不同類型實驗的呈現(xiàn)方式探究

吳榮華，程 凱

(福建省華漁教育研究院，福州 350200)

引言

教育部2019年11月29日發(fā)布了《關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》，要求各地各校對實驗教學(xué)方式進行創(chuàng)新，豐富實驗教學(xué)的實施形式，促進傳統(tǒng)教學(xué)與現(xiàn)代新興科技的結(jié)合，從而增強實驗教學(xué)的趣味性和吸引力[1]。理科類學(xué)科是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，對應(yīng)的教學(xué)必須以實驗為基礎(chǔ)。這里的實驗是指在人為控制條件下利用科學(xué)儀器、設(shè)備，使相關(guān)的實驗現(xiàn)象反復(fù)再現(xiàn)，從而有目的地進行觀測研究的一種方法[2]。為了讓實驗現(xiàn)象再現(xiàn)時能清晰明顯，實驗的呈現(xiàn)方式除了常規(guī)實物實驗的直接觀察方式外，還可以借助信息技術(shù)來優(yōu)化實驗的“可視化”，技術(shù)優(yōu)化的方式包括但不限于不同形式的視頻拍攝、虛擬仿真呈現(xiàn)(桌面式虛擬、VR、AR)、接入數(shù)據(jù)傳感器的實物實驗、模擬視頻、圖表、文字、示意圖等方式。特別針對危險、宏觀、復(fù)雜、微觀、抽象、實物不好操作的實驗，比較適合信息化技術(shù)來輔助呈現(xiàn)。通過超前的科學(xué)可視化創(chuàng)新技術(shù)，利用高保真視頻或數(shù)字化圖像呈現(xiàn)實驗的物態(tài)變化與現(xiàn)象、微觀結(jié)構(gòu)以及標準操作程序，提升實驗教學(xué)的演示質(zhì)量，促進概念的極致講解。我們對不同類型實驗、信息技術(shù)的特征進行了分析，探究出不同實驗的呈現(xiàn)方式與不同類型實驗的匹配關(guān)系。

一、實物實驗

1.常規(guī)實物實驗呈現(xiàn)方式

常規(guī)實物實驗是指通過實驗儀器、藥品進行的實驗操作，教材中以實驗形式呈現(xiàn)的實驗都可以進行常規(guī)實物實驗，但是在進行演示及分組實驗時會存在一些實驗現(xiàn)象不明顯以及因?qū)嶒灄l件控制不準確而導(dǎo)致實驗現(xiàn)象偏差的問題。

2.接入數(shù)據(jù)傳感器的實物實驗

利用傳感器、接口技術(shù)和微電腦連接，對實物實驗進行實時顯示實驗數(shù)據(jù)并圖形化，真實自然的可視化可以再現(xiàn)實驗現(xiàn)象，明析實驗的本質(zhì)。針對一些需要呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)、進行定量呈現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理的實驗，可以接入數(shù)據(jù)傳感器來更好地呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象。比如化學(xué)：酸堿中和滴定；物理：探究合力的功與動能變化的關(guān)系。

3.借助實物投影的實物實驗

運用實物投影輔助方式，記錄物理實驗的真實情景，通過電腦屏幕的慢放、快放、鏡頭定格，局部區(qū)域放大，局部微觀呈現(xiàn)等播放方式，清晰實驗現(xiàn)象，擴大觀察范圍，宏觀把握整體規(guī)律。適合一些實驗器材或?qū)嶒灛F(xiàn)象本身受限、實驗效果(太快或太慢)不明顯或?qū)嶒灴捎^察面太小、不容易觀察清楚的這類型實驗。比如物理中的機械波的形成和傳播的繩波，化學(xué)中的鈉與水的反應(yīng)。

二、實拍視頻

1.延時攝影的實拍視頻

延時攝影是一種以較低的幀率拍下圖像序列后，通過后期加工成音視頻的成品。延時攝影在播放時采用正?；蛘咻^快的速率來播放畫面的技術(shù)。對于一些反應(yīng)很慢或?qū)嶒灛F(xiàn)象需要很長時間才能逐步展示出來的實驗適合用延時攝影的方式進行呈現(xiàn)。比如化學(xué)中的晶體結(jié)晶(NaCl、Na2SO3、NH4Cl、K2Cr2O7等晶體的結(jié)晶)，生物中的微生物培養(yǎng)(大腸桿菌的純化培養(yǎng))。

