可視化教學(xué)手段在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用

趙西梅， 潘 葳， 劉嘉濱

（上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院，物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 200240）

0 引言

腦科學(xué)理論揭示，人的大腦對(duì)于高效的視覺(jué)效果記憶比較深刻，常言道：“百聞不如一見(jiàn)”“一圖勝過(guò)千言”就是這個(gè)道理，而且人類80%以上的信息是通過(guò)視覺(jué)獲得的。近幾年來(lái)，將腦科學(xué)理論相關(guān)原理用于實(shí)踐教學(xué)的案例越來(lái)越多，對(duì)于提升教學(xué)效果起著很大的促進(jìn)作用。

本文探討在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中利用腦科學(xué)相關(guān)理論，借助大腦視覺(jué)感知功能，配合使用物理演示實(shí)驗(yàn)這種“知識(shí)”可視化教學(xué)手段，來(lái)促進(jìn)學(xué)生對(duì)原理知識(shí)的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)判，或使用攝像同步教學(xué)這種“場(chǎng)景”可視化教學(xué)手段來(lái)幫助學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的正確使用，幫助學(xué)生更順暢地完成實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生不但知道怎樣做實(shí)驗(yàn)，還讓學(xué)生明白為什么這樣做實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

1 相關(guān)腦科學(xué)理論

“可視化”，來(lái)源于英文的“visualization”，原意是“可看得見(jiàn)的、清楚的呈現(xiàn)”，也可譯為“圖示化”，如計(jì)算機(jī)編程的可視化界面（VB、VC 等）［1］。事實(shí)上，將任何抽象的事物、過(guò)程變成圖形圖像的表示都可以稱為可視化［2］。可視化是一種外部認(rèn)知的方法，即如何利用人眼的感知能力和人腦之外的資源，提升大腦的認(rèn)知能力。

而且可視化是一種發(fā)揮大腦視覺(jué)認(rèn)知能力與空間計(jì)算能力的思維系統(tǒng)，如果在教學(xué)中能夠充分激活人腦如圖1 所示的顳葉（聽(tīng)覺(jué)）、額葉（思考）、枕葉（視覺(jué)）、頂葉（空間）這四大功能區(qū)，使學(xué)習(xí)者全部腦區(qū)都能激活的話，一定能取得很好的教學(xué)效果！［3］

圖1 人腦的四大功能區(qū)［3］

認(rèn)知心理學(xué)家Allan Paivio提出了大腦的“雙重編碼理論”（見(jiàn)圖2），他設(shè)想人腦中有兩個(gè)認(rèn)知子系統(tǒng)，一個(gè)是語(yǔ)義系統(tǒng)，專門處理語(yǔ)言對(duì)象，另一個(gè)是表象系統(tǒng)，專門用于處理“非語(yǔ)言”對(duì)象，兩者要同時(shí)激活，在語(yǔ)義信息與“非語(yǔ)言”信息（也稱為“表象”）之間建立關(guān)聯(lián)，人才能理解語(yǔ)義信息［4］。只有更多激活大腦的某些恰當(dāng)區(qū)域，學(xué)習(xí)者對(duì)信息的理解才更深刻。

圖2 大腦“雙重編碼理論”

從雙重編碼理論可以看出，知識(shí)可視化將知識(shí)以動(dòng)圖、演示或者圖解的“表象”方式表示出來(lái)，為基于語(yǔ)言的理解提供了很好的輔助和補(bǔ)充作用，大大降低了語(yǔ)言通道的認(rèn)知負(fù)荷，加速了思維的發(fā)生［5-6］。

充分利用大腦的這一特點(diǎn)，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中恰當(dāng)使用可視化教學(xué)手段可提升教學(xué)效果。以聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例，介紹如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用物理演示實(shí)驗(yàn)［7-9］、攝像同步教學(xué)等可視化教學(xué)手段，加強(qiáng)學(xué)生在原理講解部分對(duì)概念的理解，提前預(yù)判探索性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在儀器講解部分，提高對(duì)儀器的掌握程度及操作內(nèi)容的熟悉程度，從而使學(xué)生快速理解實(shí)驗(yàn)原理和熟悉實(shí)驗(yàn)操作，提高實(shí)驗(yàn)效率。

