（高等教育学专业论文）多媒体电磁学教学可视化研究.pdf

摘要随着数字技术、计算机技术，网络技术等高新技术的迅猛发展，计算机辅助教学已逐渐成为最有吸引力的现代化教学手段。因而，开发高质量的计算机辅助教学软件是充分发挥多媒体教学优势的核心。本文深入分析了多媒体教学及多媒体电磁学课件的研制与开发在国内外的发展现状。根据现代教学设计理论的基本原则，提出了多媒体电磁学课件设计与开发的基本模型模块法模型：既多媒体课件的知识结构是基于知识点的模型，多媒体课件的功能结构是基于教学功能的模型。在课程系统的构建上，整个系统由物理教学、动画演示、答疑解惑、虚拟实验、测试系统等模块组成；在教学模块的设计思想上，利用现代教学设计理论与多媒体技术的优势，注重系统的实用性、可行性和先进性；在教学模块的技术实现上，充分利用多媒体技术的集成性、非线性、交互性等特点，并采用了多种多媒体课件制作工具；在模块的实现功能上，本套多媒体电磁学课件已具有网络化的功能，既可用于个别化学习，也可用于协作学习。总之，该系统已具有良好的积件功能和内容的可扩充性，可以方便的增加新的软件模块或扩展多种教学信息。多媒体电磁学课件的评价是保证多媒体课件质量的重要环节。根据多媒体课件的评价理论并结合电磁学课程的特点，提出了多媒体课件的内置评价模块灰色评价理论及其设计方法。本文还对多媒体课件和多媒体教育技术的发展趋势进行了展望和预测，并指出了其发展方向，以期对多媒体教育软件的研制和开发起到有益的借鉴作用。关键词：多媒体电磁学课件计算机辅助教学模块法可视化灰色评价计算机网络i i ia b s t r a c tt h ec o m p u t e r a s s i s t e di n s t r u c t i o nh a sa l r e a d yb e e nt h em o s ti n t r i g u i n gm o d e me d u c a t i o n a lm e a n sw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y t h ec o r eo fm a k i n gf u l lu s eo fa d v a n t a g ef o rm u l t i m e d i ae d u c a t i o ni st h ed e s i g no f m u l t i m e d i ae d u c a t i o n a ls o f t w a r e t h i sp a p e rp r e s e n t sat h o r o u g hs t u d yo ft h ec u r r e n ts t a t eo f m u l t i m e d i ae l e c t r o m a g n e t i cc o u r s e w a r ef r o mh o m ea n da b r o a d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f m o d e me d u c a t i o n a ld e s i g n ，an e wd e s i g n i n gs t y l e ”m o d u l e ”m o d e lw h i c hi sb a s e do nt h ek n o w l e d g ed o ta n dt h ef u n c t i o n a ls t r u c t u r ei so f f e r e di nt h ep a p e r t h ew h o l et e a c h i n gs y s t e mi sc o m p o s e do ff i v em o d u l e s ，n a m e l y ，p h y s i c a lt e a c h i n g ，a n i m a t i o nd e m o n s t r a t i n g ，d i f f e r e n tp r o b l e ma n s w e r ，v i r t u a le x p e r i m e n t s ，e x a ms y s t e m t h ei d e ao fd e s i g nt ot e a c h i n gm o d u l ei se m p h a s i z e do nt h es y s t e m sp r a c t i c a b i l i t y ，f e a s i b i l i t ya n dp r e d e t e r m i n a t i o na c c o r d i n gt ot h ei d e ao fc o m b i n i n gm o d e mt e a c h i n gp r i n c i p l ew i t hm u l t i m e d i at e c h n o l o g y a l ls o r t so fm u l t i m e d i at o o l si sa l s ou s e dt od e s i g nt h ew h o l ec o u r s e w a r ea c