（课程与教学论专业论文）cai技术在大学物理教学中应用的研究.pdf

摘要 计算机辅助教学( c o m p u t e r a s s i s t e d i n s t r u c tl e n ，简称c a l ) 是计算机科 学、教育学、心理学等学科交叉形成的- - i 新兴学科，至今已成为计算机用于教 育领域的基本形式。 开发一些小型的c a i 课件来丰富c a i 课件的应用研究和提倡进行双向式c a i 教学是此论文的出发点，笔者在建构主义理论的指导下，以大学物理中振 动一章为模型，从理论和实践两方面探讨了如何灵活地运用c a i 技术优化教学， 并制作出相对独立的三个c a i 小课件：振动p o w e r p o i n t 演示文稿：混沌 专题和振动学习辅助网站。 振动p o w e r p o i n t 演示文稿在制作中突出结构完整、素材丰富、自成体 系的特点，是基本配合马文蔚教材的c a i 电子教案；混沌专题采用了数值计 算的c a i 教学形式，用计算机模拟单摆非线性运动的过程，并从这里提出了双向 式c a i 教学的观点；振动学习辅助网站是结合多媒体的动画技术和动态网页 技术集成的一个小型物理课余学习辅助系统，包括网上课堂、考试中心、专题研 究、聊天室、留言簿、公告栏等模块。 开发c a i 课件离不开大量交互式f l a s h 动画的制作，考虑到有些程序段有着 很广泛的通用性，笔者制作了一个a c t i o ns c r i p t 程序段的素材库供读者参考。 这三个c a i 课件己开始应用于工科物理的课堂教学，并在一些多媒体课件比 赛中获得奖项。教学实践证明：c a i 在提高教学效率、增强教学效果方面的优越 性是传统教学形式不能比拟的。 关键词： 计算机辅助教学；c a i 课件：网络；建构主义；双向式教学 a b s t r a c t c o m p u t e r - a s s i s t e di n s t r u c t i o n ( c a i ) i san e wt y p eo f k n o w l e d g el i n k i n gu pw i t h c o m p u t e rs c i e n c e ，p e d a g o g y ，p s y c h o l o g y a n do t h e ra s p e c t s ；i th a sb e c o m et h ee s s e n c e m o d a l i t y i nt h ef i e l do f e d u c a t i o n s t a r i n gf r o mt h ee x i s t i n gp r o b l e mo fc a i ，d e s i g n i n gs o m em i n i a t u r ec o u r s e w a r e a n da d v o c a t i n gb i d i r e c t i o n a lt e a c h i n gi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h et h e o r y o fc o n s t m c t i v i s m ，t h ea u t h o rc o m p l e t e dt w ok i n d so f w o r k ，t h ef i r s ti st h er e s e a r c ho n c a io f c o l l e g ep h y s i c si nt h e o r y ；t h es e c o n d i st h ed e v e l o p m e n to fc a ic o u r s e w a r eo f v i b r a t i o n ，i tc o n t a i n s ：v i b r a t i o np o w e r p o i n t ，c h a o ss u b j e c ta n dv i b r a t i o na s s i s t e d n e t w o r k v i b r a t i o np o w e r p o i n ts o f t w a r e g a v ep r o m i n e n c e t oa b u n d a n tm a t e r i a l 、f u l l s t r u c t u r e ，i tw a sac a i t u t o r i a ls u i t e df o rp h y s i c a lb o o kw r i t t e nb ym a w e n w e i c h a o s s u b j e c ta p p l i e dn u m e r i c a lc o m p u t i n g ，s i m u l a t i n gt h en o n l i n e a rv i b r a t i o no fs i n g l e p e n d u l u m ，a n df r o mh