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大学物理实验课程的图形化展示论文
摘要：目的：目前高校的物理实验课程教学，大多仍止步于传统的“灌输式”原理传授或“照搬式”教学观摩，制约了高校物理实验课程的发展以及学生获取物理实验知识的效率，文章意在寻求更有效的教学手段。方法：文章探讨了图形化展示在大学物理实验课程中的呈现方式及优势，并对当前产生的问题予以分析并提出解决建议。结果：图形化展示可加深学生对实验理论的理解，提升学习兴趣，提高实验教学质量。结论：图形化展示为高校实验教学体系的完善画上了浓重的一笔，我们还在探求更加多元的图形化展示方式。
关键词：物理实验教学;图形化展示;信息整合
引言
物理实验是物理学发展的基础，对于物理专业的学生来说，大学物理实验课程是进入象牙塔后技能学习的第一步，学生在实验过程中发现物理定律，验证物理理论正确与否，是学习物理知识的有效手段之一。因此，大学物理实验课程的教学对高校人才的培养具有重要意义。当前高校的物理实验课程教学，仍止步于传统的教学方式，以物理原理的简单传授或教师亲自示范为主，此类方式存在着一定的不足，制约了高校物理实验课程的发展以及学生获取物理实验知识的效率。
一、传统大学物理实验授课的不足
（一）“灌输式”原理传授：大学物理实验课程因其课程性质的特殊性，原理相对枯燥。传统教学方式往往是教师详细地讲解实验原理、方法、步骤、仪器使用、数据记录、数据处理等。灌输式教学的一个突出特征就是以教师为中心。[1]授课教师常采用照本宣科的方式，授课过程封闭、僵化、程式化，学生被动接受教师“控制”，机械地记忆所讲解的内容，使原本枯燥的方程和公式更难为学生所接受。学生在上课时对测量的数据没有完整的概念，缺乏实例演示以及更为形象化的讲解方式，极大地削弱了学生的学习兴趣，导致学生在获取知识的过程中盲目服从，逐渐丧失批判精神与创造精神。这种教育让学生只能接收、输入并存储知识。[2]
（二）“照搬式”教学观摩：传统的大学物理实验教学及其有关的解题训练，一般是将简化好的物理模型提供给学生，实验过程中，学生只能依照老师示范进行观摩，机械模仿，在实验中出现不符合常规的物理现象时不能给予合理的解释，仅仅是为了得到实验数据。部分学生甚至完全敷衍了事，课程结束后更是对数据处理无所适从，只得依据模板生搬硬套。极少学生对实际的问题进行分析思考，无法从实际问题中提取信息，抓住主要特征，排除次要因素，确立理想化的物理模型的训练。此种教学方式虽然对学生的基本实验技能有所提高，但提升的空间不足，对于学生实验思想的形成和培养、实验方法的创新都会形成桎梏。因而学生很难对实际的物理对象和物理情景进行理想化处理，在实际问题面前显得束手无策。
二、图形化展示在大学物理实验教学中呈现方式
图形化展示以多种视觉化手段为载体，将各类信息数据以及信息数据之间的映射关系演变成学生可以更直接认知、消化的呈现方式。在这里，不能以狭义的图像去概括图形化，只要是构成信息画面的视觉元素，囊括了图像、图形以及一系列视觉表现手段，都可以划入图形化的范围。[3]目前可运用在大学物理实验教学的图形化展示手段有：
（一）二维静态展示：数据显示，人类的大脑更倾向接受图形类的信息，通过平面化的图形，将信息、数据、知识等以视觉化的方式呈现，优化信息的传递，能够更高效、直观清晰的传递信息。二维静态展示包含了大容量的信息整合设计，从物理实验课程中的框架、重点、疑难点出发，通过长时间的资料与信息的收集、整合，结合以照片、图形、概念图等平面展示方式，直击课程的关键部分，对展示内容轻、重、缓、急的处理，便于学生掌握课程的节奏和中心内容。二维静态展示相对三维、动态的展示来说，形式更为稳定，不仅能够帮助学生理解大规模的复杂信息，亦能让学生观察到信息的属性和意义，让所呈现对象之间的隐藏关系直观化、清晰化，实现学生与知识点之间的交互，直接影响着学生的实验行为。笔者认为，将物理实验课程信息进行二维静态展示的视觉转化过程中，需考虑到以下两个因素：第一，视觉元素的合理化表现。需对呈现对象的色彩、构图、画面构成等做到合理安排。第二，逻辑思维的清晰化表达。需要考虑到实验信息在视觉转化过程中的前后关系与逻辑，一切从学生的接受能力出发。（如图1）所示，选用色彩中的基本色红、黄、蓝、绿，颜色纯度高，明度大，可有效吸引学生注意力，采用扁平化图形模式，去除冗余、厚重和繁杂的装饰效果，简单直接的将信息以图表化呈现，减少了认知障碍，信息传达清晰明了，逻辑性强。
（二）三维解构：三维解构和二维静态展示的概念区别在于：二维静态展示用长度和宽度来形成视觉传达，三维解构在前者的基础上延伸了高度，形成了立体的空间展示。在教学过程中，可运用3dMax，Maya等三维图像制作软件，通过三维图形在计算机中的仿真再现，解构实验物体的内部情况，剖析实验物品内部结构，（如图2）所示，通过3dMax进行建模，忠实还原了细小的机体细节，便于学生透彻了解内部组织架构和实验原理。二维静态展示的数据为单一视角信息，呈现的信息相对简单，而三维呈现除长度与宽度两个维度之外，增加了高度，如机械内部的轴心、元件的背面等信息都得以呈现，呈现效果逼真、直接、富有立体空间感。
