（计算机应用技术专业论文）平面解析几何cai系统的研究和实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 当今的信息时代，计算机得到了广泛普及和应用，计算机的使用已经渗透到社会的 各个角落，成为人们生活中不可或缺的重要工具。 c a i ( 计算机辅助教学) 是现代教育的重要组成部分，它为现代教育提供了新思想、 新技术，许多教师积极开发并运用c a i 课件辅助数学课堂教学，包括辅助平面解析几何 课堂教学。然而，平面解析几何是一门授课难度较大，涉及图形较多的课程；现有的绘 图软件很难满足实际教学的需求；适合学校实际平面解析几何课堂教学的课件资源匮 乏。 针对现实平面解析几何教学中的实际困难和需要，以积件式的教学模式设计和实现 了一个适合平面解析几何教学的c a i 积件系统 本文的主要研究内容包括： 分析了目前课件制作过程中存在的缺点，如不能根据师生的实际需要，自主选择学 习内容，课件本身具有整体性、固定性和封闭性等。 重点探讨了建构主义理论，对基于建构主义理论的积件式教学设计模式进行了研 究，实现了一个适合平面解析几何教学的c a i 积件系统。 研究了计算机辅助绘图技术和二维图形的几何变换，导出了二维图形的某些特定变 换矩阵，设计和实现了一个适合平面解析几何教学的绘图软件。 关键词：建构主义，课件，平面解析几何。二维图形 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc u r r e n ti n f o r m a t i o na g e ，t h ec o m p u t e ri sp o p u l a r i z e da n da p p l i e de x t e n s i v e l y t h eu $ e o ft h ec o m p u t e rh a sa l r e a d yi n f i l t r a t e di n t oe v e r yo o m e ro ft h es o c i e t y , a n db e c o m 骼t h e i n d i s p e n s a b l ei m p o r t a n tt o o li no u rd a i l yl i f e c a j ( 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 ) i sa ni m p o m n tc o m p o n e n to fm o d e f be d u c a t i o n , w h i c hd r o 、，i d e st h en e wt h o u g h ta n dt e c h n o l o g yf o rt h em o d e mc d u c a t i o n m a n yt e a c h e r s a c t i v e l yd e v e l o pa n da p p l yc a i c o m 髓w a t oa s s i s tt h em a t h e m a t i c st e a c h i n g , i n c l u d i n gt h e t e a c h n go fp l a n ea n a l 如cg e o m e t r y h o w e v e r , p l a n ea n a l y t i cg e o m e u ti sac o u 僦i n v o l v i n g s om a n yg r a p h i c st h a ti ti sm u c hh a r d e rt ob et a u g h t 1 r t 峙e x i s t i n gd r a w i n gs o f t w a r eh a sa d i f f i c u l t yi ns a t i s f y i n gt h er e q u i r e r a e n to ft e a c h i n gi np r a c t i c e n 他t e a c h i n go fp l a n e a n a l y t i c a lg e o m e t r yi ss h o r to f t h es u i t a b l ec o u 墙c w a r el e s o u r c 鹤i np r a c t i c e a i m i n ga tt h ep r a c t i c a ld i f f i c u l t ya n dr e q u i r e m e n ti nt h et e a c h i n go fp l a n ea n a l y t i c a l g e o m e t r y , a n da na s s i s t e di n s t r u c t i o n a ls y s t e mb a s e do nt h ei n t e g r a b l et e a c h i n gm o d ei s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e