基于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的圖形化展示研究

方書(shū)婷

摘要：目的：目前高校的物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，大多仍止步于傳統(tǒng)的“灌輸式”原理傳授或“照搬式”教學(xué)觀摩，制約了高校物理實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展以及學(xué)生獲取物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)的效率，文章意在尋求更有效的教學(xué)手段。方法：文章探討了圖形化展示在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中的呈現(xiàn)方式及優(yōu)勢(shì)，并對(duì)當(dāng)前產(chǎn)生的問(wèn)題予以分析并提出解決建議。結(jié)果：圖形化展示可加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)理論的理解，提升學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。結(jié)論：圖形化展示為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的完善畫(huà)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(shí)驗(yàn)教學(xué) 圖形化展示 信息整合

引言

物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)于物理專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是進(jìn)入象牙塔后技能學(xué)習(xí)的第一步，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)物理定律，驗(yàn)證物理理論正確與否，是學(xué)習(xí)物理知識(shí)的有效手段之一。因此，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)對(duì)高校人才的培養(yǎng)具有重要意義。當(dāng)前高校的物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，仍止步于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，以物理原理的簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展以及學(xué)生獲取物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)的效率。

一、傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)授課的不足

（一）“灌輸式”原理傳授：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程因其課程性質(zhì)的特殊性，原理相對(duì)枯燥。傳統(tǒng)教學(xué)方式往往是教師詳細(xì)地講解實(shí)驗(yàn)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(xué)的一個(gè)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(guò)程封閉、僵化、程式化，學(xué)生被動(dòng)接受教師“控制”，機(jī)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(xué)生所接受。學(xué)生在上課時(shí)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)沒(méi)有完整的概念，缺乏實(shí)例演示以及更為形象化的講解方式，極大地削弱了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)生在獲取知識(shí)的過(guò)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(xué)生只能接收、輸入并存儲(chǔ)知識(shí)。

（二）“照搬式”教學(xué)觀摩：傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及其有關(guān)的解題訓(xùn)練，一般是將簡(jiǎn)化好的物理模型提供給學(xué)生，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生只能依照老師示范進(jìn)行觀摩，機(jī)械模仿，在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)不符合常規(guī)的物理現(xiàn)象時(shí)不能給予合理的解釋，僅僅是為了得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。部分學(xué)生甚至完全敷衍了事，課程結(jié)束后更是對(duì)數(shù)據(jù)處理無(wú)所適從，只得依據(jù)模板生搬硬套。極少學(xué)生對(duì)實(shí)際的問(wèn)題進(jìn)行分析思考，無(wú)法從實(shí)際問(wèn)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(xùn)練。此種教學(xué)方式雖然對(duì)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能有所提高，但提升的空間不足，對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)思想的形成和培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新都會(huì)形成桎梏。因而學(xué)生很難對(duì)實(shí)際的物理對(duì)象和物理情景進(jìn)行理想化處理，在實(shí)際問(wèn)題面前顯得束手無(wú)策。

二、圖形化展示在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中呈現(xiàn)方式

圖形化展示以多種視覺(jué)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(xué)生可以更直接認(rèn)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(huà)面的視覺(jué)元素，囊括了圖像、圖形以及一系列視覺(jué)表現(xiàn)手段，都可以劃入圖形化的范圍。目前可運(yùn)用在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(guò)平面化的圖形，將信息、數(shù)據(jù)、知識(shí)等以視覺(jué)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(jì)，從物理實(shí)驗(yàn)課程中的框架、重點(diǎn)、疑難點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(duì)展示內(nèi)容輕、重、緩、急的處理，便于學(xué)生掌握課程的節(jié)奏和中心內(nèi)容。

二維靜態(tài)展示相對(duì)三維、動(dòng)態(tài)的展示來(lái)說(shuō)，形式更為穩(wěn)定，不僅能夠幫助學(xué)生理解大規(guī)模的復(fù)雜信息，亦能讓學(xué)生觀察到信息的屬性和意義，讓所呈現(xiàn)對(duì)象之間的隱藏關(guān)系直觀化、清晰化，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與知識(shí)點(diǎn)之間的交互，直接影響著學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為。

