知识可视化在材料检测技术课程教学中的应用

郭晓潞　伍亮　黄加宝

摘要：通过知识可视化在教学中的应用，课堂上抽象的知识能够转变为直接看得见的内容，既简化了信息的传播，又有助于加强学生的理解和实践动手能力。本文首先阐述了知识可视化在教学中的重要性，其次以《材料检测技术》课程中的案例为依据，探讨了知识可视化在此课程中的应用，介绍了以视频图片、实地检测以及实物模型作为实现知识可视化的方式及其优点，总结了其相关成效，以期为强化学生理论知识、培养创新精神及解决问题的能力提供参考。

关键词：知识可视化；材料检测；典型案例；教学成效

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）10-0165-03

一、概述

人类社会在不断地发展，在这个信息大爆炸的时代，人类拥有的科学知识总量在不断快速增长。知识总量翻倍的时间从19世纪的50年，到20世纪初的每10年，到了70年代则是每5年增加一倍，而当今时代则是大约每3年增加一倍，以后则会更快[1]。传统的教学方式已经不能符合对大量知识的需求。正如亚里士多德曾说：告诉我的我会忘记，给我看的我会记住，让我参与的我会理解。基于此，知识可视化迅速发展为一门新兴学科。在教育领域，知识可视化也受到众多教育技术学家与教育实践者的关注，如何运用其进行教学活动，更是成为当前教学界研讨与实践的热点[2-4]。

美国爵士大学的林夏博士指出知识可视化是“通俗易懂的可视化”，是“能将隐性知识转为显性知识的可视化”，是“能够创造新知识的可视化”，也是“能帮助人们学习、认知与合作的可视化”。知识可视化是近年來逐渐兴起的一种提高人类学习效率的途径，它通过产品、物体或视觉影像等方式高效表现大量复杂信息，还能够帮助理解抽象复杂的知识概念，甚至还有可能帮助人类突破工作记忆的限制，以便我们有效地整合现有技能，发挥更大的潜力。由此可见，知识可视化在缓解知识飞速增长所带给人们前所未有的压力方面具有广阔的前景。同时，知识可视化在教学活动中也大有用武之地，不仅有助于教学信息的呈现和传递，还有助于学生将教学信息重构为自己的知识；不仅可以实现显性知识的传递，还可以实现隐性知识的传递；不仅能够创建知识，还能够帮助学生进行认知与协作[5]。

同济大学材料科学与工程学院已开设《材料检测技术》课程三十余年，该课程以混凝土建筑物无损检测技术为主要内容，不断探索无损检测的教学方法，以培养从事无损检测相关技术的人才。而新一代的检测技术层出不穷，如何能够将这门已持续多年的课程推陈出新，以更加通俗易懂、丰富多彩的方式展现给学生，并培养他们对无损检测技术的兴趣已成为关键所在[6]。本文结合课程中的案例，阐述了知识可视化在实践教学与课堂教学中的应用，并说明了以视频图片、实地检测以及实物模型作为实现知识可视化的方式及其优点，并总结了知识可视化在教学过程中的成效，以期为强化学生理论知识、培养创新精神及解决问题的能力提供参考。

二、案例介绍

没有理论的事实是迷糊的，没有事实的理论是空洞的。知识可视化教学方法不仅需要学术理论上加以探索，还需要借助典型案例予以明晰。

1.实践教学中的可视化。利用回弹仪检测混凝土结构构件抗压强度的方法简称回弹法，是获取混凝土质量和强度的最快速、最简单和最经济的测试方法。在实践教学之前，为了让学生充分了解回弹仪的工作原理，采用视频及图片教学，通过播放回弹仪的教学视频及其在实际工程中的使用及检测过程的视频，学生可以亲自动手拆卸与组装回弹仪，不仅极大地帮助学生熟悉回弹仪的内部构造，理解回弹仪的工作原理，还能掌握回弹仪的拆装及其维护保养的基本常识。此外，还可以采用教学专用透明回弹仪，由于其机壳透明（图1），在回弹仪工作过程中，其工作原理即可一目了然。而在实践教学过程中，事先安排好测试地点，让每一个同学能够赴实地进行勘测，并且在实践过程中，就获得的数据联系实际情况进行分析，比如墙体潮湿、破损以及碳化对其强度的影响，并与课本中的知识点进行对比，做到理论联系实际。

超声法通过非金属超声检测仪检测混凝土的声时、波幅和频率等数值，并通过计算分析得出混凝土强度或缺陷，可以对混凝土构件进行无损检测。目前已有该课程的相关设计[7]，其也能使学生对超声仪原理充分了解，通过对混凝土试块进行实测，增强学生的动手实践能力，获得混凝土的声速、波幅和波形的信息，以推断和检查混凝土结构内部的空洞、裂缝及其他缺陷的位置等。但为了增强可视化程度，对该实验进行了优化设计，同时引入了透光混凝土（图2）的理念，即光线可以从混凝土的一面透至另一面，离这种混凝土最近的物体亦可在其混凝土上显示出阴影，一般这种可透光的混凝土由大量的光学纤维和精致混凝土组合而成。考虑到其所需材料及工艺皆可以在校园中实现，因此可以将实验测试过程的试件制作成透光的试块（图3），同时在相应的位置埋入钢筋，利用透光的原理使得学生在测试的时候能看见钢筋所处的位置。当利用超声仪进行测试的时候，对比多处声速的区别，看是否与钢筋的实际位置相吻合，这样学生不仅学会了仪器的操作，也充分验证了仪器原理及测试结果的真实性。但由于制作工艺上的欠缺，目前实验用的透光混凝土试块只能达到透光的目的，还不能将钢筋可视化，但相信随着制作工艺上的改进，这种可视化理念会在课程中实现。