2 可視化教學(xué)手段實(shí)施的過(guò)程和方法

2.1 教學(xué)實(shí)施

2021 年秋季學(xué)期在物理實(shí)驗(yàn)導(dǎo)論課程中開(kāi)展教學(xué)研究，分別安排周一和周四上課。學(xué)生分別約62人，進(jìn)行分組教學(xué)，每組學(xué)生最多16 人，每周輪流各1次課，每次課5 學(xué)時(shí)。以聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例開(kāi)展研究工作，是因?yàn)閷W(xué)時(shí)數(shù)較多可以開(kāi)展顆粒物質(zhì)聲速測(cè)量的拓展內(nèi)容，周四上課同學(xué)的聲速實(shí)驗(yàn)采用演示實(shí)驗(yàn)和攝像同步教學(xué)，采用問(wèn)題前測(cè)后測(cè)的方式反饋實(shí)驗(yàn)效果，并在實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查；周一上課學(xué)生沒(méi)采用可視化教學(xué)手段，按照常規(guī)上課。

2.2 駐波演示實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解共振頻率概念

（1）快速理解概念，尋找共振頻率。在講解共振干涉法測(cè)量聲速原理時(shí)，需要尋找換能器的共振頻率，那么什么是換能器共振頻率呢？

在聲速實(shí)驗(yàn)中這樣描述：輸入信號(hào)的頻率與壓電陶瓷換能器的固有頻率相接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)示波器上的聲壓信號(hào)幅值達(dá)到最大，這個(gè)頻率就是共振頻率［10］。老師用這種語(yǔ)義描述共振頻率的概念，學(xué)生對(duì)這樣描述性概念也許不會(huì)馬上理解，即使能理解也不會(huì)深刻。而老師結(jié)合駐波演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，給學(xué)生展示什么是共振頻率（見(jiàn)圖3）。當(dāng)學(xué)生觀察到有2 個(gè)駐波產(chǎn)生時(shí)（保證在諧振腔頻率附近），保持其他參數(shù)都不發(fā)生變化，只微調(diào)頻率的大小，發(fā)現(xiàn)波幅的大小也相應(yīng)地發(fā)生變化，其中當(dāng)頻率為32.40 Hz時(shí)，波幅最大，此時(shí)頻率為共振頻率；其他大于或者小于這個(gè)頻率時(shí)，波幅都不是最大。

圖3 頻率與波幅變化關(guān)系

根據(jù)大腦的“雙重編碼理論”，視覺(jué)的“表象”（演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象）與“語(yǔ)義”表征（語(yǔ)言文字的描述）概念發(fā)生了有效關(guān)聯(lián)，因此對(duì)于共振頻率這個(gè)概念理解會(huì)更直觀也更深刻。

（2）前測(cè)與后測(cè)題目。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中提出前測(cè)問(wèn)題：“通過(guò)觀看演示現(xiàn)象，達(dá)到共振頻率時(shí)，此時(shí)駐波的振幅是最大還是最小，還是不變？”這個(gè)為共振干涉法實(shí)驗(yàn)中講解如何快速尋找共振頻率打下基礎(chǔ)。后測(cè)題目是：“尋找共振頻率時(shí)觀察的是發(fā)射波的信號(hào)還是接收波的信號(hào)？你是如何快速尋找到共振頻率的？”

2.3 可視聲速變化演示實(shí)驗(yàn)［11］幫助學(xué)生預(yù)判探索

（1）演示實(shí)驗(yàn)前學(xué)生的習(xí)慣性思維。聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)的拓展內(nèi)容［12-14］——顆粒物質(zhì)中聲速大小探究實(shí)驗(yàn)，開(kāi)始探究前，提出一個(gè)問(wèn)題：“你覺(jué)得顆粒物質(zhì)中聲速與空氣中聲速相比誰(shuí)大？”此時(shí)幾乎所有學(xué)生的答案都是顆粒物質(zhì)中聲速比空氣中大的錯(cuò)誤結(jié)論。因?yàn)榘凑諏W(xué)生的認(rèn)知，他們認(rèn)為水中聲速比空氣中大，固體中的聲速比水中的大，則復(fù)合介質(zhì)顆粒物質(zhì)中聲速肯定比空氣中大。

