（教育技术学专业论文）基于网络的实验教学系统的设计与开发.pdf

摘要 实验是高校教学的一个重要组成部分，对高等教育培养创新型、开拓型人才起 着巨大的作用。但是目前的实验教学方式过于僵化，对学生具有很强的限制性，并 且高校的扩招给高校实验教学带来了巨大的压力，直接影响了实验教学的水平。 随着计算机技术的快速发展，计算机辅助教学的功能变得更强大，基于网络的 实验教学系统的设计和开发受到越来越广泛的关注。然而，现有的各实验教学系统 的功能并不能尽如人意。在充分调研和分析后，为克服现有各系统的不足，我们以 自主学习理论、掌握学习理论和学习过程最优化理论为依据，以培养学生创新能力 和提高教学资源利用率为指导，以v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 5 和s q ls e r v e r2 0 0 5 为开 发工具设计实现了一套基于b s 和c s 混合模式的基于网络的实验教学系统。本系 统拓展了学生预约选课的功能，并且加入自设计实验模块，极大提高了学生自主化 学习的能力。 本文详细讨论了基于网络的实验教学系统从需求分析、总体设计、模块划分到 技术实现的整个过程，还对相关实现技术做了一定的研究，并就几个关键问题的实 现做了阐述。 文章还对本人工作进行了总结，包括创新点和不足之处以及下一步的工作。 目前系统已进入试运行阶段，用户反应良好。 关键词：实验教学，自主学习，数据库，a s p n e t2 o a b s t r a c t b e i n ga ni m p o r t a n tp a r to fh i g h e re d u c a t i o n ，e x p e r i m e n tp l a y sag r e a tr o l e i n h e l p i n gn u 咖r ec r e a t i v ea n di r u l o v a t i v et a l e n t e ds t l l d e n t s h o w e v m et e a 出n gs t y l eo f p r e s e n te x p 嘶m e n te d u c a t i o ni st o or i 百da 1 1 dr e s t r i c t i v ef o rt h es t u d e n t s ，o nt l l eo t h e r h a n d ，t h er e c 九1 i t m e n te x p a n s i o no fu n i v e r s i t i e sh a sb r o u 曲to ni m m e n s ep r e s s u r eo n e x p 嘶m e n tt e a c h i n g ，伊e a t l yi n f l u e n c i n gt h et e a c h i n gr e s u l t so fe x p 嘶m e n t w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c l u l o l o g y c o m p u t e r - a i d e dt e a c h i n g 如n c t i o n sh a v eb e c o m em u c hs t r o n g m ed e s i 朗a i l dd e v e l o p m e n to fw 曲- b a s e d e x p 舐m e n tt e a c h i n gs y s t e l t lh a v er e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，b u tt h ec 1 瑚r e n t s y s t 锄sa r eb yn om e a l l ss a t i s 蛳n g a r e rc o m p r e h s i v er e s e a r c ha n d 锄a l y s i s ，w e d e v e l o p e dan e ww 曲- b a s e de x p 甜m e n tt e a c h i n gs y s t e r nb a s e do nt h em i x e dm o d eo f b s 锄dc s ，g u i d e db ym ea u t o n o m i cl e a m i n gt h e o m a s t e r yl e a m i n gt 1 1 e o r ya i l d l e 锄i n gp r o c e s so p t i m i z a t i o nt h e o w i t hav i e wo fn u r h j m gs t u d e n t s c r e a t i v e a b i l i t i e sa n de n h a i l c i n gu t i l i z a t i o nr a t eo ft e a c h i n gr e s o u r c