筆者認(rèn)為，將物理實(shí)驗(yàn)課程信息進(jìn)行二維靜態(tài)展示的視覺(jué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，需考慮到以下兩個(gè)因素：第一，視覺(jué)元素的合理化表現(xiàn)。需對(duì)呈現(xiàn)對(duì)象的色彩、構(gòu)圖、畫(huà)面構(gòu)成等做到合理安排。第二，邏輯思維的清晰化表達(dá)。需要考慮到實(shí)驗(yàn)信息在視覺(jué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的前后關(guān)系與邏輯，一切從學(xué)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(lán)、綠，顏色純度高，明度大，可有效吸引學(xué)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(jiǎn)單直接的將信息以圖表化呈現(xiàn)，減少了認(rèn)知障礙，信息傳達(dá)清晰明了邏輯性強(qiáng)。

（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(zhǎng)度和寬度來(lái)形成視覺(jué)傳達(dá)，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(xué)過(guò)程中，可運(yùn)用3dMax，Maya等三維圖像制作軟件，通過(guò)三維圖形在計(jì)算機(jī)中的仿真再現(xiàn)，解構(gòu)實(shí)驗(yàn)物體的內(nèi)部情況，剖析實(shí)驗(yàn)物品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，（如圖2）所示，通過(guò)3dMax進(jìn)行建模，忠實(shí)還原了細(xì)小的機(jī)體細(xì)節(jié)，便于學(xué)生透徹了解內(nèi)部組織架構(gòu)和實(shí)驗(yàn)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(duì)簡(jiǎn)單，而三維呈現(xiàn)除長(zhǎng)度與寬度兩個(gè)維度之外，增加了高度，如機(jī)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(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M：借助于多媒體技術(shù)，以動(dòng)畫(huà)、圖像視頻等動(dòng)態(tài)模式，全方位模擬。（如圖3）所示，視頻多角度模擬了實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，以生動(dòng)的、現(xiàn)代化的數(shù)字手段集中展示，提升課堂教學(xué)的生動(dòng)性、形象性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

依托此種呈現(xiàn)方式，可收獲以下兩點(diǎn)功能：

1.分解實(shí)驗(yàn)步驟：將完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jìn)行講解，亦可將親自演示與圖像片段相結(jié)合。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前后可反復(fù)觀看，了解整體流程，做到完全了然于心。

2.實(shí)驗(yàn)效果預(yù)呈現(xiàn)：抽象的語(yǔ)言描述很難在學(xué)生腦海中形成具象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)，通過(guò)圖形化動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，可以將實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的結(jié)果一一呈現(xiàn)，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前，可對(duì)實(shí)驗(yàn)即將呈現(xiàn)的效果做到“心中有底”，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，方能做到有條不紊。

（四）交互式虛擬實(shí)驗(yàn)互動(dòng)：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)是少投入多產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)資源共享的一種全新辦學(xué)理念。通過(guò)滲透基于圖形圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，搭建虛擬場(chǎng)景與虛擬漫游，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試儀器等實(shí)驗(yàn)資源的虛擬現(xiàn)實(shí)模型，學(xué)生可參與到虛擬實(shí)驗(yàn)互動(dòng)，借助多媒體技術(shù)打造線上操作系統(tǒng)，學(xué)生可達(dá)到課前提前演練，課后反復(fù)練習(xí)的效果。交互式虛擬實(shí)驗(yàn)互動(dòng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，實(shí)驗(yàn)成本低且可反復(fù)使用，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的依賴和損害被降低，兼具了開(kāi)放性與共享性的優(yōu)點(diǎn)。教師更可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果，合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容（如圖4）。