2.高速攝影的實拍視頻

高速攝影是使用非?？斓目扉T速度來捕捉圖像的技術(shù)。這種攝影一般有兩種方式：一是照片本身體現(xiàn)出運動的靜止狀態(tài)，二是在高速頻率下拍攝一系列照片。每個片段的實際發(fā)生時間都小于1秒。將高速拍攝的圖片導(dǎo)成25幀/秒的視頻，相當于比正常拍攝放慢120倍。有一些實驗反應(yīng)非?？?，以至肉眼難以觀察整個反應(yīng)過程的實驗，適合用高速攝影的方式進行呈現(xiàn)。比如物理中的運動學(xué)(滑冰運動中的物理原理)，化學(xué)中的沉淀反應(yīng)(氯化銀、碘化鉛、鉻酸銀、硫酸鋇、Fe(OH)3、Ni(OH)2、Ag2CrO4等沉淀生成的反應(yīng))。

3.顯微攝影的實拍視頻

顯微攝影是利用復(fù)式顯微鏡拍攝被放大的標本的跽片，并將拍攝得到的素材在課堂上進行投影供學(xué)生觀看，實現(xiàn)比人人都用顯微鏡觀察方便得多的一種呈現(xiàn)方式。多用于中學(xué)生物學(xué)、解剖學(xué)、病理學(xué)等教學(xué)中。適用于所呈現(xiàn)的現(xiàn)象為微觀現(xiàn)象，肉眼難以觀察到而需借助顯微鏡來觀察的實驗。比如生物中的顯微觀察類(培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化)，物理中的微粒運動(用顯微鏡觀察小炭粒的運動)，化學(xué)中的晶體結(jié)晶時晶枝的生長、沉淀在溶液中生成時的形態(tài)等。

4.微距攝影的實拍視頻

微距攝影指利用照相機鏡頭的光學(xué)能力，對實際物體進行等大(1∶1)或比實際物體稍小進行拍攝，從而獲得對應(yīng)的圖像。微距攝影放大的倍率一般在1—10倍之間。通過微距攝影清晰地拍攝出反應(yīng)變化的過程,將實驗反應(yīng)現(xiàn)象以明確的視角呈現(xiàn)給學(xué)生。對于一些肉眼觀察不清晰、需要在一定角度重點放大呈現(xiàn)實驗的現(xiàn)象，便于清晰觀察到現(xiàn)象細節(jié)變化的實驗可以通過微距攝影的方式進行呈現(xiàn)。比如物理中的液體表面張力，化學(xué)中的不同元素對應(yīng)物質(zhì)的形態(tài)呈現(xiàn)等類型的實驗。

5.紅外熱成像的實拍視頻

紅外熱成像是通過光電技術(shù)檢測物體熱輻射出來的紅外線的波段信號，再將該信號轉(zhuǎn)換成人的視覺能分辨的圖像或圖形，并通過計算規(guī)則得出物體的溫度值。紅外熱成像技術(shù)幫助人類超越了本身視覺的障礙，讓人們能夠直觀地“看到”物體表面的溫度及分布狀況。對于一些涉及熱反應(yīng)、熱輻射現(xiàn)象的實驗都適合用紅外熱成像的形式進行呈現(xiàn)。如物理中的電磁波的熱效應(yīng)，化學(xué)中的鈉與水反應(yīng)、酸堿中和反應(yīng)。

6.慢鏡頭的實拍視頻

慢鏡頭是一種慢動作的呈現(xiàn)方式，是以正常頻率放映(每秒24幅)攝影師通過加快拍攝頻率(如每秒拍48幅)的畫面來實現(xiàn)。有一些反應(yīng)較快、肉眼難以清晰觀察整個反應(yīng)過程的實驗可以通過慢鏡頭的方式來呈現(xiàn)。如物理中的開爾文—赫姆霍茲波現(xiàn)象，化學(xué)中的燃燒反應(yīng)等類型的實驗。