ds u i t a b l ef o rt h et e a c h i n go fp l a n ea n a l y t i cg e o m e t r y t h em a i n c o n t r i b u t i o n so f t h i sl l l e s i s 黜a sf o l l o w s ： 1 1 1 es h o r t c o m i n go ft h ee x i s t i n gc o u r s e w a r ei sa n a l y z e ds u c ha si n d e p e n d e n t l yb e i n g i n c a p a b l eo f c h o o s i n gt e a c h i n gm a t e r i a la c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n to f t e a c h e r sa n d s t u d 钮协，i n t e g r i t y , f i x i t ya n dc l o s 4 x h t c s $ o f c o u r s e w a m o u rd i s c u s s i o ni sc o n c e n t r a t e do bt h ec o n s t r u c t i v i s mt h e o r y 1 1 地i n t e g r a b l et e a c h i n g d e s i g nm o d eb a s e do i lc o n s t r u c t i v i s mt h e o r yi ss t u d i e d t h ec a ji n t e g r a b l ew a r eh a sb e e n i m p l e m e n t e ds u i t a b l ef o rt h et e a c h i n go f p l a n ea n a l y t i cg e o m e t r y t h eg e o m e t r i c a lt r a n s f o r m a t i o ni sc a r r i e do u tf o rc o m p u t e ra i d e dd r a w i n gt e c h n o l o g y a n dt w o - d i m e n s i o n a lg r a p h i c s ，f r o mw h i c hs o m ea p p l i c a t i o n - s p e c i f i ct r a n s f o r m a t i o n a l m a t r i c e sf o rt w o - d i m e n s i o n a lg r a p h i c sa l ed e r i v e d , ad r a w i n gs o f t w a r ei sd e s i g n e da n d i m p l a n t e ds u i t a b l ef o rt h et e a c h i n go f p l a n ea n a l y t i cg e o m e t r y k e y w o r d s ：c o n s t r u e t i v i s m , c o u r s e w a r e ，p l a n ea n a l y t i cg e o m e t r y , t w o - d i m e n s i o n a lg r a p h i c s 东南大学学位论文独创性声明 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，论文中不包含其他人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已在论文中作了明确的说明井表示了谢意。 研触躲墨丝e t 期：研究生签名：! ! 竺兰 期： 东南大学学位论文使用授权声明 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侔和电 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。 研究：超 导师签名：逛：z 二- 日期；兰旦! ：! ：! ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 国际互联网的普及，正迅速改变着人们的工作方式、交往方式和生活方式。同样的，网络也给 教育提供了一个新的机遇，使得传统意义上的教育突破了时空限制，引发了教育体制、教育观念、 教育思想、教学模式、教学方法和教学内容的深刻变革，教学上最大的变化是出现了网络教学。 所谓网络教学是指在教学过程中运用了网络技术的教学活动多媒体网络教学是计算机多媒 体技术、网络通信技术与现代教育理论相结合的产物。作为一种新型的教学活动，要想使其能被广 大的教育工作者承认、被学生认同进而被教育行政主管部门接受和扶植。