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對計算機輔助化學教學的幾點思考和認識
隨著課程教材改革的全面推行和逐步深入,教學手段的現(xiàn)代化已成為當前實施素質(zhì)教育、提高課堂教學效率的一個重要問題。當今社會是信息科學技術(shù)高速發(fā)展的社會,而二十一世紀的課堂是多媒體的課堂,在科學技術(shù)發(fā)展的今天,教育不再僅僅是“粉筆加嘴巴”的傳統(tǒng)模式,現(xiàn)代化教育技術(shù)個人計算機（PC機）加多媒體必然會引入教學領(lǐng)域,如計算機輔助教學(CAI)和計算機管理教學(CMI)已成為世界范圍的教育研究領(lǐng)域和未來教學的發(fā)展趨勢。筆者將就開展計算機輔助化學教學的必要性及其現(xiàn)狀與對策等方面談?wù)剮c思考和認識。一、計算機輔助教學的發(fā)展及其在化學教學中的功能
在我國,計算機教育應(yīng)用存在二次轉(zhuǎn)折,第一次是從程序設(shè)計教學轉(zhuǎn)向計算機輔助教學,第二次是從課件思想轉(zhuǎn)向積件思想和網(wǎng)絡(luò)教學。計算機輔助教學興起于五十年代末,它是教育學、心理學、教育技術(shù)學、管理科學和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。當時行為主義學習理論倡導程序教學法,希望根據(jù)刺激反應(yīng)的強化原則,及時獲取教學信息的反饋,從而有效地實行個別化教學。但正如馬特萊諾（Martellaro）所說,“在計算機穩(wěn)固地占領(lǐng)課堂之前,似乎要在教育界經(jīng)受一場長期而艱難的斗爭。和舊的、早已穩(wěn)固起來的教學方法相比,計算機必須具有更明顯的優(yōu)越性才能得到廣泛的應(yīng)用” ? 。由于那時的計算機發(fā)展尚處于起步階段,存在對技術(shù)人才素質(zhì)要求高的困難, 有關(guān)教學軟件的開發(fā)與制作更是許多教師還沒有掌握的技術(shù)，同時軟件以Basic編程的字符模式為主,軟件開發(fā)難度大、界面不友善、價格高, 相應(yīng)的措施又跟不上,因而計算機輔助教學并未受到特別的關(guān)注。到八十年代,由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,社會物質(zhì)條件的改善,為計算機輔助教學創(chuàng)造了有利條件,特別是認知心理學的興起,使CAI課件開發(fā)更側(cè)重于應(yīng)用性,注重知識的條理性和結(jié)構(gòu)化,強調(diào)要與學習者已有的認識結(jié)構(gòu)相匹配,使其在原有認知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過計算機的輔助達到同化和順應(yīng),從而形成新的認知結(jié)構(gòu)。近年來,由于認知心理學理論的日益成熟及多媒體計算機技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,如圖像技術(shù)的提高（包括解析度增大、色彩豐富和2D、3D圖形技術(shù)增強）、壓縮與解壓縮技術(shù)的發(fā)展、高容量載體的出現(xiàn)以及數(shù)位化技術(shù)與超媒體技術(shù)和運算技術(shù)的加快等，帶動了CAI課件的發(fā)展，使計算機輔助教學更注重于學生學習能力的形成、學習策略的掌握以及提供更多的個別化教學的選擇。就世界上計算機輔助教學的發(fā)展過程而言，主要經(jīng)歷了以字符模式為主的編程階段、多媒體CAI課件和從一元到多元、多維等將教育與信息技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)教學（是廣域網(wǎng)而非局域網(wǎng)）階段，因此計算機輔助教學的發(fā)展趨勢,也順應(yīng)了現(xiàn)代化教學的兩個基本趨勢,即強調(diào)教學的主體性,強調(diào)充分發(fā)展學生的個性,全面提高學生的整體素質(zhì)。
