孫 瑜 宋連鵬 曾華順

(海軍大連艦艇學(xué)院基礎(chǔ)部 遼寧 大連 116018) (海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員隊 遼寧 大連 116018)

1 引言

數(shù)字時代高速發(fā)展的信息技術(shù),帶來了信息資源的極大豐富,人們學(xué)習(xí)知識的方法和途徑也越來越多樣化,知識可視化的產(chǎn)生,便在這個信息爆炸時代孕育而生,因為人們迫切需要一種可以幫助其快速理解、掌握、傳播知識的手段和方法[1],其主要目的是應(yīng)用視覺表征來促進群體知識的傳播與創(chuàng)新.

可視化技術(shù)近年來逐漸被應(yīng)用在教育領(lǐng)域,引起了傳統(tǒng)教學(xué)模式的變革,2009 年開始,杜克大學(xué)的研究人員將可視化技術(shù)應(yīng)用在藝術(shù)與建筑史的課堂上,極大地促進了學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解.知識可視化可以展示知識的邏輯結(jié)構(gòu),更有利于人們對知識的學(xué)習(xí)、理解和記憶.

2 “楊氏模量測定實驗”教學(xué)現(xiàn)狀分析

“楊氏模量測定實驗”作為大學(xué)物理實驗中一項必做實驗項目,其內(nèi)容涵蓋了經(jīng)典的實驗思想、操作技巧及數(shù)據(jù)處理方法的綜合應(yīng)用,是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實驗?zāi)芰Φ囊粋€非常典型的實驗項目.該實驗項目雖然實驗任務(wù)單一,但是要求學(xué)生必須掌握比較復(fù)雜的實驗原理、調(diào)節(jié)方法和數(shù)據(jù)處理,學(xué)生要想在課堂上順利完成實驗任務(wù),就必須做好課前預(yù)習(xí),對課前預(yù)習(xí)效率提出了較高要求.

但在課堂教學(xué)中通過檢查學(xué)生預(yù)習(xí)發(fā)現(xiàn),由于低年級本科學(xué)生學(xué)習(xí)適應(yīng)性不強,實驗預(yù)習(xí)效果并不理想.因此針對該實驗項目的實驗教學(xué)所面臨的實際問題,結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)手段及學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知特點,提出基于知識可視化對學(xué)生進行“楊氏模量測定實驗”實驗導(dǎo)學(xué)的教學(xué)設(shè)計研究.

3 知識可視化的理論基礎(chǔ)及常用建構(gòu)方法

3.1 知識可視化的理論基礎(chǔ)

知識可視化的理論基礎(chǔ)主要有雙重編碼理論、圖式理論和知識管理理論.

(1)雙重編碼理論是心理學(xué)家佩維奧提出的,強調(diào)信息的貯存、加工與提取過程中,語言與非語言的信息加工同樣重要,可以通過語言和視覺的形式呈現(xiàn)信息來增強信息的回憶與識別.

(2)圖式理論是指圍繞某一個主題組織起來的知識的表征和貯存方式為基礎(chǔ)的理論.特點是具有一定的概括度而不是定義,其所描述的知識有一部分或幾部分按照一定的方式組合起來,兼具描述和解釋的功能.

(3)知識管理是在組織中構(gòu)建一個量化與質(zhì)化的知識系統(tǒng),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)[2,3],包括顯性知識和隱性知識管理,注重顯性知識和隱性知識之間的共享與轉(zhuǎn)換.

3.2 知識可視化常用建構(gòu)方法

知識可視化以圖形設(shè)計、認(rèn)知科學(xué)為基礎(chǔ),與視覺表征有著密切關(guān)聯(lián).因此,視覺表征是知識可視化的關(guān)鍵,知識可視化的運用效果很大程度上取決于其視覺表征形式.知識可視化常用建構(gòu)方法有概念圖、思維導(dǎo)圖、因果圖、語義網(wǎng)絡(luò)以及思維地圖等[4].下面分別列出每種建構(gòu)方法具有其各自的特點及作用.

(1)概念圖表征法是對抽象觀點的結(jié)構(gòu)性描述,利于對抽象概念構(gòu)造信息和闡明其之間關(guān)系.

