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工科物理实验多媒体教材的研制 摘要 计算机多媒体技术应用于教育领域是当今教学改革的趋势，而教材建设更是 教学改革的灵魂。教学改革的目的在于提高学生的创新精神和实践能力，而物理 实验教学在这方面起着重要作用。 在广泛调研的基础上，本文讨论了工科物理实验教学的现状，怎样把计算机 多媒体技术运用于教学中。在此背景下，我们开展了“工科物理实验多媒体教材” 的编制，并开发出“工科物理实验多媒体教材”课件，这对改变传统的教学模式 有着重要的理论意义和现实价值。该课件是用丛型旦! ! i ! ! ：! 鏊堡编制的，其操 作界面与w i n d o w s 的风格相似，具有界面友好、运行稳定、实用性强等特点，是 对现有传统的物理实验教学模式的一种变革。在开展“多媒体技术在大学物理实 验教材中的应用研究”中，我们获得很多宝贵经验，这对其他实验类课程的教学 改革也有一定的参考价值。 、一 v、vr、 关键词：教育改革教材l 垂设多媒体额材 工科物理实验 艾 计算机辅助教学 、一，j - t h e d e v e l o p m e n t o nm u l t i m e d i at e x t b o o k f o r p h y s i c a l e x p e r i m e n t i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rm u l t i m e d i at e c h n o l o g yi ne d u c a t i o nh a sb e c o m ea t r e n di nc u r r e n te d u c a t i o nr e f o r ma n de s p e c i a l l yt e x t b o o kc o n s t r u c t i o nh a sb e e nb e i n g t h ef o c u so fe d u c a t i o nr e f o r m t h ep u r p o s eo ft e a c h i n gr e f o r ma i m sa te n h a n c i n g c r e a t i o n a r ys p i r i t a n dp r a c t i c a la b i l i t yo fs t u d e n t sa n da tt h es a m et i m e ，p h y s i c a l e x p e r i m e n tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h i sa s p e c t o nt h eb a s eo fe x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o n ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ec u r r e n tt e a c h i n g s t a t u so fp h y s i c a le x p e r i m e n ti ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y u n d e rt h i s b a c k g r o u n d ，w e c a r r y o u tt h e d e v e l o p m e n t o nm u l t i m e d i at e x t b o o kf o r p h y s i c a le x p e r i m e n t i n e n g i n e e r i n gu n i v e r s i t ya n df i n a l l yd e v e l o p e d t h ec o u r s e w a r eo fm u l t i m e d i at e x t b o o kf o r p h y s i c a le x p e r i m e n ti ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ，w h i c hh a si m p o r t a n tt h e o r ym e a n i n g a n d r e a l i t yv a l u et oc h a n g et r a d i t i o n a lt e a c h i n gm o d e t h ec o u r s e w a r ei sp r o g r a m m e d w i t ht h es o f t w a r ev i s u a lb a s i c6 0 ；i t so p e r a t i o ni n t e r f a c es t y l ei ss i m i l a rt ow i n d o w s ； i th a sm a n y g o o dc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a