（2）演示實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建立探究性思維。進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，把可視聲速變化演示儀其中一組探頭間放入小顆粒物質(zhì)測(cè)試袋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黃顏色波峰相對(duì)空氣中時(shí)的波峰位置發(fā)生了右移，如圖4 所示。根據(jù)時(shí)差法原理［15-16］，兩換能器之間的距離L 沒(méi)發(fā)生變化，而相對(duì)光標(biāo)鍵的波包發(fā)生了右移，即示波器上水平方向顯示的時(shí)間變長(zhǎng)，因此就可以判斷此時(shí)放入顆粒物質(zhì)后聲速變小了，也就得出顆粒物質(zhì)中的聲速比空氣中聲速小的結(jié)論［11］。這種演示實(shí)驗(yàn)是一種可視化教學(xué)手段，能充分發(fā)揮大腦視覺(jué)認(rèn)知能力與空間計(jì)算能力的獨(dú)特思維系統(tǒng)。

圖4 可視聲速變化［11］

（3）通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)預(yù)判探索結(jié)果，增強(qiáng)學(xué)生的自信心。通過(guò)簡(jiǎn)單演示，看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)原理預(yù)判結(jié)論進(jìn)一步探究，測(cè)出數(shù)據(jù)，驗(yàn)證結(jié)果，最后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示和預(yù)判一致。如果沒(méi)有演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生進(jìn)行探究得出最后的結(jié)論是否正確，學(xué)生也沒(méi)把握。這種通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)手段培養(yǎng)學(xué)生提前預(yù)判探索結(jié)果，最終驗(yàn)證結(jié)果的探究性思維模式，增強(qiáng)了學(xué)生的自信心和好奇心，教學(xué)效果良好。

2.4 攝像同步教學(xué)“場(chǎng)景可視化”教學(xué)手段的應(yīng)用

2.4.1 采用攝像同步教學(xué)目的意義

攝像同步教學(xué)這是一種“場(chǎng)景可視化”教學(xué)手段。這種“場(chǎng)景可視化”是利用我們?nèi)祟悘?qiáng)大的視覺(jué)感知力、解析力和記憶力，用視覺(jué)方式為學(xué)生創(chuàng)建知識(shí)情境，讓學(xué)生在情境中形成感知、建立體驗(yàn)，為語(yǔ)義理解提供豐富、清晰、印象深刻的“非語(yǔ)言”信息（即“表象”），以此來(lái)促進(jìn)對(duì)“語(yǔ)義信息”的理解。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)于儀器講解可以采用視頻或圖片的形式展示給學(xué)生，但學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器沒(méi)有感性認(rèn)知情況下，在大腦中建立不了有效關(guān)聯(lián)，學(xué)生希望教師親自講解并親自操作儀器演示的方式，這樣學(xué)生接受起來(lái)效果更好一些。

但是限于實(shí)驗(yàn)條件限制，16 個(gè)人或者20 人圍在一臺(tái)儀器面前，顯然有些同學(xué)看不到或者看不清楚老師的操作，比如聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的數(shù)字示波器儀器的使用，操作按鈕比較小且按鈕比較多的情況；還有一些實(shí)驗(yàn)儀器比如分光計(jì)調(diào)節(jié)這樣的實(shí)驗(yàn)，由于望遠(yuǎn)鏡目鏡鏡筒的口徑很小，教師在調(diào)節(jié)示范過(guò)程中，學(xué)生無(wú)法觀看到望遠(yuǎn)鏡視野中圖像的變化尤其是視野中的重要標(biāo)志線的調(diào)節(jié)等。那么如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？

把攝像頭直接連接到電子黑板上，或者通過(guò)pad無(wú)線投屏到電子黑板上，把老師的操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象同步呈現(xiàn)在電子黑板上，學(xué)生可以觀察地更清楚，有問(wèn)題及時(shí)反饋給老師，老師也及時(shí)回饋給學(xué)生，學(xué)生還可以在自己座位上查看實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)照老師的講解，這樣學(xué)生學(xué)習(xí)效率會(huì)大大提高。