e r e ，t h ea u t h o ra d v a n c e dao p i n i o no f b i d i r e c t i o n a lt e a c h i n g a s s i s t a n tn e t w o r ka b o u tv i b r a t i o nw a sa m i n i - s y s t e m f o rp h y s i c ss t u d ya f t e rs c h o o l ，i t c o n t a i n e d ：c l a s sa tn e t 、e x a m i n a t i o nc e n t r a l 、s u b j e c ts t u d y 、c h a tr o o m 、n o t e b o o k a n ds o o n c a ic o u r s e w a r en e e dp l e n t yo fm a t e r i a lm a d eo ff l a s h ，b e c a u s eo fc u r r e n c yo f p r o g r a m s ，a c o l l e c t i o no fs e l e c t e da c t i o n s c r i p tp r o g r a m s w a s p r o v i d e d h e r e t h e s ec o u r s e w a r eh a sb e g u nt ou s ei nc l a s s e sa n dg o t t e nh o n o r si ns o m e m u l t i m e d i ac o u r s e w a r ec o n t e s t p r a c t i c e p r o v e s ：c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a l p h y s i c se d u c a t i o n ，c a id o e sb e t t e ri na d v a n c i n g t h et e a c h i n ge f f i c i e n c ya n db o o s t i n g t h ee f f e c t ，i th a st h ea s c e n d a n ti np h y s i c st e a c h i n g k e y w o r d s ：c o m p u t e r - a s s i s t e di n s t r u c t i o n ；c a ic o u r s e w a r e ；n e t w o r k ； c o n s t r u c t i v i s m ；b i - d i r e c t i o n a le d u c a t i o n 学位论文独创性声明 硪s 6 0 3 圣i 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：导师签名：逝日期： 习i j舌 一课题现状分析 随着信息化 十会和知识经济时代的到米，现代科技止以前所i ：未有的方式影响着社会的 一切领域。往教育领域，开发、应用现代教育技术成为整个教育改革羽l 全面推动素质教育的 一个“制商点”羊“突破口”。2 0 0 0 年4 月，在新加坡召开的2 0 0 0 国际教育火会上，新教 育技术在知识经济社会中的f 1 泛应用成了会议的三大议题之一。与会者普遍认为：将现代技 术与教育相结合，可以有效地发展现有各种教育资源的优势，大大提高教育技术手段的现代 化水平和教育现代化程度。作为新教育技术的重要组成部分一一计算机辅助教学 ( c o m p u t e ra s s i s l e di n s t r u c t i o n ，简称c a i ) ，己在各类学校中得到广泛应用。如何在高校 理科敦学改革中更有效地使川c a i 是一个值得探讨的问题，也是物理课程与教学论专业的 一个研究目粝、。 ( 一) c a i 的发展现状 我国白i 9 7 8 年科学人会前后开始提山计算机辅助教学项目，并于同年在北京、上海 两所部属重点师范人学成立现代教育技术研究所，专fj 从事此项研究+ l ：作。8 0 年代初我国 研制了一些达到当时国际先进水平的计算机辅助教学系统，其中有的还在世界计算机教育 应用学术会议上交流。1 9 8 4 年卧米，计算机辅助教学在许多高校得到进一步发展。从1 9 8 5 年开始，有关单位召开的全国计算机辅助教育学术交流会表明我国在c a i 的研究和应用方 面均有相当的深度和，“度，取得了丰硕的成果。1 9 9 3 年成立了全国高等工业学校c a i 协作 组；1 9 9 4 年理科c m 协作组成立，国家教委分期分批制定各科c a i 和试题库研究计划，对 各学科c a i 千试题进行审批立项、拨款资助、成果鉴定和推广使用。 i c a 【的主要形式 多媒体化、网络化是当代c a i 技术的核心。