sf r i e n d l yi n t e r f a c e 、s t e a d yr u n n i n ge n v i r o n m e n t a n d s t r o n gp r a c t i c a b i l i t y a n dt os o m ed e g r e e ，t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a y c h a n g ec u r r e n t t r a d i t i o n a l t e a c h i n g m o d eo f p h y s i c a le x p e r i m e n t ；a t t h es a m e t i m e ，d u r i n g t h e d e v e l o p m e n t o fm u l t i m e d i at e c h n o l o g ya p p l i e di nc o l l e g ep h y s i c a le x p e r i m e n t a lt e x t b o o k ， w eg e tm u c hv a l u a b l e e x p e r i e n c e a n dt h e s eh a v es o m er e f e r e n c ev a l u et oo t h e r e x p e r i m e n t a lc o u r s er e f o r m k e yw o r d s e d u c a t i o nr e f o r m m u l t i m e d i at e x t b o o k t e x t b o o kc o n s t r u c t i o n 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 p h y s i c a le x p e r i m e n t i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得金肥王些太堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一嗣工作过的同志所傲的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示致谢。 学位论文作者签名：吾一l 小乏签字日期：j ”弓年5 月弓日 l f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工业太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权傈留并向国家有关部门或机构递交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金肥王业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：参i 们去 签字日期：j 肿捧巧月芎l f 撇名j 归 签字日期：z i 年，月岁j 日 。 。， 学位论文作者毕业后去向：乃? 弛么望力客讲否t 奠 工作单位：彳刀妇理托讫圣l 殳 通讯地址：易、胆礁戈否讹釜卞乞 电话 邮编： 0 ；一宁 致谢 在近三年的硕士研究生学习期间，我的导师罗乐副教授在学业上给予了我精 心的指导，在生活上给予了我无微不至的关心，同时，导师那渊博的学术知识、 严谨的治学精神、豁达的处世之道也是我学习的楷模。在此，笔者向导师致以衷 心的感谢! 笔者在校期间，得到了理学院院长何晓雄教授、邓铁如教授、邓小玖教授、 高峰副教授、胡亚敏等的热情关怀和无私的帮助，在此，向各位老师表示深深的 谢意! 同时，也要感谢2 0 0 0 级研究生孙林、胡智文、张鉴、朱晓翔、袁航、李锋 刚、时钟涛、张学勇、张静、杨艳芳、刘彩霞、姚风薇、王建国、刘东、鲍嘉明、 宋逢泉等各位同学对我的关心和帮助。 在学习期间，我的家人给予了我大力的支持、默默的奉献和周到的照顾，使 我解除了后顾之忧，能够全身心地投入到学业中去，谢谢! 日u舌 2l 世纪知识经济的到来，使得社会对高素质创新人才的需求加强，这就要 求高等教育在新的形式下进一步深化改革，即从改变过去传统的、以传授知识为 主的教学模式过渡为以培养学生创新素质为中心的教学模式上来。与此同时，以 计算机多媒体技术为代表的现代教育技术飞速发展，为高等教育改革提供了有利 的机遇和先进的技术手段。 工科物理实验教学对学生创新精神、实践能力的培养起着重要的作用。面i i 每 新的形式，物理实验教学改革势在必行。而教材改革是教学改革的灵魂，同时， 计算机多媒体技术在教学中的应用已是当今趋势，教材多媒体化更是教材建设的 潮流。 在这种背景下，我们开展了工科物理实验多媒体教材的研制工作。这一 课题来源于笔者的导师罗乐副教授主持的安徽省教育研究基金项目“工科物理实 验教学与测评系统”( 项目编号9 9 s y b 0 0 1 ) 。