e s ，t h r o u g l lt h ed e v e l o p i n gt o o l o fv i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 5a n ds q ls e e r2 0 0 5 n es y s t 锄s t 啪舳e i l sc l a s s - b o o k i n g m n c t i o na 1 1 da d d s s e l d e s i 印i n ge x p 嘶m e n tm o d u l e ，伊e a t l yi m 】p r o v i n gs m d e n t s a u t o n o m i cl e a m i n ga b i l i t y t h ep r e s e n tp a p e rd i s c u s s e st h ew e b - b a s e de x p e r i m e n tt e a c h i n gs y s t 锄i nd e t a i l ， c o v e r i n gt h ew h 0 1 ep r o c e s si n c l u d i n gc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，m o d u l ed i v i s i o na i l d t e c l l n i q u er e a l i z a t i o n ；a l s oi tm a l ( e sr e s e a r c hi n t or e l a t e dr e a l i z a t i o nt ec _ h n i q u e s ，a j l dp u t s f o r t hs o l u t i o n st os e v e r a lk e yi s s u e s t h ep a p e rc o n c l u d e st h ei i l l l o v a t i v e p o i n t s ，p o i n t so u tm a t t e r st 0b e矗l “h e r r e s e a r c h e d ，a j l ds t a t e st h ed i r e c t i o no fl a t e ri m p r o v e m e n t t h e s y s t e i i li sn o w o nt r i a l 觚dh a sb e e nw e l lr e c e i v e db ym ec i l s t o m e f s 1 ( e y w o r d s ：e x p 舒m e n tt e a c h i n g ；a u t o n o m i cl e 啪i n g ；d a t a b a s e ； a sp n e t2 o l l 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得丞鲞堙整盘堂或其它教育 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并表示了谢意。 。 学位论文版权使用授权书 期： 本人完全了解天津师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：期：丛 第一章绪论 1 1 课题来源 学院自主开发了一套开放式实验室综合管理系统，它包含两个子系统：基于网 络的实验教学子系统和实验室信息管理子系统。本系统即为其中的基于网络的实验 教学子系统，作为系统开发者，作者将在文章中对系统进行详细的介绍。 1 2 论文选题的意义 实践是检验真理的唯一标准，实验是科学发现的必经之路。许多重大的科技发 现都来自实验室，如英国物理学家汤姆生对于气体导电方面的研究，意大利科学家 马可尼、德国科学家布劳恩发明的无线电报技术，德国物理学家伦琴发现的x 射线， 法国科学家居里夫妇放射性元素镭的发现，德国人普朗克对于能量级的发现，爱因 斯坦对于光电效应定律的发现，法国科学家佩兰对沉积平衡的发现，法国人德布罗 意发现了电子波动性，英国人查德威克中子的发现，美国人c d 安德森发现了正电 子以及劳伦斯回旋加速器的发明等，都获得了诺贝尔奖学金。由此可以看出，实验 在自然科学中起着举足轻重的作用。其实对实验作用的认识，自古有之，1 3 世纪英 国牛津大学著名学者罗吉尔培根提出“过去那种靠有名无实的权威和传统的习惯来 发表自己意见的人，算不得真正的学者，他们只能靠空洞争辩来掩盖自己的愚昧无 知”，真正的学者“应当靠实验来弄懂自然科学、医学、炼金术和天上地下的一切 事物”。他第一次把科学实验提到了这样重要的地位。丁肇中教授说：“我希望我得 到诺贝尔奖能提高中国人对实验的认识，过去中国人从小就受到劳心者治人，劳 力者治于人观点的影响，普遍地不太重视实验，觉得理论比实践更高明，理论更 高深，大家认为学习就是学理论，从来没有说学习就是要好好地学实验，我是第一 7 个通过自己实验得到诺贝尔奖的中国人，我这次得奖，希望从此以后能够摆脱中国 人轻实验、过分重视理论的旧传统”【。 