在大力提倡素質(zhì)教育的今天,堅持素質(zhì)教育的基本觀點,就在于要面向全體學生,通過個體的發(fā)展,實現(xiàn)真正意義上的全面發(fā)展,同時幫助學生具備各方面的基本素質(zhì),形成合理的素質(zhì)結(jié)構(gòu),為學生的未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)。而要實現(xiàn)個體的全面發(fā)展,必須立足于學生個體差異、因材施教,使學生不僅要有雄厚的知識基礎(chǔ),還必須掌握獲取知識技能的方法,形成自學能力,才能適應(yīng)未來社會不斷變化的需要。而計算機輔助教學的主要功能,則會對我們進行素質(zhì)教育目標的實施提供有益的幫助。就計算機多媒體技術(shù)應(yīng)用于化學教學而言,具有以下幾個功能：
1. 多媒體集文字、圖形、圖象、聲音、動畫、影視等各種信息傳輸手段為一體,具有很強的真實感和表現(xiàn)力,可以激發(fā)學習者興趣,引起注意。提高學生學習化學的興趣,是提高化學教學質(zhì)量的前提,也是改善課堂教學環(huán)境的重要一環(huán)�；瘜W多媒體軟件在內(nèi)容組織上采用大量的色彩鮮明、活潑有趣的音象畫面,有助于調(diào)動學生的學習積極性。
2. 可以變抽象為具體,模擬微觀世界的化學反應(yīng)和現(xiàn)象,使教學更加形象、直觀,便于學習者理解和掌握�；瘜W是研究原子、分子等微觀運動和變化規(guī)律的一門學科,對于化學中運動而復雜的微觀世界,用傳統(tǒng)的教學手段很難使學生理解掌握,而借助計算機的模擬手段,可以使學生比較直觀形象地認識微觀粒子的運動,從而對化學變化的本質(zhì)能一目了然。
3. 可以動態(tài)地、對比地演示一些化學現(xiàn)象,可以有效地控制變化的速度,調(diào)節(jié)快慢,從而便于學習者觀察和思維。有些化學反應(yīng)瞬間完成,對其過程很難分步觀察與判斷,通過多媒體技術(shù),教師可以模擬控制反應(yīng)變化的速度,調(diào)整教與學的進度,在教師與計算機的共同啟發(fā)下,培養(yǎng)學生的能力。
4. 利用多媒體的人機對話、界面友善、超文本、人工智能、可編著工具、方便的外設(shè)、虛擬現(xiàn)實等功能,可以使學習者沿著自己的思路,適應(yīng)自己的需要去發(fā)展學習的過程,可以及時反饋教學信息,可以突出重點,解決難點,增大課堂教學容量,極大地提高教與學的效率。計算機信息貯量大,處理迅速,具有友好的工作界面,方便的人機交互功能,為學生提供了良好的個別化學習環(huán)境,使學生能根據(jù)自己的學習能力調(diào)節(jié)學習進度和難度,真正實現(xiàn)因材施教。而教師可以根據(jù)學生已有的認識基礎(chǔ),構(gòu)建問題情境,指導學生獨立地上機學習,并輔之以必要的反饋練習,及時肯定或解答,幫助學生總結(jié)學習方法,查找學習障礙,逐步提高學生自學能力和處理實際問題的能力。由此可見, 計算機輔助教學在提高課堂效率、增大課堂容量、進行全面即時性輔導、減輕學生課業(yè)負擔等方面,都是其他教學媒體所沒有的。
5. 多媒體的各種信息傳輸手段作用于學習者,可以同時調(diào)動視、聽、說等多種感官,形成合理的教學過程體系,使學習者在最佳的學習環(huán)境中學習,使之達到教學的最佳效果。心理學研究表明,人們從聽覺獲得的知識能夠記憶15%,從視覺獲得的知識能夠記憶25%,而同時使用兩種傳遞信息的工具就能接受知識約65%。多媒體的多感官刺激作用,有利于學生注意力的長期保持和獲取知識。
6. 多媒體網(wǎng)絡(luò)可以縮短時空距離,加強人與人間的聯(lián)系,有利于開闊學習者的視野,形成互助合作的優(yōu)良素質(zhì)。如電子圖書館和網(wǎng)絡(luò)的服務(wù),允許用戶把信息(電子郵件)傳給本系統(tǒng)的其他用戶,也可以通過計算機獲得圖書館的信息,其好處是不言而喻的。
正如埃斯特倫所說,“計算機能非常直觀地、多方面地提供學習經(jīng)驗,這可以使一個年輕人在大約幾個月的時間內(nèi)達到用傳統(tǒng)教學方式需幾年才可達到的水平”②。由于計算機輔助教學具有這些功能,就決定了它在化學教學中會發(fā)揮日益重要的作用,所以有必要開展并加強計算機輔助化學教學工作。