该课题主要是把计算机多媒体技术引 入教材建设之中，进行“工科物理实验多媒体教材”c a i 课件的编制，以改革传 统的物理实验教材模式，实现教材建设现代化和提高教学质量，加强学生创新精 神和戗新能力培养的目的。现在，“工科物理实验多媒体教材”的研制取得了阶 段性的进展，所制作完成的部分c a i 软件在一定范围内试用中获得较好教学效果。 第一章面向2 1 世纪大学物理教育改革 1 1 面向2 1 世纪高等教育的改革 1 1 1 国外高等教育改革的现状”1 面对2 l 世纪知识经济、信息时代的来临，国际竞争日益激烈。国家综合国力 和国际竞争能力归根到底，取决于各国教育发展、科学技术和知识创新的水平， 说到底就是人才方面的竞争。人才的培养离不开教育，特别是高等教育作为最雄 厚的生力军，在经济发展和社会进步中将呈现出越来越突出的重要作用。各国为 了在以后的国际竞争中立于不败，所采取的关键对策就是教育改革。国外各国高 等教育的改革与发展主要体现在以下几个方面： 1 重视提高教育质量 各国普遍把提高教育质量放到教育改革的重要地位。美国和前苏联从7 0 年代 末到8 0 年代初，是高等教育改革发展的转折时期，由发展数量为主转到以提高质 量为主的阶段。1 9 8 3 年1 0 月，美国成立了“提高美国高等教育质量研究小组”， 强调“高等学校要全力以赴地提高教育质量”，“在学科内容上跟上最新发展趋势”。 前苏联对高等教育尤为重视，1 9 8 7 年在苏联高等和中等专业教育改革的基本方 针中，再次强调“提高专门人才的培养质量是高等学校的主要任务”。 2 培养目标上的改革趋势 在现代新技术革命迅猛发展的形式下，由于人类知识总量急剧增加，产业结 构不断变化，要求高等教育培养具有综合素质的人才，即具有宽厚的基础知识， 专业面较宽，创造性、适应性较强的人才。为适应这一需要，各国都在修订高等 学校的培养目标。 前苏联在教育改革中提出“高等学校的专业不适当地划分过细，对一般学术 和职业培养产生了消极影响。”要求“纠正按狭窄部门和学科设置专业，大量减少 专业种数”的问题，要培养“高深基础知识与扎实实践训练相结合的专业面宽的 专门人才。” 3 课程结构改革 课程结构是指列入教学计划的各门课程与培养规格的要求配合而构成的课程 组合。这种组合常常表现为各类课程之间的一定比例关系。这一比例关系反映了 各国高校课程结构的特征。进行课程结构改革，就是正确处理基础课与专业课、 理论课与实践课、必修课与选修课、课内与课外等等之问的关系，建立科学的课 程体系。在改革课程结构方面，各国的主要经验有以下几个方面。 加强基础课 基础课分为公共基础课和专业基础课。一般地说，基础科学在人类全部知识 中是比较稳定不易老化的那一部分，是专业学科的“基石”。国内外的教育经验表 明，打好基础是培养学生智能的基本功。欧美各国的高等教育素有“通才”教育 之称，其特点是专业划分比较晚。法国人用衣架的形状比喻他们的知识机构，说 明基础知识的宽广。 扩大选修课 必修课把本专业须掌握的知识教给学生，以保证人才的基本规格和质量，而 选修课则能比较迅速地把科学技术新成就、新课题反映到教学中来，有利于扩大 学生的知识领域，活跃学术气氛。近几年，大学课程改革的趋势之一就是进一步 扩大选修范围，以适应学生个人兴趣爱好和才能等个性特征，促进大学生学习的 “自主性”。如日本大学专业选修课特别多，覆盖面广，每门课时较少，有的系开 设的专业选修课上百种，而必修课则不多。教师指导学生选课时，不主张学的知 识面太窄。要求学生各种课都要学些。 加强实践教学环节 加强实践教学环节是培养专门人才不可缺少的重要途径，它起到了大学生接 触社会、了解社会，从而服务于社会的桥梁作用。实践教学的特点是获取一定知 识和技能的过程，而对学生已学的理论知识则是一个再实践再认识再提高的过程， 是深化理解，强化记忆，付诸实践的过程。尤其对工科院校学生，需要加强工程 教育和工程素养的训练，克服轻视工程实践的倾向。要通过综合性、实践性课程 引导学生重视工程学科中实验技能和计算技巧的练习，培养联系工程实际分析解 决问题的能力。 1 1 2 国内高等教育改革的现状“ 朝哺1 我国高等教育体制形成于5 0 年代初期，由于当时我国的经济和政治以及科学 技术和教育的发展水平，我国的高等教育体系是建立在前苏联的教学模式上的。 改革开放以来，我国的高等教育改革取得了巨大的成绩，形成了多种层次、多种 形式、学科门类基本齐全的高等教育体系。在规模和数量上都大幅度增加；在层 次结构上，本科生教育、研究生教育及博士生教育按比例协调发展：在专业结构 的设置上，正在逐步改革本科专业划分过细，适应性不强的情况，根据“三个面 向”的要求，强调加强基础、拓宽专业、重视实践、提高能力，同时增加了一些 为经济和科技发展所需的新兴、边缘学科专业；在高等教育体制方面，学校的自 主权增强，这就使得学校增强了对适应社会主义现代化建设所需人才培养的能力。 高等教育对经济发展、社会进步和技术创新起着重大作用，这是不言而喻的 事实，同时我国的高等教育改革取得了世人瞩目的成就。然而，在面向21 世纪 的今天，在高等教育改革中还存在许多问题等待我们去解决，主要体现在以下诸 多方面：专业和课程设置；教学内容与教学设备的更新：现代化教学技术的运用： 理论与实践的联系等等。 