c o r d i n gt ot h em u l t i m e d i at e c h n o l o g y si n t e g r a t i o n ，i n t e r a c f i v i t ya n dn o n l i n e a r i t y s o ，t h em a j o ro b j e c to f t h ep r o j e c ti su s e dt on o to n l ys e l f - s t u d y ，b u ta l s oc o l l a b o r a t i v es t u d y n e wm o d u l ea n dr e l a t e dt e a c h i n gi n f o r m a t i o nc a nb ee a s i l ya d d e du pt ot h em u l t i m e d i at e a c h i n gs y s t e m t h ee v a l u a t i o no fm u l t i m e d i ac o u r s e w a r ei sk e yt om u l t i m e d i ac o u r s e w a r ee q u a l i t yt h et h e o r ya n dd e s i g nm e t h o do ft h ei n n e rm o d u l ei sa l s op u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h em o d e me v a l u a t i o nt h e o r y m e a n w h i l e ，t h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i ae d u c a t i o na n dm u l t i m e d i ai n s t r u c t i o n a lt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r ei sp r o s p e c t e da n dr e v i e w e d t od r a wac o n c l u s i o n ，i t si n t e n t i o ni sg u i d e dt or e s e a r c ha n dd e s i g no f m u l t i m e d i ae d u c a t i o n a ls o f t w a r ei nt h ef u t u r ek e y w o r d s ：m u l t i m e d i ae l e c t r o m a g n e t i cc o u r s e w a r ec a im o d u l eg r a ye v a l u a t i o nv i s u a l i z a t i o nc o m p u t e rn e t w o r k日| j西随着计算机技术，数字技术和网络技术的发展，人类将进入信息社会，人们的生活方式、思维方式、工作方式，以及教育方式都将随之而改变，传统的教育思想、观念、内容、方法，已不适应人才培养模式的需要。计算机辅助教学已成为现代教育最优化的有效手段之一。计算机技术在教学中的应用，有助于提高教学的质量，解决传统教学中不宜解决的问题，培养具有创新能力和创新精神的高素质人才。电磁学是大学物理的重点教学内容，电磁运动是物质运动的一种重要形式，其规律和理论已获得了广泛的应用。电磁学理论和实践的发展过程本身就是一部培养创造性思维，培养研究解决实际问题的良好教参。它在开拓学生的思维，发掘学生的潜力等方面有着重要的应用。然而，传统的电磁学教材过分重视知识的学习，把富有创造性的过程用线形的方式直线的呈现给学生，线形结构的形式组织教学内容，使学生无法领略到许多重大科学发现的过程。因而大学物理电磁学的传统教学方法和模式已不能适应物理教学的需要，必须改革其内容、教学手段和方法。新的世纪要求我们不仅要培养学生的思维能力、主动学习能力、以及应用物理知识解决问题的能力，而且必须培养学生将物理知识应用于其他领域的能力和创新的能力。开展计算机多媒体教学已成为其必然的选择。所谓多媒体教学是指，利用多媒体计算机把文字( t e x t ) 、图形( g r a p h i c s ) 、图像( i m a g e s ) 、视频图像( v i d e o ) 、动画( a n i m a t i o n ) 和声音( s o u n d ) 等表现信息的媒体按教学要求进行有机结合，通过计算机进行综合处理和控制，并完成一系列人机交互式操作的信息技术。多媒体计算机技术具有丰富形象的信息呈现、及时迅速的信息反馈以及独特有效的人机交互等特点，学生的学习不受时间和空间的限制，为个别化学习和协作学习提供了有利的条件。充分发挥计算机多媒体技术在物理教学中的应用，如物理实验的模拟、物理过程的再现、知识建构的系统化、信息呈现方式的多样化、教学设计的个性化等方面的功能已成为物理教学中不可或缺的一种教学模式。