（课程与教学论专业论文）多媒体cai与物理教育研究.pdf

摘要 本文从教育学、心理学和计算机软硬件配置的角度探讨了计算机辅助教育的发展 过程，并进一步探讨了物理多媒体c a l 在物理教学中的应用以及物理多媒体c a l 的发展趋势。最后制作了三个物理多媒体课件。 关键词多媒体；物理教育：学习过程：物理课件；教师；学生；计算机辅助教 育；物理多媒体c a i a b s t r a c t ：f r o mt h ev i e wo fe d u c a t i o n , p s y c h o l o g ya n dh a l d w a r ea n ds o f t w a r e c o n f i g u r eo ft h ec o m p l l t c l t h et h e s i sd i s c m st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r - b a s e d e d u c a t i o n ( c b e ) f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i sd i s c u s s e sm u l t i - m e d i ac o m p u t e r - a i d e d i n s t r u c t i o n ( c a i ) i nt h ep r o c e s so fp h y s i c se d u c a t i o na n dt h et r e n do fp h y s i c s m u l t i - m e d i ac o m p u t e r - a i d e di n s t r u c t i o n ( c a i ) i nt h ef u t u r e a n da tt h ee n do ft h e t h e s i s ，t h r e ee x a m p l e so f m u l t i - m e d i ac o u l s c w a l ei np h y s i c sa l em a d e k e yw o r d s ：m u l t i m e d i a ；p h y s i c se d u c a t i o n ；l e a r n i n gp r o c e s s ；p h y s i c s c o k u s e w a l e ；t e a c h e r s ；s t u d e n t s ：c o m p u t e r - b a s e de d u c a t i o n ； m u l t i m e d i ac a i i 1 1p h y s i e s 多媒体c a l l 与物理教育研究 前言：媒体、多媒体 一、媒体、多媒体的概念及其特点 教育理论界对“媒体”的定义，有的着眼于反映感觉通道( 视听通道) ，干： 的则着眼于反映教学信息的性质( 印刷品、图片等) 。这里我们采用美国著名教 育家r a 赖泽和rm 加涅1 9 8 3 年提出的定义。他们认为，教学媒体是“传递教 学信息的物理手段”，根据这一定义，它有两种含义：一是指表现信息的载体， 如文字、符号、语言、声音、图形、图象等；另一种指存储与传递信息的实体， 如书本、画册、报纸、幻灯片、投影片、录音带、电影片、录象片、计算机软件 存储介质( 软盘、硬盘、光盘) 以及相关的播放设备等。广播电台主要通过声音 来传播，电视台传播的是影片，广告刊板则是用文字或图形媒体来传播。 多媒体即多媒体技术，目前没有统一的定义。综合各种定义，其基本含义 足：多媒体技术是指以计算机为核心，把文本、图形、图象、动画、音频和视频 等多种媒体信息结合起来即把它们交互地综合处理和控制，并使这些信息建立逻 辑连接，以表现出更加丰富、更加复杂的信息，完成一系列交互式操作的信息技 术。 