计算机的多媒体技术可以对文字、声音、图 形、幽像、动画和视频等信息处理，组成图、文、声、像并茂的演播系统，这种视听一体 等多种方式的形象化教学弥补了传统教学在时间、空间等方面的不足，既可以替代教师进 行系统讲授。满足高等教育发展大众化和多元化的要求，又可作为常规教学的辅助手段指导 学生白学或测验，进行求解习题、模拟实验等活动。而网络化的c a i 环境打破了时空范围， 实现了资源共享，给学生提供了生动、完善的教学环境。这种新型的教学环境是以校园网 教学系统为代表，目前，我国已有众多的学校建立了校园网络，并为教学服务。 2 c a i 的主婴产品类型 c a 【产品最初是提供计算机与学生进行某项操练或练习，后来逐渐发展到多种类型，目 前土要有：授课辅导、复习练习、教学测试、模拟演示、益智游戏等j l 大类。值得注意的是： 人多数c i l 课件部是以商品的形式存在，熟悉教学的教师参与课件的制作相对较少。 3 常用的c a 谍f l 开发具 目前可川丁开发教学课件的常刚：【二具分为两静：程序设计语言雨ic a i 应用软件。c 、 p a s c a l 、v b 等程序设计语言专业陡较强，需要课件开发者有一定的编程能力，而且费时、 费力、效率低、成本高，故发展速度受到限制：p o w e r p o i n t 、h u t h o r w a r e 、f l a s h 等c a i 应 州软件只需 j 户通过与之“对话”米描述其课件设计要求，在系统的引导f 输入教学信息就 可完成课件的制作，使用户摆脱了课件编程工作，更便于教师自行开发课件，其发展前景 更加j 泛。 ( 二) c a i 发展中存在的问题 1 c a i 技术应用不够全面 目前的大学物理教学中使用的c a i 课件形式较单一，其中p o w e r p o i n t 演示文稿占很大 的比例。教师根据集成好的p o w e r p o i n t 课件组织教学就缺乏灵活性，无法适应教师课堂教 学中的个性与创造性的发挥，难以适应形势与环境的不断变化。提供课后学习的是网络化的 c & i 课件，但制作较为完善的网络课件为数不多，加上开发这些大型网站需要投入大量财力、 人力，一般很难免费获得，普及很困难。现在能够使用的一些网络课件内容比较零碎，主要 是大量的文本内容和个别的动画演示，一般不支持学习者注册，在线答题等测验课等功能， 缺乏网络学习的系统性。 2 单向式c a i 教学偏多 进一步分析，现阶段的c a i 课件大多是对现有知识的多媒体演示，不管是文字、图片、 般动画，甚至是交互式动画，实际上都是学习者在使用已经开发完成的一个东西。就是说， 现阶段c a i 应用方式许多是单向的：软件控制学习者。如果能让学习者根据自己的需要，利 用计算机自行编些简单、有效的小软件快速解决他们的问题，让学生也成为c a i 的主人， 笔者认为是c a i 更高层次上的应用。而这种应用完全有可能实现，发展迅速、简单易用的数 学软件可以很好地解决这个问题。 3 c a i 课件商业性太强，起点过高 任何技术的发展总是从“普及”走向“提高”。“普及”意味着一种广泛需求，是一种普 遍意义上的认可，具有强大的内在驱动力和生命力。“普及”的过程是技术发展走向成熟的 过程，是打牢基础的过程，也是数量积累、经验积累的过程。而“提高”则是“普及”由量 变到质变的发展。“普及”注重的是数量建设，“提高”注重的是质最建设。可以说没有“普 及”就没有“提高。现在，在c a i 课件开发中一个普遍存在的现象是c a l 课件商业性太强， 起点太高，开发者对开发工具的先进性、课件功能的完整性、内容的系统性及制作工艺进行 了过分追求。这些课件制作难度大、制作周期长，对广大教师来说有一种象牙之塔的感觉。 如果以这种思路和方法去指导多媒体课件的开发是不全面的。如有的课件过分加大技术含 量不适当的使用三维动画、音视频采集以及花哨的技巧，致使课件数据量很大而知识含量 不高。由于现阶段开发c a i 课件的多为一些商业软件公司由于开发者不熟悉学校的教学规 律、教学原则和教学方法容易忽视教学环节漫计，难以顾及培养学生能力、发展智力。制 作的课件计算机靠6 作技术很高，但在功能模块的安排顺序、呈现方式等方面缺乏应有的教育 闪素，过分地追求形式上的表现而忽略了深层次的思想内容。难以适合实际教学需要。若教 2 师自己开发制作课件往往为准备上一堂课的课件花费大量的时间和精力，影响正常的教学 i ：作。简言之，c a i 课件的制作者和使用者的结合方面存在问题。 ( 三) c a i 的发展趋势 1 网络化 网络型c a i 系统仍是c a i 发展的热点，其资源共享，方便信息的交换，拓宽获取信息渠 道等特点是其它媒体不可比拟的。网络型c a i 首先在美、日及西方发达国家得以迅速发展， 欧共体的d b l t at ：程网是世界上规模较大c a i 网络之一。如今，我国的网络型c a i 系统也迅 速发展起来。1 9 9 6 年底，国家计委正式批准“计算机辅助教学软件开发与应用”为“九五” 国家重大科技攻关项目。作为国家“九五”重点科技攻关项目重点课程之一的工科大学物 理学习辅导系统多媒体网络版现已通过鉴定。口】在该系统的带动下已有更多优秀的网 络型c a l 系统诞生。 