所以为了实现新世纪高等教育的新发展，促进高等学校进一步增强质量意 识，重视素质教育，深化教学改革，加强教学建设，以培养适应新世纪我国现代 化建设需要的、具有刨新精神、实践能力和创业精神的高素质人才，广大的教育 工作者应该从理论和实践上对高等教育的教育观念和思想、人才培养模式、教学 内容和方式、教学方法和手段等，进行综合的改革研究与实践，推动教学改革向 纵深发展，致力于建立一个有中国特色的社会主义教育体系，实现教育的现代化。 同时一个国家的高等教育改革离不开国际间的交流，它不能成为一个封闭的 体系，我们要学习外国高等教育改革与发展的经验或模式，不断地吸收其他国家 的有关先进经验，不断地进行自身的改革，这样才能不断发展。但这里要注意一 个问题，一方面，我们要积极大胆地学习和借鉴外国高等教育改革与发展的经验， 这是十分必要的，但是这里有一个选择、消化的过程。我们只选择那些对本国政 治、经济和文化发展有益，适合本国的国情与自己的高等教育发展能够相融的经 验，这个选择并不是照样搬来，而是经过一个再改造、消化，吸收，最后转化为 对我国高等教育发展有益的东西。 1 2 面向2 1 世纪大学物理教育的改革 1 2 1 大学物理教育改革的现状”3 2 1 世纪信息社会的来l 临，对人才的培养提出了更高的要求，需要大量有创新 能力的人才，适应知识经济时代的需要，作为一门基础课，大学物理在培养高素质、 具有创新精神人才方面起着重要的作用，目前的大学物理教学改革取得一定的进 展，同时也面临着多方面的问题，主要反映在以下几个方面。 在教学内容方面，经典物理内容的比例过多，而反映近代物理的部分过少。 2 0 世纪近代物理学有了长足的发展，特别是相对论和量子论的建立，引起物理学 的变革。但目前它们在物理教学内容中所占的比例很少，其核心地位还不明显， 而实际上学生对这部分内容特别感兴趣，希望进一步的学习。另一方面，教学内 容过于陈i e t ，而与物理学最新发展的知识联系并不多。教材中例题、思考题、习 题太多，且重复也很多，题型陈旧，缺少和高科技的联系。创新性、探索性、应用 性的内容缺乏，没有时代感，不适应社会发展的需要，以致学生认为学习物理纯 粹是为了考试，修学分而已，考完试这门课也就结束了，这就使得物理教学并没 有真正意义上起到提高学生自身素质作用：在教学方法上基本上还沿袭“老师讲、 学生听、满堂灌、重推演、轻归纳”的模式，加上教学内容多而课时相对又比较 少，老师一直赶进度，教学效果并不理想，而学生始终处在一个被动接受知识的 状态，师生之间的交流很少，使得部分学生丧失学习的主动性和积极性；在教 学手段上基本还是“粉笔”+ “黑板”的模式。虽然自9 0 年代以来，多媒体技术 在教学中的应用越来越广泛，计算机辅助教学已经成为一种改革趋势，但目前在 大学物理的教学中并没有深入展开，有很多还只是一种形式，在教效果并没有实 质性地提高。 1 2 ，2 大学物理教育改革的发展方向”叩“”“” 加强基础教学：物理学是一门严谨的科学，基本概念、基本原理和基本技能 等基本功的训练，永远是物理课程的核心，也是我国物理教学的优良传统，舍此 谈不上什么科学素质教育。在此基础上，精简、压缩和优化传统内容，加强近代 物理教学。 内容更新：内容要现代化，要增添能反映物理学的最新发展及其在高新技术 中的应用等新内容，就是说物理学的新发展及其在高新技术中的应用要在教材中 有所反映。2 1 世纪信息时代，以微电子学、光电技术为基础，以计算机、通讯、控 制技术为核心的信息技术迅猛发展，物理学在内容上应有时代感，要加大这一部分 的基础知识比例，把最新的科技前沿知识介绍给学生。这样既可以提高学生学习物 理的积极性又可以使学生切切实实感受到物理学推动科技发展的强大动力，使其 认识到学习物理是必要的、是有用的，同时教学质量、效果都会得到进一步的提 升。 重视实验教学：物理学是一门实验科学，但在对物理实验的认识上还存在“重 理论，轻实验”的倾向，把实验看作只是理论课的“附属”。在对实验课的认识上 我们一定要有正确认识，实验课与理论课同等重要。实验不仅可以验证我们学的 基础性理论知识，还可以锻炼我们实验能力，为以后从事科研打下一定实验基础， 同时又可以培养大家团结、协作精神：对于设计性实验可以培养大家的综合运用 知识的能力，对实验技能、创造性能力的培养都有一定的益处。 教学手段现代化：传统的教学模式是老师一人讲，堂下学生听，满堂灌。很 多老师只是照本宣科，就题论题，缺乏艺术性，教学方式单一。这使得学生积极 性不高，对物理的学习的失去兴趣，教学效果不够理想。我们把多媒体技术引入 到物理教学的改革中，改变传统的教学模式。多媒体技术运用于教学是当今教学 改革的一种流行和趋势，目前，计算机辅助教学( c a i ) 和多媒体技术在教学中的应 用，越来越广泛。多媒体技术把图、文、声、像呈现在一起，提高了教学过程中的 表现力和感染力，同时计算机辅助教学( c a i ) 与传统的以教师为中心的单向交流式 相比具有交互性、集成性和自适应性的特点。它的交互性使教学变成了学生与计 算机的双向交流，学生能自己控制教学的进度，参与教学活动，从而极大地提高了 学习兴趣。它的自适应性是指计算机能根据学生对问题的回答情况来决定教学的 内容和进度，真正实现因人施教，工科大学物理应当结合自身学科的特点和规律， 加大利用多媒体教学的力度。当然，这不能仅仅流行于形式，今后要大力加强多 媒体技术在大学物理教学中的应用，提高教学质量。 