(2)思維導(dǎo)圖(心智圖)表征法以相互包含與相互作用的層級圖表現(xiàn),形成脈絡(luò)狀分支延伸的一種樹狀圖形形式,挖掘大腦潛能,改善人的思維方式和行為表現(xiàn).

(3)因果圖表征法是以個體構(gòu)建理論為基礎(chǔ),將“想法”(ideas)作為節(jié)點,并將其相互連接起來,不具有鮮明的層級關(guān)系.

(4)語義網(wǎng)絡(luò)表征法揭示概念與概念之間的關(guān)系,形成層次結(jié)構(gòu).

(5)思維地圖表征法包含8種表征形式,是基于認(rèn)知心理學(xué)、語義學(xué)理論,提升學(xué)習(xí)者的問題解決能力和高級思維能力.

4 “楊氏模量測定實驗”可視化導(dǎo)學(xué)的教學(xué)設(shè)計

4.1 可視化導(dǎo)學(xué)設(shè)計思路

對知識進行可視化導(dǎo)學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵是對知識進行科學(xué)的梳理,再借助強大的知識可視化工具(本文選用的是XMIND)進行表征,從而使學(xué)習(xí)者能夠建構(gòu)出一個完整的知識架構(gòu),利用知識可視化提高理解和記憶效率,從而獲得更為理想的學(xué)習(xí)效果.本部分將對“楊氏模量測定實驗”的實驗知識要點進行梳理,在梳理的基礎(chǔ)上分步建構(gòu)可視化導(dǎo)學(xué)思維導(dǎo)圖,并最終形成一個完整的“楊氏模量測定實驗”知識可視化導(dǎo)學(xué)架構(gòu).

4.2 實驗原理可視化導(dǎo)學(xué)設(shè)計

“楊氏模量測定實驗”實驗原理是從楊氏模量的基本定義出發(fā)[5],再結(jié)合實驗測量條件,將定義中的各物理量進一步轉(zhuǎn)換為實驗中的可測量量,從而得到了最終的測量表達式.此項目實驗原理看似邏輯性強,但由于涉及的物理量多,往往會給學(xué)習(xí)者造成繁瑣的學(xué)習(xí)體驗,加大學(xué)習(xí)者記憶和理解的負(fù)擔(dān).

針對這種教學(xué)實際,完成了圖1所示的實驗原理思維導(dǎo)圖,圖中以楊氏模量定義為基礎(chǔ),采用樹形圖進行建構(gòu),分別對應(yīng)力和應(yīng)變進行演變轉(zhuǎn)換,將這兩部分用顏色深淺加以區(qū)分,更利于學(xué)習(xí)者系統(tǒng)化思維的建立.同時對于實驗的重點和難點部分——光杠桿放大法測量微小量,采用了導(dǎo)圖中嵌入原理圖加公式的方式,可以讓學(xué)習(xí)者快速地理解光杠桿放大法的基本原理,以及實現(xiàn)微小形變量測量所需測量的轉(zhuǎn)換物理量.

圖1 實驗原理思維導(dǎo)圖

4.3 實驗操作可視化導(dǎo)學(xué)設(shè)計

實驗操作部分由于要區(qū)分先后操作步驟,所以在思維導(dǎo)圖的構(gòu)建上采用魚骨圖的形式,體現(xiàn)實驗的整個操作流程,如圖2所示.在操作上按照“先調(diào)整后測量”的思路分為4步,每一步中涵蓋的內(nèi)容利用關(guān)鍵詞進行精要描述,同時從學(xué)習(xí)者的閱讀習(xí)慣上按照從上而下的形式自然描述操作順序.在調(diào)整楊氏模量測定儀、調(diào)節(jié)望遠鏡目鏡及光杠桿構(gòu)造等部分中,由于涉及儀器中的術(shù)語比較多、單用文字描述無法清晰表達如何操作的問題,采用了在相應(yīng)的位置添加示意圖的方式,方便學(xué)習(xí)者將文字與實物關(guān)聯(lián)統(tǒng)一,從視覺上為學(xué)習(xí)者提供學(xué)習(xí)和理解的有效手段,做到有效學(xué)習(xí).

