǎo)圖進行重組、整合和拓展。

圖1 鳥瞰項目思維導(dǎo)圖與部分分支導(dǎo)圖

(2) 整合有序性資源。利用導(dǎo)圖對于操作調(diào)試流程復(fù)雜的過程進行分解步驟視頻串聯(lián)，例如邁克耳孫干涉儀、分光計一類的光學(xué)類實驗，儀器的調(diào)校是比較精細繁瑣的，用視頻和動畫來預(yù)演調(diào)校的過程是非常高效的教學(xué)手段，但是如果將整個過程拍攝成單個視頻的時長太長，會引發(fā)視覺疲勞和思維倦??；同時不同的實驗現(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、流程進行串聯(lián)，實操的指導(dǎo)性會更強，有利于學(xué)生理解、歸納、思考。

3) 交互性

交互性設(shè)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(xué)生做支架的模式來實現(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)重點信息傳達的導(dǎo)向需要選擇設(shè)計問題，主要是檢驗學(xué)生知識點預(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、實驗現(xiàn)象觀察環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)分析模塊、實驗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

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(shù)據(jù)可視化的整體和分支導(dǎo)學(xué)教學(xué)設(shè)計。

1) 鳥瞰開放式思維導(dǎo)圖設(shè)計

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

圖中將項目內(nèi)容分為8大主分支：研究對象、方法設(shè)計、調(diào)試與測量、數(shù)據(jù)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(guān)內(nèi)容分支，部分分支用關(guān)聯(lián)線實現(xiàn)跨分支的關(guān)系結(jié)構(gòu)，分支項目根據(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?！安栐永碚摗薄案ヌm克赫茲實驗”分支對實驗項目做了初步的知識點解析，“關(guān)注與思考”和“實驗任務(wù)”分支引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注和把握具體的實驗?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呈現(xiàn)。

(2) 方法設(shè)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(shè)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(xué)生感性認識和學(xué)習(xí)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(xué)生容易發(fā)生概念理解混淆，因此把實驗參量進行了分支分類處理：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)生明晰實驗需要觀察研究的重點參量關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生進一步關(guān)注和思考環(huán)境參量變化對實驗數(shù)據(jù)的影響?！艾F(xiàn)象預(yù)測”是通過仿真實驗平臺的課前預(yù)操作對實驗現(xiàn)象結(jié)果進行預(yù)推測，這部分是由學(xué)生自主完成分支內(nèi)容。

(3) 調(diào)試與測量。通過“弗蘭克赫茲實驗操作流程圖”(圖2)指導(dǎo)學(xué)生實施實驗操作，并能依據(jù)該圖對不同觀察結(jié)果做出對初始環(huán)境參數(shù)的微調(diào)，以達到實驗數(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。首先通過前兩個分支，將實驗數(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n與峰值電壓U)，利用Mathematica進行數(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的變化分別對實驗數(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、實驗結(jié)論以及問題與思考模塊的分支支架內(nèi)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(jié)合，對實驗研究的理論基礎(chǔ)推演進行了層級化的知識結(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階和示例”分支對本項目實驗中涉及的數(shù)據(jù)處理相關(guān)類型和函數(shù)提供了針對性的官網(wǎng)鏈接和示例演示，能幫助學(xué)生快速定位軟件編程知識點的相關(guān)延伸內(nèi)容。

圖3 非線性數(shù)據(jù)擬合及動態(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)計算流程圖

2) 實驗操作流程圖設(shè)計

實驗操作流程具有時間上的延續(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)對策略等這些隱性的、經(jīng)驗性的知識呈現(xiàn)出來，更加形象直觀地引導(dǎo)學(xué)生觀察和操作。該實驗操作涉及比較多的環(huán)境參數(shù)設(shè)定，并且需要學(xué)生針對觀察到的不同實驗數(shù)據(jù)變化現(xiàn)象作出對初始環(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)動關(guān)系與規(guī)律，并且重要節(jié)點配有視頻演示附件。

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

3) 實驗數(shù)據(jù)可視化處理分析導(dǎo)學(xué)魚骨圖設(shè)計

對實驗數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)擬合和分析是實驗教學(xué)中的重點和難點，最小二乘法做線性擬合是在物理實驗數(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)等實驗中都會涉及這種數(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，可以達到減少繁瑣的數(shù)據(jù)計算，將枯燥的散點數(shù)據(jù)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(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(xué)習(xí)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(guān)函數(shù)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(jié)合，一圖展現(xiàn)方法全貌。

(1) 非線性數(shù)據(jù)擬合及動態(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、做散點曲線擬合動態(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 非線性擬合動態(tài)關(guān)系運行結(jié)果圖

(2) 直線擬合與誤差參數(shù)計算流程圖設(shè)計。本案例中的尋峰操作由于非線性的散點數(shù)據(jù)無法通過尋峰函數(shù)FindPeaks直接尋峰，也無法通過對擬合的插值函數(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)點坐標(biāo)標(biāo)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(shù)值[14]。

直線擬合可以用兩種不同的函數(shù)方法實現(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)置實現(xiàn)；方法二是綜合Fit、Correlation、D三種函數(shù)實現(xiàn)。

兩種方法各有優(yōu)勢：方法一中的LinearModelFit函數(shù)可以通過屬性獲取豐富的擬合計算參數(shù)，快速簡潔，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)使用都比較簡單易理解，適合基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生。設(shè)計圖(圖4)分別對直線擬合實現(xiàn)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(guān)命令參數(shù)解析鏈接、備注等。參考源程序(表3)與運行結(jié)果(圖7、圖8)。

(3) 其他數(shù)據(jù)可視化源程序與運行結(jié)果說明。“數(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Uout位置影響、爐溫T對Uout位置影響關(guān)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(shù)據(jù)展示分析圖，這兩個分支是要求學(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(shè)計

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重要的關(guān)鍵節(jié)點，通過概念圖(圖11)設(shè)計，將原子模型建立與發(fā)展的推演修正過程、相關(guān)標(biāo)志性實驗、研究理論的進步與局限進行可視化展示，幫助學(xué)生有序整理分散的知識點并建構(gòu)知識框架。

圖11 原子模型概念圖

4 結(jié)語與展望

運用可視化工具軟件的教學(xué)導(dǎo)學(xué)設(shè)計輔助實驗教學(xué)取得了比較理想的教學(xué)效果反饋。通過問卷調(diào)查和個別訪談形式，基于知識可視化的實驗教學(xué)設(shè)計模式對學(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。我們對實驗教學(xué)班全部共計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)動力有提升，68.2%的學(xué)生表示學(xué)習(xí)成就感增強，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)工具解決實際問題的能力有改善。任課教師反饋學(xué)生實驗知識準(zhǔn)備和實驗報告質(zhì)量有顯著改善。通過隨機個別訪談，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)計方面，還需做持續(xù)性的優(yōu)化和完善研究。

隨著5G時代的到來，在線數(shù)據(jù)可視化、云計算、在線導(dǎo)圖、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用普及，可以預(yù)測線上線下的技術(shù)融合會衍生出更加豐富的知識可視化的應(yīng)用模式和場景，如何將其與物理實驗教學(xué)相結(jié)合，形成模型、方法、技術(shù)相結(jié)合的理論和實踐體系是非常有應(yīng)用價值的研究方向。