全面推行素质教育，培养创新型、应用型人才已成为当今教育探索的热点。在 新的形势下，大学实验教学被赋予了更新的内涵，实验教学在素质教育中占据重要 地位并能发挥不可替代的作用，在实验中可以培养学生的操作能力、解决技术问题 能力和创造能力，实验的整个过程就是学生能力形成的主渠道。实验教学可以帮助 学生观察和理解某些现象，学习科学规律，培养学生分析问题和解决问题的能力， 是提高大学生专业素质的重要途径，并对思想道德素质的铸造、文化素质的积累和 身心素质的调适都有影响。实验水平的高低，实验手段和设施的完善程度是保障、 提高教学质量的重要方面，也是培养学生综合素质的重要方面。所以，我们应不断 提高高校实验的教学质量【2 1 。 近年来，由于高校的扩招，使得办学规模不断扩大，教学资源同益紧张。传统 实验课教学模式是学生以班级为单位固定时间进行相同内容的实验，这就造成了在 实验过程中多人使用一套实验仪器的局面，实验设备的利用率得不到提高，不利于 增强学生的实验动手能力，而且也会打消学生学习积极性。同时实验课程也都是由 实验教材规定的，实验目的、实验器材、实验步骤都是事先拟定，虽然这对于学生 实验初期具有一定的规范指导作用，但是也就让学生长期处于一种被动机械操作状 态，某些学生的创新性想法不能得到实验室时间、空间和材料的支持，这无疑是对 学生创新能力形成的巨大阻碍。另外，学生课前预习没有保证，许多学生做实验时 甚至对此实验“一无所知”，这种状况直接影响到了实验教学的效果，更谈不上实 验能力的培养。以上三个问题也造成了学生在写实验报告时存在严重的抄袭现象， 实验报告千篇一律，没有达到总结实验的目的，教师对于实验报告的评判就失去了 意义。 传统的实验教学方式已经不能满足现在的教学需要，学校迫切寻求新的方式来 管理实验教学以提高实验教学水平。随着计算机的普及和计算机技术的不断发展， 我们考虑将计算机引入到实验教学当中，来进行科学、准确、高效的管理。 1 3 当今基于网络的实验教学系统的发展现状分析 当今基于网络的实验教学系统主要分如下几种形式： 单纯选课型 此类型教学系统主要功能是学生进行网上选课，选择自己喜欢的实验课 程。其实这种方式和每个学校的选修课选课系统没有太大区别，选完后还要按 照以前的实验课方式上课，改进意义不大。 事务管理型 此类型教学系统主要是管理同常的实验事务，比如实验仪器的管理、学生 分数的管理等，此类系统对于提高教学质量的作用微乎其微。 实验预习型 2 此类型教学系统本质上就是一个网上学习的系统，对于实验教学的意义来 讲是在学生实验前掌握了更多关于此次实验的知识，能够更好地完成、理解实 验。它的缺点在于不能使实验具有良好的开放性而且未能很好地激发学生的创 造能力。 总体来讲，基于网络的实验教学系统的研究和开发工作还处于刚刚起步的阶 段，功能大多比较单一，没有通过完善的教育指导思想来进行设计。 1 4 本课题研究内容 在当前各类基于网络的实验教学系统还不是很成熟、全面的情况下，针对上述 诸多问题，在导师悉心指导下，从教育需求出发，对当今各个类似实验教学系统进 行深入的调查研究后，提出了本课题研究内容：基于自主学习理论、掌握学习理论 和学习过程最优化理论利用计算机技术开发出一套尽可能解决上述主要问题的功 能先进全面的基于网络的实验教学系统。围绕这个目标，作者所做的主要工作包括： ? 1 对基于网络的实验教学系统功能需求的调研和分析，包括征询教师和学生 意见。 2 对基于网络的实验教学系统进行整体设计和详细设计，包括模块功能设计、 数据库结构设计等等。 3 系统软件的编程与测试，包括个功能模块对应的n e t 程序设计，单元测试、 综合测试等等。 4 部署应用本实验教学系统。 1 5 论文结构安排 第一章，简单陈述了实验教学的重要性和当今基于网络的实验教学系统的发展 现状与存在问题，并提出研究目标。 第二章，阐述了本系统的三个理论基础。 第三章，阐述了系统的总体设计，包括系统的功能设计、体系架构、系统安全 设计和数据库设计。 第四章，介绍了开发工具技术、运行环境，并详细阐述了本系统实现过程中的 几个关键问题的实现。 第五章，介绍了基于网络的实验教学系统的测试和运行情况。 第六章，总结了全文，提出了本文的创新点以及展望。 3 2 1 自主学习理论 第二章理论基础 2 1 1 自主学习理论概述 2 0 世纪7 0 年代后期，随着教育学，心理学的发展，尤其是人本主义心理学的影 响，使得教育研究对象和方法发生了转变，自主学习理论引起了人们高度的重视。 何谓自主学习，国外使用的与自主学习有关的术语很多，如自我调节学习 ( s e l f - r e g u l a t e d1 e a m i n g ) 、主动学习( a c t i v el e a m i n g ) 、自我教育( s e l f 二e d u c a t i o n ) 、自我 计划学习( s e l f - p l a l l l l e dl e 锄i n 曲、自我定向学习( s e l f d i r e c t e dl e a n l i n g ) 、自我管理学 习( s e l f - m a n a g e dl e a 订l i n 曲、自我监控学习( s e l f m o n i t o r e dl e a n l i n g ) 。