但目前高质量的多媒体电磁学教育软件却比较少，它的发展已明显地滞后于计算机硬件和现代物理教学要求的发展，制约着多媒体物理教学潜力的发挥。因此，如何把电磁学教学内容和课程体系、教学方法的改革建立在教育技术的平台上，并从理论“制高点”的高度认识多媒体教学软件的作用，从而充分利用现代教育技术、现代教学设计理论和计算机多媒体网络技术开发高质量的计算机多媒体教学软件已成为电磁学教学的核心问题。本文从电磁学课程的知识结构和功能结构的角度对如何利用计算机多媒体技术辅助电磁学教学的理论、方式和方法进行了深入的分析研究，提出了多媒体电磁学课件的设计开发和系统评价模型及其设计方法，以促进大学物理网络教学和远程教学等新型教学方式的迅速发展。i i第一章多媒体电磁学教学概况1 1 多媒体教学在国内外的发展现状计算机辅助教学的研究在美国发展最早，美国i b m 公司沃其顿研究中心的研究人员于1 9 5 8 年设计了第一个c a l 系统，即用一台i b m 6 5 0 计算机向小学生教二进制算术，且能根据学生要求产生例题，这标制着计算机辅助教学的产生。6 0 年代中、后期在美国是计算机辅助教育蓬勃发展时期，较著名有斯坦福大学、宾夕法尼州大学等五、六个大学，他们陆续研制了c a i 系统，许多大计算机公司也纷纷投入力量和资金进行计算机辅助教学的研究。1 9 6 7 年，美国成立了“计算机教程公司”专门生产各种教学课件。但出于计算机昂贵、教师缺乏经验、缺少训练以及教育经费削减等原因，使得曾风行一时的计算机辅助教学的计划不得不中途停顿下来。不过也有不少c a i 系统因得到外来支援，取得良好的效果而坚持下来。7 0 年代中、后期由于计算机价格急剧下降和一些比较成功的教学系统所显示的优越性，计算机辅助教学得到了迅速的发展，初步形成了计算机辅助教学软件产业。如1 9 7 2 年美国国家科学基金会制订了一个发展与评价c a i 的计划，支持p l a t oi v 和t i c c i t 系统在原有基础上进一步发展。据统计，到1 9 7 5 年在美国有5 0 0多个具有一定规模的教学系统在运行，美国的p l a t o l v 可提供2 0 0 0 多门课程的教学课件，允许上千名学生在不同地方同时学习各自希望学习的课程。这个系统的p l a t o v 型可以连接4 0 0 0 台教学终端，遍布于北美2 0 0 多个地区，每年可提供7 0 0 0 套教学程序! j 2 1 。8 0 年代初，美国教育计算机和教育软件的数量己占整个计算机市场的三分之一，形成了强大的计算机教育产业。英国从1 9 8 0 年开始执行m e p 计划发展计算机教育，到1 9 8 6 年m e p 计划完成后又开始m e s u 计划，其中除继续开发m e p 计划中已研制的课件和系统的效能外，并发展更新更先进的项目，取得了良好的教育效益。日本政府从。9 8 4 年以来也十分重视计算机教育的发展问题，1 9 8 6 年文部省投资2 0 亿日元进行计算机辅助教学的研究工作。在曰本几乎所有的计算机生产厂家，都在自己生产的计算机系统上配备了c a i 系统，推出自己的教学课件产品。据当时的日本的资料统计，从事c a i 研究、开发的大学研究机构、社会教育团体已有1 0 0 家以上，并推出了优秀的多媒体课件，如金泽工业大学推出了各课程的c a i 系统，并编写了对应的c a i 教材1 3 】| 4 1 。在1 9 9 5 年日本又开始实施“1 0 0 所中小学联网”实践研究。他们不仅把网络技术作为一种信息文化，而且深入地探讨基于网络环境下的新型教学模式使学生适应信息社会的要求，培养具有高度刨造性的、能适应2 1 世纪国际竞争的全新人才。其他国家，如澳大利亚、加拿大、韩国、新加坡、印度等，也都在进行信息技术环境下的教育改革研究与实践，如新加坡政府专门拨出资金成立“科技公司”来负责多媒体课件的开发工作。进入9 0 年代以后，随着计算机多媒体技术的出现和互联网的广泛应用，教育教学技术朝着智能化、虚拟化、网络化的方向发展，从而使许多国家实施远程教育和网络教育的技术手段更加丰富，交互教学得到发展，各种丰富多彩的信息资源不断出现，新颖的网上教学形式应运而生，出现了虚拟教室、虚拟实验室、虚拟校园、虚拟大学等。通过网络进行学习的学生和机构也迅速增加，如1 9 9 4 年美国有5 0 的学生使用网络学习，1 9 9 7 年有8 8 的学生使用网络学习，2 0 0 0 年美国有9 5 的学校和7 2 的教室与i n t e r n e t 相连【5 j 。我国的计算机辅助教学的研究和应用开展的相对较晚。八十年代初期，一些高等学校开始在c r o m e m c 0 和a p p l e i i 等微型机上开发了计算机语言教学系统、数学、物理辅助教学软件包以及辅助英语教学系统，有的大学也在i b m 公司生产的微型机上开发了一些辅助教学软件。1 9 8 4 年以后，计算机辅助教学在我国得到进一步发展，开发了一批在教学中得到实际应用的教学课件，如华东师范大学的a b c - - b a s i c 语言教学系统、西北工业大学的电路和信号与系统的微机辅助系统、西安交通大学的电磁场与电磁波、工业电子学，空军工程学院的电子线路c a i 系统及北京气象学院的微机辅助高等教学系统等；同时也开发了一些课件开发环境与工具，如南京大学的图形工具包、华东师范大学的a l c语言、上海交通大学附中的s t c 汉字系统等，这表明我国的计算机辅助教学的研究与应用方面均有了相当的深度和广度hj 。