就要看它是否比非多媒体 网络教学有很大优势 对于广大教育工作者来说，现在最时髦的话就是网络教学青年教师常以熟练的网络知识来炫 耀教学水平，老教师也拼命地学习，这是一个难得的好现象，说明教育现代化的步伐大大加快了 但从近期反馈的信息看，无论是学校还是老师，都把网络教学作为教学质量的惟一追求。存在着重 硬件轻软件，重课件轻教学的现象；也就是说。颠倒了网络教学的本末无论哪种教学方式，都是 以提高教学质量为核心，以提高素质教育水平为目标。网络教学无论怎样发展，其服务教学的性质 不能变，网络教学只是一种手段，不是教学的最终目的。 从整个国际形势看，世界各国对网络教育都投入了相当的精力，世界经合组织的研究。1 表明， 从1 9 9 5 年至2 0 0 4 年，全世界远程网络教育的市场规模每年以4 5 的速度扩张，在我国将互联网教 育作为一种新教育形式，时间不长，但也已在7 万余所中小学安装了几百万台计算机，所装机器已 向网络化、多媒体发展，基本掌握计算机操作的中小学生超过千万人这些数据表明，网络教育无 论在国际范围还是在我国，已经成为一种发展趋势，甚至可能成为一场现代教育革命的契机 计算机辅助教学( c a i ：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 ) 是现代教育的重要组成部分，它为现代 教育提供了新思想、新技术，许多教师积极开发并运用c a i 课件辅助数学课堂教学，包括辅助平面 解析几何课堂教学然而，平面解析几何是- - f 3 授课难度较大，涉及图形较多的课程；现有的绘图 软件很难满足实际教学的需求；适合学校实际平面解析几何课堂教学的课件资源匮乏。 平面解析几何采用代数方法来研究图形的性质。这种方法由法国数学家费马( p d ef e n n a t 1 6 0 1 1 6 6 5 ) 和笛卡尔( r d e s c a r t e s1 5 9 6 - 1 6 5 0 ) 创建的。它是一种“数到形的推理”。这种推理是中 学生学习几何的拦路虎，要处理好知识与能力的关系，必须加强“过程分析”，并注意加强与其它文 化课、专业课的配合，注意引入现代计算机技术来改进教学 东南大学硕士学位论文 在高中数学的平面解析几何的教学内容中存在如下问题： ( 1 ) 平面解析几何是一门授课难度较大，涉及图形较多的课程：练习与试卷中的所绘图形达不到 要求，没有专用软件； ( 2 ) 一些教师在开发关于平面解析几何的课件时，发现素材无从收集，如下图1 - 1 的抛物线和图 1 - 2 的双曲线所示： 。褥 ： ? 辩；。绣j 。 忒j ! ：，： ： ： 圈1 - 1 抛物线圈1 - 2 双曲线 因此为了解决以上( 1 ) 和( 2 ) 的问题，开发一个适合平面解析几何教学的绘图软件是非常必要的 ( 3 ) 对一些重点知识( 如椭圆的形成、抛物线的形成等) ，运用传统教学的方法讲解时有一定的局 限性如许多一线教师在讲解椭圆的形成时：在黑板上钉两个铁钉，铁钉问连一根长线，再用一支 粉笔拉紧这根线，使粉笔和两个铁钉形成一个三角形，依靠粉笔在线上滑动而在黑板上留下椭圆痕 迹进行讲解。 为了解决问题( 3 ) ，可以采用现代教育手段弥补这缺陷，如：制作一些课件进行播放演示但 是作为一线教师，不可能有大量的精力花在课件的制作上网络的功能之一是资源共享，如何将网 络中的一些关于平面解析几何的优秀予课件及素材纳入用户自己的素材库? 这是需要解决的问题 墩育部在关于加强新世纪网络课程建设工程立项项目建设和管理的通知 狮中指出，“要 充分利用教学支撑平台已提供的功能，实现与教学平台的挂接”由于目前国内缺乏比较成熟的教学 支撑平台，因此如何开发教学支撑平台是我们每个教育工作者感到比较困惑的问题 由于教育行业有着鲜明的特征和内涵，教育软件不可能完全用计算机辅助教学软件来替代。也 不可能完全由开发商来完成；但是从另一个方面看，由于受计算机知识和条件的限制，学科教师也 很难将自己的教学经验转换为计算机辅助教学软件，所以计算机专家与学科专家自治作便成为时下 开发计算机辅助教学软件的主要模式。 1 2 研究现状 调查发现：在乎面解析几何的教学过程中，不但缺乏适合平面解析几何教学的绘图平台，而且 适合教学的课件资源匮乏，也没有一个适合平面解析几何教学的计算机辅助教学系统 现有的“几何曲线通画”软件，只能进行几何曲线的绘画演示，但没有图形的输出功能。 2 第一章绪论 “平面解析几何的教与学系统”，虽然可以按照输入的参数进行绘画演示；但是不能进行鼠标的 交互绘图，也没有提供图形的输出功能，更没有提供课件的的收集和播放功能，学生不能自主学习 。几何画板一软件虽然有很强的交互绘图功能，但其操作复杂，不能方便绘制圆锥曲线( 抛物 线和双曲线) ，也没有积件的功能和授课功能 使用w m d o w s 自带的画图程序绘图也发现有两个缺陷：一、画部分圆锥曲线无从下手。二、只 能进行窗选和多边形套索选取，选取对象进行裁剪或删除后会留下一块背景色的阴影区域，但是不 能够对任一画过的图形进行选择、修改；下图1 - 4 是对图l - 3 中选取的圆进行平移时产生的结果： 口；io v 口 图l - 3 画图中选取圆的截图图1 4 画图中移动圆的截图 到目前为止，田内外关于平面解析几何辅助教学的课件或系统并不多见另外。