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认识现代信息技术的特殊优势
作者:陈春雷 来源:中国多媒体教学学报——中学化学 2006(4) 点击:5994次 评论:0
 

(清华同方教育技术研究院)陈春雷 


内容摘要:本文从技术层面上分析介绍了计算机应用于教学的优势,特别是科学动态模拟的独特优势,并列举了一些科学课程中应用的案例。

关键词:科学动态模拟,多媒体

请各位读者先观看一段教学软件的录象《氯化氢》。这是发挥计算机独特优势解决教学难点的案例。了解以计算机和网络为代表的现代信息技术有什么特殊优势,对于如何发挥其优势来解决以往教学中不能解决或解决得不好的课题,是十分必要的。

从技术的角度看,以计算机和网络为代表的现代信息技术的特殊优势主要有四个:

一、在对数字信息高速处理基础上,利用彩色显示屏连续动态输出的优势。

顾名思义,计算机的优势首先是“高速计算”。“计算”是对“数”这种抽象符号信息的处理,是生活、生产,特别是科学技术研究都离不开的信息处理。最早对“数”的处理是完全依赖人的自然“工具”——手和脑来完成的。正常人都有十个手指,“数手指”到十,就要摆一块石头或者一段木棍来继续进行,就是“进位”。随着生产发展和科学技术进步,推动了“算法”的研究。仅仅依赖人动手直接完成全部数据处理工作,受到个人能力有限的制约,在数学上称为“可计算性理论”的限制。人们一直在研究如何以计算工具(算具)来提高计算速度,我国古代发明的“算盘”是优秀成果之一,既有利于提高工作效率,也有利于帮助学习者快速理解和掌握基本运算能力,对小学算术教学方法研究也有推动。

二十世纪四十年代,社会生产的发展,特别是军事上对远程炮弹的弹道与弹着点精确计算的需求,推动了电子计算机的研究。物理学里关于脉冲电路的研究发展为数字电路研究,又为电子计算机做好了理论和技术的准备。诸因素综合在一起,科学家发明了电子计算机,以前所未有的计算速度推动生产和科学研究。但是最早的计算机用打孔纸带输出其计算结果(这是从电报技术继承过来的),只有经过专门训练的技术人员能够快速“阅读”这种纸带,了解计算所得到的结果,所以很难直接应用于教育工作。但是,二十世纪五十年代,世界计算机专家在会议上前瞻性地提出了,今后计算机应用发展的三个主要领域:CAI计算机辅助教学、CAM计算机辅助管理和CAD计算机辅助设计,简称“3C”。由于多种原因,“3C”里CAI的发展最慢。

随着半导体材料、电子技术与电视技术的发展,到二十世纪八十年代,彩色显示器武装了计算机,加上其它技术进步,计算机能够将计算结果以数字和文字输出到显示屏上,计算机图形学技术(将抽象的数字信息转化为形象的图形信息)的发明和完善,显示屏上能够以动态形象信息输出信息处理的结果。计算机就基本上具备了作为教与学的辅助工具的功能,CAI开始呈快速发展趋势。1984年前后,我国就有一些教育改革的先驱者先后开始研究将现代信息技术引入课堂,推进教学内容呈现方式和教学方式的变革(包括在现代信息技术支持下的自主学习与合作学习的实验研究)。1985年,我国第一届新技术成果应用展览会上,有两个单位展出了计算机辅助教学的初步研究成果,受到与会人士和电子工业部计算机局的关注。1985年,美国Apple公司与一些大学和教育研究机构开始执行一项推动Apple计算机进入教学的研究计划。

就教学需求方面,虽然活字印刷术的发明使得课本推动了教与学,而十七世纪的著名教育家夸美纽斯就提出:“让一切教学用书充满图象”,1658年出版《世界图解》有150辐插图,被誉为“直观教学之父”。二十世纪20年代到70年代提出“视觉教育”、“声像同步”,教育教学的研究重视视觉优势的作用,都在寻找更好的工具。技术成果、理论研究和教学需求三个方面一起促成了计算机在教学中的应用研究。上面所提出的计算机特殊优势发展了80年代的教育技术——“科学动态模拟”(Scientific Dynamic Simulation)和虚拟现实技术,更有利于克服时空局限性障碍,改变知识的呈现方式。“知识的呈现方式”对于学习者来说是非常重要的。