2.4.2 攝像頭自動(dòng)對(duì)焦情況對(duì)教學(xué)效果的影響

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)攝像頭是否自動(dòng)對(duì)焦對(duì)教學(xué)效果產(chǎn)生一定的影響。事實(shí)上，選擇手動(dòng)調(diào)焦比較好一些，像配有示波器使用的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橹v解過(guò)程中會(huì)時(shí)不時(shí)地進(jìn)行儀器按鈕的操作，這時(shí)鏡頭就自動(dòng)對(duì)焦手動(dòng)的位置，而不是聚焦在目標(biāo)上。如果調(diào)節(jié)旋鈕比較多的情況下，這種體驗(yàn)感就差，會(huì)增加許多等待時(shí)間。

在聲速實(shí)驗(yàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，第一次課用自動(dòng)變焦的鏡頭，結(jié)果延后下課，學(xué)生也說(shuō)從模糊到清晰的等待過(guò)程有些不舒服。為了緩和當(dāng)時(shí)尷尬的氣氛，我還調(diào)侃了一句，這個(gè)攝像頭像人一樣“不敲打不成器”，要經(jīng)常敲打才工作，當(dāng)時(shí)學(xué)生還給了我理解的笑容。有時(shí)上課的過(guò)程就是老師與同學(xué)互動(dòng)和相互理解的過(guò)程，這就是教與學(xué)之間微妙的關(guān)系。

2.4.3 攝像頭對(duì)準(zhǔn)儀器的范圍操作效果的影響

攝像頭對(duì)準(zhǔn)單臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器使用效果好一些，而多臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器就存在問(wèn)題。因?yàn)楫?dāng)儀器參數(shù)設(shè)置和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示在不同儀器上時(shí)，為了讓同學(xué)們能直觀的觀察，需要將鏡頭不停地在多臺(tái)儀器之間轉(zhuǎn)換，這樣攝像頭移動(dòng)就帶來(lái)視覺(jué)上不停轉(zhuǎn)換，學(xué)生感覺(jué)就有些不舒服。為了獲得更好的教學(xué)效果或者學(xué)生體驗(yàn)舒服一些，可以使用廣角鏡頭，顯示的畫面就多一些，但是這樣圖像就顯得小了一些，離屏幕遠(yuǎn)的同學(xué)數(shù)字看不清楚，也會(huì)有不舒服的感受。以后的教學(xué)中可嘗試用多個(gè)攝像頭，形成組合畫面，這樣效果會(huì)更好。

3 可視化教學(xué)手段實(shí)施效果與討論

3.1 前測(cè)、后測(cè)題目統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

對(duì)前測(cè)題，通過(guò)觀看駐波演示儀回答換能器共振頻率時(shí)，選振幅最大這個(gè)正確答案的幾乎為100%；而后測(cè)題目，90%以上的周四上課同學(xué)會(huì)回答是通過(guò)觀察反射波，并且是當(dāng)連續(xù)調(diào)節(jié)頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)反射波的振幅最大時(shí)，此時(shí)就是所需要找的共振頻率。而對(duì)沒(méi)有觀看駐波演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的周一上課同學(xué)，僅僅通過(guò)在講解共振干涉法實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單操作給學(xué)生演示時(shí)，學(xué)生對(duì)于回答后測(cè)題目時(shí)，約70%左右的學(xué)生回答正確并能順利找到共振頻率。因此演示實(shí)驗(yàn)這種可視化教學(xué)手段的運(yùn)用對(duì)學(xué)生快速并準(zhǔn)確尋找共振頻率起到幫助作用。

3.2 輔助理解共振頻率的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)

駐波演示對(duì)輔助理解共振頻率的作用，對(duì)周四上課62 名同學(xué)進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 演示實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從圖5 可以看到77.5%的同學(xué)認(rèn)為借助駐波演示儀的演示作用，能很好理解共振頻率，20.9%的同學(xué)能較清楚理解，不能理解和很不理解的學(xué)生沒(méi)有，可以看出借助物理演示可視化的教學(xué)手段能直觀的解釋一些物理概念。

3.3 攝像頭應(yīng)用問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)