据1 9 9 5 年统计，我国用于教育过程的音像电子教材、幻灯、投影片等已达到8 3 亿张，录音教材为1 7 1 6 万张，录像教材为1 7 0 8 万小时，计算机教育软件为2 8 万个，光盘为3 9 万张1 5 】【。进入9 0 年代后，我国在开展教育技术理论、方法的研究、远程教育、计算机多媒体教学、教学设计、资源共享等方面的研究取得了突破性的进展。同时，伴随着我国计算机事业的发展和应用技术的提高、计算机成本的降低以及教学课件的标准化与商品化，计算机辅助教学已逐渐渗透到各个学科中，在促进各学科的发展和提高教学质量方面做出了重大贡献。这期间涌现出了大量优秀的多媒体教学课件，如浙江金华公司的多媒体物理课件，北京金洪恩公司的洪恩软件，武大“华软”系列多媒体智能教育软件和深圳“鹏博士”多媒体教育软件等。1 9 9 6 年国家计委将“计算机辅助教学软件研制和开发”列人国家“九五”重大科技攻关项目，并于1 9 9 7年正式启动，至1 9 9 8 年底，我国中小学计算机房装机总数近l o o 万台，其中家庭电脑近4 0 0 万台，配置计算机房的学校达到6 万所；在高等教育方面，全国有4 5 0所高校接入中国教育科研网c e n t e r n e t l 7 1 【8 1 。1 9 9 9 年3 月教育部推出面向2 l世纪教育振兴行动计划，这为我国的多媒体教育软件的普及和校园网建设提供了前所未有的机遇。多媒体电磁学教学作为计算机辅助教学的一个重要分支，近年来在国内外也得到了较大的发展。比较成功的研究始于1 9 6 8 年哈林登发表的“计算机电磁场的距量法”一文1 7j 。接着，在电磁场的数字计算方法方面，取得了显著的发展。7 0年代以后，美国伊利诺伊斯大学的教授r 米特拉对当时的计算机技术在电磁学中的应用进行了系统的总结，对电磁理论、电磁波散射及电磁波辐射等理论的计算机模拟做了较全面的阐述，用f o r t r a n 语言对电磁学的问题进行了研究、计算和模拟，用计算机比较精确的对电磁规律实现了可视化描述，并于1 9 7 3 年出版了专著。他们对计算机辅助电磁学教学的研究起到了巨大的推动作用。随后，世界各国的物理教育工作者都对计算机辅助电磁学教学的理论、方法、模式等进行研究，我国的许多大学也研制出了大量的大学物理教学软件，如在1 9 8 4 年，西北工业大学开发了电路微机辅助系统，西安交通大学开发了电磁场、电磁场与电磁波、大学物理等课件1 4 1 。进入9 0 年代后，随着计算机多媒体技术和教学设计理论的发展，计算机应用于物理教学设计的软件层出不穷，如中国科技大学的大学物理计算机仿真实验1 8 1 ，北方交大、华南理工大学等十二所高校联合开发的工科物理实验系列课件e c a i ，南京邮电学院的大学物理实验网络辅助课件”。中国人民解放军装备指挥技术学院研制的大学物理教学软件也是一套非常优秀的多媒体教学课件，在2 0 0 0 年教育部的网络课程评比中获清华永新杯一等奖5 。美国加州大学开发的大学物理课件也很受欢迎，我国电大多媒体教学采用了此软件，2 0 0 0 春有3 6 所高校使用此软件进行多媒体物理( 电磁学) 教学 他i 1 3 1 。1 2 多媒体电磁学课件的基本模式随着计算机多媒体技术的迅速发展和推广普及，多媒体技术已广泛应用于各学科教学中，并逐渐形成了各种各样的教学模式，不同的模式对应着不同的教学策略，因而不同模式的课件有不同的应用环境和需要，结合电磁学教学的实际情况，舆型的多媒体电磁学课件模式可分为 【4 】：课堂演示型：这种课件用于课堂教学中，在多媒体综合电子教室或多媒体c a i网络教室的环境下，由教师向全体学生播放多媒体软件，演示教学过程，创设教学情景或进行标准示范等。这种课件设计的主要目的是揭示物理教学内容的内在规律，将抽象的教学内容用形象、具体的动画或图像表现出来。它可以超越课堂的时空界限，课堂上没有条件做的、演示效果不好的、短时间做不出的实验，可以通过多媒体课件展示出来。例如，感应加热，是电磁感应现象应用的重要实例，课堂上是绝对不能做好的，但一段仅3 0 秒种左右的视频动画的效果肯定比口头讲述好。课堂自主学习型：这种教学模式是在课堂教学中，在多媒体c a i 网络教室的环境下，教师向学生提出教学要求，学生进行个别化学习。对于具有协作学习功能的多媒体c a i 网络教室，学生还可以进行协作学习。专业技能训练型：这种类型的多媒体教育软件主要是通过问题的形式来训练、强化学生某方面的知识和能力。或在学科多媒体专用教室中，利用专门的教学功能进行专业技能的示范和训练，或进行特殊情景的仿真及实验数据的处理。课外学生检索阅读型：此类型的教学软件是学生在课余时间里，在多媒体电子阅览室环境下，进行资料的检索或浏览，以获取信息，扩大知识面。这种软件包括各种电子工具书、电子字典以及各类图书库、动画库、声音库等。教学游戏型：和一般的游戏软件不同，它是基于学科知识内容的教学软件，寓教于乐，通过游戏的形式，教会学生掌握学科的知识和能力，并引发学生对学习的兴趣。模拟型：模拟也称仿真，就是用计算机来模仿真实的自然现象或社会现象。多媒体教学的模拟首先要建立一个经过简化的模型，多媒体课件提供用户和模型之间某些参数的交互，模拟出事件的发展结果。