知識可視化在材料檢測技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

郭曉潞　伍亮　黃加寶

摘要：通過知識可視化在教學(xué)中的應(yīng)用，課堂上抽象的知識能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯涌吹靡姷膬?nèi)容，既簡化了信息的傳播，又有助于加強(qiáng)學(xué)生的理解和實(shí)踐動手能力。本文首先闡述了知識可視化在教學(xué)中的重要性，其次以《材料檢測技術(shù)》課程中的案例為依據(jù)，探討了知識可視化在此課程中的應(yīng)用，介紹了以視頻圖片、實(shí)地檢測以及實(shí)物模型作為實(shí)現(xiàn)知識可視化的方式及其優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)了其相關(guān)成效，以期為強(qiáng)化學(xué)生理論知識、培養(yǎng)創(chuàng)新精神及解決問題的能力提供參考。

關(guān)鍵詞：知識可視化；材料檢測；典型案例；教學(xué)成效

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）10-0165-03

一、概述

人類社會在不斷地發(fā)展，在這個(gè)信息大爆炸的時(shí)代，人類擁有的科學(xué)知識總量在不斷快速增長。知識總量翻倍的時(shí)間從19世紀(jì)的50年，到20世紀(jì)初的每10年，到了70年代則是每5年增加一倍，而當(dāng)今時(shí)代則是大約每3年增加一倍，以后則會更快[1]。傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)不能符合對大量知識的需求。正如亞里士多德曾說：告訴我的我會忘記，給我看的我會記住，讓我參與的我會理解。基于此，知識可視化迅速發(fā)展為一門新興學(xué)科。在教育領(lǐng)域，知識可視化也受到眾多教育技術(shù)學(xué)家與教育實(shí)踐者的關(guān)注，如何運(yùn)用其進(jìn)行教學(xué)活動，更是成為當(dāng)前教學(xué)界研討與實(shí)踐的熱點(diǎn)[2-4]。

美國爵士大學(xué)的林夏博士指出知識可視化是“通俗易懂的可視化”，是“能將隱性知識轉(zhuǎn)為顯性知識的可視化”，是“能夠創(chuàng)造新知識的可視化”，也是“能幫助人們學(xué)習(xí)、認(rèn)知與合作的可視化”。知識可視化是近年來逐漸興起的一種提高人類學(xué)習(xí)效率的途徑，它通過產(chǎn)品、物體或視覺影像等方式高效表現(xiàn)大量復(fù)雜信息，還能夠幫助理解抽象復(fù)雜的知識概念，甚至還有可能幫助人類突破工作記憶的限制，以便我們有效地整合現(xiàn)有技能，發(fā)揮更大的潛力。由此可見，知識可視化在緩解知識飛速增長所帶給人們前所未有的壓力方面具有廣闊的前景。同時(shí)，知識可視化在教學(xué)活動中也大有用武之地，不僅有助于教學(xué)信息的呈現(xiàn)和傳遞，還有助于學(xué)生將教學(xué)信息重構(gòu)為自己的知識；不僅可以實(shí)現(xiàn)顯性知識的傳遞，還可以實(shí)現(xiàn)隱性知識的傳遞；不僅能夠創(chuàng)建知識，還能夠幫助學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知與協(xié)作[5]。

同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院已開設(shè)《材料檢測技術(shù)》課程三十余年，該課程以混凝土建筑物無損檢測技術(shù)為主要內(nèi)容，不斷探索無損檢測的教學(xué)方法，以培養(yǎng)從事無損檢測相關(guān)技術(shù)的人才。而新一代的檢測技術(shù)層出不窮，如何能夠?qū)⑦@門已持續(xù)多年的課程推陳出新，以更加通俗易懂、豐富多彩的方式展現(xiàn)給學(xué)生，并培養(yǎng)他們對無損檢測技術(shù)的興趣已成為關(guān)鍵所在[6]。本文結(jié)合課程中的案例，闡述了知識可視化在實(shí)踐教學(xué)與課堂教學(xué)中的應(yīng)用，并說明了以視頻圖片、實(shí)地檢測以及實(shí)物模型作為實(shí)現(xiàn)知識可視化的方式及其優(yōu)點(diǎn)，并總結(jié)了知識可視化在教學(xué)過程中的成效，以期為強(qiáng)化學(xué)生理論知識、培養(yǎng)創(chuàng)新精神及解決問題的能力提供參考。