二、目前計算機輔助化學教學的現(xiàn)狀與困難
近幾年來,在美國等發(fā)達國家的化學教學中已廣泛采用以微型計算機為核心的高新技術(shù)和多媒體遠程教學。如何使我國化學教學現(xiàn)代化問題,已擺在全體化學教師、教研員及教材研究人員的面前。
從我國目前的情況看,根據(jù)鄧小平同志教育要三個面向的指示,由于各級教育行政部門和各級領(lǐng)導的重視,全國廣大地區(qū)的各類學校在計算機硬件的裝備上已邁出可喜的步伐,不論是重點中學還是普通中學,很多都已從無到有建立起規(guī)模不等的計算機實驗室,并多已開設(shè)了計算機普及課程,初步做到了“計算機要從娃娃做起”。但是由于種種原因,計算機在教學上的應(yīng)用普遍還停留在磁盤操作系統(tǒng)（DOS）基礎(chǔ)知識、文字處理、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)等層次上,計算機在化學教學中的應(yīng)用還基本上是處于起步階段。這不僅是教學資源的浪費,而且還會影響到中學對未來人才的培養(yǎng)。究其原因,一是適合中學化學教學的計算機軟件不多,就是目前已有的一些已商品化的化學教學軟件也較多停留在初級教學水平,教學針對性不強,而一些水平相對較高的軟件價格偏高,脫離了目前我國中學師生的承受能力,因此難以在教學中發(fā)揮作用。從目前國內(nèi)的現(xiàn)狀看,CAI的發(fā)展較為落后,品種單一、制作粗糙、交互性差、界面不理想、連貫性差,難以形成系列產(chǎn)品,更難以在全國推廣。二是現(xiàn)階段我國中學師資在掌握現(xiàn)代科學技術(shù)上水平普遍偏低,往往是懂化學的不懂得軟件編制,許多經(jīng)驗豐富的教師不懂計算機與計算機語言,對計算機輔助化學教學焦急萬分而無法實現(xiàn)自己的許多設(shè)想；而會編制軟件的人員卻又不甚了解化學教學,即使他們有豐富的編程經(jīng)驗也很難能編制出一個令人滿意、切中要害的CAI課件,這種情況就使得課件設(shè)計與制作相脫節(jié),因此可以想象很難能使編制的軟件達到較理想的水平。
目前全國計算機輔助化學教學的現(xiàn)狀與困難主要表現(xiàn)為以下幾個方面：
1. 全國的經(jīng)濟發(fā)展很不平衡,在很多地區(qū)存在著資金與設(shè)備短缺的情況,很難能對計算機輔助化學教學進行深入的研究與開發(fā)。
2. 研究與編制力量分散,隊伍不整齊。尤其是對計算機輔助化學教學的研究缺乏整體的設(shè)想與規(guī)劃,CAI課件很難有質(zhì)上的突破,對CAI的功能研究與開發(fā)得不夠。
3. 在突破教學難點上還缺乏好的CAI課件。在CAI化繁為簡、化虛為實、變亂為明、化難為易的功能方面開發(fā)得遠遠不夠。
4. 在加大教學密度上研究得還不夠。利用計算機多媒體技術(shù)可以做到高密度的知識傳授,大信息量的優(yōu)化處理,能大大提高課堂效率。從目前已知的CAI課件看,在這方面的研究工作應(yīng)該加強。
5. 對優(yōu)化教學過程、反饋教學成果的研究還不深入。從目前情況看,在進行計算機軟件研制和教學實踐時,尚不能把握堅持整體觀點、重視多樣化、貫徹綜合觀點、力爭最優(yōu)化的方法論原理。
在當前課程教材改革不斷走向深入,由應(yīng)試教育向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)軌的背景下,應(yīng)該采取措施向課堂45分鐘要效率,加強計算機輔助化學教學的研究,在中學化學教學中,發(fā)揮CAI的模擬功能、多媒體結(jié)合功能、個別輔導功能,以學生為主體、教師為主導、計算機為輔助手段開展教學活動。在中學化學教學研究中,也應(yīng)該進行CAI的專題研究,在一定范圍內(nèi),開展CAI課件的開發(fā)與協(xié)作,多出精品。建議政府或教育行政部門出面,做好統(tǒng)籌協(xié)調(diào)工作,減少目前個體作坊式的低水平、無序的軟件開發(fā)狀況,同時也可以避免由于重復勞動而造成的浪費。各級教育行政部門和學會在協(xié)調(diào)、引導的基礎(chǔ)上,在人力、物力上對計算機輔助化學教學研究工作要給予支持,加強經(jīng)驗交流,做好推廣工作。這樣,就會促進我國計算機輔助化學教學的深入開展。