2 教学形式多样化 在c a i 应用过程中切忌用单一的c a i 课件来指挥整个教学过程，c a l 只是教师提供给学 生进行探索、分析、推导的工具，目的是使学生在探索过程中发现并掌握新概念和原理，而 不只是应用该课件。因此，教师应充分利用多种c a i 技术，备取所长为教学服务，积极尝 试开放式教学。 3 双向式c a l 教学 应用c a i 教学应该要考虑俩方面的内容。我们当然要更加完善多媒体软件的开发制作 同时，作为教育者更加应该“授之于渔”让学生成为c a i 的驾驭者，能够自行使用计算机 帮助自己的学习。现在关于用数学软件辅助教学的方式在一些学校已经作为试点开始实行， 而且已经取得了良好的教学效果。 华中科技大学物理系李元杰教授主编的c c b p ( c a l c u l u s a n d - c o m p u t e rb a s e d p h y s i c s ) h 1 教程就是利用c 语言的数值计算与模拟功能去求解各种物理问题。教师教给学 生怎样从问题出发提出物理模型建立微分方程，怎样把微分方程写成迭代方程，怎样刷计算 机编程求解方程，怎样在相空间分析物理问题怎样讨论系统的稳定性等等，激发了学生自 行研究物理问题的兴趣和热情。而北京师范大学物理系在于2 0 0 1 年上半年与“理论力学” 并行开设了“理论力学模拟实验”课程【4 i ，由学生以数学软件m a t l a b 为工具同样用计 算机的数值计算功能，自主、探索式地对理论力学串的一些问题进行学习和探究，以较少的 时间，取得了很好的教学效果。 可以看到利用c a i 中的数值计算及模拟功能进行物理教学是未来c a i 发展的一大趋 势，我们要抓住时机，迎头赶上。 二研究内容 此论文一开始的背景是东南大学物理系承担的大学物理网络课程项目，笔者具体参加了 其中振动部分的制作。以此为基本素材，结台教学论的观点和方法，笔者又作了进一步 的研究，成此论文其主要的研究内容有三大部分。 ( 一) 探讨大学物理教学中应用c a i 技术的教学模式 目前，某些c a i 课件的设计弗术真正把握溧什设计的灵魂，版面殴计很花哨，却忽略 了教学模式设计。实践证明，比较有效的c a i 教学模式有自学模式、讨论模式、讲授模式 和远程模式。在设计制作c a i 课件时充分考虑上述教学模式，具体做到重视师生人际交流、 体现教师对课堂教学的主导作用、满足学生个性化发展等要求。笔者在本文中对c a i 每个 教学模式的结构、特点等作了详细的分析讨论并将这些教学模式应用到具体的c a i 课件 中。 ( 二) 提出双向式c a i 教学的观点，丰富c a i 课件的应用研究 笔者在此提出“双向式c a i 教学”的观点。“双向”之一是指：学习者利用c a i 课件成 品( 如p o w e r p o i n t 演示文稿、网站等) 接受型的学习。软件对学生是透明的，学生无需知 道软件的具体细节，只要会用就可以进行学习了，这种学习方式是由软件指向学生；“双向” 之二是指：学生用计算机语言或数学软件编写小程序帮助自己学习的探索式学习。学生必须 熟练应用某一种计算机语言或数学软件，能够用其编写程序才能完成学习，这种学习方式是 由学生指向软件。前者是现阶段程c a i 研究的重点，已有不少成熟的理论，笔者在这些理 论基础上做了一些实践工作；后者的研究则起步不久，笔者从其理论与应用上都做了较多的 尝试。 ( 三) 整理出制作f l a s h 动画时常用的a c t i o n s c r i p t 通用程序 现阶段已经基本普及的c a i 教学软件是用p o w e r p o i n t 制作的，以至配套的p o w e r p o i n t 素材库的建设在现阶段也发展得较为成熟起来。作为下一阶段开始流行的c a i 教学形式应 该是网络教学，网络教学的素材很大一部分是f l a s h 动画，特别是经过a c t i o n s c r i p t 编程的 动画，其表现形式更加丰富多彩教学功能也更加强大。因此，将制作物理课件时常用的、 通用的a c t i o n s c r i p t 程序段整理出来对将来的工作很有帮助a 4 第一章大学物理教学改革与c al 技术的应用 第一节大学物理的教学改革 ( ) 在信息技术环境下大学物理课程改革与教学改革面临的问题 物理学是一门基础科学，是整个自然科学的基础。物理学的发展推动着饕个自然科学 的发展，它对人类社会的进步和科学技术的发展起着先导作用，高等院校理工科都开设了大 学物理这门课程，大学物理课教学是培养适应现代化建设人才重要环节，为了完成这样一个 战略任务，需要物理教学工作者更新教育观念，深化课程体系和课程内容改革，改进教学方 法。经过广大教育者不懈的努力，物理教学改革取得了初步的成绩：各个学校通过自己的教 学改革实践提出了专业体系改革方案，为推动本科教育、提高教学质量提供了借鉴：在大项 目研究的基础上，凝结出一批高质量的教材面向2 1 世纪课程教材，这些教材符合教学 改革方向，符合人才培养规律和教学规律，适用于2 l 世纪人才培养属于面向2 l 世纪教育 内容和课程体系改革研究项目的研究成果或相关成果。 