现有的一些关 于平面解析几何的c a i 系统，存在着如下问题： 其一，从整体上讲，这些c a i 系统着重教学内容的呈现与讲解，轻学习环境与学习活动的设计 相当一部分网络教学内容的讲解与呈现仍以大量的文字阅读为主，个别的仍存在着文字教材搬 家的现象就课程而言，只是简单地将教科书照搬到网上，就课程实施( 教学) 而言，很多时候也 只是将课堂上面对面的灌输变成了利用网络介质的灌输。 其二，缺乏研究性学习的环节，缺乏协作学习的设计 作为能动的人的因素，教师也是一个互动传播媒体。但是在功利主义应试教育的侵蚀下，现实 课堂中其双向互动作用没有得到很好的实现，从本质来看，学生不能根据实际需要，自主选择内容 进行学习，也就是说忽略了学生这一主体，还仅仅实现了类似广播电视单向传递信息的功能 很多教师在应用网络的教学过程中，陷入了教具使用的陷阱。把正常教学演变成网络工具和教 案的演示。教师把更多的精力放到了资料的搜集和课件的展示上，把课堂变成了计算机和教具的播 放过程，甚至有个别教师把与学生的面对面教学演变成学生与屏幕的对接，演示课件的时间占到整 个教学时间的8 0 以上 实践证明，在教学过程中，仍要以师生面对面教学为主。以教师为核心展开教学网络教学再 发达，也需要教师的正确引导和使用。要完成知识向学生的最终转换，教师必须站在教学的最前沿， 不断提高自身素质，提高驾驭现代化教学手段和教学设备的能力，切不可形成依赖心理而忽视了自 身知识和能力的更新 3 东南大学硕士学位论文 1 3 研究目标 多媒体教学系统应具备如下基本功能： ( 1 ) 收集、制作、存储、管理和传输各类多媒体素材和多媒体教材系统能够根据教学的需要， 收集和制作不同类型的媒体素材和多媒体教材，然后存入多媒体教学信息库中，这些信息可以随时 提供给系统和多个终端。 ( 2 ) 为教师备课和优化教学设计创造良好的环境教师在教学准备过程中，通过系统中的任一 多媒体终端机，能在网上搜集有关文、图、声、像资料。进行备课和制作多媒体教材 ( 3 ) 为开展多媒体课堂教学提供条件。设置在教室里的多媒体终端机和显示设备，为开展多媒 体课堂教学提供了条件，教师可以通过系统选用合适的多媒体教材来配合讲解 ( 4 ) 为学生自学和小组教学提供方便。学生利用交互式的多媒体教学终端机，不仅可以进行查 询、补课、自学、复习，而且还可以利用各个学科专用软件配合相应的设备开展小组教学，进行教 学模拟仿真训练，这些模拟训练环境逼真，交互性强，可以提高学生分析问题和解决问题的能力 因此，本文在分析了多媒体教学系统应有功能的基础上，对现有平面解析几何c a i 系统中存在 的问题进行了调查，并结合中等职校中数学线教师的反馈意见，用f 1 a s t 堋x 和v i s u a lb a s i c 6 0 开发了一个适合平面解析几何的c a i 系统。具体如下： ( i ) 研究了计算机图形学的理论，将二维图形的变换技术进行了具体的实现设计，开发出一 个绘图平台，应用该平台能进行交互绘图。制作出平面解析几何教学过程中所需的图形素材 ( 2 ) 对计算机辅助教学理论进行了研究，尤其是对c a i 系统的开发有直接指导意义的建构主义 理论”进行了探讨，开发一个平面解析几何的c a i 积件系统 ( 3 ) 根据教师和学生的需要，有进行增加、删除、播放课件的功能；并能够根据教师和学生的 实际需要，自由组合课件，运用该系统进行教学。体现了“为学生提供情境教学环境，以学生为中 心，让学生掌握学习的主动权，让教师成为学生完成意义建构的指导者”的教学思想。 4 第二章计算机辅助教学 第二章计算机辅助教学 2 1 计算机辅助教学基本理论 计算机辅助教学( c d ) 是将计算机所具有的特殊功能用于教学的一种教学形态。在c a i 教学 过程中，利用计算机存储、处理信息和自动工作等功能，将其作为一种呈现教学计划、教学内容， 记录学生的学习情况和控制学习进程等内容的教学媒体，让每个学生通过与计算机交互对话的过程， 进行有效地学习，因此利用c a i 系统可以实现学习的个别化和教学的最佳化 计算机辅助教学的研究开始于1 9 5 8 年，当时人们只是从计算机的应用出发进行探讨，但随着计 算机技术的迅速发展，其应用日益广泛，几乎渗透到教育技术的各个方面，突出表现在各种形式的 个别化学习稳定增长，从而逐渐形成了计算机辅助教学的概念。 2 1 1c a i 教学功能 在教学中使用教育媒体，可以增加教师的教育作用，提高教学效果把具有教学功能的软件( 即 课件) 配置到计算机中之后，计算机就能像教师那样，与学生构成系统，完成一定的教学任务，这 就是计算机辅助教学的基本原理 其系统原理框图“1 如下图2 - 1 所示 m 口 二l i l 目 计 k r 信息 学 算 机 显示器教学信息 生 图2 - 1c a i 教学系统原理框图 可见，计算机辅助教学是利用计算机所具有的各种功能和特点来产生一定的教学功能，并将它 用于某些教学过程中，使学生有效地学习 c a i 系统具有许多其它系统难以实现的教学功能，它主要包含以下几个方面： ( 1 ) 创造丰富、多样的教学环境 传统的教学是在静止的、单调的教学环境中。由教师讲，学生听的教学模式。学生的学习处于 一种被动状态，他们永远只能在教师的要求下。按照一定的传授信息的顺序掌握信息。