我国学者庞维国 将自主学习概括为：建立在自我意识发展基础上的“能学”；建立在具有内在学习 动机基础上的“想学”；建立在掌握一定的学习策略基础上的“会学”；建立在意志 努力基础上的“坚持学”【引。 学者们从不同角度给自主学习下了不同的定义。陈冬纯提出“自主学习可称作 学习者自主，并把它定义为对自己学习负责的能力。具体地讲，就是能够自己决定 学习目标、确定学习内容和进度、选择方法和技巧、监控习得过程及自我评估学习 效果。【4 】，魏玉燕认为“自主学习能力本质上是一种独立的批判性反思、决策的能 力。【5 】，吴宗杰认为“把自主学习看成是技能，把自主学习者描述为掌握学习策略、 知识和态度并能自信地、有弹性地、恰当地、独立地使用这些技能和知识的人。【6 】” 戚宏波认为“学习者自主是一个让学习者充分利用各种学习资源，或独立或在教师 指导下确定学习目标，选择学习方法与内容，监控学习过程，评价学习结果的积极 主动的学习过程。【7 】” 2 1 2 国内外自主学习理论研究 国内外的教育研究者和教师基于对自主学习的不同认识，在各自的领域内展开 对自主学习的研究，这些研究既有理论上的研究又有教学实际的研究，使得自主学 习研究进入了系统研究阶段。 1 国外自主学习理论研究 国外关于自主学习的研究比较系统全面，很早就有许多教育家提出了关于自主 教育的思想。2 0 世纪初关于自主学习的研究进入了初步试验阶段，比如，以杜威为 4 代表的进步主义教育家，批判了传统教育压抑学生发展的弊端，提出了“教育即生 活”、“学校即社会”以及“从做中学”等的教育理论，并在教育实践中进行了实验。 2 0 世纪5 0 年代以来，许多心理学派都从不同角度对自主学习问题作过一些探讨， 以斯金纳为代表的操作行为主义学派把自主学习看成是学习与自我强化之间建立 起的一种相依关系，认为自主学习包含自我监控、自我指导、自我强化三个过程。 原苏联维列鲁学派把自主学习看成是言语的自我指导过程，他们强调自我中心言语 在学习中的定向和指导作用，并以外部言语的内化规律开发了一系列自主学习模 式。以班杜拉为代表的社会认知学派从个人、行为、环境的联系来探讨自主学习， 主张通过学习策略教学促进学生的自主学习。而认知建构主义学派认为，自主学习 实际上是元认知监控的学习，是学习者根据自己的学习能力、学习任务的要求，积 极主动地调整自己学习策略和努力程度的过程，自主学习要求个体对为什么学习、 能否学习、学习什么、如何学习等问题有自觉的意识和反应。最有代表性的是齐默 尔曼关于自主学习实质的研究，他认为当学生在元认知、动机、行为三方面都是一 个积极的参与者时，其学习就是自主的。在元认知方面，自主学习的学生能够对学 习过程的不同阶段进行计划、组织、自我指导、自我监控和自我评价；在动机方面， 自主学习的学生把自己视为有能力、有效率和自律者；在行为方面，自主学习的学 生能够选择、组织、创设是学习达到最佳效果的环境。齐默尔曼建构了一个系统的 自主学习研究的框架，他认为如果学生学习动机、方法、时问、学习结果、环境、 社会性等方面均能够自己做出选择或控制，那么学习就是充分自主的，反之，如果 学生在这六个方面均不能有自己选择或控制，则其学习就无自主性可言。 2 国内自主学习理论研究 我国近代许多教育家明确提出自主学习思想。著名教育家蔡元培先生提出了许 多自主学习的思想，并在教学中实施了自己的思想。后来欧美的一些教育思想不断 传入我国，设计教学法、道尔顿制、文纳特制等教学方法得到采纳和实践应用。这 些教学法不同程度地促进了学生自主性的发展。7 0 年代末，自主教育的理论和实验 研究得到很大的发展，如段力佩等人的“读读、议议、练练、讲讲”八字教学法； 黎世法的“六课型单元教学法”；卢仲衡的“自学辅导教学”实验研究；魏书生的 “六步教学法 实验等等。这些研究都把培养学生的自主性作为目标，追求学生的 全面发展。8 0 年代，许多研究者在总结实践经验的基础上，发表了许多理论著作。 5 这一时期，董奇、周勇、陈红兵从心理学角度，对自主学习的影响因素、心理机智、 测量方法等做了探讨，证实了自主学习的动态结构观点和自主学习能力是在与他人 的相互交流过程中获得和发展的观点，讨论了学习动机、归因、自我效能感与学生 自我监控学习行为的关系，研究论证了由他控到自控，由不自觉、自觉到自动化的 规律和过程。 随着素质教育的提出与实施，主体性素质被视为现代社会人的核心素质，主体 教育成为研究探讨的中心话题之一，自主性作为主体性的核心要素也得到重视。中 国教育界的许多专家从哲学、心理学、教育学、社会学等不同角度进行了理论研究， 同时还有一些专家进行了实践探索。吉林省珲春市对“主动发展教育”进行了深入 的研究与探索，提出了“六自 能力，教学上坚持“两个同步”，实现“四个转变”。 北师大裴娣娜教授进行了学习主体性研究，并在基础教育中进行了“少年儿童主体 性发展实验”，都收到了良好的效果。 庞维国博士对自主学习进行了系统的总结，提出了自主学习的一些理论及自主 学习的培养模式，他主张从纵向和横向两个维度来定义自主学习。