攝像頭應(yīng)用對(duì)教學(xué)效果的影響，對(duì)周四上課的62名同學(xué)進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查。而且在實(shí)驗(yàn)儀器比較多的聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中使用攝像頭。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 教學(xué)效果統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖6 可見(jiàn)，79.6%的同學(xué)認(rèn)為使用攝像頭能更清楚地看到老師操作，對(duì)理解知識(shí)起到良好的作用。還有2.2%的同學(xué)反應(yīng)不如直接看老師的操作更直觀，對(duì)于這個(gè)反應(yīng)很正常的，說(shuō)明這些學(xué)生就在老師附近，能直觀看到老師操作，這種效果更好一些，但是在人數(shù)較多，而且儀器旋鈕比較多的情況下，大多數(shù)學(xué)生不可能都能圍在老師身邊，能清楚地看到操作畫面，這比較符合實(shí)際情況。當(dāng)然因?yàn)殓R頭在不同的儀器之間轉(zhuǎn)換，有時(shí)儀器距離鏡頭的遠(yuǎn)近不同，有些畫面不是很清楚，有極少一部分同學(xué)視力不是太好，或者離屏幕遠(yuǎn)，效果不是太好，這類學(xué)生反應(yīng)看不清楚，學(xué)生占1.6%。

3.4 學(xué)生的體會(huì)

在問(wèn)卷調(diào)查中設(shè)置了一個(gè)開(kāi)放性題目，收集學(xué)生其他意見(jiàn)和建議。其中有同學(xué)說(shuō)：“攝像頭應(yīng)用簡(jiǎn)直太好了，不用都擠到老師面前，而是坐在自己的位置上，舒舒服服觀看老師的操作，并且對(duì)照著自己桌子上的實(shí)驗(yàn)儀器，這樣邊聽(tīng)老師講解，邊能看到自己的實(shí)驗(yàn)儀器，這樣印象更深刻一些，特別是對(duì)于復(fù)雜儀器示波器的使用，這樣學(xué)習(xí)更直觀一些，這種感覺(jué)太棒了。”

3.5 不同時(shí)間段學(xué)生成績(jī)的統(tǒng)計(jì)分析

學(xué)期結(jié)束，把周一和周四上課學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，他們成績(jī)?cè)诓煌姆謹(jǐn)?shù)段存在差異，如圖7 所示。

圖7 學(xué)生成績(jī)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

因周一和周四上課的同學(xué)采用不同教學(xué)手段和教學(xué)方法，最后他們的實(shí)驗(yàn)成績(jī)存在差異。在大于88 分這個(gè)區(qū)間段周四上課學(xué)生高分的人數(shù)幾乎是周一上課人數(shù)的3 倍，而在小于84 分這個(gè)區(qū)間的，周四上課的人數(shù)也是比周一的上課人數(shù)少一些，說(shuō)明周四上課學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)好一些。

原因有2 個(gè)，①在周四上課教學(xué)中使用演示實(shí)驗(yàn)和攝像同步教學(xué)可視化手段能讓學(xué)生更加迅速理解實(shí)驗(yàn)原理，熟悉實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)操作完成就順利；②在聲速拓展內(nèi)容的探索研究中，因?yàn)槔每梢暵曀傺菔緦?shí)驗(yàn)讓學(xué)生預(yù)判實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)論就相對(duì)周一上課同學(xué)準(zhǔn)確得多。

4 結(jié)語(yǔ)

物理演示實(shí)驗(yàn)、攝像同步教學(xué)可視化手段應(yīng)用需要根據(jù)教學(xué)實(shí)際情況決定，針對(duì)攝像頭應(yīng)用，當(dāng)上課學(xué)生人數(shù)不超過(guò)10 人時(shí)，在實(shí)驗(yàn)儀器操作功能講解時(shí)，可以不用攝像頭，采用學(xué)生直接圍觀的形式，效果也不錯(cuò)。當(dāng)然對(duì)于分光計(jì)這樣的實(shí)驗(yàn)，還是使用攝像頭技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步教學(xué)演示分光計(jì)視野內(nèi)圖像的方式比較好。

總之，從學(xué)生調(diào)查問(wèn)卷，前測(cè)與后測(cè)問(wèn)題反饋情況以及對(duì)照組實(shí)驗(yàn)最終成績(jī)存在差異可以看出，這種可視化教學(xué)手段確實(shí)可以提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，并得到同學(xué)們的普遍認(rèn)可。

依據(jù)腦科學(xué)理論，可視化教學(xué)手段如果運(yùn)用恰當(dāng)?shù)脑捘軜O大減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，從而能提高教學(xué)效果的作用。基于腦科學(xué)理論的這一應(yīng)用研究同樣適用于其他教學(xué)領(lǐng)域，值得推廣。