我们可以认为多媒体具有下列特点： 集成性 多媒体的集成性：一是表现信息的载体的集成性，即文本、数字、图形、 声音、动画和视频的集成；二是以存储信息的实体的集成，即系统是一种由视频 设备、音响设备、存储系统和计算机的集成。正因为多媒体系统是多种表现信息 的载体和存储信息的实体的集成，所以称之为“多媒体”。 控制性 多媒体系统并不是设备的简单组合，而足以计算机为控制中心来加工处理 来自各种周边设备的多媒体数据，使其在不同的流程上出现。计算机是整个多媒 体系统的控制中枢。 交互性 多媒体系统利用图形菜单、图标、多窗口等图形界面作为人机交互界面， 利用键盘、触摸屏甚至数据手套等方式作为数据的交互接口，使人机交互更接近 于自然。 多媒体技术的出现，标志着信息技术一次新的、革命性的飞跃。它给人类 提供获取、处理和使用信息新的方式。它也将改变人类的学习方式，使人们在多 媒体环境下，通过学校、社会、家庭接受终身的教育。 1 ，多媒体的信息表达元素 文本( t e x t ) 文本是指以文字和专用符号表达的信息形式。计算机的文本是按a s c i i 码 格式存储的。虽然以文本表达信息肯定不是计算机的特色，但是没有文本的多媒 体c a 也几乎没有。文本是构成多媒体c a i 的重要部分，在设计时应认真对待。 静图( i m a g e sa n dg r a p h i c s ) 多媒体中的静图元素分为两类：图形( g r a p h i e s ) 和图像( i m a g e s ) 。图形 ( g r a p h i c s ) 是指用计算机绘制的画面，如直线、圆、多边形、任意曲线和图表。 它是在空问和亮度上已经离散化的图象。它占据存储空间少，但不适于表现复杂 的图画。 图像( i m a g e s ) 指由摄像机或扫描仪、数码相机等输入设备捕获的实际场 景的静止画面。它的基本元素是像素。图像比文字更具有直观性和形象性，容易 引起学习者的兴趣，帮助理解。但图像的数据量较大，所需的存储空间比文字大 得多，在计算机中调用的速度较文字慢。 动画( a n i m a t i o n ) 动画是指连续运动变化的图形、图像、活页、连环图画等，也包括画而的 缩放、旋转、切换、淡入，淡出等特殊效果。动画实际上是由一系列微小变化的 画面组成的，按一定的时间间隔显示，利用人的“视觉暂留”生理现象，产生连 续运动的效果。在教育中由许多微观和宏观世界的现象，人们不好观察，可以借 助动画来形象生动的表现。动画分为二维动画和三维动画。二：维动画的画面看上 去是平面的二维空间，三维动画的画面表现的是三维空间，有立体效果，三维动 画的仿真效果好，但制作难度较大。 音频( d i g i t a la u d i o ) 音频就是声音，其中包括：解说、音乐和各种效果音等。计算机中的声音 是数字化的声音。它分为波形声音( w a v e f o r ma u d i o ) 、m i d i 音频( m u s i c a l i n s m m l e n t d i s t a l i n t e r f a c e a u d i o ) 、数字化音频( c d - d a ) 。这三种格式的声音各 有其优缺点。计算机处理声音必须配有专门的输入输出设备一声卡。 活动视频( m o t i o nv i d e o ) 活动视频( m o t i o nv i d e o ) 是一种活动画面，但它与动画不同，它是由摄像 机等输入设备捕获的活动画而，大多是真实场景的再现。视频图像的数字化是近 年来的新技术，录像带的视频图像转换成数字信号，必须有专门的设备，在计算 机中称为视频采集卡。 活动视频( m o t i o n v i d e o ) 能将用户带入真实的世界中。在多媒体节目中加 入活动视频部分，可以更有效地表达出应用程序的内容及所要表现的主题，观看 者通过视频的引导可以加深对所看内容的印象，因为它有声有色，有动作有情感。 视频采集卡采集后的视频图像信号的数据量特别大，所以在存储时要进行压缩。 它对计算机硬件的工作速度及存储能力要求较高，而且数字化视频在获取、传输、 存储、压缩及显示等方面的技术还有待于进一步提高。 