二十世纪60-70年代,世界各国的教育研究人员通过大量的调查和实验统计出,仅依靠语言传授知识,平均接受率不超过20%,如果用图片、电影、实验等手段跟适当的教学语言配合,平均接受率就超过80%。这个结论为计算机应用于教学提供了理论的支持。

科学课程的教学无疑是“以实验为基础”。在新课程标准里非常明确提出教学设计要“首选”相关的实际实验。但是,有些实验现象比较复杂,由透过实验观察所得到的信息到要求学习者掌握的知识之间有很大距离。在建模基础上实现的“科学动态模拟”,不仅能逼真地再现客观变化过程,而且在科学动态模拟的基础上,可以让实际看不到的分析性信息和某些思考过程以形象方式呈现,“在感觉与思维之间架起了桥”(有些地方称之为“思维过程的可视化”),解决学生思考、理解的难点,也有助于培养学生理解和掌握形象思维与抽象逻辑思维统一的学习方法,使得以往学科教育里的许多难点得到克服,令教育过程更符合人的认知规律,教学效率明显提高,适应新世纪提高全民族科技素质的需求。

例如,在1999年出版的《计算机辅助教学45例》一书里介绍了从八十年代到九十年代的教学实验。氯化氢的“共价键”是化学课程里的难点,“传统”教学信息手段一直没有解决好。在《计算机辅助教学45例》一书里这样介绍从二十世纪八十年代以来的成功经验:“共价键是学生难于理解的,或者是一些学生自己以为理解,实际上是误解的,也就是用一些不科学的术语来‘记住’结论。在‘传统’教学过程里,由于没有适合的课堂演示实验,主要是靠教师的语言叙述和简单的挂图等简单的教学手段,使得这部分教材的教学成为传统的教学难点。有些教师在教学中‘避重就轻’,往往没有把共价键的形成、基本概念作为教学重点,却将只要求学生初步了解的关于键长、键角和键能作为教学重点,甚至让学生背诵记忆许多键长、键角和键能的具体数据,以数据的记忆来代替概念。形成一种本末倒置的教学,既加重了学生完全不必要的负担,又没有提高学生的科学素质。”

“共价键的概念里,学生最不好理解的是‘共有’。有些学生仅仅从课本简单的画图中把位于两个原子核之间的电子理解为共有的电子。本来两个原子共有电子是一种动态的过程,传统教学模式因为缺少形象资料,学生往往是按照静态理解。单纯用语言强调是动态,学生获得的听觉信息与视觉信息之间存在反差,听课时大脑开销大,课后遗忘或者跟其它知识发生混淆的几率大。近年采用投影片进行这个课题的教学,也只是将书本上的静态图加上两张投影片的推拉和叠加,形成新的静态图,没有实现真正的动态。教学效果不理想。有些学校从国外资料里引进氢的共价键录像教学资料,或者用某些计算机工具软件形成共价键过程的课件,所实现的‘动态’只是两个氢原子靠近发生相互作用,电子云(画面上用两个实体表现)叠加,比投影片的操作方便,但还是没有用动态表现共有电子对是在一定空间范围里随机出现,学生得到的印象仍是以为电子云的叠加就是‘共有’,而且将电子云理解为空间实体,在科学性上不恰当。”

读者在前面观看的《氯化氢》教学软件,首先在显示屏幕给出“氯原子的最外层七个电子(3S和3P)和氢的核外电子(1S)的动态模拟。教师用定格引导学生看清楚它。”

操作计算机让“氯原子与氢原子靠近,氢的1S电子云与氯的一个有空位的3P电子云叠加,而且转变为共价状态。引导学生再次注意由量变到质变的转化。用多次定格引导学生注意观察S电子与P电子的共价状态,根据核外电子分布规律理解氢原子和氯原子都处于满足较稳定的状态,并注意两个共价电子在不同区域出现的几率。”