从横向即学习的 各个方面来定义，自主学习的学习动机是自我驱动的、学习内容是自我选择的、学 习策略是自我调节的、学习时问是自我管理的，学生还能主动营造有利于学习的物 质环境和社会环境，并能对学习结果做出自我判断和评价的学习。从纵向即学习的 整个过程来定义，自主学习是学习者能自定学习目标、自定学习计划、做好学习准 备，在学习活动中能够对学习进展和学习方法自我监控、自我反馈、自我调节，对 学习结果能进行自我检查、自我总结、自我评价和自我补救的学习。 2 1 3 自主学习模型 自2 0 世纪8 0 年代以来，基于对影响自主学习的诸多因素的分析和整合，许多 研究者提出了一些自主学习模型，这对于我们澄清自主学习能力的构成成分，明确 这些成分之间的互动关系，确定培养学生自主学习能力的努力方向，有着重要意义。 通过参考麦考姆斯、巴特勒和文内等人的自主学习模型，对于自主学习模型我们得 出如下结论【8 j ： 自主学习能力是自我系统发展的结果，自我系统不仅对学习动机的激发起关键 作用，而且对生成假设、解释、预测以及信息加工和组织也具有重要的影响。自我 系统有静态结构和动态过程两个方面：静态结构反映个体对自身的能力、价值、特 6 点等相对稳定的认识，主要有自我概念、自我意象、自我价值等结构成分，这些成 分在很大程度上决定了个体学习动机的强弱；动态过程是自我在具体情境中的动态 反应，主要包括目标设置、自我控制、自我判断、自我评价、自我强化等成分过程， 这些成分过程构成自主学习的基本特征。 一个完整的自主学习过程主要包括四个阶段：即任务界定阶段、目标设置和计 划阶段、策略执行阶段和元认知阶段。在任务界定阶段，学习者利用已有的知识、 信念对学习任务的特征和要求进行解释，明确学习的任务以及完成这一任务有哪些 有利和不利条件。影响这一过程主要因素为领域内的知识、任务知识、策略知识和 动机性信念。在目标设置和计划阶段，个体的主要任务是根据自己的标准和对学习 任务的界定建构学习目标，制定学习计划，选择学习策略。在这一过程中，学生的 自我效能感、目标定向、元认知水平起着最为重要的作用。学习目标设置和计划确 定以后，学生就要根据既定的学习目标和学习策略执行学习任务。在这一阶段，元 认知监视和控制的作用最为突出。利用学习策略对学习任务进行加工，最后生成学 习结果，学习就进入了元认知阶段。元认知对来自目标和当前学习情况信息进行比 较，对学习的结果做出评估，然后把评估结果反馈到知识和信念、设置目标、选用 策略等的过程，重新解释学习任务，调整学习目标，选择学习策略，有时会生成新 的学习程序，最终获得与学习任务标准和要求相匹配的学习结果【9 】【1 0 1 。 我们可以得到这样一个自主学习的基本操作过程：确定学习目标制定学习 计划选择学习方法和策略监控学习过程评价学习结果。 2 1 4 自主学习理论对本课题的指导意义 结合基于网络的实验教学系统的设计，作者将自主学习定义为学习者在教师的 指导下，对自己正在进行的学习活动进行主动、积极、自觉的计划、监控、评价、 调整的过程。也就是说，如果学生具有内在的、自我激发的学习动机，自己能够确 定学习目标、制定学习计划，能够有效使用学习策略、对学习过程和结果进行自我 监控和自我评价，对学习时间进行自我计划和管理，选择和组织学习环境，主动选 择榜样、寻求帮助，那么他的学习就是自主的。基于网络的实验教学系统正是以使 学生达到自主学习为根本目标研究设计的，它的目的在于使学生可以主动、积极、 自觉的计划安排实验，我们将每一个实验分配不同的实验时间和实验地点，学生可 以自由选择实验时间地点和要做的实验，改变了以前那种被动的学习状态。本系统 7 中加入的自设计实验模块是对自主学习理论最好的诠释，在这里，学生向老师申请 实验仪器来完成自己设计的实验，极大发展了学生的创新能力和发散思维。系统的 整体设计在发展学生个性，调动教与学的积极性和主动性，更新教学内容，改进教 学手段等诸多方面发挥了积极的作用。 2 2 布鲁姆掌握学习理论 2 2 1 布鲁姆掌握学习理论概述 本杰明布鲁姆是当代倡导和实践教学改革的著名学者，掌握学习是他的主要 教育理论。 掌握学习的思想核心在于，许多学生之所以未能取得最优异的成绩，问题不在 智力方面，而在于未能得到适合于他们各自特点所需要的教学帮助和学习时间t 】。 因此，只要创造出适当的教学条件，全面地、最大限度地开拓和促进每个学生的发 展潜力，就能最终达到让绝大多数学生“掌握学习”的目的。6 0 年代，布鲁姆提出 了一个乐观的论断，即世界上任何人都能学习，如果在早先与现在都提供适当的学 习条件的话，几乎所有的人都能学好1 2 】。布鲁姆进一步为理论的实施设计了一整套 方法，形成了掌握教学的模式。具体讲，掌握学习是指只要学生所需的各种学习条 件具备，任何学生都可以完全掌握教学过程中要求他们掌握的全部课程内容。布鲁 姆认为，由于科学技术的迅速发展，社会对学校教育教学提出了新的要求。在传统 的教学班里，授课教师希望1 3 的学生不及格或是刚刚越过及格线，有l 3 的学生 的学习成绩一般，而只有1 3 的学生完全掌握教师所教知识，并长期坚持使用这种 正态曲线模式来评价学生成绩。