深化物理教学改革，首先必须改变传统的“注入式”教学方式，实行“启发式”教育。 “授之鱼，不如授之以渔”。在教学过程中要充分发挥老师的引导作用和学生的主体作用。 充分调动学生的积极性，培养学生的自学能力，让学生自觉主动地去探求知识。“未来的文 盲不再是那些不识字的人，而是那些没学会学习的人”3 在课堂上，老师要营造出一种生动 活泼的民主气氛，鼓励学生积极参与课堂教学，启发学生思维，引导他们发现问题，并主动去 寻找解决问题的途径，培养他们的独立思考能力和创造性解决问题的能力教学手段的改革也 是教学方式改革的重要内容。在讲课内容中适量增加近、现代物理学的内容。例如：非线性 物理以及当前物理学的热点，如：激光、超导、分形与混沌、耗散结构、黑洞等。这些现代物 理内容的加入，并不是简单孤立的加入，而是将现代物理学的内容渗透到经典物理学中去， 作为原有内容的延伸和拓展。例如，讲单摆运动时引入混沌，讲热力学时引入熵和信息， 讲光学时引入激光和全息照相。这样会增加经典物理内容的时代气息，激发学生的学习兴趣， 调动学生的积极性。学生通过对现代物理学前沿知识的学习和了解，可以培养创新意识和创 造性运用物理知识解决工程技术问题的能力。另外+ 还可向学生介绍一些与物理学相关的重 要技术成果，如：半导体技术、红外技术、激光技术、微波技术、核磁共振技术等等。这些 高科技知识可作为课后阅读材料。也可以用讲座的形式向学生介绍。 其次，要充分利用计算机多媒体技术辅助教学的功能。在传统教学中，我们能提供给学 生的刺激较为单一，两要加深学生对所学知识的印象。需给以多种感官的综合刺激，多媒体 计算机就是能够实现多感官的刺激的最好的媒体。多媒体技术运用多种现代化手段对信息进 加工处理，显示与重放，模拟、仿真与动画技术的应用可以使一些在普通条件下无法实现或 无法观察到的过程与现象生动而形象的模拟显示出来，增强学生对抽象事物的理解和认识， 引导学生去探索事物的本质及内在联系，增进教学效果，提高教学效率，将一些枯燥、抽象 的概念、复杂的变化过程和运动形式以内容生动、图象逼真、声音动听的教学信息展现在学 生面前，使学生感到客观事物的可信，有利于知识的理解，可以显著减轻学生的负担，分解 了知识的复杂度，有利于知识的迁移。多媒体的组合使用，同时刺激多种感觉器官，有利于学 生的记忆，增多了学生进行联想的线索。利用多媒体提供的声觉、视觉和烈向交互能力，向 学生提供声音，闺象、文字等综合信息，有抽象、有具体、有检查，使学生如身临其境进 入角色，使新的知识间的联系更为紧密，为以后创造式的学习打下了良好的学习基础。 总之，人1 孚物理教学改革的关键问题是教育观念的更新、敦学环境的变革和课程与教 学的改革。信息社会要求教学改革在教育思想方面实现从应试教育到素质教育的转变，从知 识传授教育到能力教育的转变，从灌输教育到创造教育的转变：要求教育改革实现从封闭的 教学环境向开放教学环境的转变：要求教学改革在课程教学中实现课程与教材的改革、培养 目标的转变平教学手段现代化的变革。”1 ( 二) 大学物理教学改革必然要求教学方法手段的现代化 计算机作为一种信息处理工具白二十世纪四十年代诞生以来，经过了电子管、晶体管、 中小规模集成电路、大规模集成电路四代的飞速发展，现在已进入超大规模集成电路和智能 化的多媒体时代。其应用也从军事、科研、生产、管理、教育扩展到日常生活。在我国，计 算机在各行各业的应用更是飞速发展，人们已经开始认识到：计算机的普及应用正改变着传 统的生活方式和工作方式，也改变了我们的思维方式。就教育而言，无论是学生还是教师或 领导都希望自己懂一点计算机，并能让其服务于我们日常的教学与管理，让学生有更大的学 习与生存空间，以便使自己不至于成为时代的落伍者。计算机多媒体技术是一种把文字、图 形、视频图像、动画和声音等连载信息的媒体结台在一起，并通过计算机进行综合处理和 控制，实现人机交互式操作的信息技术。”从2 0 世纪8 0 年代以来，计算机多媒体技术正以 日新月异的速度渗透到我们生活的方方面面，也改变了我们的生活方式与生活观念。专家们 认为：多媒体计算机技术的实用化，在教育领域有广阔的前景，这是多媒体技术的关键特性 所决定的。 ( 一) 多媒体技术具有图、文、声并茂的特点能把事物本来的自然状态模仿出来。研 究表明：人类的学习过程是通过自身的眼、耳、鼻、舌、身等感官把外界的信息传递到大脑， 经过分析，综合而获得知识的过程。1 在学习过程中，调动多种感官参与学习能有效地提 高学习效率和记忆效果。多媒体计算机用于教学能够提供灵活多样的信息呈现方式，将多重 刺激作用于学习者的感官，这是其它媒体无法比拟的。 ( 二) 多媒体技术具有较强的交互性与控制性。不论何种学习模式，学习者总是在与计 算机的对话中使用机器“了解”学生，给学生以即时的指点、即时的强化。同时这种交互作 用还不会产生课堂答题时的羞涩感。对后进学生学习也不会形成心理障碍或压力，自定步调 也有利于个别教学。 ( 三) 多媒体技术是有信息量大资源共享的特点。现在随各方面的发展，知识也是成几 何级增长的，如何在较短的时间内掌握较多较新的知识，这是一个十分困难的事情。多媒体 技术，尤其是互联网的深入使知识的学习更加丰富。同时可以实现资源共享，弥补不同学校 地区间教学质量的著异。