多媒体的信息表达元素很多，表现的形式也很多，但并非毫无目标地将不 同形式的媒体信息以不同方式拼凑在一起就叫多媒体。必须将多媒体所包含的元 素作完善的组织和安排才能发挥各元素之所长，形成一个完美的多媒体节目。 第一部分：计算机辅助教育概述 随着现代科学技术的不断发展，计算机在教育领域得到广泛应用，并且正 在成为最有发展前景的教学媒体和教育管理工具。计算机在教育领域的应用，导 致，教学手段、教学方法、教材形式、课堂教学结构等方面深刻的变化，从而促 进了教育思想和教学理论的变革与发展，形成一门把教育学知识和计算机科学技 术知识相结合的、新兴的综合学科一一计算机辅助教育( c o m p u t e r - b a s e d e d u c t i o n 简称c b e ) 。 一、计算机辅助教育产生的基础： 1 ，信息社会教育的要求构成了计算机辅助教育产生的社会基础。 由于微电子学的进步微电脑广泛地深入到社会生活的每一个角落，信息 技术也发展为种新的产业。据有关资料报道，1 9 9 2 年全美计算机应用相当于 4 0 亿人年的工作量。可见，现代社会已经不可能离开计算机的支持了。因此， 人们认为，人类己进入信息社会。 下面我们来看看信息的定义和信息社会的基术特征。信息可定义为“事先 不知道的，随时间变化的参数”或定义为“对客观事物运动状态的表征和描述”， 即强调对客观事物的未知和变化的特征。信息可分为： 自然信息自然界的事物及事物之间的内在联系的表征； 人工信息人们依据物质运动，利用一定手段人为的描述： 综合信息自然信息和人工信息的集成。 信息基于一种媒体，可实现记录、传输、综合、分析，以获取对客观事物 发展趋向的认识，指导人们的社会实践，只要保证充分的实时性，就有可能掌握 参与竞争的主动，尤其是现代计算机的应用，更加速，信息产业化的进程。所以， e b 于信息作用的机制，导致信息社会表现出组织间的信息趋向共享：企j i k 组织的 边界趋向模糊：横向联合增加：临时性组织增加：服务越来越成为企业成功的焦 点：对服务和响应的期望也越来越高：低技能的人员在企业内外流动加快：自主 开业小企业增加：办公室变得没有边界：人们的兼职在增加。面向这样一种社会 特征，教育作为社会系统的一个子系统，应当充分体现当今世界的变革特点，包 含着富于应变和善于创新的时代气息。 教育要跟踪社会变革的前沿，引入最新的教育技术是一项重要任务。在信 息技术不发达的时代，无论是受教育者或教育者都不可能注意教育效率，而更多 的是强调教育内容的实旌和教学方法的实现，且受教育者职后也不明显地体现出 相互竞争特点。由于信息传递不迅速，不同的地域教育的效果、人才知识结构也 千差万别，地区之间没有实时的比较和鉴别，特别是国与国之间分别按照自身民 族的基本国策和传统运作。富裕的地域和相对贫穷的地域各得其所。而在信息技 术高度发达的当今社会，每一个国家和国内的区域却最于一个可实时交互的大网 络系统内，竞争激烈，优胜劣汰。贫穷或不发达地区可能是富裕发达地区的利润 增集地，并且由于技术的不发达，竞争力越来越小连锁反映的结果是可怕的， 灾难性的。 然而，竞争的最终条件还是综合实力。而综合实力又表现为在科学技术上， 进而最后归结为教育的发展。如果人们获取知识的方式和方法仍如传统教育模式 4 那样单一，仍靠传统教育模式那样“十年寒窗”，死记硬背，没有现代教育技术 的支持，不懂现代教育技术。不懂信息的获取和传递技术，即使你识字再多，也 等同于不识字的文育，也只能是井底之蛙，无法参与社会竞争，进而等间于不存 在于社会。现代教育技术的运用，就是使受教育者毹高效率地获取知识，运用知 识，从而走向知识经济的新时代。 所以说信息时代对社会各方面提出了新的要求，特别是对教育提出了更为 迫切的要求，而这些要求用传统的教育方法是很难实现的。计算机辅助教育就是 人们利用计算机这一现代技术解决教学中的许多问题的成功探索，它的发展反映 了社会发展的一种必然趋势。 2 ，计算机辅助教育的心理学基础 计算机辅助教育思想的形成受到两个心理学概念的影响：机器教学和程序 教学。