（三）动态实验模拟：借助于多媒体技术，以动画、图像视频等动态模式，全方位模拟。（如图3）所示，视频多角度模拟了实验操作过程，以生动的、现代化的数字手段集中展示，提升课堂教学的生动性、形象性，激发学生学习兴趣。依托此种呈现方式，可收获以下两点功能：1.分解实验步骤：将完整的实验过程合理地分成若干环节或部分图像片段，然后按环节或部分分别进行讲解，亦可将亲自演示与图像片段相结合。学生在实验前后可反复观看，了解整体流程，做到完全了然于心。2.实验效果预呈现：抽象的语言描述很难在学生脑海中形成具象的实验结果预测，通过图形化动态呈现，可以将实验中可能出现的结果一一呈现，学生在做实验之前，可对实验即将呈现的效果做到“心中有底”，在进行实验时，方能做到有条不紊。
（四）交互式虚拟实验互动：虚拟实验平台建设是少投入多产出，实现资源共享的一种全新办学理念。[4]通过渗透基于图形图像的虚拟现实技术，搭建虚拟场景与虚拟漫游，构建实验设备、测试仪器等实验资源的虚拟现实模型，学生可参与到虚拟实验互动，借助多媒体技术打造线上操作系统，学生可达到课前提前演练，课后反复练习的效果。交互式虚拟实验互动与传统实验室相比，实验成本低且可反复使用，对实验对象的依赖和损害被降低，兼具了开放性与共享性的优点。教师更可以通过网络平台实时监测学生的实验效果，合理优化教学内容（如图4）。具体过程如下：1.实景搭建：建立在局域性的校园网基础之上，依托Lumion、Unity或Unreal4等3D可视化工具合成虚拟实验室场景，只需在终端设备连接校园网即可开始学习，整体场景构建与真实的实验室完全一致，真实感强烈，容易赢得学生的认同感与归属感。2.交互构建：交互方案的构建主要通过Flash与JavaScript或ActionScript实现,由单个或多个具体的仿真实验组成。依靠Flash强大的开发平台，运用脚本语言，完成场景与操作行为的交互动画。结合以图片、文字、声效，增加虚拟实验室的沉浸感和逼真感，学生动态控制实验行为，系统根据行为做出反应，实现交互。
三、图形化展示在大学物理实验教学中的优势
图形图像是信息传递的主要途径。研究表明，图形和色彩比文字更能刺激人脑的思维，更能丰富人的情感，加强理解记忆，从而直接影响人们的认知行为。[5]相比语言与文字，其接受程度更高，接受速度更快,却鲜少出现于物理实验课程中。图形化展示可以更清晰地呈现物理实验的设计步骤与思路，其易读性和易记性可以为物理实验教学打下坚实基础。
（一）更有效的信息载体：图形化展示方式可作为物理情境的一种有效的信息载体，有利于更加清晰地呈现设计步骤与思路，将信息进行归纳、分类、概括并将其转化为图形,来提升实验内容的易读性和易记性，能在有效地吸引学生注意力的同时，迅速让学生掌握实验的重点，降低思维难度。合理的图形化展示可减少学生的认知成本，提高知识传播的效率。
（二）更方便的学习方式：图形化的展示方式摆脱了传统实验课程中完全依赖教师的授课形态，学生可将图形资料拷贝后，反复观看，直到对实验信息、过程等课程内容完全理解为止。
（三）更有效的思维拓展工具：图形化展示有利于拓展学生数形结合的思维模式，有利于推动教师改进教学方式，提升学生的科学思维能力，开拓学生探索能力，拔高学生创新创造意识。
（四）更便利的教学手段：物理实验课程的操作理论性强，相对枯燥，运用图形化展示结合课堂教学，可提升学生的学习兴趣，提高学生注意力。此外，视频、图片等教学素材可供学生反复观看，增强学生的自主学习能力，教师亦摆脱了重复操作的体能负累，一定程度上减轻了教师的教学压力。
四、目前存在的问题
（一）数据与美学的碰撞，专业跨界有挑战：物理专业人才在审美水平、视觉表现手段上仍然有待提高，因此，物理实验课程的图形化展示需要设计类人才的加入，但设计类人才亦缺乏对于物理理论及数据的深层次理解，双方专业领域不同，势必造成数据原理与美学原理的跨界碰撞，但这就需要双方加强沟通，在进行图形化处理时，更需综合考量学生认知，紧密围绕美学、沟通的原则，使实验信息的构建与传达能够顺利被理解和消化。
（二）实验课程数据繁杂，信息整合有难度：在这里整合的理解是将一些零散的东西通过某种方式彼此衔接，从而实现系统的资源共享和协同工作。其主要精髓在于将零散要素结合在一起，并最终形成有价值有效率的一个整体。[6]大学物理实验课程数据多、体量大，如何对繁杂的实验数据进行梳理、解析和处理成为目前图形化展示亟需解决的问题，教师个人力量有限，高效率教研队伍的组建势在必行。
五、结语
图形化展示为高校实验教学体系的完善画上了浓重的一笔，将枯燥的公式定量和结果进行可视化处理，加深学生对实验理论的理解，有效提高了实验教学的质量，提升学生的学习兴趣，为学生提供了分析实际问题的研究手段及方法，更促进了学生创新实践能力的培养。通过不断的摸索与实践，我们还在探求更加多元的图形化展示方式，力求在内容呈现与实际应用层面更上一台阶。
参考文献
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[5]解艳林.浅析信息图形化设计的应用[J].美与时代（中）.2015（4）:121.
[6]拉克什米巴斯卡兰.大容量信息整合设计[M].上海：上海人民美术出版社，2006:9.
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