模拟型可分为实验模拟、管理模拟和训练模拟等。1 3 多媒体电磁学课件的基本结构多媒体教育软件的范围很广，但目前我国应用最为普遍的还是针对具体学科的教学软件既课件( c o u r s e w a r e ) 。课件的形式丰富多彩，规模大小不同，组织结构也不相同。多媒体课件的结构一般涉及知识结构和控制结构。1 3 1 多媒体电磁学课件的知识结构“”“。1多媒体课件的教学内容构成一个信息空间，其形态可分为表象层次和抽象层次。表象层次涉及教学内容的媒体化表示，抽象层次涉及教学内容的结构化表示。根据在抽象层次表示结构的不同，课件可分为：帧面型课件：教学内容被划分为许多在屏幕上作一次显示的段落，按性质可分为介绍帧、问答帧、提示帧、测试帧、反馈帧等。生成型课件：利用算法来生成习题和试题以及问题的答案，可分为参数生成法和结构生成法。前者用随机生成或选取参数填入预设的结构模板中，后者利用文法来生成大量难度和结构都不同的问题。本课件中的测试系统的随机组卷设计就是这种类型课件的典型代表。信息结构型课件：教学内容按概念结构划分为单元，并按某种关系建立单元之间的联系，从而形成一个由单元结点构成的信息网。信息网一般可分为语义网和语境网，语义网强调信息单元间的意义联系：语境网强调信息单元问的上下文关联。数据库型课件：教学内容被划分为离散的信息单元存人数据库，每一单元带有若干属性标识作为被检索和使用的依据，测试型课件和教学查询型课件中的试题、图形、图像、学生的成绩等信息都作为字段存放在数据库中作为教学信息使用。模型化课件：一般可分为数学模型、物理模型i 任务模型、情景模型、规则模型等。1 3 2 多媒体电磁学课件的控制结构多媒体课件的教学算法体现一定的教学策略，在用户可感知的程度上则表现为对信息空间的可控制性，多媒体课件基本的控制方式有：计算机控制：学习路径与教学内容的选择由计算机控制，学生只能对呈现的信息作被动的反应。学生控制：学习路径与教学内容的选择由学习者控制，计算机根据学生的选择去检取信息并呈现信息。自主学习型课件通常设计为学生控制模式。混合控制：计算机与学生都有对信息空间主动施加控制的权利，智能导师系统采用此控制。教师控制：教师以计算机为媒介对教学信息施加控制并传播给学生，多媒体课堂教学系统采用这种控制方式。协同控制：学生与学生之间以及学生与教师之间按照约定的规则来选择教学信息和控制信息流向，计算机支持合作学习( c s c l ) 系统采用此控制方式。1 4 多媒体电磁学教学的优越性及存在的问题”8 1 钔1 4 1 多媒体电磁学教学的优越性多媒体电磁学课件采用超文本结构将“声、文、图、像”并茂地结合在一起综合表达教学信息。这种结构类似于人类的联想记忆结构，通过非线形网状结构的方式来组织信息，它提供的材料没有固定的顺序，因而多媒体课件提供了充分展现电磁学理论的科学发现过程和培养学生研究和解决实际问题能力的数字化学习环境。它具有以下优点：提供了一个学生能主动学习的信息化环境，在这个学习环境中，学生的学习可以不受时间和空间的限制，能按自己的计划进度自主的进行学习。电磁学实验的仿真模拟具有真实性和逼真性，有利于学生操作技能的培养。虚拟实验可以有效的调动学生的学习自主性和参与性，克服传统物理实验的局限性，增强学生的综合素质能力。精心组织的编排在页面中的文字、图片、图像、动画及声音等教学的内容更形象、丰富，可提供更强的学习刺激以加强记忆，激发学生的学习兴趣和想象力，有利于提高物理教学效率。能提供个别学生使用的交互式练习、测试和答案，使学习者及时了解自己对所学内容的掌握程度。1 4 2 多媒体电磁学教学存在的问题多媒体电磁学教学这一新的教学模式在国内的真正发展只有十余年的时间，教学设计理论、多媒体技术的发展还很不成熟，多媒体教学课件也没有统的标准，使得今天的多媒体教学出现了参差不齐的局面，教学效果并不尽如人意。主要表现在如下几个方面：从教师的角度来看：一方面有的教师对现代教育技术有抵制的意识，认为多媒体技术对教学没用多大的用途：另一方面有的教师一味过分地依赖多媒体技术，计算机演示完全代替了课堂教学，导致学生对多媒体教学方式的厌倦。从学生的角度看：多媒体技术进入课堂，改变了传统的教学方式，给予学生更大的学习和思维空间，也给予学生更大的自由度。因而，这种教学模式往往忽略师生之间情感的交流和情感因素在教学中的作用。另外，由于学生自主学习的自由度过大，也容易导致学生偏离学习的目标。从我国的多媒体课件质量来看：我国用于教学的多媒体课件大多数是中小型的，能够有效用于教学的多媒体课件很少，绝大部分是现行课本的翻版，从内容到例题，与教材相差无几，没有充分发挥多媒体技术的优势。尤其是一些多媒体软件公司制作的多媒体课件，往往把画面作得非常鲜艳、活泼，却把忽略了多媒体课件所应蕴涵的精神及文化底蕴，削弱了精神文化的传播，多媒体教学的优越性也没有得到很好的发挥。从多媒体课件开发工具来看：目前，专门用于制作多媒体教学课件的开发工具很少，没有统一而有效的操作平台可供使用，给多媒体课件的制作带来了很多不便，影响了多媒体课件的设计开发和推广。第二章多媒体电磁学课件设计的基本原则2 1 多媒体电磁学课件设计的教育学原则教育的根本原则是教书育人。传统的教育方式要求教师和学生之间进行面对面的交流、讨论和沟通。学生在教师的引导下知道他们必须学习什么，以及为什么要学习的目的。