7.情境化的實拍視頻

通過構(gòu)建具體情境和故事情節(jié)進行有關(guān)知識和知識間關(guān)系展示。有一些實驗需要結(jié)合具體情境來講解，營造一種情況氛圍幫助學(xué)生更好地掌握相關(guān)的知識點。如生活及工業(yè)生產(chǎn)流程類實驗(氯堿工業(yè))、調(diào)查分析類實驗(生物多樣性調(diào)查實驗)。

三、模擬視頻

1.動畫/Flash模型模擬視頻

通過Flash的方式，把物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及實驗過程進行微觀圖像化/動態(tài)化的呈現(xiàn)，把微觀結(jié)構(gòu)和相互作用置于學(xué)生的可視化情景之中，加深學(xué)生理解[3]。有一部分是現(xiàn)象需要形象化呈現(xiàn)且物質(zhì)或現(xiàn)象難以觀察到的實驗，如生物中的DNA甲基化檢測，化學(xué)中的有機結(jié)構(gòu)(甲烷結(jié)構(gòu))。

2.互動性動畫模擬視頻

把相關(guān)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型通過Flash的方式，設(shè)置簡單的互動形式，動態(tài)呈現(xiàn)實驗反應(yīng)機理，明確實驗本質(zhì)。查閱文獻和數(shù)據(jù)后，用計算機制作3D模型和交互式動畫，展示物理變化或化學(xué)變化的原理來促進學(xué)生對相關(guān)知識的理解，這一類實驗原理本質(zhì)比較抽象。如反應(yīng)機理呈現(xiàn)(加成反應(yīng)、取代反應(yīng)等)。

四、虛擬實驗

1.桌面式3D/2D虛擬實驗

桌面式虛擬實驗室是運用三維圖形繪制技術(shù)對模型進行建模，營造一個與真實世界盡可能仿真的虛擬世界。通過屏幕這個窗口來觀察和感受營造的虛擬境界，通過鍵盤和鼠標等傳統(tǒng)的輸入設(shè)備實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互。這類實驗呈現(xiàn)方式會導(dǎo)致觀察時缺乏沉浸感，但實現(xiàn)起來比較簡單，容易進行普及和推廣[4]。

適合這類型的實驗特征如下：(1)需要立體視角呈現(xiàn)；(2)需要對儀器進行3D視角觀察、拆裝等；(3)實驗需要多種器材、器材易損壞、創(chuàng)設(shè)不同實驗條件進行對比與探究；(4)實驗需要反復(fù)操作、錯誤操作、危險等理想實驗；(5)受時間空間制約，發(fā)生時間太長/短；(5)知識、概念、原理抽象類實驗；(6)現(xiàn)象過于宏觀/微觀的實驗；(7)實驗過程需要記錄相關(guān)數(shù)據(jù)等。如物理中的電磁學(xué)系列(通電螺線管的磁場方向)、力學(xué)系列(研究受迫振動的頻率)，科學(xué)中的觀察植物的一生，生物中的測定種子的發(fā)芽率等實驗。

2.VR類虛擬實驗

VR沉浸式虛擬實驗通過搭配各種交互式的設(shè)備(如數(shù)據(jù)手套和頭盔顯示器等)，讓使用者獲得置身于現(xiàn)實環(huán)境的沉浸感，該系統(tǒng)對應(yīng)的設(shè)備相對昂貴且對技術(shù)要求較高，是一套復(fù)雜的系統(tǒng)[4]。適合這類型的實驗特征如下：(1)需要立體視角呈現(xiàn)；(2)現(xiàn)象過于宏觀/微觀的實驗；(3)對沉浸感要求高的實驗；(4)涉及抽象類知識的實驗；(5)存在時空地點限制類實驗；(6)危險且實物不好操作類(如爆炸、時間成本高、耗材大)。如化學(xué)中的晶體結(jié)構(gòu)及原子結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)，地理中的生態(tài)環(huán)境、宏觀地理景象，生物中的細胞免疫機制，英語中的描述性詞匯和抽象詞匯的展示，歷史中的歷史戰(zhàn)爭等。