不能跳出教 师给定的范围然而c a i 系统建立了一种应答式的教学环境，学生可以进行能动地、积极地学习。 由于c a i 系统拥有一个大型的资料库，学生可以根据自己的需要，以检索的方式从资料库中检出所 需资料进行学习，这对调动学生的学习积极性，实现创造性学习具有重要意义。 5 东南大学硕士学位论文 c 2 ) 进行强化教育 教学过程中，对于许多技能的掌握，能力的培养，需要进行大量的强化训练在这方面，c a i 系统具有十分优越的条件，它可以广泛地用于学生计算能力、阅读能力、听说能力、实验能力的训 练，这种功能在其它教学系统中很难实现的 ( 3 ) 实现学习的个别化，教学的最佳化 用c a i 系统进行学习时，每个学生以各自的学习终端与计算机通过交互方式进行学习。根据各 自的特点，能力，选择不同的流程学习不同的内容，实现学习的个别化。这样，对每个学生都给予 了一种最佳的学习环境，从而实现了教学的最佳化 ( 4 ) 用作教具，教学机器来完善教学条件 利用微型计算机构成的c a i 系统不限于个别化教学，还广泛用于教学过程的各个环节，如教学 实验的测试控制、数据分析和实验模拟等，形成多种不同的教学形式，充实和完善教学条件，为教 学的最佳化提供良好的基础 2 1 2c a i 系统构成 c a i 系统的设计和构成是以定教学功能的实现为基本前提的教学功能的要求不同，c a 系 统的构成就有很大差异，现以大型计算机为中心所构成的c a i 系统为例，加以介绍。c a i 系统构成 的基本要素是硬件、软件和课件，称为c a i 系统构成的三要素“1 c a i 状态下，学生与计算机之间以交互式传递各种教育信息，课件( c o u r s e w a r e ) 是存贮、传 递、交换、解释和处理教育信息。并对它们进行选择、评价和控制的教学程序，从狭义的观点讲， 课件是用于学生学习的教学程序从广义的观点讲，它还包括对学习过程中各种应答信息的解释、 评价和处理，是各种教学信息的自动生成机构 c a i 系统的各种构成要素中，课件是最重要的一种构成要素在一定的硬件、软件环境下。c a i 系统的教学功能都是通过课件的设计和运行提供各种条件和基础 2 1 3c a i 的学习形态 根据c a i 的学习目的、学习方式的不同，c a i 可分为练习训练型，个别指导型、问答型，模拟 游戏型和问题解决等五种不同的学习形态 2 2c a i 课件设计理论 c a i 课件能够为学生提供一定的学习环境，通过学生的参与完成教学任务因此，由c a i 展开 的教学活动，应满足学习理论指出的学习规律，这也正是进行c a i 课件设计时所遵守的原则。主要 的学习理论是行为主义理论、认知主义理论和建构主义理论，它们是设计c a i 课件的理论原理。 6 第二章计算机辅助教学 2 2 1 行为主义理论“1 桑代克认为，人们的学习过程在很多情况下是一种试行错误的过程，人们是在试行产生错误、 认识错误、修正错误的过程中进行学习的。在这个过程中，当人们接受某种刺激( s t i m u l u s ) ，例如 学习中的某个问题时，将引起一定的反应( r e s p o n s e ) ，这种刺激一反应学习理论称为s - - r 理论 根据行为主义理论，对c a i 设计提出四条原则： ( 1 ) 接近原则，即反应必须在刺激之后立即出现。学习者对做出的反应，在时间上必须与刺激 接近，如果反应之间的时间间隔过长，与刺激相对应的反应将被淡化 ( 2 ) 重复原则，即重复练习。练习能加强刺激和反应，加强学习，促进记忆。 ( 3 ) 反馈与强化原则，即与反应正确性有关的信息可以促进学习。 ( 4 ) 提示及其衰减原则。在减少提示的条件下，朝着期望的方向引导学生。从而完成学习 2 2 2 认知主义理论” 行为主义理论认为学习起因于外部刺激的反应，而不关心刺激引起的内部心理，与此对应。认 知主义理论强调研究内部的心理过程，即注重人们对认识事物过程的天空。 认知主义认为，学生的学习是在具有一定逻辑结构的学习资料与学生本身所具有的某种认知结 构相互关联、相互作用的过程中进行的为了促使学生实现有效地学习，需要很好地研究知识的结 构特点和学生的认识结构和认识特点根据这种理论，把学习过程解释为每个人根据自己的态度、 需要、兴趣和爱好并利用过去的知识与经验对当前的学习内容做出主动的、有选择的信息加工过程， 根据认知主义理论，可为c a i 提出以下设计原则： ( 1 ) 开发的c a i 应与学习的内部过程一致，学习的内部过程与学习周期的几个阶段相一致，其 对应关系如表2 1 表2 1c a i 的活动与学习过程的关系 学习过程中的不同阶段c a i 提供的相应环境 警觉博得学习者的注意 期待把课程目标告诉学生 提取信息到短时记忆刺激学生回忆以前的学习 选择感觉信息呈现带有显著特性的刺激材料 语义编码 指导学习 激发和反应诱发期望的行为 强化提供增进知识的反馈 激发信息的保持评价行为 形成概念增强记忆和学习迁移 7 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 激发学生的学习积极性和主动性c a i 设计时考虑感情因素，努力培养学生正确的学习态 度，对提高c a i 的效用极为重要。 ( 3 ) 个别化若c a i 的设计，考虑和利用学生的特性来确定适当的教学特征，那么c a i 课件便 能适应学生个人的学习特性，达到最佳的学习效果。 ( 4 ) 交互性。交互性是c a i 区别于其他教学形式的重要特征之一，是实现个别化的基础。 2 2 3 建构主义理论“ 随着心理学家对人类学习过程认知规律研究的不断深入，近年来。认知主义理论的一个重要分 支建构主义理论”在西方逐渐流行 当前各学校教学改革的关键在于：能否打破传统的教学模式。这种“以教师为中心，教师讲、 学生听”为特点的教学模式既不能保证教学的质量与效率，又不利于培养学生的发散性思维、批判 性思维和创造性思维，不利于培养具有创新精神和实践能力的人才为了改变这种状况，国内外的 许多教育工作者、教育专家多年来从理论与实践两个方面作7 大量的研究与探索，建构主义理论正 是这种努力所取得的主要理论研究成果。随着多媒体计算机和i n t e m e t 冈络教育应用的飞速发展，建 构主义学习理论正愈来愈显示出其强大的生命力，学习并研究一些建构主义的理论，同时开展基于 建构主义学习理论的教学实践，将对我们实施以德育为核心，以培养学生创新精神和实践能力为重 点的素质教育，推进课程教材改革，产生深远的影响和积极的促进作用。 2 2 3 1 建构主义简介 建构主义( c o n s m 枷v i s m ) m 也译作结构主义，是认知心理学派中的一个分支 建构主义理论的主要代表人物有：皮亚杰( j j i a g e t ) ，科恶伯格( o k 融g ) 斯膝伯格 0 良j 啦b c r g ) 、卡茨p k a t z ) 、维果斯基( v o g o 协动” 建构主义理论的一个重要概念是图式“1 ，图式是指个体对世界的知觉理解和思考的方式。也可 以把它看作是心理活动的框架或组织结构 图式是认知结构的起点和核心，或者说是人类认识事物的基础。因此，图式的形成和变化是认 知发展的实质，认知发展受三个过程的影响：即同化、顺化和平衡。 同化( a s s i m i l a t i o n ) 是指学习个体对刺激输入的过滤或改变过程。也就是说个体在感受刺激时， 把它们纳入头脑中原有的图式之内。使其成为自身的一部分 顺应( a c c o m m o d a t i o n ) 是指学习者调节自己的内部结构以适应特定刺激情境的过程。当学习者遇 到不能用原有的图式来同化新的刺激时，便要对原有的图式加以修改或重建，以适应环境。 平衡( e q u i l i b r a t i o n ) ：是指学习者个体通过自我调节机制使认知发展从一个平衡状态向另一个平衡 状态过渡的过程 8 第二章计算机辅助教学 建构主义理论的内容很丰富，但其核心只用一句话就可以概括：以学生为中心，强调学生对知 识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构( 而不是像传统教学那样，只是把知识从教师 头脑中传送到学生的笔记本上) 以学生为中心，强调的是“学”；以教师为中心，强调的是“教” 这正是两种教育思想、教学观念最根本的分歧点建构主义认为，学习是建构内在心理表征的过程 学习者并不是把知识从外界搬到记忆中，而是以已有的经验为基础通过与外界的相互作用来获取、 建构新知识的过程。 建构主义学习理论的基本内容可以从“学习的含义”与。学习的方法”两个方面进行说明 ( 1 ) 学习的含义 建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境( 社会文化背景) 下， 借助学习( 是获取知识的过程) 和其他人( 老师、同学等) 的帮助，利用必要的学习资料，通过意 义建构的方式而获得由于学习是在一定的情境下，借助其他人的帮助而实现的意义建构过程，因 此建构主义学习理论认为“情境”、协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素“1 “情境”：学习环境中的情境必须有利于学生对所学内容的意义建构这就对教学设计提出了新 的要求，也就是说，在建构主义学习环境下，教学设计不仅要考虑教学目标分析，还要考虑有利于 学生建构意义的情境的创设问题，并把情境创设看作是教学设计的最重要内容之一 “协作”：协作发生在学习过程的始终协作对学习资料的搜集与分析、假设的提出与验证、学 习成果的评价、意义的最终建构均有重要作用。 “会话”：会话是协作过程中的不可缺少环节学习小组成员之间必须通过会话商讨如何完成规 定的学习任务的计划；此外，协作学习过程也是会话过程，在此过程中，每个学习者的思维成果( 智 慧) 为整个学习群体所共享，因此会话是达到意义建构的重要手段之一 “意义建构”：这是整个学习过程的最终目标。所要建构的意义是指：事物的性质、规律以及事 物之问的内在联系 教师在学习过程中帮助学生建构意义，就是要帮助学生对当前学习内容所反映的事物的性质、 规律以及该事物与其它事物之间的内在联系达到较深刻的理解。 ( 2 ) 学习的方法 建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习；也就是说，既强调学习者的认知主体 作用，又不忽视教师的指导作用，教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输 者。