具体地说，多媒体技术在大学物理教学中的应用就是要把现代计算机技术、多 媒体技术引入到大学物理教学之中，改革传统的物理教学模式。现在的物理课基本 上都是大课，教室都有多媒体教学设备。可以利用p o w e r p o i n t 、a u t h o r w a r e 、 d i r e c t o r 、v i s u a lb a s i c 等软件精心制作一系列电子教案，作为课堂教学的辅助， 电子教案的使用使教学效果明显提高。首先，学生对这种新的教学方式很感兴趣， 其次对于那些很繁琐的图事先已做成幻灯片，这就使得课堂上节省不少时间，使得 在相同的时间内给学生的信息量增加，有利地解决了内容多与课时少的矛盾。另外 把教材中实验，如光的干涉、衍射、电磁波的传播、分子热运动等内容，通过多媒 体计算机中的活动图像、图形、动画模拟出来，并且具有一定的交互性，这样在介 绍这一部分内容的同时，用多媒体课件展现出来，对于学生的理解会起到直观的作 用，使教学效果事半功倍。 教学方法上：教学方法则要从保姆式、注入式的教学模式向生动活泼的启发式、 讨论式、研究式、参与式的教学模式转变，使应试教育向能力培养、素质教育转变； 在传授基本物理知识的基础上，我们把前沿知识与物理学史有机结合起来，有效提 高学生的积极性。通过物理学史的学习使学生了解在物理学的发展过程中起过重要 作用的物理学家，学习他们的优良品质，科学钻研精神，促使他们学习物理的激情、 动机，对于他们创新能力的培养有一定的启发作用。同时，在教学过程中适时地补 充科技前沿，并把物理知识及其在工程技术中的应用结合起来，使学生认识到物理 学与科学技术的发展密切相关，以达到强化物理课教学，培养学生探索精神、创造 性思维方法、分析问题和解决问题等综合能力的目的。 第二章面向2 1 世纪大学物理实验课程的教材建设与改革 2 1 大学物理实验课程教材的改革 2 1 1 教材建设与改革的现状“2 ”“1 物理实验是物理学的基石，而高等学校的物理实验课更是培养学生采用现代 仪器和科学手段去观察分析问题和动手解决问题的重要课堂。近些年来，世界各 国都不同程度地逐渐重视实验物理课的教学工作，并采取不同措施进行教学改革， 我国高等学校实验物理课的教学也是如此。但从目前实验课教材的整体结构和教 学模式看，大体仍遵循四五十年代的传统体系和模式，这与今天高度发达的科学 技术十分不相称。因此，这种经典物理陈列式的实验物理教学，到了必须改革的 时候了。 就全国高等院校的物理实验教材而言，大多是依托北京大学和北京师范大学 等高校的物理实验讲义，结合各校的具体情况编辑而成，更远一点说，现行物理 实验教材是源于5 0 年代苏联高等学校物理实验讲义。这些教材在编排顺序、教学 模式和选题上，都非常古板。尽管近些年来各校做了不同程度的各种改革尝试， 但由于观念未变，所以物理实验讲义及其相应的教学模式并没有根本改变。这一 模式所存在的具体问题有： 现有的实验内容比较陈旧，而2 0 世纪科学技术飞速发展。激光、微电子、传 感器、计算机的发展加快了知识更新的速度，迫切要求物理实验教材能反映新的 科技包括物理学自身的进步。但现有实验教材不能反映现代科学技术知识，而且 实验方法、手段比较落后。有些实验利用的是科研和实际工作中早已淘汰不用的 仪器和实验方法；另外有些实验单纯验证一些物理理论或公式，这不利于学生能 力的提高，因此实验内容和教学方法迫切需要改革。目前，实验课还未能突破理 论课体系的制约，实验课不能按照实验技术自身的系统性与科学性进行教学，导 致各科实验内容比较重复，比较脱节，验证性的实验过多，综合性的、设计性的 实验过少，缺乏障碍性的实验。使学生不能在校期间就获得系统的实验技术理论 和完整的实验技能的训练。 传统的教材多以文字叙述为主，对抽象的理论和现象难以表达清楚。一些学 校没有完善的实验教学大纲，没有详细的实验教学计划，没有形成完整的实验教 学课程体系，实验教材缺乏。学校没有明确对学生能力培养的具体目标，实验课 安排随意性较大，实验课时同理论课时比例不太合理，同时，缺乏考核和质量监 控的机制。 2 1 2 面向2 l 世纪教材的改革与建设“铂“铂 面向2 1 世纪，高校教材的特点和类型也必须顺应时代的发展而变化。好的教 材在思想性、启发性、创新性、艺术性、综合性等方面应有突出表现。同一课程 要有不同类型的教材，以适应不同的对象和不同的学习方式。教科书和教学参考书 的区别要淡化，要积极推行音像、电子教材。 1 从高等教育改革的角度看，“知识、能力、素质的协调发展”是2 l 世纪高 等教育教学的基本要求。“构建创新人才培养体系、营造有利于创新人才成长的良 好环境，培育高素质创新人才”是2 l 世纪高等教育教学的奋斗目标。从高等教育 改革的角度看，要进一步深化高等教育的改革，全面推进面向2 1 世纪的教学和课 程体系改革，加强素质教育，培养大学生的创新精神和创新能力，培养跨世纪人才， 教材建设就必须适应教学改革和提高教学质量的要求。 2 从科学技术的发展角度看，科学技术的发展与渗透、学科之间的交叉与融 合、以微电子学、计算机科学、生命科学、材料科学、空间科学、环境科学等为 代表的新的科学技术革命，正在深入、持久地发展，新的科学知识正在不断涌现。 新的科学体系与现有的课程体系；新理论、新技术、新方法、新观点与原有的教 学内容之间存在的矛盾日益加深；教育思想和教学手段的发展与更新也对高等学 校教材带来重大影响。