同時，操作技能類實驗也適合用VR虛擬實驗形式呈現(xiàn)，特別是用于現(xiàn)在初高中實驗操作技能考試前的訓(xùn)練。針對這一類型的實驗，央館虛擬實驗(https://vlab.eduyun.cn)整體特征比較明顯。

3.AR類虛擬實驗

AR是一種增強型的虛擬實驗系統(tǒng)，使用者運用輕便AR設(shè)備(別于VR設(shè)備)營造出一種虛擬和真實相結(jié)合的新環(huán)境，一部分依然為真實環(huán)境，另一部分則由虛擬環(huán)境替代，從而達到一種適應(yīng)現(xiàn)實、保留現(xiàn)實的綜合效果，增強了選擇性信息化，降低了資源生產(chǎn)的時間及制作成本，實現(xiàn)體驗過程的高效認知和交互，同時讓使用者不與真實世界隔離。適合于需要立體視角、虛擬的學(xué)習(xí)內(nèi)容與真實環(huán)境發(fā)生有意義關(guān)聯(lián)類(角色參與)的實驗。如化學(xué)中的微觀粒子交互式實驗，物理中的磁場與磁感線。

五、其他輔助類

1.圖片呈現(xiàn)

圖片呈現(xiàn)類包括時間和空間的關(guān)系圖、一些矢量分析圖等，利用實驗的連續(xù)性或圖形的整體性，把實物、實驗儀器、實驗裝置、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等進行圖片化處理，把相關(guān)的圖片可視化，將可視化作為一種工具，直觀全面地展現(xiàn)出圖片文字間的各量關(guān)系，啟發(fā)學(xué)生的思維。適合這類的實驗特征：(1)實驗現(xiàn)象具備真實情境；(2)實驗裝置(過濾、蒸發(fā)等)和實驗操作示范類；(3)實驗細節(jié)需要清晰展示；(4)注重與現(xiàn)實生活聯(lián)系的化學(xué)實驗；(5)史實講解類實驗。

2.圖表呈現(xiàn)

呈現(xiàn)方式是通過整齊有序、條理清楚的表格，簡單明了、鮮明直觀的線圖來傳達相關(guān)信息。圖表的這種呈現(xiàn)方式有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。一般包含表、圖的結(jié)合，涉及需實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、輔助得出實驗結(jié)論和分析類的實驗。

3.示意圖呈現(xiàn)

示意圖呈現(xiàn)主要是指由物件(儀器、工具)外部的輪廓線條構(gòu)成的矢量圖?？梢酝ㄟ^計算機對各種矢量圖進行繪制，從而得到各種直線、圓、矩形、曲線、圖表等示意圖，一般有2D和3D兩種形態(tài)。主要有操作示意圖 、實驗裝置示意圖、解析示意圖等。

4.文字呈現(xiàn)

文字呈現(xiàn)是實驗最基本、最重要、最常見的一種呈現(xiàn)方式。通過文字、符號(元素、化學(xué)式、方程式)等信息來實現(xiàn)教學(xué)信息的傳達。一般通過標簽的方式呈現(xiàn)，實驗知識的歸納、實驗原理和實驗結(jié)論的說明，與其他呈現(xiàn)方式結(jié)合，需突出強調(diào)的內(nèi)容用文字來呈現(xiàn)、注意文字基本屬性的運用類實驗。

結(jié)束語

實驗內(nèi)容的技術(shù)創(chuàng)新與呈現(xiàn)的研發(fā)，展現(xiàn)出宏觀的實驗現(xiàn)象與操作，模擬難以觀察的微觀結(jié)構(gòu)與過程，構(gòu)建出一種由現(xiàn)象到分析再到思維抽象的科學(xué)實驗過程，能夠豐富課堂教學(xué)情景，降低實驗教學(xué)的風險，在潛移默化之中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性素質(zhì)和能力，促進概念的極致講解，激發(fā)學(xué)生的求知欲，促進信息化實驗教學(xué)的發(fā)展。