美国心理学家锡德尼普莱西( s i d n e y ，p r c s s c y ) 在2 0 世纪2 0 年代提出来 的。他曾设计台自动教学机器。普莱西的教学机器因设计上的一些问题以及当 时的条件还不够成熟，而没有引起人们的普遍重视，但这台机器的出现是机器辅 助教学思想的萌芽。5 0 年代，美国教育心理学家斯金纳( b f s k i n n e r ) 在普莱 西的教学机器基础上提出了学习材料程序化的想法，后来发展为不用教学机器而 只用程序教材的“程序教学”。作为存储和处理信息的计算机，是实现这些方法 的一种理想工具。正是在这些理论的指导下，计算机成了重要的教学工具，从而 产生了计算机辅助教学。特别是随着心理学的进一步发展，更是为计算机辅助教 学的实旋和开展提供了直接的、有力的依据和支持。 ，学习过程的自组织观 人的学习是一个自觉能动的、通过语言、文字和图像等中介作用，掌握间 接经验、获得直接经验并形成一定能力的过程。它既是人的外部活动内化的的内 部心理操作，又是个体在社会传递下进行实践性外部活动而内化的社会建构过 程。学习的目的则是心理索质结构得以建构和更新，使学习系统的心理素质结构 不断向更高层次的有序状态发展。 心理素质不外是人们对现实的认识因素、情感囡素与人反作用于现实的动 作因素的集合，学习所要建构的心理结构主要是能力结构和人格品质结构。各种 能力是各种概括化、系统化的知识与技能：各种人格品质足各种概括化、系统化 了的人格行为倾向。我们把个体的知识技能和人格品质称为心理结构的基本要 素。大量事实表明，各要索不是各自孤立的，而是互相联系、互相作用、互相耦 合的。这种相互作用不能用数学的线性关系进行描述，而是呈非线性关系的特点。 这种非线性关系的特征完全是由于学习系统本质上属于能动的生命系统的范畴。 学习系统之所以能够逐步形成复杂的有序结构，是因为它接受了输入的负熵流 ( 如信息、食物等) 。奥地利物理学家薛定谔在1 9 4 4 年出版的生命是什么一 书中指出，任何一个生命体都必须通过新陈代谢不断从外界吸收负熵流( a 。s o ) ；当。s 的绝对值大于a ，s 时，生命体 总熵变p a i s + a 。s 则可为负值，保证生命体向着有序化程度增加的方向发育。 所以，生命体是依靠吃进“秩序”( 通过学习获得信息和物质流、能量流等) 来 维持有序结构，学习系统作为生命体于环境相互作用的反映系统，其结构的形成 和演化也受这一原理的支配。可见，学习系统是开放的、有序的、能动的反映系 统，或称自组织系统。 自组织学习不仅肯定学习过程对应一系列心理操作，而且也认为这一系列 心理操作就是激活的扩散。s h 印a r d 及其同事予2 0 世纪7 0 年代开展的“心理旋 转”的研究表明，人在完成某种作业或解决某些问题时，要依赖于视觉表象操作 过程这种视觉表象实际上是一种视觉思维，属于形象思维的范畴。这一结果支 持人类认知、学习、判断和推理是往往要进行操作或运算的观点，也支持形象化 教学和程序化教学，为计算机辅助教学提供了充分的心理学依据。 ，学习过程的智力发展阶段论 早在2 0 世纪5 0 、6 0 年代，著名心理学家皮亚杰就对儿童认知过程的心理 运算作了深刻的研究，并为同时代和后代的教育家们广泛接受，他的智力发展阶 段论科学的划分从幼儿到青少年智力发展从感知运算到具体运算和最后到形式 运算的心理建构的不同特征和几个阶段。其中1 6 岁左右的青少年，亦即对应于 中学生的阶段，学生智力水平正处于从具体运算阶段过渡到形式运算阶段。具体 运算阶段的儿童，其认知的特点是离不开具体事物的感知，学习活动依赖于丰富 的直观、生动的形象和实际操作，在心理的内化建构方面。首先是实物动作和实 物形象内化为表象思维，表象和语言的出现大大扩展了儿童描述和改变环境的能 力，然后是实物动作内化为具有可逆性和守恒性的具体运算阶段，思维的内容与 形式未分离：在心理的外建构方面，逐步摆脱了人为主义的特点，逐渐形成时间、 空间、因果性、偶然性等一系列逻辑概念。