一个优秀的多媒体教学软件应该就是一个专家系统，是优秀教师的 经验与现代教学思想的手段的完美结合。”因此将计算机技术引入教学这是时代的要求， 也是现代教育教学的必然趋势。 6 第二节c a i 应用于大学物理教学的优势 课程教学首先要解决课程的内容体系及表现形式的关系，c a l 突破了传统的课程内容 表现形式，可以很好地表示数字、符号、图形、自然语言、文字等多种形式的教学内容并 使课程的内容与体系结构能够及时调整、重组，应用c a i 开展物理教学，其优势是显著的。 首先，物理学是一门理论性与实践性很强的学科，许多概念定律都特别抽象，而且有 很大一部分在日常教学中很难捕捉或实现。在物理教材中大部分物理概念、定律等都是在实 验的基础上得到的，这是由于物理课的特点所决定的，因为物理学是一门建立在实验基础上 的科学。这就要求教师在教学中进行必要的演示和实验，但不少演示和实验的进行都要受到 物质、时间、环境、设备等条件的限制，有许多实验更是无法进行。如人造地球卫星的发射、 原子核的聚变等等，这些都给物理教学上带来一定的困难，如果能利用多媒体计算机的运算、 声音、图像等功能，将多媒体计算机技术引入物理教学中，这对教师教学和研究将起到事半 功倍的效果。在物理教学过程中辅助以多媒体计算机技术，可以模拟一些实际中难以进行的 物理实验，将现有条什f 不能获得的物理现象展现在学生面前，如d 粒子轰击金箔的散射 现象。利阁f l a s h 的动画功能就可以把口粒子撞击金箔后的轨迹显示出来，利用声音功能 则可以模拟撞击时发出的声音，同时这样加入一定的条件，就可以获得绝大多数粒子散射角 度较小，极少数粒子大角度散射的实验现象，即使学生对d 粒子的散射由微观认识转变到 宏观认识，也提高了学生的学习兴趣。 第二，剥用优秀的教学辅助软件可以使一些物理现象直观形象地呈现出来。栩栩如生 的画面，配上声音的效果，让学生从声音、图像全方位的感受，如置身于其情景，直观地掌 握该节的内容。 第三，利用计算机的模拟演示，可以超越时间限制使一些闪而过的物理现象如电 荷在磁场中的运动轨迹在很短的时间内就可以完成；一些长时间才能观察到的物理现象 如原子核的裂变现象，在几十天或几年内才能完成，在计算机的帮助下，使时间“压缩”， 把箍个过程显示出来。同时，还可以打破空间的制约，如浩瀚的宇宙中天体的运动，在教学 中是无法把它搬进教室，但利用计算机就可以轻而易举地将它们展现在学生面前，使学生既 能清楚地看到天体运动轨迹，又能通过这些运动轨迹掌握天体运动的规律。 第四，利用计算机能模拟一些特殊的、看不见的物理现象，使之变的形象。如电场、 磁场及电磁波的传播等。 第五，利用计算机上习题谋或复习课，教师可以利用计算机语言编写些简单的小程 序。如选择题等，把一些概念性的东西编入到程序中，让学生自己选择，选择对可以向 下进行，选抒不对，继续选择。同时还可以把计算机与物理上的一些小发明、小制作联系起 来，教师有意识地辅导学生向这一方向发展。这样不仅能提高学生的学习兴趣，有利于对知 识的掌握，而且还有利于计算机知识的普及和提高。 第六，计算机以它的运算速度快、储存信息容量大占有绝对的优势，因此利用多媒体 计算机可以将教学中的一些资料保存起来，做到随用随取，及时方便。 第七，随着计算机技术的普及，教师可以利用p o w e r p o i n t 、f l a s h 等一些软件自制一 些优秀的课忭用于日常的教学。 由此可见，c a 技术丰宦了课堂教学内容，改进了教学手段，为促进教学改革工作进 程展现了美好的前景。 第二章c a i 应用于大学物理教学的理论探索 第一节c a i 的理论与技术 ( 一) 用建构主义理论指导c a i 技术的应用 应j jc a i 脱离不了教学理论的指导，从c a l 的设计理论的发展和变化情况来看，最早 发展来源于斯金纳( b es k i n n e r ) 的程序教学法，也可以说是行为主义学习理论的计算机化， 到上世纪8 0 年代，基于认知学习理论的教学设计在c a i 中逐渐占了上风。进入9 0 年代以 后，c a i 领域逐渐倾向于建构主义学习理论。所谓建构主义学习理论基础，它认为学习者获 得知识不仅仅是通过教师传授得到的，而是在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人 ( 包括教师和学习伙伴) 的帮助，利用必要的学习资料，通过建构意义的方式而获得。所谓 建构的意义是指：事物的性质、规律以及事物之间的内在联系。i l ”建构主义学习理论强调 以学生为中心，认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素或 四大属性。它不仅要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主 体、知识意义的主动建构者；而且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构 意义的帮助者、促进者。当然，各种学习理论对于c a i 都有着各自的影响，根据教学内容、 教学对象的不同，应用不同理论指导c a i 教学。