在两次实践教学中，综合利用视频、实地检测以及实物模型等作为知识可视化的方式，生动形象地将课本中的知识以及实验仪器的操作等信息传授于学生。同时为学生营造良好的教与学的实践平台与环境，他们能够积极主动地完成实验操作，借助已形成的思维图像或视觉信息，让学生在头脑中形成一种主动的构建过程，以获得对物理概念和规律的深刻理解。尤其在引入透光混凝土的理念后，学生们十分积极地参与到试块的设计与成型当中。混凝土配方设计、光导纤维选择以及模具的制作都是学生们面临的问题，而遇到了问题既能独立思考又能团队协作，最后成功地完成透光混凝土的制作，这样的实践性教学活动的开展既增强了学生的责任心，又培养了学生的动手能力。

2.课堂教学中的可视化。随着科学技术的不断发展，材料检测技术也日新月异，而若想将一些最新的材料检测手段引入课堂教学，与学生们进行分享学习，则变得十分困难，正是由于课堂教学水平的提升以及可视化概念的发展，这一切也可以变得简单起来。例如，在本课堂教学中，引入了冲击映像法、高密度面波、高密度电法等先进检测技术，然而由于这些新技术所使用的仪器过于复杂、庞大，因此很难在校园中进行实践教学。老师通过网络学习这些仪器的原理及使用，然后将这些内容制作成视频、图片在课堂教学中进行可视化展示，使得学生能够掌握最前沿的检测手段，并与老师在课堂上就展示内容进行实时沟通、学习，这大大丰富了学生们的知识面，增强了他们的学习兴趣，提高了学习效率。

在课堂理论教学中，如果仅仅按照课本上的知识内容进行讲解，学生们会感觉枯燥乏味，缺课率增加。而在课堂中引入可视化教学方法，通过视频图片等方法展示教学内容，不仅使原本单调的理论知识变得生动活泼，还能够引入最前沿的知识，提高了学生的学习兴趣，增强了课堂教学的吸引力，增加了老师与学生间的互动性。

三、教学成效

1.创新了可视化教学方法。传统的可视化载体包括故事、图表及视频等，其应用也仅限于课堂教学中。而在本文所提到的案例中，创新性地将实物模型以及实地测试等方式应用于可视化教学中，并将其应用范围扩展到实践教学课程，对当前可视化教学模式的完善起到了积极的推动作用。

2.提高了理解与记忆能力。传统的教学方式如通过语言系统将知识传递给学生，这种方式虽然也起到教学目的，但抽象化的信息很难快速地被学生所理解，并且语言信息在大脑中也只能短时间存在，无法形成长时间的记忆。而可视化通过视觉系统将记忆中的信息（如概念图、视频）进行精细化加工从而使之转移到长时记忆中予以长期保留，或者将记忆中的信息之间建立一种联系，形成存储和提取线索，从而维持和提高记忆中相关信息的激活。

3.增强了互动性。无论是在课堂教学还是实践教学中，学生都能积极地参与到可视化教学中，遇到不明白的问题能够第一时间与老师同学沟通，增强了师生间的互动性。另外，在充满趣味的实践课程中，同学们相互协作完成实验内容，才能使整个实验过程得以顺利进行。

四、结论及展望

知识可视化可以丰富教学过程中知识的传递方式，促进教学过程中师生的交互，提高知识的传递效率，其在改善知识表达、提高学习绩效方面已经开始发挥越来越大的作用。本文以材料檢测课程中的案例为依据，详细讲解了知识可视化在这门传统课程上的应用，介绍了以视频图片、实地检测以及实物模型作为实现知识可视化的方式，并总结了相关教学成效。期望通过这些知识可视化应用方式，为教师改进教学方法，设计更多优良的教学组织形式，提高教学效率，增强教学效果，同时学生能够改进学习方法，提高学习效率，从容应对信息时代的挑战提供有益的参考。

参考文献：

[1]黎加厚.现代教育技术对基础教育课程改革的影响[J].课程教材教法，1997，（4）：1-5.？詍

[2]张小峰.基于视觉表征的对外汉语教学模式[D].南京：南京师范大学，2011.

[3]邱婷，钟志贤.一种概念框架：知识外在表征在教学中的应用[J].现代远程教育研究，2005，（5）：39-43.

[4]何美萍，唐剑岚，全波.视觉化表征及其在数学学习中的作用[J].内蒙古师范大学学报：教育科学版，2008，（8）：138-140.

[5]钟达.知识可视化及其教学应用[D].重庆：西南大学，2010.

[6]郭晓潞，孟凡杰，伍亮.项目式教学法在材料制备与检测课程教学中的应用[J].高教学刊，2016，（05）：89-90.

[7]郭晓潞，张德东，施惠生，张雄.混凝土无损检测实践性教学初探[J].大学教育，2014，（16）：117-118.