学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。 学生要成为意义的主动建构者，就要求学生在学习过程中从以下几个方面发挥主体作用： 要用探索法、发现法去建构知识的意义： 9 东南大学硕士学位论文 在建构意义过程中要求学生主动去搜集并分析有关的信息和资料，对所学习的问题要提出各种 假设并努力加以验证； 要把当前学习内容所反映的事物尽量和自己已经知道的事物相联系，并对这种联系加以认真的 思考。“联系”与“思考”是意义构建的关键。如果能把联系与思考的过程与协作学习中的相互协 商过程( 即交流、讨论的过程) 结合起来，则学生建构意义的效率会更高、质量会更好相互 协商则指学习小组内部相互之间的讨论与辩论 教师要成为学生建构意义的帮助者，就要求教师在教学过程中从以下几个面发挥指导作用： 激发学生的学习兴趣，帮助学生形成学习动机； 通过创设符合教学内容要求的情境和提示新旧知识之问联系的线索，帮助学生建构当前所学知 识的意义 为了使意义建构更有效，教师应在可能的条件下组织协作学习( 开展讨论与交流) ，并对协作 学习过程进行引导使之朝有利于意义建构的方向发展。 教学不能无视学习者的已有知识经验，简单强硬的从外部对学习者实施知识的填灌”，而是应 当把学习者原有的知识经验作为新知识的生长点，引导学习者从原有的知识经验中，生长新的知识 经验。教学不是知识的传递，而是知识的处理和转换。教师不单是知识的呈现者，不是知识权威的 象征，而应该重视学生自己对各种现象的理解，倾听他们的看法，思考他们这些想法的由来，并以 此为据，引导学生掌握知识或调整自己的解释 教师与学生。学生与学生之间需要共同针对某些问题进行探索，并在探索的过程中相互交流和 质疑，了解彼此的想法由于经验背景的差异的不可避免，学习者对问题的看法和理解经常是千差 万别的其实，在学生的共同体中，这些差异本身就是一种宝贵的现象资源。建构主义虽然非常重 视个体的自我发展，但是他也不否认外部引导，亦即教师的影响作用 教师要成为学生建构知识的积极帮助者和引导者，应当激发学生的学习兴趣，引发和保持学生 的学习动机通过创设符合教学内容要求的情境和提示新旧知识之间联系的线索，帮助学生建构当 前所学知识的意义。为使学生的意义建构更为有效，教师应尽可能组织协作学习，展开讨论和交流， 并对协作学习过程进行引导，使之朝有利于意义建构的方向发展。 2 2 3 2 建构主义的教学原则 把所有的学习任务都置于为了能够更有效地适应世界的学习中。 教学目标应该与学生的学习环境中的目标相符合，教师确定的问题应该使学生感到就是他们本 人的问题 设计真实的任务。真实的活动是学习环境的重要的特征就是应该在课堂教学中使用真实的任 1 0 第二章计算机辅助教学 务和日常的活动或实践整合多重的内容或技能。 设计能够反映学生在学习结束后就从事有效行动的复杂环境 给予学生解决问题的自主权。教师应该刺激学生的思维，激发他们自己解决问题 设计支持和激发学生思维的学习环境 鼓励学生在社会背景中检测自己的观点。 支持学生对所学内容与学习过程的反思，发展学生的自我控制的技能，成为独立的学习者 2 2 3 3 建构主义的教学模式和教学方法 与建构主义学习理论以及建构主义学习环境相适应的教学模式为：“以学生为中心，在整个教学 过程中由教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、会话等学习环境要素 充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建 构的目的。”在这种模式中，学生是知识意义的主动建构者：教师是教学过程的组织者、指导者、意 义建构的帮助者、促进者；教材所提供的知识不再是教师传授的内容，而是学生主动建构意义的对 象；媒体也不再是帮助教师传授知识的手段、方法，而是用来创设情境、进行协作学习和会话交流， 即作为学生主动学习，协作式探索的认知工具。显然，在这种场合，教师、学生、教材和媒体等四 要素与传统教学相比，各自有完全不同的作用，彼此之问有完全不同的关系但是这些作用与关系 也是非常清楚、非常明确的，因而成为教学活动进程的另外一种稳定结构形式，即建构主义学习环 境下的教学模式 在建构主义的教学模式下，目前己开发出的、比较成熟的教学方法主要有以下几种： ( 1 ) 支架式教学( s c a f f o l d i n gi n s t r u c t i o n ) ” 支架式教学被定义为：“支架式教学应当为学习者建构对知识的理解提供一种概念框架。这种框 架中的概念是为发展学习者对问题的进一步理解所需要的，为此，事先要把复杂的学习任务加以分 解，以便于把学习者的理解逐步引向深入。” 支架原本指建筑行业中使用的脚手架，在这里用来形象地描述一种教学方式：儿童被看作是一 座建筑，儿童的“学”是在不断地、积极地建构着自身的过程：而教师的“教”则是一个必要的脚手架， 支持儿童不断地建构自己，不断建造新的能力支架式教学是以前苏联著名心理学家维果斯基的“最 近发展区”理论为依据的。维果斯基认为，在测定儿童智力发展时。应至少确定儿童的两种发展水平： 一是儿童现有的发展水平，一种是潜在的发展水平，这两种水平之间的区域称为“最近发展区”。