三、開展計算機輔助化學教學應(yīng)注意的一些問題
針對我國的現(xiàn)狀,要開展計算機輔助化學教學必須具備一定的條件。筆者認為,主要應(yīng)注意以下四個方面：一是硬件建設(shè),二是軟件設(shè)計與配置,三是技術(shù)力量,四是研究信息交流網(wǎng)絡(luò)中心。要開展好計算機輔助化學教學,就必須解決好這四個方面的問題。
1. 要解決好教育手段現(xiàn)代化的要求與當前設(shè)備落后、資金短缺的矛盾
在課堂教學中要使用多媒體技術(shù),就需要有硬件和軟件的支持。多媒體軟件對硬件的要求較高,設(shè)備等需要較大的投資。而目前我國的國情是教學經(jīng)費不足,教學經(jīng)費還主要是供給教師工資和學校的日常開支,所以開展計算機輔助化學教學也只能先在經(jīng)濟較為發(fā)達、教學條件較好的地區(qū)起步,然后逐步推廣,同時也希望國家能加大對教育的投入,盡快實現(xiàn)教學手段的現(xiàn)代化。隨著社會進步和物質(zhì)條件的改善以及計算機的發(fā)展和價格的下降,硬件建設(shè)問題的解決對學�；蚴莻�人來說,也會變得相對較為容易一些。
2. 要解決好計算機輔助化學教學中的“輔什么”和“怎么輔”的問題
進行計算機輔助化學教學的研究,首先要明確其地位是“輔助”而不是“代替”,不要以計算機輔助化學教學來盲目地、一律地代替其他教學手段和方法。
目前開展計算機輔助化學教學面臨的嚴重問題是軟件建設(shè)跟不上硬件建設(shè)的速度。這主要是因為化學中的微觀世界難以完整體現(xiàn),化學反應(yīng)與化學實驗的復雜性很難用傳統(tǒng)的二維動畫來模擬,況且好的CAI課件的設(shè)計與制作需要較高的資金投入,因而化學CAI課件的編制相對來說又要難于其他學科。這樣,在人力、物力資源有限的前提下,為充分利用這些資源,開展好計算機輔助化學教學,以使多媒體教學軟件提供的素材適應(yīng)教師的課堂教學設(shè)計,在設(shè)計制作CAI課件時就要考慮輔助教師什么教學內(nèi)容的“輔什么”和怎樣輔助教師完成這些教學內(nèi)容的“怎樣輔”問題。
化學CAI課件在課堂上不能替代教師,而是輔助教師進行教學,因此,就不能將化學CAI課件設(shè)計編制成課本教材的翻版。就化學學科而言,化學的概念與原理抽象程度較高,物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)既看不見,又摸不著,單靠語言和文字的描述,很難能在學生的大腦中留下深刻的印象；同時有些有毒、有危險的化學藥品與化學實驗以及常規(guī)方法難于實現(xiàn)的化學反應(yīng)也無法在課堂上向?qū)W生演示。因此,從“輔什么”的角度而言,化學CAI 課件的內(nèi)容對象應(yīng)為用其他教學方法或手段進行時效果不理想或難于實現(xiàn)的教學問題,如化學反應(yīng)歷程的模擬,原子和分子等微觀粒子的運動,電子的空間運動與s、p、d電子云軌道的形狀和空間伸展方向,分子結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu),離子化合物與共價化合物的形成過程,物質(zhì)的溶解過程,原電池的形成,有危險的化學實驗,不易觀察的化學實驗,易造成環(huán)境污染而學生又必須知道的一些化學實驗,用普通方法不易操作和實現(xiàn)的化學實驗,現(xiàn)代化科研設(shè)備與工藝流水線……。諸如此類的知識與內(nèi)容都是化學CAI 課件的表現(xiàn)素材,這些內(nèi)容如果能設(shè)計編制成質(zhì)量較高的化學CAI 課件,將會使化學課堂教學效率大大提高,會有助于學生把化學中抽象的東西形象化、動態(tài)化,使化學教學過程具有更強的教育性、直觀性和活潑性。對于“怎樣輔”問題,則要求化學CAI 課件必須具有可編輯功能,教師可以根據(jù)自己的教學經(jīng)驗和需要進行選用和編輯,可以將其隨意拆分和組合，以使制作出的課件符合自己的課堂設(shè)計需要,使化學CAI 課件的課程內(nèi)容有機地成為教師所設(shè)計的課堂教學的一個重要組成部分。