二、案例介紹

沒有理論的事實(shí)是迷糊的，沒有事實(shí)的理論是空洞的。知識可視化教學(xué)方法不僅需要學(xué)術(shù)理論上加以探索，還需要借助典型案例予以明晰。

1.實(shí)踐教學(xué)中的可視化。利用回彈儀檢測混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗壓強(qiáng)度的方法簡稱回彈法，是獲取混凝土質(zhì)量和強(qiáng)度的最快速、最簡單和最經(jīng)濟(jì)的測試方法。在實(shí)踐教學(xué)之前，為了讓學(xué)生充分了解回彈儀的工作原理，采用視頻及圖片教學(xué)，通過播放回彈儀的教學(xué)視頻及其在實(shí)際工程中的使用及檢測過程的視頻，學(xué)生可以親自動手拆卸與組裝回彈儀，不僅極大地幫助學(xué)生熟悉回彈儀的內(nèi)部構(gòu)造，理解回彈儀的工作原理，還能掌握回彈儀的拆裝及其維護(hù)保養(yǎng)的基本常識。此外，還可以采用教學(xué)專用透明回彈儀，由于其機(jī)殼透明（圖1），在回彈儀工作過程中，其工作原理即可一目了然。而在實(shí)踐教學(xué)過程中，事先安排好測試地點(diǎn)，讓每一個(gè)同學(xué)能夠赴實(shí)地進(jìn)行勘測，并且在實(shí)踐過程中，就獲得的數(shù)據(jù)聯(lián)系實(shí)際情況進(jìn)行分析，比如墻體潮濕、破損以及碳化對其強(qiáng)度的影響，并與課本中的知識點(diǎn)進(jìn)行對比，做到理論聯(lián)系實(shí)際。

超聲法通過非金屬超聲檢測儀檢測混凝土的聲時(shí)、波幅和頻率等數(shù)值，并通過計(jì)算分析得出混凝土強(qiáng)度或缺陷，可以對混凝土構(gòu)件進(jìn)行無損檢測。目前已有該課程的相關(guān)設(shè)計(jì)[7]，其也能使學(xué)生對超聲儀原理充分了解，通過對混凝土試塊進(jìn)行實(shí)測，增強(qiáng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，獲得混凝土的聲速、波幅和波形的信息，以推斷和檢查混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空洞、裂縫及其他缺陷的位置等。但為了增強(qiáng)可視化程度，對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)引入了透光混凝土（圖2）的理念，即光線可以從混凝土的一面透至另一面，離這種混凝土最近的物體亦可在其混凝土上顯示出陰影，一般這種可透光的混凝土由大量的光學(xué)纖維和精致混凝土組合而成?？紤]到其所需材料及工藝皆可以在校園中實(shí)現(xiàn)，因此可以將實(shí)驗(yàn)測試過程的試件制作成透光的試塊（圖3），同時(shí)在相應(yīng)的位置埋入鋼筋，利用透光的原理使得學(xué)生在測試的時(shí)候能看見鋼筋所處的位置。當(dāng)利用超聲儀進(jìn)行測試的時(shí)候，對比多處聲速的區(qū)別，看是否與鋼筋的實(shí)際位置相吻合，這樣學(xué)生不僅學(xué)會了儀器的操作，也充分驗(yàn)證了儀器原理及測試結(jié)果的真實(shí)性。但由于制作工藝上的欠缺，目前實(shí)驗(yàn)用的透光混凝土試塊只能達(dá)到透光的目的，還不能將鋼筋可視化，但相信隨著制作工藝上的改進(jìn)，這種可視化理念會在課程中實(shí)現(xiàn)。

在兩次實(shí)踐教學(xué)中，綜合利用視頻、實(shí)地檢測以及實(shí)物模型等作為知識可視化的方式，生動形象地將課本中的知識以及實(shí)驗(yàn)儀器的操作等信息傳授于學(xué)生。同時(shí)為學(xué)生營造良好的教與學(xué)的實(shí)踐平臺與環(huán)境，他們能夠積極主動地完成實(shí)驗(yàn)操作，借助已形成的思維圖像或視覺信息，讓學(xué)生在頭腦中形成一種主動的構(gòu)建過程，以獲得對物理概念和規(guī)律的深刻理解。尤其在引入透光混凝土的理念后，學(xué)生們十分積極地參與到試塊的設(shè)計(jì)與成型當(dāng)中?；炷僚浞皆O(shè)計(jì)、光導(dǎo)纖維選擇以及模具的制作都是學(xué)生們面臨的問題，而遇到了問題既能獨(dú)立思考又能團(tuán)隊(duì)協(xié)作，最后成功地完成透光混凝土的制作，這樣的實(shí)踐性教學(xué)活動的開展既增強(qiáng)了學(xué)生的責(zé)任心，又培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力。