这就要求教材体系、内容和表现形式要与新的科学技术发 展相适应。 3 从经济和社会发展的角度看，现在是我国建立社会主义市场经济体制、实现 社会主义现代化建设第二步战略目标的关键时期。社会主义市场经济对人才培养 要求既多又快，且多层次多规格。市场经济对人才需要的多样化，必然要求教材的 多样化。社会的发展，对人才的知识结构有了新的要求，单一的专业知识很难适应 未来的社会，复合型知识结构已成为2 1 世纪大学生的必然选择，所以2 l 世纪的高 校教材，就不能像现在一样基本是纯文、纯理、纯工科的教材，而应是趋向于不同 学科的互相融合与渗透。 4 创新性江泽民同志1 9 9 5 年在全国科技大会上指出：“创新是一个民族进 步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力一个没有创新能力的民族难于屹立于 世界民族之林。”同样，一本教科书也应具有创新性，如此才有魅力，才能吸引学生。 从内容上讲，教科书要尽可能的反映当今国内外相应学科的最新理论、最新观点、 最新动态、最新方法。教科书不仅是介绍新的科学知识，还要提出新的问题，介绍 解决问题的方法、思路，培养学生的创新思维能力。从形式上讲，教科书应有配套 的教学参考书、学习指导书、思考和习题集等系列书籍。 5 综合性2 1 世纪是大科学的时代，学科间的交叉融合和综合化趋势愈来愈 明显。理科如生命科学与数学、物理学、化学，地理学与化学、环境科学的大跨度 综合。文科如文学、史学、哲学的综合，社会学与人口学、人类学、民族学的大跨 度综合。因此高校教材要在保持本学科的逻辑和结构体系，明确本课程在学科中的 作用和地位的情况下，尽量联系相近、相关和交叉的学科。除介绍本课程基本内容 的扩展和应用外，还应着重论及其他学科与本学科的联系及在学科中的应用，开阔 学生的视野，拓展学生的思维，在引导学生纵向思考问题时形成横向思考的习惯。 6 艺术性传统的高校教材，系统严密、结构严谨，注重层次分明与逻辑推理， 但语言相当的专业化，插图、插画也是那种临摹式的写生，装帧单一，缺乏艺术的修 饰。注重层次的分明和强调专业性、学术性，语言生硬，行文呆滞，缺少生动活泼的 文笔，这无疑对提高学生的学习兴趣形成一定的阻碍。要提倡把教材写活，不仅仅 内容要活，结构体系要活，语言文字也要活，使学生感到不但能学到知识，还能得到 艺术的熏陶。 7 积极推行音像教材和电子出版物。随着教学手段和教学方式的改革，音像教 材、cai 软件、c a d 软件、光盘、多媒体教学等新的教学形式和教材的运用 将愈来愈广泛。进入2 l 世纪，将会出现文字教材、音像教材、电子出版物( 电子教 材) 并举的局面。因此在大力改革文字教材、纸质教材的同时，要积极推行这些新 型教材的编写、研制和开发，扩大国际间高校教材的交流，使我国高校的教材建设 走向世界，走向新世纪。 总之，教材是教学质量的关键，是教学改革成果的集中体现，教材建设要坚 持创新、改革的精神，体现新的课程体系、新的教学内容和新的教学方法。另外， 它还应当加强独立、自主、创造性获取知识能力的训练和培养。教材是高校进行 教学活动，教师用以组织教学和学生赖以获得系统知识的主要工具，编好教材和 搞好教材建设，对于稳定教学秩序和提高教学质量具有重要意义。 2 1 3 面向2 1 世纪大学物理实验教材的改革 物理实验课作为物理教学有机的组成部分，已成为工科院校各专业学生进行 科学实验基本训练的一门重要基础课程，成为学生进入大学以后接受系统科学实 验方法和实验技能训练的开端，使学生科学实验能力的培养得到了明显的加强。面 向21 世纪工科物理实验教材改革主要体现在以下几个方面。 物理实验教学内容现代化：教学改革的根本目的是实现教学的现代化，而教 学内容的现代化是问题的核心。21 世纪学科发展和交叉的速度越来越快，实验 的内容和方式也需要深化和改革，要进行内容的更新和实验的调整，尽量培养学 生的动手与创造能力。这就要求物理实验教材改革必须要站在时代的高度，努力 增加反映科学技术前沿的有代表性的实验内容，同时重新审视、取舍和用现代实 验手段改造传统的教学内容。 物理实验教材改革要创新：加强学生创新意识、创新能力的培养是物理实验 教材改革的主要方向。物理实验是传授科学实验的基本知识，培养科学实验基本 能力的课程，在培养学生创新精神方面有着重要作用，所以物理实验教材改革要 体现这一精神。所以，在今后实验教材改革中，一方面要加强基础性实验，同时 适当增加近代物理实验的比重，还要突出一部分设计性综合实验，做到全面培养 学生的基本实验技能，加强创新能力和实践能力的培养。 2 2 大学物理实验多媒体教材的建设 2 2 1 计算机辅助教学c a i 1 c a i 概念m 1 计算机的产生和发展对人类社会产生了深远的影响，它不仅促进了知识经济、 信息时代的到来，而且也为教育的改革和发展提供了新的方法和技术手段，产生 了一门新的应用技术科学“计算机辅助教学”。 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 t i o n ，简称c a i ) ，是以计算 机为核心的教学媒体帮助教师进行教学或通过以计算机为主体的教学媒体进行 教学，为学生提供个别化学习环境，学生通过与计算机的交互作用进行学习的一 种教学形式，它既是计算机的一个应用领域，又代表一种新的教育技术和教学形 式。 