在形式运算阶段动作协调进一步内 化，思维形式从具体内容中解放出来，儿童不仅在外化建构中处理同化现实客体， 而且有能力运用符号系统去处理各种抽象的事物和关系，能够进行抽象思维、逻 辑演绎命题联合和提出假说等智力高度，从而使认识活动达到一个范围无限的可 能性世界到此儿童智力已接近成人水平丁。皮亚杰大量的心理实验研究还指明 智力发展过程的几大主要特征：第一，智力发展表现为几个不同水平的阶段，各 有其特殊的主要行为模式标志该阶段的智慧特征，阶段之问不是量的差异而是质 的区别。第二，智力发展后一阶段的图式渊源于前一阶段，前一阶段又总是被整 合到后一阶段，即高级图式是从低级图式中分化发展出来的。第三，智力的阶段 发展不是一蹴而就的，前后阶段具有一定程度的交叉重叠。第四，智力阶段的发 生年龄因个体和环境的差异有所不同，但差异无论多么巨大，也不能改变智力发 展的定向性和有序性。 智力发展阶段论和发展过程的几大特征的理论成为2 0 世纪6 0 年代以来众 多教育家探索形象化教学和程序化教学的指导思想。本文将研究对象定位于中学 生，特别是高中学生，按照皮亚杰的理论，正处于智力水平由具体运算向形式运 算过渡的阶段，显然，计算机辅助教学因其生动的形象、丰富的信息和灵活多变 高速快捷的处理功能，对课堂教学中促进学生智力发展、提高教学效率是其独特 优势的。 ，学习过程与信息加工模型 计算机辅助教育思想受到现代心理科学发展的深刻影响，除上面涉及的“自 组织学习”和“智力发展阶段论”外，美国当代最杰出的教育心理学家r m 加 涅的理论给予了计算机辅助教学最强有力的支持，r m 加涅是受过严格的行为主 义心理学训练的心理学家，在他的学术生涯中，既吸收了信息加工心理学的思想， 也吸收了建构主义的心理学思想，逐步形成了一个能解释谍堂学习的学习论新体 系，并提出了一系列教学设计原理和技术。加涅的“学习与信息加工模型”对教 学设计具自_ 重要的意义。该模型告诉我们，学习活动，不管是短暂的还是持续的， 都是几个阶段所组成的：从感觉登记到短时记忆；从短时记忆到长时记忆；长时 记忆储存；提取；工作记忆：反映发生器；作业：反馈。学习从感受器接受刺激 开始，到紧跟学习者反映之后的反馈结束。在这些事件之间是若干内部加工阶段。 教学不仅仅是呈现最初的刺激，相反它是由影响若干不同学习过程的多种不同外 部刺激构成的。学习的内部过程及其所受外部事件的影响可简表于下： 内部过程外部事件及其影响计算机辅助教学的作用 注意刺激变化产生提供生动、直观的形象 ( 接受)唤醒( 注意)以引起注意 选择性物体特征的增强和差异模拟并有效展示重点 研究促进选择性知觉和关键内容 语义 言语指导、图片、图表配合语言提供编码程序 编码可提供编码方式和清晰的条理 提提供或呈现如图表、箭头 人机对话、师生对话， 取等线索帮助提取 活跃课堂气氛 反应就学习目标进行言语指导， 配合言语，及时反馈，使 组织告诉学习者所要的行为类型学生处于中心地位 控制 通过言语形成定势从而配合言语，引导思维动， 过程选择合适的策略 使教与学更加有效 预告知学习者目标，从而形提供并高效展示目标、纲要，促 期成对行为表现的具体预期使学习者达到预期的效果 假定学习者具备某种学习动机，则构成学习的内部加工正在进行。当精心 计划学习结果阻后，便能以同样的方式计划这些教学事件，从而获得这些学习结 果。自然，学习者能通过他们自己的学习控制过程影响内部过程。事实上，随着 学习者经验的获得，可以期望要求他们获得一种对其自身过程更大程度的控制， 这种控制将会变得越来越有效。因此，随着学习的继续，学习者便能在更大的限 度内从事自学。可以预见，随着学习者在自我教学方面经验的增加，所需的外部 提供的教学支持将会变化。表中第三栏充分显示了以计算机为核心手段的多媒体 教学，对注意、编码、控制、反馈、总结、自学等都将发挥重大作用。 3 ，计算机的诞生和发展奠定了计算机辅助教育产生的物质基础。 电子计算机实质上是用电子信号作为数的信号，用信号的变化实现运算的 机器。 最早的机械计算机由德国数学家莱布尼兹( w v l e i b l i z ) 于1 6 7 3 年制成。 