当采用多媒体教学的教育模式时，教师将通过自己制作的多媒体课件向学生传授教学思想和教学信息。因此可以看出，多媒体教育软件的设计仍然要遵守教育学的根本原则。使用多媒体教育软件进行教学仍然是一个教育的问题，而不仅仅是技术的问题。“循序渐进”，“德育优先”，“因材施教”“1 等在多媒体课件制作的过程中仍然是必须遵守的原则。具体的说，多媒体教学课件的设计应该遵循的基本教育学原则是：科学性：科学性是多媒体教学所考虑的首要因素。我们在多媒体课件的制作和教学中，要遵从思想性原则、客观性原则、整体性原则、发展性原则、最优性原则等。内容上，必须保证概念准确、推导严密、表述严谨、引用资料正确。表述上，由于电磁学课程是一门理科课程，涉及到大量的符号和公式等，因此应统一规定符号表示和公式书写，如矢量用黑体带箭头表示，物理量用斜体表示等。艺术性：艺术性是提高教学效果的有效手段。赏心悦目的背景、形象生动的画面、优美动听的音乐，都能调动学生，使其进入积极、愉快的学习状态。因此，我们尽量注意色彩的搭配、背景的选取、画面的设计等艺术性设计原则。界面友好、操作方便：作为一门优秀的电磁学课件，应配有多媒体课件的内容简介、使用方法等教学信息，功能键的定义要符合学生使用的习惯，操作键的定义要明确专一、杜绝二义性等。在其实现的功能上，多媒体课件应具有可控性和容错性等原则。体现素质教育的思想：科学的特点在于培养一个人处理复杂事物和探索未知领域的能力。素质教育进课堂，大学物理大有用武之地，在培养学生的科学素质和创新精神方面能起到特殊的作用。而多媒体教学为素质教育提供了一个有效的手段。例如，可以通过多媒体课件展示物理学知识系统的发展和演变过程，从而在关键的知识点，设置情景，模拟当年科学家所做的实验，启发学生的思维，去探索规律、发现规律，培养学生的创造力。2 2 多媒体电磁学课件设计的心理学原则心理学作为教育技术的力量基础，其对教育技术的影响无时不在。目前，主要有几种心理学的流派对教和学的活动或教学设计乃至整个教育有着深刻的影响，既行为主义学习理论、认知主义学习理论、认知弹性学习理论、建构主义学习理论等。以上几种理论是分别处于心理学发展的不同时期而提出来的。一般而言，心理学领域有关理论的变化同时也会引起教学设计的变化，如从程序教学法到探索发现学习、个别化学习以及防作、合作学习等，因而常常被人为的对应化。虽然任何一种心理学理论都有其适应的教学设计模式，但任何一种教学设计或模式不应只包括一种心理学理论，把他们之间的关系对立起来、单一化、绝对化、片面化都是违背认知规律的，而应系统、全面和恰当的处理它们之间的关系。因此如何把各种教学设计理论和多媒体技术有效结合起来，构建一个适应学生认知特点的多媒体教育软件是多媒体课件设计的核心。本章重点对行为主义理论，认知主义理论、认知弹性学习理论和建构主义理论，对如何在现代信息技术环境下进行教学设计进行了深入的研究p j j 口。2 2 1 行为主义学习理论一一记，i z 型知识课件设计的主要原则计算机辅助教学最初是在程序教学和教学机器的基础上发展起来的。行为主义学习理论的典型代表理论为斯金纳( s k i n n e r ) 提出的操作条件作用学说和刺激反应强化理论。该理论可以简单描述为“刺激一一反应一一强化”1 14 1 。这种理论认为人类学习的起因是外界对人进行刺激，使人产生反应，加强这种刺激，就会使人记忆深刻。行为主义理论把学习内容作为一种刺激源，利用文本、声音、动画、图像等方式对学生产生刺激，达到记忆的效果。练习是为了加强这种刺激，在练习过程中对学生的正确回答要及时给予肯定，使学习得到强化。提高学习效果的关键在强化，因此也称其为强化理论。建立刺激控制须两个条件：一是积极练习，多次练习做正确反应；二是跟随强化，练习后紧跟反应以强化。可以看出，这种理论把学习看成是被动地接受外界刺激的过程，当学生做出明确反应时，学习就发生。这种理论特别适合记忆型知识的学习。在操作性条件作用学说和强化理论基础上，s k i n n e r 提出了程序教学的概念，并且总结了一系列的教学原则，如“小步调”教学原则、“强化”学习原则、“及时反馈”教学原则等，并提出了直线程序教学的模式。5 0 年代后期，斯金纳根据这些原理设计了程序教学机，进行自定步调的程序教学。其教学过程如图2 1 所示。图2 1 行为主义教学过程结构示意图多媒体教学设计的行为主义原则：以行为主义理论为基础的程序教学在大量实践的基础上形成了一系列的教学设计策略原则。这些原则成为早期c a i 教学设计的理论基础，并且在今天仍起着重要的作用。其原则包括：“规定目标一经常检查一小步子和底错误率一自定步调一显示反应与即使反馈一提示和确认”。根据这一原则，行为主义学习理论特别有利于设计练习型、操练型和游戏型的多媒体教学谋件。如电磁学教学模块中单元练习内容的设计( 通过j a v a s c r i p t 语言设计) 就利用了行为主义的教学策略设计原则，采用了问题解答的即使反馈方式，通过即使反应强化学生对知识的记忆。2 2 2 认知主义学习理论一理解型知识课件设计的主要原则认知主义学习理论强调知识的获得不是对外界信息的简单接受，而是对信息的主动选择和理解。人并不是对所有作用于感官的信息兼收并蓄，而是在认知结构的控制和影响下，只对某些信息给予注意，受到注意的信息被选择接收并加工。