“为了突出原来的1S与一个3P形成的共价键,屏幕上将氯原子最外层不是共价键的其它电子略去,给出氢原子跟氯原子共有电子对的动态模拟。这种处理方法是计算机模拟的特殊方法。体现出计算机模拟既接近实际又可以跟实际有一定区别,突出课题里需要的那一部分信息,避免屏幕上与课题关系不密切的信息干扰,提高了信噪比。利用多次定格,尽量让学生看到电子对在两个原子核的中间、都在左侧和都在右侧的三种情况来配合教师的讲解。”

“模拟给出共有电子对的累计照像记录。从共有电子对随机出现位置的几率分布引导学生注意,电子在两个原子核之间出现的几率比较大,由于相互作用主要是氢原子核的影响,使得氯的一个3P电子云改变了原来具有的对称性。”

学生通过观看科学模拟,认识了S电子与P电子也能形成共价键,并形象地了解共价的动态过程。最后,屏幕上给出体现氯化氢共价状态的电子式。

有些化学教师曾向我提出,这样处理氯化氢的教学,是不是离中学教学的要求太高了。我们要注意新课程标准所提出“时代性”的要求,并在化学课程标准里特别提出:要“力求反映最新的化学观念和思想”。用量子化的观念来认识化学键,是最新的化学观念,所以用合适的方式适当介绍是完全符合新课程标准精神的。由于编写新教材的人员可能没有找到合适的教学手段,形成“难点”。我想,如果都采用前面介绍的科学动态模拟软件,就不存在这个“难点”了。

原子的核式结构是物理的教学难点,主要原因也是不能在中学课堂上做实验。所以要用计算机科学动态模拟解决这个难点。在《计算机辅助教学45例》一书里,对这个教学课题的介绍是:首先是指出,原子的核式结构,是建立在卢瑟福的α 粒子散射实验基础上的重要发现。由于物质条件的限制和时空的局限性,这段教材在中学做不出教学演示实验,更没有可能在大量实验数据的基础上做分析研究。这就使得以往的教学主要依靠教师的讲授(包括“说”实验),另外,还使用了挂图,五十年代有教学电影,还使用投影片等教学手段。但是,以往的形象资料偏重在卢瑟福实验的设备和观测方法的介绍,缺少认识原子核式结构需要的α 粒子散射的形象资料。落后的教学手段限制了教学研究,使得以往的教学里学生获得的大多是语言、文字和静态图等视觉信息,教师单纯讲授和学生简单记忆的比例大,学习兴趣受到挫折,教学效率较低。然后介绍用计算机拟卢瑟福实验,显示屏上给出简化实验设备和一个α粒子穿过金箔发生偏转的轨迹,接着“用随机动态表现α粒子穿过金箔后发生不同程度偏转”。还给出随机累积一组α粒子穿过金箔后偏转的轨迹,如果再取另一组随机累计记录,分布会不相同。引导学生观察“积累记录结果,有某种统计规律,偏转角很大的较少。这个时候,提出问题:怎么正确理解和解释这些现象?再介绍卢瑟福在大量记录数据基础上做了整理、分析,才从理论上得出核式结构的科学结论。这样的教学处理,就是利用科学动态模拟的优势,让学生“看到”α 粒子散射的形象资料,感受到实验在认识科学规律中不可替代的重要作用。我注意到最近还有“新”教材采用“人们根据太阳系的规律提出原子核式结构”的说法。这是基于落后“信息技术”所采用的错误教学处理的典型,也是完全背离科学史事实的。

有的地方将“科学动态模拟”笼统地归入“多媒体”,这不能说有科学性错误。但没有注意到“多媒体”(综合运用多种媒体)是计算机出现以前就有的理念和实践,且多媒体里的“动画”多是“画”出来的,有“创作者”较多的随意性。例如迪斯尼的动画很生动,但画面很多“想象”是不符合现实的,这在文娱类产品里是允许的。“科学动态模拟”则是在建模的基础上通过科学计算和计算机图形学技术呈现的客观动态过程的模拟,是在允许误差范围内精确地再现现实过程,这是以往信息技术所不具备的,是计算机独特的优势,它解决了许多以往信息技术解决不了的课题,所以应该是计算机应用于教学的研究重点。不可能要求所有的一线教师都熟练掌握“科学动态模拟”技术并开发出优质教育软件,但一线教师应该正确了解计算机的独特优势,选用这类资源来解决相关教学课题中的难点。
更新:2007/1/9 13:51:49 编辑:fengyefy
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