现代计算机的基本原理是由英国剑桥大学数学家查理巴贝奇( c b a o b a g e ) 提出 的。1 8 2 2 年他设计了一台差分机，采用电控机械装置，很类似现代的电子模拟 计算机。1 9 3 8 年德国的朱思( z u s e ) 发明了第一台程序控制的机电式数字计算 机，又经过7 年的努力，由i b m 公司制成了名叫m a r k l 的第一台数字式计算机， 赠送给哈佛大学，其主要元件是继电器，所以成为继电器计算机。 世界上第一台数字式电子计算机是由美国宾夕法尼亚大学莫尔学院电予系 为美国陆军军械部阿纳丁弹道实验室研究所制造的。用于炮弹弹道轨迹计算，于 1 9 4 3 年6 月5 日由莫尔学院与美陆军部正式签订合同，军方投资4 8 万美元，由 物理学家莫克利( m a u c h l y ) 设计，1 9 4 5 年底宣告竣工，并于1 9 4 6 年2 月1 4 日 举行正式揭幕典礼。当时称谓e n i a c ( e l e c l x o n i cn u m e r i c a li n t e g r a t o ra n d c a l c u l a t o r ) 。e n i a c 整机使用了1 8 8 0 0 只电子管，7 5 0 0 只继电器，重3 0 吨，时 钟频率为1 0 0 k h z ，占地1 7 0 立方米，耗电1 5 0 k w ，每秒钟运算5 0 0 欢加法， e n i a c 虽然笨重，工作也不太稳定，但其运算速度比当时最快的计算工具提高 了近千倍，特别是他的设计思想是划时代的，且用了最新的电子技术，其体系结 构代表了科学技术发展的一个里程碑，从此开创丁电子计算机时代。 从e n i a c 开始，计算机技术加速向前发展的，大致经历了四个时代。 第一代电子管计算机( 1 9 4 6 一, 1 9 5 8 年) ，历时1 2 年，计算机逻辑部件主 要是电子管组装，主存储器用磁鼓或延迟线，机器体积庞大，用机器语言编写程 序。运算速度每秒数千次到几万次，可靠性差。主要用于军事和科研的数值运算。 第二代晶体管计算机( 1 9 5 9 1 9 6 4 年) ，历时5 年。主要逻辑部件用晶 体管组装，主存储体采用磁：薛体，体积大为缩小。运算速度可达每秒几十万次， 可靠性也大为提高。产生丁对汁算机系统资源进行控制和管理的软件操作系 统和高级程序设计语言，如a l g o l 6 0 、c o b o l 、f o r t r a n 等，外部存储器已 采用了磁盘。由于操作系统对系统资源管理，人们使j j 的效率和计算机本身的工 作效率都大大地提高。在应用上除数值计算外，已扩展到工业自动控制和各种事 务的数据处理如出现第一个计算机教学系统。代表机型有i b m 3 6 0 系列。随莉计 算机应用在教育上的推广，物理计算机辅助教育开始出现。 第三代集成电路计算机( 1 9 6 5 年一1 9 7 0 年) ，历时6 年。主要逻辑部件 是中小规模集成电路，即在单位面积( 4 r a m 2 ) 的：吝片上能集成1 0 0 个以内的晶体 管。主存储器仍用磁芯，但机种多样化、系列化。软件方面产生了众多的程序设 计语言，如b a s i c 、p a s c a l 等，同时也出现了数据库系统。外部设备更加完善， 远距离终端迅速发展并与通讯设备结合产生了计算机网络。运算速度每秒可超过 数百万次，可靠性的提高进一步扩大了计算机在各个领域的应用。代表机型有机 n o v a 、i b m 3 7 0 系列。 第四代大规模集成电路( 1 9 7 1 年以后) ，逻辑部件主要用大规模集成电 路( 1 0 3 以上个晶体管4 咖2 ) 。主存储器采用大规模集成电路半导体存储器，体 积大大缩小，运算速度高达数千万次以上乃至上亿次。 显然，随着计算机的发展，计算机硬件、软件的发展以及计算机网络的出 现，计算机处理问题、解决问题的能力的提高，计算机越来越能够胜任信息社会 对教育提出的目标要求。计算辅助教育c a i 随着计算机的发展并以此为物质基础 也经历了四个阶段。 