认知主义学习理论认为，有意义的学习过程始终在认知结构上进行。先学习的知识对以后的学习总会产各种影响，认知主义学习理论强调的不是刺激反应，不是环境和学习者的外部行为变化，而是学习者认知结构的变化。它把学习看作是掌握事物的意义，把握事物内部联系的意义学习。它认为学习的本质是用语言符号表征的新观念和学生认知结构中原有的适当观念之间建立实质的，非人为的联系。这种理论特别适合理解型知识的学习，有利于设计概念或命题学习型的课件。多媒体教学设计的认知主义原则：以认知主义学习理论为依据，在设计多媒体课件时应遵守的主要原则有：用直观的形式向学习者显示学科教学内容，让学生了解教学内容之间的相互关系。学习材料的显示应遵守学习者的认知发展水平，按照由简到繁的原则来组织教学内容。学习者自定目标是学习的重要促进因素。学习材料应体现辨证冲突，适当的矛盾有助于引发学习者的高水平思维。根据多媒体教学设计的认知主义原则，本课件在答疑解惑模块中设计了电磁学习题解答课件。该课件以网页制作软件f l a s h 和d r e a m w e a v e r 为工具，以认知主义学习理论为指导，提供了丰富的习题课练习的学习环境，可有效的增强学生对所学知识的理解和掌握。2 2 3 认知弹性学习理论一多媒体教学信息的主要组织原则认知弹性学习理论是斯皮罗等人于1 9 9 0 年提出的。他们认为“所谓弹性，是指用多种方式同时重构自己的知识，以便对发生根本变化的情景领域做出适宜的反映，这既是知识表征方式的功能，也是作用心理特征的各种加工和处理过程( 不仅是知识图景的修复，而是对一整套图式的加工处理过程) 的功能( s p i r o r j & j e h n g j ，1 9 9 0 ) 。理论与知识的迁延和超越初始的学习情景的技能密切相关。认知弹性学习理论是处于认知主义学习理论和建构主义学习理论之间的边缘心理学理论，一方面，他认为学习是学习者主动建构内部心理表征的过程：另一方面，他吸取了认知主义的精华，承认学习是学习者主动接受并有选择的进行信息加工的过程，它主张一方面要提供建构意义所需要的建构基础，另一方面要保留学生学习的广阔空间，让学生针对具体的情景采取适当的策略。认知弹性理论把学习分为初级学习和高级学习。初级学习所涉及的内容结构体系是联系紧密的知识结构，成为结构良好领域。高级学习涉及的是不良结构领域，其特点为：知识应用的每个事例中都包含着许多广泛的概念，这些概念相互作用，具有一定的复杂性；同类的各个具体事例之间涉及的概念及其相互作用的模式有很大差别。在认知灵活性理论的指导下，斯皮罗等人又提出了针对高级学习的“随机通达教学”理论拉”。其核心是主张同一内容的学习要在不同时间和不同情景下，带着不同的目的，从不同角度多次进行学习，以此达到获得高级学习的目的。根据该理论，多媒体课程内容的设计与组织可遵循以下原则：用直观的形式，以相对完整的知识点向学生显示学科内容结构。首先应对课程内容进行详细的分析，划分教学单元、任务和知识点，将课程以相对独立并完整的知识点呈现。同时注意按照各个知识点之间的联系，确保课程体系完整、结构清楚，要让学生了解教学内容中涉及的各类知识之间的相互关系，学生可以按照自己的节奏学习，也有利于课程的维护。陈述性知识和程序性知识相结合。陈述性知识回答“是什么”，通常是概念性知识，该知识应避免抽象性的讲解，应放在具体的事例和情景中，分别说明概念的不同含义，使学生多方面的理解。程序性知识回答“怎么办”，可做师范讲解，但更多是为学生提供探索学习的情景和应用所学知识的条件。超文本和超媒体的方式组织信息。多媒体课程与传统的课程的区别是多媒体课程用超文本和超媒体的方式组织教学信息，以非线性方式呈现知识，而传统的教材则是系统的、线性的向学习者展现问题。超文本是一种基于计算机的文本组织结构，它类似于人脑的联想记忆方式，采用网状结构来组织版快信息。信息快之间的连接没有固定的顺序，学习者可以根据自己需要选择信息，在信息快中自由的移动和链接。通常一个节点描述一个概念或主题，可以是文本、图形、图像和动画。因而，学生学习时可以顺着文本链接去寻找自己所需要的信息。超文本网状结构中的信息的连接方式体现了课程设计者的教学意图，是教学策略、学习策略在教材中的体现。超文本结构有利于解决结构不良领域的知识的学习。对于结构不良的知识，可以给其中的概念做超级链接，对复杂的学习内容要做非线性多角度多纬度的呈现，既在不同的场合，从不同的方向重返同一概念，通过不同的方式交叉呈现结构不良的知识领域，使学生认识到知识的多样性，并揭示知识的多种关联性以及对知识的依赖性，培养学生的发散思维。这样，不同水平的学生都可以根据自己的能力使用同一课程进行学习。电磁学教学模块的设计充分体现了认知弹性学习理论。在设计电磁学教学模块内容时，知识的组织按照由简到繁且直观的方式，对不同学习层次的知识采用了不同的链接方式，学生可以按照自己学习的实际情况进行学习，既能节省学习的时间，又能有效的提高学习效率。2 2 4 建构主义学习理论一一多媒体课程体系教与学的主要指导原则2 2 4 1 建构主义学习观建构主义学习理论来自于皮亚杰、维果斯基以及现代心理学等认知领域。传统的教学中，学生在教师的指导下进行学习，教学活动是在课堂里师生之间展开，文字教材是师生之间学习的辅助教材。在数字化学习环境下，学生面对的是数字化的材料，教学活动是在虚拟的环境中进行的，在学生和教材之间展开。