“楊氏模量測定實驗”知識可視化導學的設計與應用

孫 瑜 宋連鵬 曾華順

(海軍大連艦艇學院基礎部 遼寧 大連 116018) (海軍大連艦艇學院學員隊 遼寧 大連 116018)

1 引言

數(shù)字時代高速發(fā)展的信息技術,帶來了信息資源的極大豐富,人們學習知識的方法和途徑也越來越多樣化,知識可視化的產生,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],其主要目的是應用視覺表征來促進群體知識的傳播與創(chuàng)新.

可視化技術近年來逐漸被應用在教育領域,引起了傳統(tǒng)教學模式的變革,2009 年開始,杜克大學的研究人員將可視化技術應用在藝術與建筑史的課堂上,極大地促進了學生的學習和理解.知識可視化可以展示知識的邏輯結構,更有利于人們對知識的學習、理解和記憶.

2 “楊氏模量測定實驗”教學現(xiàn)狀分析

“楊氏模量測定實驗”作為大學物理實驗中一項必做實驗項目,其內容涵蓋了經典的實驗思想、操作技巧及數(shù)據(jù)處理方法的綜合應用,是培養(yǎng)學生科學實驗能力的一個非常典型的實驗項目.該實驗項目雖然實驗任務單一,但是要求學生必須掌握比較復雜的實驗原理、調節(jié)方法和數(shù)據(jù)處理,學生要想在課堂上順利完成實驗任務,就必須做好課前預習,對課前預習效率提出了較高要求.

但在課堂教學中通過檢查學生預習發(fā)現(xiàn),由于低年級本科學生學習適應性不強,實驗預習效果并不理想.因此針對該實驗項目的實驗教學所面臨的實際問題,結合現(xiàn)代信息技術手段及學生學習認知特點,提出基于知識可視化對學生進行“楊氏模量測定實驗”實驗導學的教學設計研究.

3 知識可視化的理論基礎及常用建構方法

3.1 知識可視化的理論基礎

知識可視化的理論基礎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家佩維奧提出的,強調信息的貯存、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建一個量化與質化的知識系統(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換.

3.2 知識可視化常用建構方法

知識可視化以圖形設計、認知科學為基礎,與視覺表征有著密切關聯(lián).因此,視覺表征是知識可視化的關鍵,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方法有概念圖、思維導圖、因果圖、語義網(wǎng)絡以及思維地圖等[4].下面分別列出每種建構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構性描述,利于對抽象概念構造信息和闡明其之間關系.

(2)思維導圖(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建理論為基礎,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系.

(4)語義網(wǎng)絡表征法揭示概念與概念之間的關系,形成層次結構.

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

4 “楊氏模量測定實驗”可視化導學的教學設計

4.1 可視化導學設計思路

對知識進行可視化導學設計的關鍵是對知識進行科學的梳理,再借助強大的知識可視化工具(本文選用的是XMIND)進行表征,從而使學習者能夠建構出一個完整的知識架構,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習效果.本部分將對“楊氏模量測定實驗”的實驗知識要點進行梳理,在梳理的基礎上分步建構可視化導學思維導圖,并最終形成一個完整的“楊氏模量測定實驗”知識可視化導學架構.

4.2 實驗原理可視化導學設計

“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],再結合實驗測量條件,將定義中的各物理量進一步轉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,往往會給學習者造成繁瑣的學習體驗,加大學習者記憶和理解的負擔.

針對這種教學實際,完成了圖1所示的實驗原理思維導圖,圖中以楊氏模量定義為基礎,采用樹形圖進行建構,分別對應力和應變進行演變轉換,將這兩部分用顏色深淺加以區(qū)分,更利于學習者系統(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,采用了導圖中嵌入原理圖加公式的方式,可以讓學習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換物理量.

圖1 實驗原理思維導圖

4.3 實驗操作可視化導學設計

實驗操作部分由于要區(qū)分先后操作步驟,所以在思維導圖的構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“先調整后測量”的思路分為4步,每一步中涵蓋的內容利用關鍵詞進行精要描述,同時從學習者的閱讀習慣上按照從上而下的形式自然描述操作順序.在調整楊氏模量測定儀、調節(jié)望遠鏡目鏡及光杠桿構造等部分中,由于涉及儀器中的術語比較多、單用文字描述無法清晰表達如何操作的問題,采用了在相應的位置添加示意圖的方式,方便學習者將文字與實物關聯(lián)統(tǒng)一,從視覺上為學習者提供學習和理解的有效手段,做到有效學習.

圖2 實驗操作思維導圖

4.4 實驗數(shù)據(jù)處理可視化導學設計

“楊氏模量測定實驗”實驗數(shù)據(jù)處理比較復雜,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)以往的教學情況看,學生往往存在不會處理或處理錯誤、處理不完整的現(xiàn)象,所以這部分內容進行可視化導學設計時,以測量結果表征所需要的平均值和不確定度為出發(fā)點,在思維導圖中分別標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,從而使學習者更容易區(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,使學生在計算時目標清晰,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)處理思維導圖

4.5 “楊氏模量測定實驗”可視化導學總體設計

“楊氏模量測定實驗”作為大學物理實驗的一項必做實驗項目,其內容涵蓋了經典的實驗思想、操作技巧及數(shù)據(jù)處理方法的綜合應用,是培塑學生科學實驗能力的一個非常典型的實驗項目.

根據(jù)實驗項目的教學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容,是學習者能否掌握實驗的關鍵,針對這3部分內容,前面已分別建構相應的可視化導學設計.為了讓學習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”可視化導學總體設計,如圖4所示.

圖4 “楊氏模量測定實驗”可視化導學總體設計

將“楊氏模量測定實驗”知識可視化教學設計用于2021級部分學生的課前預習,授課教師通過課堂提問、觀察學生實驗操作、檢查實驗報告的方式進行教學效果評價:認為學生的課前預習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合上,雖然一小部分學生對預習內容記憶不夠深刻,但在教師的提示和引導下也能夠快速理解實驗內容,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”進行實驗導學的教學設計研究.通過研究,一是針對剛進入大學的學生基礎實驗能力起點比較低、學習適應性差、不能有效利用現(xiàn)有教學資源、使用效果一般的現(xiàn)狀,通過引入新的內容呈現(xiàn)方式和工具幫助學生盡快地適應新變化.二是通過建立“楊氏模量測定實驗”可視化導學,利用思維導圖等可視化工具建構知識網(wǎng)絡結構,幫助學生進行相關知識的構建,解決“楊氏模量測定實驗”實驗預習效果差導致的實驗任務完成不好的教學問題.通過對一個實驗項目可視化導學教學設計的探索和研究,可為后續(xù)整門課程建立系統(tǒng)的可視化導學方案提供有力支撐,并為其他課程開展可視化教學提供一定的借鑒經驗.