二、计算机辅助教育兴起与发展 l ，c a i 有关概念 计算机辅助教育( c o m p u t e r - b a s e de d u c a t i o n ) ，简称c b e 。习惯上，将计 算机在教育领域的各类应用统称为c b e 。一般认为c b e 包括三个方面：计算机 直接用于支持教与学的各类应用，即计算机辅助教学( 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 。) ；计算机用于实现教学管理任务的各类应用，即计算机 管理教学( c o m p u t e rm 蚰a g e di n s t r u c t i o n ，简称c m i ) ：计算机支持的学习资源 ( c s l r - - - c o m p u t e r - s u p p o r t e d l e a r n i n g r e s o u r c e ) 。c s l r 包括计算机化图书馆和 教学资料库、作为教学辅助材料的各类电子出版物、利用i n t e m c t 上的丰富信息 资源支持的教师备课和学生课外学习。此外还有c b l ( c o m p u t e r - b a s e dl e a r n i n g 计算机化学习) 和c a l ( c o m p u t e r - a s s i s t e dl e a m i n g 一计算机辅助学习) ，这 两个概念更强调计算机帮助“学”的方面。 2 ，c a i 的发展历史 美国是进行计算机辅助教学研究和应用最早的国家，所以c a i 的历史基本 上足美国发展历史为主线。四十年来，c a i 的发展大体经历了四个阶段。 形成阶段( 1 9 5 8 年一1 9 6 j 年) 1 9 5 8 年美国i b m 公司利用一台i b m 6 5 0 计算机连接一个电传打字机向小学 生教授二进制算术，并根据学生的要求产生练习题。这是世界上第一个计算机教 学系统。这一时期的主要特点是以一些大学和计算机公司为中心进行计算机辅助 教育的软件、硬件的开发研究工作，出现了一些有代表性的系统。物理计算机辅 助教育开始出现。 实片! i 化阶段( 1 9 6 5 年一】9 7 5 年) 这一时期的第一个特点是研究规模扩大，先期的研究成果大量投入应片j ， 美国国家基金会几次投入了大量的研究经费：第二个特点是计算机辅助教育的应 用范围不断扩大，进一步趋向实用化。除了原有的数学、物理等科目，在医学、 语言学、经济学等学科均开展了计算机辅助教育。 发展完善阶段( 1 9 7 5 年一8 0 年代后期) 特点有三：第一，大型的计算机辅助教学系统进一步的完善；第二，微型机 的出现，使计算机辅助教育有了突破性的发展；第三，智能化计算机辅助教育 i c a i ( i n , e l l i g e n tc o m p u t e rh s s j s t e d n s t r u c t j o n ) 的出现对计算机辅助教 育的发展产生了重大影响。 成熟阶段 自进入9 0 年代以来，计算机辅助教育开始步入一个全新的阶段。这一时期 计算机辅助教育的显著特点是：多媒体化、网络化和智能化。特别是多媒体技术 和网络技术日益紧密结合，使得基于i n t e r n e t 的教育应用得到迅速的发展。这 一时期，各种丰富多彩的教育信息资源不断出现，新颖的嘲上教学形式应运而生， 人们在网上建立了在线教育教学系统，出现了虚拟教室、虚拟实验室、虚拟图 书馆、虚拟校园和虚拟大学等新的概念。 3 ，c a 的基本原理 ，传统教学的基本过程。传统教学过程是一个循环过程，它由确定教育 目的和总的课程结构目标开始，最后以评价结束。 教学周期中的一般步骤 在教学活动中，教师和学生构成一个教学系统，教师和学生对教学信息进 行处理和传递，以完成教与学的任务。首先，教师对教学信息进行加工和处理， 并把教学信息通过语言、板书和其他辅助材料呈现给学生。其次，对学生的反映 进行诊断和评价，了解学生对所学内容的理解和掌握程度。