2.課堂教學(xué)中的可視化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，材料檢測技術(shù)也日新月異，而若想將一些最新的材料檢測手段引入課堂教學(xué)，與學(xué)生們進(jìn)行分享學(xué)習(xí)，則變得十分困難，正是由于課堂教學(xué)水平的提升以及可視化概念的發(fā)展，這一切也可以變得簡單起來。例如，在本課堂教學(xué)中，引入了沖擊映像法、高密度面波、高密度電法等先進(jìn)檢測技術(shù)，然而由于這些新技術(shù)所使用的儀器過于復(fù)雜、龐大，因此很難在校園中進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。老師通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)這些儀器的原理及使用，然后將這些內(nèi)容制作成視頻、圖片在課堂教學(xué)中進(jìn)行可視化展示，使得學(xué)生能夠掌握最前沿的檢測手段，并與老師在課堂上就展示內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通、學(xué)習(xí)，這大大豐富了學(xué)生們的知識面，增強(qiáng)了他們的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率。

在課堂理論教學(xué)中，如果僅僅按照課本上的知識內(nèi)容進(jìn)行講解，學(xué)生們會感覺枯燥乏味，缺課率增加。而在課堂中引入可視化教學(xué)方法，通過視頻圖片等方法展示教學(xué)內(nèi)容，不僅使原本單調(diào)的理論知識變得生動活潑，還能夠引入最前沿的知識，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了課堂教學(xué)的吸引力，增加了老師與學(xué)生間的互動性。

三、教學(xué)成效

1.創(chuàng)新了可視化教學(xué)方法。傳統(tǒng)的可視化載體包括故事、圖表及視頻等，其應(yīng)用也僅限于課堂教學(xué)中。而在本文所提到的案例中，創(chuàng)新性地將實(shí)物模型以及實(shí)地測試等方式應(yīng)用于可視化教學(xué)中，并將其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到實(shí)踐教學(xué)課程，對當(dāng)前可視化教學(xué)模式的完善起到了積極的推動作用。

2.提高了理解與記憶能力。傳統(tǒng)的教學(xué)方式如通過語言系統(tǒng)將知識傳遞給學(xué)生，這種方式雖然也起到教學(xué)目的，但抽象化的信息很難快速地被學(xué)生所理解，并且語言信息在大腦中也只能短時(shí)間存在，無法形成長時(shí)間的記憶。而可視化通過視覺系統(tǒng)將記憶中的信息（如概念圖、視頻）進(jìn)行精細(xì)化加工從而使之轉(zhuǎn)移到長時(shí)記憶中予以長期保留，或者將記憶中的信息之間建立一種聯(lián)系，形成存儲和提取線索，從而維持和提高記憶中相關(guān)信息的激活。

3.增強(qiáng)了互動性。無論是在課堂教學(xué)還是實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生都能積極地參與到可視化教學(xué)中，遇到不明白的問題能夠第一時(shí)間與老師同學(xué)溝通，增強(qiáng)了師生間的互動性。另外，在充滿趣味的實(shí)踐課程中，同學(xué)們相互協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，才能使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程得以順利進(jìn)行。

四、結(jié)論及展望

知識可視化可以豐富教學(xué)過程中知識的傳遞方式，促進(jìn)教學(xué)過程中師生的交互，提高知識的傳遞效率，其在改善知識表達(dá)、提高學(xué)習(xí)績效方面已經(jīng)開始發(fā)揮越來越大的作用。本文以材料檢測課程中的案例為依據(jù)，詳細(xì)講解了知識可視化在這門傳統(tǒng)課程上的應(yīng)用，介紹了以視頻圖片、實(shí)地檢測以及實(shí)物模型作為實(shí)現(xiàn)知識可視化的方式，并總結(jié)了相關(guān)教學(xué)成效。期望通過這些知識可視化應(yīng)用方式，為教師改進(jìn)教學(xué)方法，設(shè)計(jì)更多優(yōu)良的教學(xué)組織形式，提高教學(xué)效率，增強(qiáng)教學(xué)效果，同時(shí)學(xué)生能夠改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)效率，從容應(yīng)對信息時(shí)代的挑戰(zhàn)提供有益的參考。

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