布鲁姆说：“这种期望是当今教育体制中最浪费、 最有破坏性的一面，它压抑了教师和学生的创造力，降低了学生的学习热情，也破 坏了相当数量的学生的自我形象和自我概念。 布鲁姆认为，正态分布不过是最适 合用于偶然与随机活动的分布而已，教育是一种有目的的活动，大多数学生( 也许是 9 0 以上) 能够掌握我们所教的知识才是正常的，如果我们的教学是有成效的话，成 绩的分布应当与j 下态曲线不刚b 】。布鲁姆主张教育的任务就是使学生掌握所学学科 的手段，确认怎样才算“掌握了这门学科”，并探求能使大多数学生掌握的方法与 材料。 2 - 2 - 2 掌握学习理论的特点 以课堂教学为基础，树立“人人都能学习 的学生观。 8 “掌握学习”没有改变传统的课堂教学，但避免了教师在新学期或新课程 开始时就对学生的学业目标作某种固定化预测所带来的影响。布鲁姆认为， 凡是一个人掌握的东西，几乎所有的人都能学会。 运用反馈矫正的程序，重视诊断性评价( 或形成性评价) 改变过去单一的 终结性评价，使学生的学习得到及时的反馈和必要的帮助，促进教学活动 的良性循环。 掌握学习是一种有关教与学的乐观主义的理论，应用掌握学习，教师能帮 助“愚笨”的学生像“聪明”的学生那样学习，能帮助“学得慢”的学生 像“学得快 的学生那样学习。这种教学可使学生和教师获得更多、更长 远的社会与个人成功的机会，可使学生获得基本的智力、体力和感情上的 发展。 掌握学习是一套有效的个别化教学实践，它采取集体教学为基础，教师掌 握教学进度的形式为主要形式，在现有的班级授课制基础上就可应用。因 此，实施掌握学习，不必对学校和课堂组织进行大的结构性变动，便能应 用。这也是掌握学习得到广泛推广的重要原因。 掌握学习提供了一种把浪费的时间转为有效时间的方法。教学是在了解学 生现有知识掌握情况和学生对将要学习内容有了准备的基础上，针对学生 不理解的东西进行的。同时，学生是否足以进行下一步学习，取决于他对 前一段学习任务的掌握情况，这样就能保证课堂教学的有效性，保证学生 理解并消化此时课堂教学内容和以后课堂教学中的更多内容。 2 2 3 掌握学习理论的教学实施 布鲁姆掌握教学的模式中，教学内容被划分为单元，教学围绕单元展开。单元 教学结束后进行形成性测验，对尚没有达到教学目标的学生就需要给予补救或矫正， 以便在第二次的形成性测验中能解答第一次测验中的平行性问题，即达到掌握学习。 具体来说，对全体学生进行形成性测验和评价。第一单元内容教学后，不是紧 接着教第二单元，而是进入反馈矫正环节。在此环节中，教师指导学生根据单元 结束时进行的形成性测验，对测验结果进行分析，以单元教学内容掌握的正确率达 8 0 一8 5 为及格或通过，否则为不及格。与此同时，教师还要根据学生的困难所 在，提供各种可供学生自己选择的学习材料和矫正措施，直到全部通过( 掌握) 为止。 9 最后，对已进行补课和矫正的不合格学生重新进行形成性单元测验。如图2 1 所示： 未通过 图2 1 掌握学习教学实施示意图 2 2 4 掌握学习理论在本课题中的应用 通过掌握学习理论的指导，本系统拓展了普通实验预约选课的功能。学生在预 约某实验时，系统会提供与本实验相关的预习材料，学生预习完毕后系统会随机分 配一套测试题( 每门实验配有多套试题) 。如果检测结果不及格，则学生不能成功 预约此实验，只能再回到预习页面继续预习，然后再答题，直到及格才可以预约， 通过反复的反馈矫正，使每个学生都能达到教学目标中的预习效果，提高实验 课的效率和教学效果。 2 3 巴班斯基教学过程最优化理论 2 3 1 最优化理论概述 现代科学上使用“最优化”术语源于数学，今天在系统工程中，在控制论、系 统论和管理科学中，都已作为基本范畴运用。这个概念反映了人类实践活动中的一 种普遍现象，即在一定的社会经济和人力、设备、材料、资金等因素的约束下，人 们总是希望自己的工作成效最大，如性能最佳、能耗最低、成本最少、风险最小、 企业寿命最高等等。这种寻求最优效果的愿望和可能性，几乎渗透在一切社会实践 活动中，以致有人把“最优化”看成是劳动的普遍规律。说它是规律，并不意味着 最优化的劳动是一种必然到来的现象，正如劳动本身包含着动机、目的、工作方式 等主观因素【1 4 】。6 0 年代，前苏联教育改革和教学实验不断深入，但仍存在一些问题。 例如，由于教学内容复杂化并强调不低于国际水平，而学制比别国短，要在1 0 年 l o 完成1 2 年的课程计划，因此学生负担过重的问题，一直无法解决：于是一批学者 提出把“劳动的科学组织原理纳入教育中来，使教师和学生耗费最少精力和经费， 获得最大可能的教育教学效果。“教学最优化”就是从教学侧面对劳动的科学组织 原理加以丰富和深化。在罗斯托夫地区，学校大面积消灭了留级现象，也为巴班斯 基教学理论的提出奠定了基础。 “教学最优化”是由“教学”和“最优化”两个概念组成的。巴班斯基用系统 论观点把教学过程看作一个系统，它是由目的、激发一动机、教学内容、操作一活 动、检查一调整、效果一评价六个基本要素组成的，而师生的双边关系及教学条件 ( 包括物质条件和社会心理条件) 是影响系统运作的基本因素【”k 他的“最优化”是 指：对现有条件来说，对学生和教师在当时的实际可能性来说，从一定的标准来看 是最好的。