開發(fā)化學CAI 課件費時耗資。因此在設(shè)計編制化學CAI 課件時,還應(yīng)該注意以下幾個問題：
(1) 要注意化學學科知識內(nèi)容的科學性與可接受性；
(2) 要選取教材的重點與難點；
(3) 要注意符合學習者的認知規(guī)律,加強直觀性與發(fā)展學生思維相結(jié)合；
(4) 不能用模擬實驗代替學生實驗,可以通過CAI課件解決局部放大模擬或微觀變化宏觀展現(xiàn)問題；
(5) 滲透部分教學錄像的內(nèi)容(即好的教學錄像VCD化),避免花費很多時間和資金放在制作動畫內(nèi)容方面；
(6) 化學CAI 課件應(yīng)具有較強的交互性、較友好的界面,并具有可編輯功能；
(7) 課件設(shè)計與編制要有明確的指導思想和理論基礎(chǔ),要堅持高標準,處理好總體構(gòu)思與具體設(shè)計的關(guān)系。
3. 建立一支合格的編制人員隊伍和對教師進行操作訓練
要編制出大量好的化學CAI 課件,一定要有一支穩(wěn)定的高質(zhì)量的編制人員隊伍,這支隊伍的建立需要有關(guān)教育行政部門和計算機專業(yè)人員的共同努力。應(yīng)努力做到開發(fā)與應(yīng)用并行、專職與兼職并重、教學人員與研制人員并用,形成一個相對穩(wěn)定的CAI開發(fā)、研制、應(yīng)用的系統(tǒng)。
要使多媒體在教育上發(fā)揮更大的作用,要發(fā)展學校的CAI和CMI,必須加強計算機知識的培訓和計算機人才的培養(yǎng),使教師特別是青年教師都懂得計算機的基礎(chǔ)知識,了解CAI課件的使用,掌握計算機操作方面的基本技術(shù),這樣才能把多媒體用于教育教學工作中,也才能與編制人員更好地交流,提出對CAI課件的開發(fā)需求。同時,要注意培養(yǎng)懂得化學學科專業(yè)知識的計算機骨干力量,能夠更多更好地掌握CAI課件開發(fā)的技術(shù),努力設(shè)計出能把教學工作的需要最佳地表現(xiàn)出來的實用軟件。
4. 建立一個各市、省乃至全國的研究信息交流網(wǎng)絡(luò)中心
從目前全國的情況看,各地開展計算機輔助化學教學程度各不相同。有些地區(qū)、學校硬件建設(shè)已基本配套,但缺少適當?shù)能浖?因此設(shè)備利用率不高。還有些相當數(shù)量的地區(qū)和學校對化學CAI課件的研究工作相互重復或相近,缺少彼此間的交流與聯(lián)合,造成在很大程度上的人員與資金的浪費。為了能協(xié)調(diào)好各地、學校對化學CAI課件的研究與制作,有必要建立起一個市級、省級乃至全國的計算機輔助化學教學研究信息交流網(wǎng)絡(luò)中心,定期交流與探討對計算機輔助化學教學的研究成果和實踐經(jīng)驗,在我國現(xiàn)階段教育資金相對缺乏的條件下,集中人力與才力,開展化學CAI課件的研究、開發(fā)與協(xié)作,推動多媒體在課堂教學中發(fā)揮更大的作用。
計算機是現(xiàn)代科學技術(shù)的基礎(chǔ)和核心。人類已經(jīng)進行了計算機時代、信息高速公路時代,近三十年來世界科學技術(shù)90%以上的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展都與計算機技術(shù)緊密相連。把計算機引入課堂教學、引進家庭輔導、作為現(xiàn)代化教學技術(shù)的重要組成部分不僅有利于加強教學的時代性、競爭性和開拓性,有利于面對新時代的挑戰(zhàn),而且也有助于學生在學習過程中形成新思想、新觀念、新方法,對他們今后成為高素質(zhì)的化學人才有著重要的積極作用。計算機與基礎(chǔ)教育的結(jié)合是世界范圍內(nèi)教育改革的一大趨勢,我們應(yīng)該進一步加強對計算機輔助化學教學的研究,促進我國計算機輔助化學教學的深入開展。
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