计算机辅助教学经过4 0 年余年的发展，己逐步成为一门新兴的独立学科， 并形成了个别指导、对话或咨询、计算机模拟( 仿真) 、操练与练习、教学游戏、 问题求解等多种教学模式和问题解答型c a i 系统、模拟型c a i 系统、人工智能型 c a i 系统、计算机会议型c a i 系统、计算机网络型c a i 系统等类型的系统。 2 c a i 意义 在今天，计算机已经成为人们工作、学习和生活中不可缺少的工具，随着计 算机技术的不断发展，计算机辅助教学越来越受到人们的重视。特别是随着多媒 体技术和网络技术的出现，计算机辅助教学取得了空前的发展，使教学的形式、 方法及内容等都发生了极大的变化，如从传统的课堂变成为不受时间和空间限制 的虚拟教室：从以讲解和板书为主的教学模式变成为文本、图像、动画、音频和 视频等多种媒体共存的教学模式；从学生的被动接受学习到人机交互的主动教学； 从呆板、单一、顺序的教学内容安排变成了生动、多彩、跳跃式的教学内容安排 等。同时c a i 具有的优越性还表现在以下几个方面：与电化教学手段相比，c a i 是交互的双向教学形式，在大多数情况下是利用c a i 的交互性：与教师的课堂教 学模式相比，计算机可针对不同程度的学生提供具有按学生特点进行因材施教的 个别化学习方式。例如学生可以控制学习速度，选择适合自己难度的学习内容， 对于思考问题的时间也允许不受限制；与教师相比，计算机是一个客观的没有感 情的教师，因而对待学生可以不厌其烦，使学生减小学习压力，因而增加学习动 力：与所有教学媒体包括最优秀的教师相比，c a i 系统的即时反馈具有绝对的优 势。 3 发展方向“ 网络化c a i 多媒体c a i 的发展不是孤立的，而是与其他方面的技术密切相关，归纳起来， 以i n t e r n e t 为基础的c a i 具有以下主要优点： 信息资源丰富、时空不限、人机优势互补。综合利用计算机网络，可以在网 上建立了许多“在线”( o n l i n e ) 教育教学系统，出现了虚拟教室、虚拟图书馆、 虚拟实验室、虚拟校园、虚拟大学等新概念。 多媒体c a i 原有的任何c a i 模式中都可运用多媒体，使得教学信息更为丰富，教学过程 更为生动有趣，学习效果更为明显。多媒体的应用还使c a i 的模式更为多样，主 要表现在：由于多媒体技术的广泛应用，使过去以面向特定课程内容和教学目标 的软件产品变为现在大量面向信息的c a i 产品，如电子百科、学科资料库、教学 游戏等：由于超文本超媒体技术的应用，促使教学程序由封闭式变为开放式， 由计算机控制变为学生自主控制：另外，以多媒体技术为基础的虚拟现实概念与 技术的出现，能将许多学生本来难以触及的现象带到他们面前，大大扩展了c a i 的使用范围。 智能化 智能c a i ( i c a i ) 系统始于7 0 年代。传统的i c a i 观念是让计算机模拟教师的行 为，并提出了智能导师系统的模型。操练与练习此类c a i 并不向学生传授新的内 容，而是由计算机向学生逐个呈示问题，学生在机上作答，计算机给予适当的评 价。 然而，人工智能在与多媒体技术相结合方面却产生了许多重要成果，例如语 音识别、语音合成、文字识别等，已经达到实用化水平，并被广泛用于多媒体c a i ， 大大推进了c a i 的技术水平。 向虚拟现实方向发展“叼1 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 是一种由数据产生的情境，在这个情 景里用户能直接操纵其属性、物体及其关系，而感觉不到计算机界面。虚拟现实 技术可以模拟现实的世界，是一种能超越物理局限性和时空局限性的高级模拟手 段。虚拟现实最重要的是它的实时性和交互性。虚拟现实技术将带给人们全新的 视野。在c a i 系统中使用虚拟现实技术，能使学生在教学和实习中获得临场的感 觉。虚拟现实能创造出良好的学习环境，学生能够以自然的方式，如在抓、指、 拉等动作，和对象发生作用，甚至会感觉到与实物一样的重量及碰撞效果，通过 学习与探索虚拟世界学到知识。虚拟现实对界面的隐匿性促进了操纵，使得学生 在完成任务时更容易，不会受到计算机界面的干扰，从而把更多的精力放在学习 内容上。虚拟现实也有助于激发积极的情绪和动机，在虚拟环境下，学生更容易 摆脱枯燥的课本说教和计算机屏幕冷冰的界面，活生生地处在一个可由自己控制 的环境里。 自主性、创造性、多层次 越来越多的多媒体教学软件采用超媒体结构来组织教学信息。超媒体可以看 作为多媒体化的超文本，是一种非线性的信息结构，基于超媒体的c a i 可以在每 一个结点处提供多个不同的选择，易于实现“学习者控制”的个别化教学策略， 将课件流程的控制权交给学生。学习者可以根据自己的兴趣、知识、经验、任务 需求和学习风格来选择使用信息。 2 2 2 多媒体技术口“” “多媒体技术”是1 9 9 1 年在美国拉斯维加斯的计算机博览会上首次推出的。 它使计算机由主要处理数字、文字变成能处理声音、音乐、图片、图像、电视、 动画等多种媒体信息的系统。具体说，多媒体技术是指把文字、音频、视频、图 形、图像、动画等多种媒体信息通过计算机进行数字化采集、获取、压缩解压缩、 编辑、存储等加工处理，再以单独或合成形式表现出来的一体化技术，属于现代 信息技术的范畴。 