因此，最优化永远是相对的，因为它不提供理想的、绝对的决策，它只 是寻求指导教学的理想方案的一个步骤。 巴班斯基认为教学最优化并非是某种特殊的教学方式，而是科学地指导教学合 理地组织教学的方法论原则。“最优化”是指一所学校、一个班级在具体条件制约 下所能取得的最人成果，也是指学生和教师在一定场合下所具有的全部可能性。 2 3 2 教学最优化的标准 我们可以对“教学最优化”作如下描述性定义：从顺利解决教学任务和合理消 耗资源的观点出发有科学依据地选择和实施既定条件下最佳的教学方案，就叫做教 学最优化。由此可见，教学效果和教学资源的消耗是评定、选择和实施最优化教学 必须考虑的因素。这就涉及到了教学最优化的标准问题：即教学效果标准和教学资 源耗费标准。 1 教学效果标准 它是指每个学生按照所提出的任务，在该时期内在教养、教育和发展三个 方面，获得最大可能的水平。在这条标准中，一是要全面评价教学效果，不能 仅从学业成绩上来评价，而应从教养、教育和发展三个方面，也即我们常说的 德、智、体等方面全面评价教学效果。二是必须从每个学校、每个班级、每个 教师、每个学生的具体条件和实际可能性出发，提出不同的标准，使教学结果 既符合社会客观要求的水准，又符合每个学生具体实际发挥最大可能性的程 度，即学生“最近发展区”的发展程度。 2 教学资源耗费标准 学习是对教学资源的消耗，但不总是与劳动结果成j 下比的。因此，教学最 优化需要的是教师和学生都必须合理利用教学资源的配给，达到最佳效果。这 一标准在教学最优化原理中是目标导向和效果评价的一个重要的要素。 对上述基本标准进行了初步分析之后，巴班斯基的最优化理论还涉及以下几个 问题： 第一，教学最优化不是某种特异或具体的教学方法手段，而是指导教师以对教 学过程的系统考察为基础，用经济的、科学管理的眼光来安排教学过程的重要的方 法论原则。最优化教学不相信某种所谓“通用”，“万能”的方法，而是以“真理的 具体性”为方法论基础，根据具体情况，合理运用最适宜的方法。 第二，最优化是指“从一定标准看对该条件来说是最佳的”，而不等于是“理 想的”。巴班斯基指出：“最优化不等于理想的。最优的，指的是一定学校、 一定班级在具体条件制约下所达到的最大成果，也就是指学生和教师在一定场合所 具有的全部可能性。”他还指出：“最优化概念本身不是绝对的，而是相对的对某些 条件来说是最优化。【1 6 】” 第三，教学最优化不仅要求科学地组织教师的劳动，还要求科学地组织学生的 学习活动。因此，把最优化理解为单指教师的工作，是片面的。教学最优化只是一 个原则，而不是具体方法。 第四，用教学最优化的原则组织师生的活动时，不单纯是提高它的效率，而是 要达到最优的，即对该条件来说是最佳的结果。巴班斯基在这里要求把效率与效果 同时加以考虑，实际上也是给教学过程最优化赋予了明确的标准，要求在一定的具 体条件下，以最少教学资源消耗，取得最优良的教育效果【1 7 】。 2 3 3 最优化理论在本课题中的应用 最优化理论对本系统设计指导意义重大，前面讲过，高校的扩招使得学生人数 增加，实验仪器出现了供不应求的局面，造成了实验过程中很多人使用一台仪器的 局面，所以并不是每个人都有动手的机会，实验课失去了其原来的教学效果。本系 统设计时，我们将每个实验分成不同的时间和地点等待学生预约，每次实验分一定 数量的实验台，每个实验台只允许两个学生同时预约，这样做的目的是让教学资源 达到最大的利用率，从而达到实验教学的最优化。 1 2 第三章系统的总体设计 3 1 系统的功能设计 本系统的设计思想改变了以往传统的实验教学模式，将实验项目的开设流程网 络化，从实验时间和实验内容的选择方面赋予学生一定的自由度。系统采用学生自 主安排学习进度，教师全程监督指导的方式开展实验教学，有助于培养学生的学习 主动性和能动性，进而达到因材施教的理想教学效果。 3 1 1 系统结构 本系统能够实现不同身份用户的需求。用户等级权限共分为三种，分别为j 学 生、教师和系统管理员。 1 学生用户 学生登陆系统后，可以进行实验预习预约，根据自己的兴趣申请自设计实验， 查询自己做过实验的成绩并能够提交实验报告。而在学生做实验的过程中，本系统 还有记录实验时间的功能。图3 1 为学生用户功能设计图： 图3 1 学生用户功能设计图 2 教师用户 教师登陆后，可以查看学生的预约选课情况，获取实验室以及实验台的安排状 况，审批学生自设计实验申请，批改学生提交的实验报告，如果是实验时间登陆， 可以通过实时监控功能获取实验信息。图3 2 为教师用户功能设计图： 1 3 3 管理员 图3 2 教师用户功能设计图 系统管理员登陆系统后，可以发布信息，查看选课情况，录入可选实验，管理 学生信息和教师信息，对预习试卷进行添加、修改以及进行数据维护等。管理员对 于实验信息、实验室信息，实验台信息三种信息的管理相当于排课功能，通过数据 库表主外键的联系可以呈现给学生客户端一个可选时间、地点灵活的选课列表。图 3 3 为管理员用户功能设计图： 图3 3 管理员用户功能设计图 1 4 3 1 2 功能模块设计 本系统共分为四个主要的功能模块：预约选课模块、自设计实验模块、实验过 程模块和报告处理模块，四个功能模块既独立又相互关联，下面对它们进行一一阐 述。 