教 学应从儿童潜在的发展水平开始，不断创造新的最近发展区” 支架教学中的“支架”应根据学生的“最近发展区”来建立，通过支架作用不停地将学生的智力从 一个水平引导到另一个更高的水平 1 1 东南大学硕士学位论文 支架式教学由以下几个环节组成： 搭脚手架一一围绕当前学习主题，按“最邻近发展区”的要求建立概念框架 进入情境一一将学生引入一定的问题情境 独立探索一一让学生独立探索探索内容包括：确定与给定概念有关的各种属性，并将各种属 性按其重要性大小顺序捧列探索开始时要先由教师启发引导，然后让学生自己去分析；探索 过程中教师要适时提示，帮助学生沿概念框架逐步攀升 协作学习一一进行小组协商、讨论讨论的结果有可能使原来确定的、与当前所学概念有关的 属性增加或减少，各种属性的排列次序也可能有所调整，并使原来多种意见相互矛盾、且态度 纷呈的复杂局面逐渐变得明朗、一致起来。在共享集体思维成果的基础上达到对当前所学概念 比较全面、正确的理解，即最终完成对所学知识的意义建构。 效果评价一一学习效果的评价包括学生个人的自我评价和学习小组对个人的学习评价，评价内 容包括：自主学习能力；对小组协作学习所作的贡献；是否完成对所学知识的意义建构 ( 2 ) 抛锚式教学( a n c h o r e di n s t r u c t i o n ) ” 这种教学要求建立在有感染力的真实事件或真实问题的基础上。确定这类真实事件或问题被形 象地比喻为“抛锚”，因为一旦这类事件或问题被确定了。整个教学内容和教学进程也就被确定了( 就 像轮船被锚固定一样) 。建构主义认为，学习者要想完成对所学知识的意义建构，即达到对该知识所 反映事物的性质、规律以及该事物与其它事物之间联系的深刻理解，最好的办法是让学习者到现实 世界的真实环境中去感受、去体验( 即通过获取直接经验来学习) ，而不是仅仅聆听别人( 例如教师) 关 于这种经验的介绍和讲解。由于抛锚式教学要以真实事例或问题为基础( 作为“锚，) ，所以有时也被称 为“实例式教学”或“基于问题的教学”或“情境性教学” 抛锚式教学由这样几个环节组成： 刨设情境一一使学习能在和现实情况基本一致或相类似的情境中发生。 确定问题一一在上述情境下，选择出与当前学习主题密切相关的真实性事件或问题作为学习的 中心内容。选出的事件或问题就是“锚”，这一环节的作用就是“抛锚” 自主学习一一不是由教师直接告诉学生应当如何去解决面临的问题，而是由教师向学生提供解 决该问题的有关线索，并特别注意发展学生的“自主学习”能力 协作学习一一讨论、交流，通过不同观点的交锋，补充、修正，加深每个学生对问题的理解 效果评价一一由于抛锚式教学的学习过程就是解决问题的过程，由该过程可以直接反映出学生 的学习效果因此对这种教学效果的评价不需要进行独立于教学过程的专门测验，只需在学习 过程中随时观察并记录学生的表现即可 1 2 第二章计算机辅助教学 ( 3 ) 随机进入教学( i c 岫d a c c e s si n s t r u c t i o n ) 由于事物的复杂性和问题的多面性。要做到对事物内在性质和事物之间相互联系的全面了解和 掌握、即真正达到对所学知识的全面而深刻的意义建构是很困难的往往从不同的角度考虑可以得 出不同的理解为克服这方面的弊病，在教学中就要注意对同一教学内容，要在不同的时间、不同 的情境下，为不同的教学目的、用不同的方式加以呈现。换句话说，学习者可以随意通过不同途径、 不同方式进入同样教学内容的学习，从而获得对同一事物或同一问题的多方面的认识与理解，这就 是所谓“随机进入教学4 ”1 显然，学习者通过多次。进入”同一教学内容将能达到对该知识内容 比较全面而深入的掌握。这种多次进入，绝不是像传统教学中那样，只是为巩固一般的知识、技能 而实施的简单重复。这里的每次进入都有不同的学习目的，都有不同的问题侧重点因此多次进入 的结果，绝不仅仅是对同一知识内容的简单重复和巩固，而是使学习者获得对事物全貌的理解与认 识上的飞跃 随机进入教学主要包括以下几个环节： 呈现基本情境一一向学生呈现与当前学习主题的基本内容相关的情境 随机进入学习一一取决于学生“随机进入”学习所选择的内容，而呈现与当前学习主题的不同侧 面特性相关联的情境。在此过程中教师应注意发展学生的自主学习能力，使学生逐步学会自己 学习 思维发展训练一一由于随机进入学习的内容通常比较复杂，所研究的问题往往涉及许多方面， 因此在这类学习中，教师还应特别注意发展学生的思维能力 小组协作学习一一围绕呈现不同侧面的情境所获得的认识展开小组讨论在讨论中，每个学生 的观点在和其他学生以及教师一起建立的社会协商环境中受到考察、评论，同时每个学生也对 别人的观点、看法进行思考并作出反映 学习效果评价：包括自我评价与小组评价，评价内容包括：自主学习能力；国对小组协作学 习所作出的贡献；是否完成对所学知识的意义建构 2 2 3 4 建构主义的教学设计 建构主义学习环境下的教学设计的步骤如下： ( 1 ) 教学目标分析 对整门课程及各教学单元进行教学目标分析，以确定当前所学知识的。主题”( 即与基本概念， 基本原理、基本方法或基本过程有关的知识内容) 。 ( 2 ) 情境创设 刨设与当前学习主题相关的、尽可能真实的情境。 1 3 东南大学硕士学位论文 情境创设要求创设有丰富资源的学习环境，包含许多不