多媒体的关键技术，主要可以按层次分为媒体处理与编码技术、多媒体系统 技术、多媒体信息组织与管理技术、多媒体通信网络技术、多媒体人机接口与虚 拟现实技术、以及多媒体应用技术这6 个方面。还可以包括多媒体同步技术、多 媒体操作系统技术、多媒体交换技术、多媒体数据库技术、超媒体技术、基于内 容检索技术、多媒体会议系统技术、多媒体视频点播与交互电视技术、虚拟实景 空间技术。 2 2 3 多媒体技术在教学中的应用2 3 1 【“3 随着多媒体技术的发展，它的应用越来越广泛。把多媒体技术引入教育教学 领域，是当今教育改革的一种新思维和新趋势。多媒体技术应用于教育领域后， 就有了多媒体教学这个概念。实际上，多媒体教学就是在单媒体教学的基础上发 展起来的。因此，多媒体教学使教学内容由抽象变为直观，化繁为简、化难为易， 教学形象生动，学生感知鲜明，便于学生观察和认识，有利于学生理解和掌握教 材，提高教学效率。除此以外，它还有以下两点作用： ( 1 ) 强化作用。由于多种媒体信息交互作用，形成了声、光、形、色、动等对 学生感官的全方位刺激，有利于学生的记忆，增加了学生进行联想的线索，强化 了学习效果。 ( 2 ) 整体效应作用。由于多媒体相互联系、相互影响、相互补充，集声、光、 色、动为一体，多层次、多角度地呈现教学内容，创造立体性的教学空问，给传 统的启发式、诱导式教学增添了活力，大大加强和提高了学习过程的整体效应。 多媒体技术在教学中的应用是指在教学过程中引入以多媒体计算机为核心的 现代化教学工具和手段的一种新型的教学模式。它开辟了趣味教学的新天地，主 要通过文字、图形、图像、动画、声音、视频及交互网络等方式对学生的感官形 成多种刺激，使教学内容生动活泼，激发学生的学习积极性，增强其想象力和形 象思维能力，有效地突破教学中的重点、难点，提高学习效率。 多媒体技术在教学中运用的原则主要体现在c a i 课件的编制原则上，根据课堂 教学的特点，c a i 课件的编制遵循五条原则：教学性原则、控制住原则、简约性 原则、科学性原则和艺术性原则。 教学性原则 c a i 的目的是优化课堂教学结构，提高课堂教学效率，既要有利于教师的教， 又有利于学生的学。所以首先关心的是利用某个课件进行教学是否有必要性，即 课件的教学价值。课件的教学性主要表现在课件的教学目标，内容的选择及组织 表现策略。 在教学目标上，要明确课件要解决什么问题，达到什么目的；在课件内容选 取上要注意两个因素：其选取那些没有演示实验或不容易操作的做成演示实验， 这样做可以优化教学结构，改变传统的单一教学模式，有利于学生学习的积极性 和主动性，提高教学效果；其二选取那些在课堂上用常规手段不能很好解决的问 题，这样可以帮助学生顺利更新或重建学生的物理认知结构。在组织表现形式上， 要发挥计算机的特有优势。c a i 在物理课堂上的优势是动态模拟，以创设物理情 景来激发学生的兴趣，扩大学生的感知量，使学生形成鲜明的表象，帮助学生掌 握概念和规律。 控制性原则 课堂的教学时间是有限的，教师和学生不能把时间浪费在课件的调试和控制 上，也不能把课件变成电影片，只能一放到底。因此课件的操作要简便、灵活、 可靠，便于教师和学生控制，使师生经过简单的训练就可以灵活使用，具体说有 以下几点。 课件安装要方便，可以自由拷贝到硬盘上；友好的操作界面，在课件的操作 界面上设置寓意明确的按钮和图标，最好支持鼠标，尽量避免复杂的键盘操作， 避免层次太多的交互菜单。为便于教学，要设置好各部分内容之间的转移控制， 可以方便地前翻、后翻、跳跃；对于以学生课堂自学为主的课件，要对学生的输 入做即时应答，并允许学生自由选择训练次数，训练难度：对于演示型课件，可 以现场输入数据改变演示进程；如果执行了错误操作，可以方便退出，或重新切 入，避免死机现象，提高课件的可靠性。 简约性原则 课件是通过计算机屏幕、大屏幕电视或大屏幕投影来展示的，学生主要通过 视觉刺激来接受信息的，因此投影的画面应符合学生的视觉心理。画面的布局要 突出重点，避免或减少引起学生注意的无益信息干扰。注意动物与静物的色彩对 比，前景与背景的色彩对比，线条的粗细，字符的大小，具体有以下几点：画面 布局突出对象，同一画面对象不易多，对象的图形要简约化；同一画面色彩数量不 易多，以不超过四种为益：减少文字数量，过多的文字阅读不但容易使人疲劳， 而且干扰学生对物理过程的感知：不必制作华丽的片头；尽量少用音响，除非必 要的物理现象的拟音。 科学性原则 科学性的基本要求是不出现知识性的错误，模拟符合物理原理。 艺术性原则好的课件是内容与形式的统一。 尽管多媒体技术起步较晚，但社会的需求与技术的发展使其在短短的几年时 间内已取得了长足发展，尤其是多媒体教学的出现，是教育技术走向现代化的一 个重要标志。 多媒体的发展趋势，即是整个多媒体教学系统的发展趋势，主要表现为多媒 体教学软件的模块化、智能化、网络化。 多媒体软件的模块化，是指由课件向积件发展。积件具有基元性、可积性、 开放性和可继承性等特点，比课件更灵活，更通用，可以减少重复开发的浪费。 多媒体软件的智能化，不仅是指操作上的简化，更重要的是功能上的进一步 完善，具备良好的交互性，能为学习者提供实时环境进行模拟学习。 多媒体软件的网络化，是在校园网建设的发展以及i n t e r