1 预约选课模块 ( 1 ) 学生登录系统后通过实验选课界面罩的实验列表查看自己可以选的实验。 为了使实验仪器达到较高的利用率，实验中心把每个实验分成多次不同的选做时间 和不同的实验台号，同时为防止某次实验预约人数过多，我们对每次实验允许预约 的人数做了限制，系统会自动显示限制人数和已预约人数。学生可以按照不同实验 类别、不同实验层次、不同实验室来决定具体选课，系统给已经选过的实验课做了 标记，不能再选。选课效果图如图3 4 所示。 ；v 0 。，奠 。；_ i ：三= 写。：筝：忙三荔撕i l 弹礤乏乏享；誓碡，j 9 _ ；：j _ ! p “7 二? 7 l “= 二：；：l 蓬茏磊巍涵啜震戮瀚麴勰翳勰溺露孺蓊戮覆搦缀瑟翰溺蕊瀚既隅l 。、。灞聋鏊! 簿墓譬i 宅 。，帮：，狂鸯端i 嚼要i = 镯m ，e ：。：，r n ；4f 瑟出茹辘 l ； “1 勺7 11 吧t 州3 。 曩箕垫芎篾：曼零了j 藿 。错 i l 苟 ；? 垮三l 二罐，。： 。o 渗的箍d j 。”2 ” 一! 蔷鎏i 麓婺要蓼孽? i 一嚼t 瓤托髓l 塌至：。霉。：。 一协警稼：纂毡奄略_ 卜i j 一。 + ”_ j ： 影宅磐登；o 奠苫鍪如 二警1 i 。；i 鼋；矗 ? 霞虿k 篙 罐。 考硷ji ， “h 唧349 7 织宅! 戛霉譬基地； 。祭l 蛳。， $ ，簿抟! j 翟覃：瓣舡n ， ，； 静避蜘! 警。；整旗。t 聱l 。铎。：獬一氍至1 磁，。：。 -一 。1 一 。一 援戋菇 鉴戤妄蛙 ! jo 舒讳骘糍 7 峨圣l ：蠲札，= ? 4 ： 嚣。焉靛磐 靼 二臂l 。】。z - 4 鹭； ：，臻下：，鬟m l ， ，嘎平录 磐嚣躺梦绎+ 基，、 一；。，盘一一 v 图3 4 实验选课效果图 当学生选择了适合自己的实验后，系统会给出相应的预习材料供预约学生预习， 实验预习的功能是学生选择了实验后为学生提供相关实验的预习资料，学生在预习 目录中找到自己所选择的实验名称进行预习。例如，图3 5 为预习目录物理实验 普物实验( 3 3 ) 单所有的课程目录。当在实课程i = j 录中点击实验名称，用户会 连接到另外一个智能化网络课程系统，在此我们对此系统不再赘述。 图3 5 普物实验( 3 3 ) 课程目录 学生预习完毕后进入预习测评阶段。当学生预习完某门实验后，系统会随机抽 取一套关于此实验内容的试卷，检查学生预习效果，看是否达到操作该实验所需要 的知识。测试成绩不合格返回上一步实验预习重新进行预习直到通过测评为止。成 绩合格后进行预约报告的填写，预约报告填写合格并提交后，学生就可以进行实验 ? 预约，具体选择该实验进行的时间、实验室及实验台号。预约成功后学生可以取消 预约，但是同一个实验最多只有两次预约的机会，这样做是防止恶意操作而占用更 多教学资源。预约成功也代表该学生达到了操作此实验的要求，并可以对实验方法、 条件进行拓展，就可以进入下一个模块自设计实验功能模块。学生用户实验 预约流程如图3 6 所示： 图3 6 学生川户实验预约流程 ( 2 ) 教师用，t 在本模块的功能为对选课情况、预习测评情况和实验室设置的 1 6 查看，同时教师用户具有一个重要的预约查看管理功能，它包含对预约和完成实验 状态的查看、对过期实验的补做和对未预约实验的补做，体现了系统人性化功能的 设计，也提高了系统操作的灵活性。 预约查询 它包含了对学生所有预约实验情况的查看。由于学生选课对课程开设时间 地点造成的不确定性，打破了以往教师按课表上课的模式。现在，教师登陆系 统后可以查询具体时问段自己所授课程的被选情况，提前做好实验安排。预约 查询功能效果图如图3 7 所示： 图3 7 预约查询功能效果图 过期补做 如果有学生因故未能在所选时间内进入实验室做实验，经核实后通过教师 用户的操作可以使得学生重新获得实验机会，过期补做效果图如图3 8 所示： 未预约补做 个别学生也会因故错过实验选课时间，经核实后在尚有实验台未被预约的 情况下，通过教师用户的操作可以使得学生获得实验机会，未预约补做效果图 1 7 如图3 9 所示： 图3 8 过期补做效果图 图3 9 未预约补做效果图 ( 3 ) 管理员在本模块的功能为对学生、教师信息的管理；对实验信息的管理； 对预习测评试题的管理；对选课情况的总体查看，包括按实验查看、按学生查看、 过期信息查看；数据维护的功能。 。 对实验信息的管理 实验信息的管理主要是管理员对数据库信息的录入，主要包含实验课程的 名称、类型的录入，实验室名称、类型的录入，实验台数量和人数限制等信息 的录入，每个实验不同时间的录入。良好的实验信息管理可以呈现给学生客户 端一个可选时间、地点灵活的选课列表。图3 1 0 、图3 1 1 、图3 1 2 分别为录入 的实验列表、录入的实验室分配列表和举例说明录完的热学实验室的实验台分 1 8 配情况。 窦验鲥丧 1 ；v 豫凄皤：蠢藉嘉i 矗3 _ j 壹询i 嚣矗潮列9 每r = ! 三最 万耀寰的鼍疑；赣总 替窃刍骢3 r 3 qz童 潮遘鼍篙；! 笺静宠馥 蕾嬲支箍，3 靛籀学靛度 一