圖2 實驗操作思維導(dǎo)圖

4.4 實驗數(shù)據(jù)處理可視化導(dǎo)學(xué)設(shè)計

“楊氏模量測定實驗”實驗數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜,包含了直接、間接測量所得量的數(shù)據(jù)處理方法,單次、多次測量所得量的不確定度計算,以及誤差傳遞公式的運用等.根據(jù)以往的教學(xué)情況看,學(xué)生往往存在不會處理或處理錯誤、處理不完整的現(xiàn)象,所以這部分內(nèi)容進行可視化導(dǎo)學(xué)設(shè)計時,以測量結(jié)果表征所需要的平均值和不確定度為出發(fā)點,在思維導(dǎo)圖中分別標(biāo)清計算平均值所用到的基本方法——逐差法,計算不確定度中相對不確定度的計算,再進一步指出那些量屬于直接測量量,哪些量屬于間接測量量,從而使學(xué)習(xí)者更容易區(qū)分各物理量計算方法的不同.同時,給出楊氏模量不確定度計算所用到的相對不確定度傳遞公式,使學(xué)生在計算時目標(biāo)清晰,便于查找計算公式中各量的計算處理方法,如圖3所示.

圖3 實驗數(shù)據(jù)處理思維導(dǎo)圖

4.5 “楊氏模量測定實驗”可視化導(dǎo)學(xué)總體設(shè)計

“楊氏模量測定實驗”作為大學(xué)物理實驗的一項必做實驗項目,其內(nèi)容涵蓋了經(jīng)典的實驗思想、操作技巧及數(shù)據(jù)處理方法的綜合應(yīng)用,是培塑學(xué)生科學(xué)實驗?zāi)芰Φ囊粋€非常典型的實驗項目.

根據(jù)實驗項目的教學(xué)特點梳理了實驗原理、實驗操作、實驗數(shù)據(jù)處理3個重要組成部分,這3部分是整個實驗的核心內(nèi)容,是學(xué)習(xí)者能否掌握實驗的關(guān)鍵,針對這3部分內(nèi)容,前面已分別建構(gòu)相應(yīng)的可視化導(dǎo)學(xué)設(shè)計.為了讓學(xué)習(xí)者對實驗有一個整體的理解和把握,將3部分進行整合,完成了“楊氏模量測定實驗”可視化導(dǎo)學(xué)總體設(shè)計,如圖4所示.

圖4 “楊氏模量測定實驗”可視化導(dǎo)學(xué)總體設(shè)計

將“楊氏模量測定實驗”知識可視化教學(xué)設(shè)計用于2021級部分學(xué)生的課前預(yù)習(xí),授課教師通過課堂提問、觀察學(xué)生實驗操作、檢查實驗報告的方式進行教學(xué)效果評價:認(rèn)為學(xué)生的課前預(yù)習(xí)效果較以前有明顯改善,尤其是在實驗原理如何與實驗儀器的有效結(jié)合上,雖然一小部分學(xué)生對預(yù)習(xí)內(nèi)容記憶不夠深刻,但在教師的提示和引導(dǎo)下也能夠快速理解實驗內(nèi)容,實驗班該次實驗完成時間明顯較其他班有所縮短,同時在實驗報告的數(shù)據(jù)處理部分正確率也大大提高.

5 結(jié)束語

基于知識可視化原理,對“楊氏模量測定實驗”進行實驗導(dǎo)學(xué)的教學(xué)設(shè)計研究.通過研究,一是針對剛進入大學(xué)的學(xué)生基礎(chǔ)實驗?zāi)芰ζ瘘c比較低、學(xué)習(xí)適應(yīng)性差、不能有效利用現(xiàn)有教學(xué)資源、使用效果一般的現(xiàn)狀,通過引入新的內(nèi)容呈現(xiàn)方式和工具幫助學(xué)生盡快地適應(yīng)新變化.二是通過建立“楊氏模量測定實驗”可視化導(dǎo)學(xué),利用思維導(dǎo)圖等可視化工具建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),幫助學(xué)生進行相關(guān)知識的構(gòu)建,解決“楊氏模量測定實驗”實驗預(yù)習(xí)效果差導(dǎo)致的實驗任務(wù)完成不好的教學(xué)問題.通過對一個實驗項目可視化導(dǎo)學(xué)教學(xué)設(shè)計的探索和研究,可為后續(xù)整門課程建立系統(tǒng)的可視化導(dǎo)學(xué)方案提供有力支撐,并為其他課程開展可視化教學(xué)提供一定的借鑒經(jīng)驗.