对于学习理科的高校学生来说，理解能力 比较强，学习目标明确而有一定自制力，使用建构主义的c a i ，可以培养学生像科学家一 样工作的意识和能力。建构主义提倡在教师指导下以学习者为中心学习，也就是说：既强调 学习者的认知主体作用，又不忽视教师的主导作用，教师是意义建构的帮助者、促进者，而 不是知识的提供者与灌输者。学生是信息加工的主体，是意义的主动建构者，而不是知识的 被动接受者和灌输者的对象。高校理科教学以培养信息时代的高级研究型和应用型人才为目 标，应当在教学过程中采用崭新的教学模式( 彻底摒弃以教师为中心，强调知识传授，把学 生当作知识灌输对象的传统教学模式) 、崭新的教学方法和崭新的教学设计思想。i l ”而c a i 正好提供了实现这样教学改革的手段。在高校理科教学中运用c a i ，能够发挥学生主动性 和探索性学习，能够培养学生创造能力、创新意识和分析问题、解决问题能力，能够允许发 挥学科教师教学特色和教学个性的具有开放性和灵活性。于是需从两个方面来考虑：一是由 教师掌握的课堂c a i 手段，用于帮助学生理解和掌握所学的知识：二是由学生利用c a 手段，进行知识的巩固和探索。这不但可以造就工业化社会需求的知识型和知识应用型人才， 也可以造就新一代的信息时代所需的、高素质的刨新型人才。所以，我们在c a i 课件的教 学设计中应该用建构主义学习理论的基本思想，注重以下几个原则”： 1 创建良好的软件环境，促进学生的意义建构 在c a i 课件的结构设计中，对软件的框架及分支内容的呈现方式、交互性、信息擞据、 媒体控制等应采用开放式结构，用超文本方式组织和管理信息，学生可以通过节点间的链接 关系方便地从一个知识点交互到另一个知识点，把媒体的选择、使用和控制的权力交给学生。 而对知识的信息资源皮如何获取、从哪里获取以及如何有效地加以利用等问题，便成为学生 在主动探索过程中迫切需要教师提供帮助的内容。 9 2 强调以学生为中心的自主学习 计算机辅助教学的设计要充分发挥学生的主动性，让学生对各种知识的媒体主动探索和 土动发现，并在其过程中加以理解和消化，达到“学”的目的。要让学生在不同的环境下去 应_ l j 他们所学的知识，并根据自身行为的反馈信息来形成各种客观事物的认识和解决问题的 方窠。在软什设计过程中需要准备大量的练习题，采用选择、填空和拖动式测试练习，使学 生了解白己对知识的掌握情况，巩固前面所学的知识。 3 强调“情境”学习 “情境”学习可以使学习者能利用自己原有的有关经验去同化和索引当前学习到的新知 识，从而赋予新知识以某种意义。在传统的课堂讲授中，由于不能具各实际情境所具有的 生动性、丰富性，因而将使学习者对知识的意义建构发生困难。在c a i 课件设计中，我们 尽量设计仿真情境，制作大量的图片和动画，让学生在仿真情境下对各知识点的知识产生 联想，进行概括和归纳，达到意义的建构。 4 使用丰富的人机交互，创建良好的“会话”环境 在c a i 课仲中使用丰富的人机交互形式，如学习者用鼠标或键盘输入选择不同的参 数或答案，根据具体情况，计算机会给出不同的答案或在学习者选择错误答案时给以适当的 提示，创建良好的“协商”和“会话”环境。学习者还可以通过网络系统进行学生间的互相 交流“协作”学习。 5 利用各种信息资源来支持“学” 在计算机辅助教学软件中尽量提供各种类型的教学媒体和教学资料，这些资料的提供并 非用于辅助教师的讲解和演示，而是为了支持学习者自主学习和协作式探索，把媒体的选择、 使用和控制的权力交给学生，把学生对知识的意义建构作为整个学习过程的最终目的。 ( 二) c a i 的教学模式 c a i 的基本特点就是通过人机交互式对话，使学习者实现有效学习。通过对目前广泛采 用的c a i 教学形式的研究，c a i 的基本模式可以分为：演示型c a i 、练习型c a i 、模拟训 练型c a i 、个别指导型c a i 、查询式c a i 、游戏型c a i 、问题解决型c a i 、发现式c a i 、 测验型c a i 等，以下就这九种模式分别进行讨论“l 。 1 演示型c a i 演示型c a i 是一种较为简单的c a i 教学模式。它是在课堂教学中，教师结合演示c a i 课件，讲授教学内容。演示型课件的内容可以是一章，一节，也可以是一些独立的知识点， 它可以通过文本、图形、声音、图像和动画等多种信息媒体表现教学内容，形象生动引人 入胜。在这里，计算机取代了传统的投影幻灯，使用方便，而且演示效果更好。 1 0 演示型c a i 是计算机辅助课堂教学的一种简单应用，并没有脱离传统教学模式。它的特 点是教学形式简单实剧，操佧方便。演示型c a i 可看作是种过渡教学模式，是目前应用较 为泛的一种模式。 2 约；习型c a 这种教学模式的主要目的，是让学习者对某种技能和技巧进行训练和掌握，它是一种比 较单纯的教学活动。练习型c a i 的基本过程，是在计算机的控制下，围绕教学目标不断地提 出问题，让学习者进行反复地练习和训练；同时，也收集训练过程中的各种数据以指导迸一 步的练习，从而达到学习者有效的训练和掌握某种技能和技巧。例如对于计算能力的培养、 外语单词的记忆等而言，这是一种非常重要而且有效的教学模式。 