具體過(guò)程如下：

1.實(shí)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(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，只需在終端設(shè)備連接校園網(wǎng)即可開(kāi)始學(xué)習(xí)，整體場(chǎng)景構(gòu)建與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室完全一致，真實(shí)感強(qiáng)烈，容易贏得學(xué)生的認(rèn)同感與歸屬感。

2.交互構(gòu)建：交互方案的構(gòu)建主要通過(guò)Flash與Javascript或ActionScript實(shí)現(xiàn)，由單個(gè)或多個(gè)具體的仿真實(shí)驗(yàn)組成。依靠Flash強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用腳本語(yǔ)言，完成場(chǎng)景與操作行為的交互動(dòng)畫(huà)。結(jié)合以圖片、文字、聲效，增加虛擬實(shí)驗(yàn)室的沉浸感和逼真感，學(xué)生動(dòng)態(tài)控制實(shí)驗(yàn)行為，系統(tǒng)根據(jù)行為做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)交互。

三、圖形化展示在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

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(qiáng)理解記憶，從而直接影響人們的認(rèn)知行為。相比語(yǔ)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(shí)驗(yàn)課程中。圖形化展示可以更清晰地呈現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)步驟與思路，其易讀性和易記性可以為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下堅(jiān)實(shí)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(jì)步驟與思路，將信息進(jìn)行歸納、分類、概括并將其轉(zhuǎn)化為圖形，來(lái)提升實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的易讀性和易記性，能在有效地吸引學(xué)生注意力的同時(shí)，迅速讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，降低思維難度。合理的圖形化展示可減少學(xué)生的認(rèn)知成本，提高知識(shí)傳播的效率。

（二）更方便的學(xué)習(xí)方式：圖形化的展示方式擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程中完全依賴教師的授課形態(tài)，學(xué)生可將圖形資料拷貝后，反復(fù)觀看，直到對(duì)實(shí)驗(yàn)信息、過(guò)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(xué)生數(shù)形結(jié)合的思維模式，有利于推動(dòng)教師改進(jìn)教學(xué)方式，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，開(kāi)拓學(xué)生探索能力，拔高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造意識(shí)。

（四）更便利的教學(xué)手段：物理實(shí)驗(yàn)課程的操作理論性強(qiáng)，相對(duì)枯燥，運(yùn)用圖形化展示結(jié)合課堂教學(xué)，可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生注意力。此外，視頻、圖片等教學(xué)素材可供學(xué)生反復(fù)觀看，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，教師亦擺脫了重復(fù)操作的體能負(fù)累，一定程度上減輕了教師的教學(xué)壓力。

四、目前存在的問(wèn)題

（一）數(shù)據(jù)與美學(xué)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(jué)表現(xiàn)手段上仍然有待提高，因此，物理實(shí)驗(yàn)課程的圖形化展示需要設(shè)計(jì)類人才的加入，但設(shè)計(jì)類人才亦缺乏對(duì)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(shì)必造成數(shù)據(jù)原理與美學(xué)原理的跨界碰撞，但這就需要雙方加強(qiáng)溝通，在進(jìn)行圖形化處理時(shí)，更需綜合考量學(xué)生認(rèn)知，緊密圍繞美學(xué)、溝通的原則，使實(shí)驗(yàn)信息的構(gòu)建與傳達(dá)能夠順利被理解和消化。

（二）實(shí)驗(yàn)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(guò)某種方式彼此銜接，從而實(shí)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(jià)值有效率的一個(gè)整體。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程數(shù)據(jù)多、體量大，如何對(duì)繁雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、解析和處理成為目前圖形化展示亟需解決的問(wèn)題，教師個(gè)人力量有限，高效率教研隊(duì)伍的組建勢(shì)在必行。

結(jié)語(yǔ)

圖形化展示為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的完善畫(huà)上了濃重的一筆，將枯燥的公式定量和結(jié)果進(jìn)行可視化處理，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)理論的理解，有效提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生提供了分析實(shí)際問(wèn)題的研究手段及方法，更促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。通過(guò)不斷的摸索與實(shí)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(shí)際應(yīng)用層面更上一臺(tái)階。