因此，教与学的策略问题被提出。建构主义认为，学习是学生主动的对知识进行意义建构的过程，学生以自己的方式建构对事物的认识；同时，不同的学生会看到事物的不同方面，学习不存在唯一的标准。建构主义主要强调“情景”、“协商”、“会话”、“建构，l ”j 。建构主义的学习观点可以概括为以下几个方面：学习是一种建构的过程：知识来之于人们与环境的交互作用。知识的获得不是通过教师的传授而获得，而是通过个体对知识单元的经验解释而将知识转变成自己的内部表述。人们对知识的理解与其先前的经验有关，因而，对知识的判断是相对的，而不是绝对的。学习者在形成自己的内部表述时，不断对其进行修改和完善，以形成新的表述，因而内部表述是开放的体系。一个知识单元的学习是建立在原有的知识结构基础之上的，每一个知识结构包括两个要素，既知识元和链。链是一个开放的连接体，他保证了新的知识单元的追加。只有学习者真正掌握了所学的知识后才能形成可靠的知识结构。知识结构的组织不一定是线形的。随着学习者的认知发展阶段的变化，它应朝着多支的方向发展。学习是一种活动的过程：在知识的传递过程中，学习者是一个极活跃的因素。对于学习者的许多开放着的知识结构链，教师要让最适合追加性的知识单元的链活动起来，这样才能确保新的知识单元被建构到原有的知识结构中，形成一个新的开放结构。学习的发展是以人的经验为基础的，只有通过社会的“协商”，经过异端的磨合之后才能达成共识。学习必须处于丰富的情景中：学习发生的情景不应是简单抽象的，相反只有在真实世界的情景中才能使学习变的更为有效，学习的目的不仅是使学生懂得知识，而且要使学生能真正运用所学的知识去解决世界的问题。2 2 4 2 建构主义理论教学设计观从建构主义认识论和学习观出发，结合现代教育技术发展的特点，在信息化教育技术环境下多媒体课件的教学设计应体现的教学策略有： 2 9 1情景创设策略：在真实的情景中学习，有利于学生利用原有认知结构的有关经验去同化新知识。良好的情景有利于将学生的外部学习动机转化为内部的学习动机，驱动学生的好奇心，从而主动的学习。在实际的情景下进行学习，可以使学习者利用原有的认知结构中有关的经验，去固化和索引当前的新知识，从而赋于新的知识以某种意义。因而，在情景中强调的是知识结构之间的关系，而不是教学内容的简单罗列。在多媒体课程的设计中，一方面可以利用多媒体为学生提供与课程相关的学习情景，激发学生的兴趣；另一方面要注意以问题为导向，设计者在分析、设计内容时，更应注意精心设计有价值的问题，并把要解决的问题巧妙、有意识的寓于知识之中，并在心理上造成一种悬念，从而使学生的注意力、记忆和思维凝结在一起。真实的活动是建构主义学习环境的重要特征，多媒体课件设计的学习情景应具有与实际情景相近的复杂程度，通过学生独立探索和协商解决问题，将传统教学方法不易讲清楚、不易讲透彻的内容，通过多媒体手段，让学生理解、掌握从而培养学生的学习能力和创新能力。例如电磁振荡、电磁波的概念很抽象通过动画，能形象显示出：l c 振荡电路逐渐演变为电偶极子：其振荡频率逐渐升高，辐射能力逐渐增强，产生电磁波；振荡电偶极子辐射的电磁波在远场区某点产生的电场和磁场同相变化，振动方向相互垂直，且均与电磁波的传播方向垂直，所以电磁波是横波。协作学习策略：是多媒体课件设计的重要模式之一。微果斯基认为“人的高级心理技能是在社会的交互作用中发展起来的” 。在协作学习中，学生可以通过协商和讨论，群体的思想和智慧就可以为大家所接受；在协作学习中，多种不同观点的碰撞和交流有利于培养学生的辨证思维和发散思维，也有利于学生之间的情感交流，培养人际交往能力，为学习者提供有援的学习环境。知识是社会协商的，个人理解质量的程度决定于一定的社会环境，人们可以相互交流看法，通过协商趋同。因此，应鼓励各种合作学习方法。尤其高级领域的学习更适合协作学习。为了解决新问题可以提出多种可供选择的方案，协作学习往往更有优势。在多媒体课程的设计过程中，设计者要精心安排要求集体完成的目标。自主学习策略：自主学习是指在整个教学设计的过程中以学生为中心的教学设计方法。在以学生为中心的建构主义学习环境中，应根据学生主体需要的不同，对学生的自主学习作不同的教学设计。因而，自主学习型课件应体现的主要特点为：在学生学习的过程中能充分发挥学生的主观积极性，能体现学生的自我创新意识，能让学生根据自身行动的反馈信息来形成对客观事物的认识和解决实际问题的方案。强化交互设计：交互是信息的双向传递，包含着协作学习，但范围更广。倡导学习者拥有学习的主动权并非意味着他们的任何学习活动都是有效的，当他们遇到问题时应给予指导，教师的作用不是提供答案，而是提供师范、教练和咨询，鼓励学习者体验多种情景和检验不同的观点。支持学习者发掘问题作为学习活动的刺激物，使学习成为学生的事而不是给他们强加目标或通过测试为目的。教师的作用不是独裁学习的主动权和规约学习者的思想，而应该为他们提供指导，激发他们自己去解决问题。有了以上的原则，就产生了各种各样的多媒体课件的设计方式，如情景化教学、锚定式教学、随即访取教学、认知学徒、基于问题的学习、计算机支持合作学习等新颖的教学设计方式。以建构主义学习理论为基础，本课件框架结构的设计与系统组织采用了模块法原则，充分体现了信息化教育环境下多媒体课件的特点。第三章多媒体电磁学课件的设计与评价3 1