计算机+ _ 学习者 一 练习型c a l 实现起来比较简单，它只须按照一定的方式不断地提示问题并记录学习者 的学习情况。不过，这种教学模式只适用于训练学习者掌握已学的知识和内容，而不适于传 授新知识。 3 模拟训练型c a i 模拟训练型c a i 是利用计算机系统的特点制造一种计算机模拟的学习环境，让学习者 通过人机对话的方式实现一定学科内容的学习和某些问题的解决。可以利用计算机模拟现实 世界的物理现象、社会现象或者客观条件，让学习者在这种学习环境下获得与这些现象和条 件相关的经验、知识以及技能。模拟训练型c a i ，可以通过文字、声音、影像及图形等方式 模拟医学、物理学、地理、化学以及生物中的一些实验过程。以生动逼真的形式进行教学。 计算机叶学习者 匮匾圃一匿豆圈 圆卜圈 ， 圃+ 凰 蓦 翌守 匝匝 中 4 个别指导型c a i 这种教学模式是以学习的个别化作为主要目的，通过人机交互式作用摹仿师生会话，指 导学习者开展学习。它是一种类比于传统教学中教师与学生一对一地进行教学的形式。不过， 这时教师的一切功能由计算机来完成。这种教学模式，计算机可根据不同教学对象的特点分 别给予适当的学习内容，让学习者进行学习；学习者对提示的教学信息进行学习和思考， 然后给出一定的应答，计算机又根据学习者的应答情况给出相应的评价、提示或帮助信息， 引导他们继续学习。 计算机斗学习者 皇 一 隍蚕塑壁i 睦娶囹星i 豳卜匦圃 + 囱一臣习 主 医示问题】 个别指导型c a i 的教学过程是通过人机对话方式展开的。人机对话方式的选择和教学 流程的设计是个别指导型课件设计中的难点。 5 查询式c a i 查询式c a i 是预先将各种教学信息存入计算机学习者通过对各种教学信息的检索进行 学习。这种教学模式是以学习者实现自主学习作为主要目的。查询式c a i 系统实质上是一 个数据库系统。学习过程中，计算机根据学习者的要求给出相应的教学内容并提示导航策 略，学习的主动权由学习者掌握。当然，学习者的问题也受到本身的限制，查询式c a i 系 统应具有较为完善的数据库。 6 游戏型c a i 计算机游戏是一种有趣而又带有刺擞性的活动。游戏型c a i 正是把c a i 的游戏策略的 特性结台起来，使娱乐、教育与科学熔为一体，从而实现某一特定的教学目标。在这种教学环 1 2 妒学囹 i f l i 可一 薹塞上 境卜f ，可咀充分调动学习者的学习积极性，通过带有竞争性的游戏活动促使他们进行有效学 习。 7 问题解决型c a i 计算机学习者 + 压圃 ， 十一圆 问题解决型c a i 是以培养学习者建立模型、构建理论等抽象的逻辑思维能力为目的，让 学习者在计算机系统的支持下，通过解决某种问题的过程进行学习的教学模式。在这种学习 过程中，学习者的主要精力是投入问题的分析，然后建立教学模式。在这种学习过程中，学习 者的主要精力是投入问题的分析，然后建立教学模型；通过不断修改模型、解释现象的过程， 可以从不完全地求解问题直至问题的全面解决。例如，c a i 系统可以给学习者提供解决有关 问题的软件包，然后向学生依次提示解决问题的步骤，并要求学习者输入相关的数据，检 查中间结果，诊断可能发生的错误，最后输出求解的结果。 8 发现式c a i _ + 学习者 1 圈 t 一睑验模型l ， 一圈 i 卜一匦麴 发现式c a i 是基于美国教育心理学家布鲁纳提出的发现式教学理论。在这种教学模式 中，c a i 系统为学习者创设一种学习环境并提供一些工具，让学习者通过自己的努力去逐步 发现一些现象，然后通过自己的分析与归纳，总结出规律，验证规律，最后达到认识和掌握某 种规律的目的。发现式c a i 有助于学习者认知思维、探索能力的培养 晶军 善霎甲 计算机叶学习者 匦匾捆一圆 圈卜匪氢 t 9 测验型c a i 一 计算机辅助教学的基本目的是让学习者对指定的内容进行有效学习。测验型c a i 是指 利用计算机的各种功能和特性，通过进行测试课题的编制、测试过程的实施、测试结果的分 析、评价，从而对学习者掌握知识的情况进行测试。测试是教学过程的重要组成部分。计算 机辅助测验主要有试卷生成、测验、评分与成绩分析、试题分析、试题库管理等环节。测验 型c a i 具有实时性，它可以及时组卷，及时统计考试结果，达到调整教学过程的目的；而且它 还丰富了考试的形式，可以是一班，一组，甚至是一个人接受考试。不过，如何建立题库，如 伺组卷，如何测试学习者的学习特点和学习结果等问题是设计测验型c a i 系统中的技术难 点。 对于以上九种c a i 教学模式都应该在c a i 课件中灵活的加阱体现和应用，特别是对于网 络型c a i 课件，基本上要求更加全面的应用。 ( 三) c a i 教学的主要特点 l 。课堂教学直观，便于学生理解 多媒体c a i 的课件通过影像或图像同时辅以文字对原理定义及教学模型进行证明，这样 可以减少理论的抽象性，加深理解增强记忆，并且利用多媒体技术表现力强、在支持教师 对一个主体的讲解时，能使内容直观、生动、易于理解。特别是当一个问题在课堂上不宜描 述时，多媒体技术往往因直观、生动显示出其独特的威力。如果采用传统的粉笔、图片和教 师的一张嘴，其教学效果可想而知，而利用