然后及时反馈给学 生，进入下一个循环。可以看出，教学过程是一个双向通讯的过程。 ，计算机辅助教学的基本过程 计算机辅助教学示意图 计算机 学生 计算机在程序的控制下，通过输出设备向人们呈现各种信息，并通过输入 设各接受使用者输入的各种信息，然后对信息进行判断，根据判断结果进行转移 和提供有针对性的提示信息，因此把具有教学功能的软件配合到计算机之后，与 学生构成教学系统，完成一定的教学任务。 ，计算机和教师教学优点、缺点比较 计算机和教师教学优点比较： 教师优点计算机的优点 具有计划和开发能力 执行的速度快 能建立与学生的联系能准确地工作 具有综合信息的能力能收集和管理信息 能交流感情，能回答询问能促进学生学习 能在行为和价值方面作出样板重复执行某项任务而不会厌烦 有能力同多人小组一起工作能较好地实现个别化教学 有能力督促学习和有应变能力 教师和计算机的缺点比较： 教师的缺点计算机的缺点 个别化教学时问较少不能产生自发的问题 开发工作时间不够不能有效地同众多学生同时工作 不能有效追踪学生成绩不能示范一定的行为类型 不能客观评价学生的成绩 总之，老师教学和计算机教学备有优、缺点，我们不能因为各自的缺点， 而不看到各自的优点，最重要是将他们的优点结合起来。笔者认为在物理课堂l 教师的作用是不可替代的，有些知识完全可以用教师的形蒙语言、演示实验等手 段来透彻地表达，就不必非要用计算机不可。同样，在课堂上，如果在传统教学 手段和教师语言所4 ；能逮及的地方，用汁算机辅助物理教学，让学生对物理规律、 物理概念和物理定理有深刻的理解，那又为什么不用计算机多媒体教学呢? 我们也强调学生在课堂以外的学习。我想就这一点而言，计算机辅助教学 确实有其优势。教师不可能随时地、不厌其烦地教你，但计算机就可以。 4 ，多媒体计算机辅助教学系统 一个完整的计算机辅助教学系统由硬件系统和软件系统组成。 ，硬件组成 基本多媒体硬件系统 c p u ，主频应在3 0 0 m h z 以上； 内存储器，大于3 2 m b ： 硬盘，大于4 - 3 g ： 显示卡， ) c i a g p 总线，显示内存大于2 m b ； 声音卡，1 6 位采样，带波形表合成功能： c d r o m ，大于1 6 倍速： 立体声音箱，一对； 打印机，激光或喷墨打印机。 如果要开发多媒体c a l 课件，还应配备以下外部设备： 扫描仪，用于输入照片等平面图像： 摄、录象输入设各，用于采集图像及影象： 话筒和m t d i 录入设备，用于课件的配音： 光盘刻录机，用于产品的备份和发行。 多媒体c m 教室 许多学校建立了多媒体教室，并且将其与校园网建设结合起来，形成多媒 体网络教学系统，这代表了计算机教育的发展趋势。 多媒体教室包括两种类型：普通多媒体教室和交互式多媒体教室。他们都 可以利用本身的系统点播位于多媒体信息资源系统中的多媒体课件等多媒体信 息。 普通多媒体教室 普通多媒体教室的功能主要是利用教室内配备的多媒体计算机和大屏幕投 影仪等设备向学生播放多媒体课件，配合教师进行课堂讲解。如果接入校园网， 还可以登录到多媒体教学课件库，点播所需要的多媒体课件或下载所需的多媒体 课件到本地进行播放。 普通多媒体教室的硬件设备主要包括一台由主讲教师控制的多媒体计算机 和一些投影设备；软件包括多媒体网络软件( 包括服务器软件和客户端软件，软 件安装在服务器和教室内的计算机上面) 。 交互式多媒体教室 1 4 交互式多媒体教室不仅实现对多媒体课件的点播功能，而且老师和学生之 间可以通过多媒体教室内各自桌面的多媒体计算机进行交流。在交互式多媒体教 室中，教师通过自己的主控多媒体计算机登录到多媒体教学软件库，选取所需的 多媒体教学课件下载到本机进行播放，教室中的每台学生用机同时显示教师用主 控机所播放的多媒体课件，主讲教师可以通过主控机的控制平台控制每一台学生 用机的具体情况。 交互式多媒体教室的设备主要包括教师用主控多媒体计算机、学生用多媒 体计算机、多媒体教学控制设备。 ，软件系统 下图是多媒体计算机辅助教学系统的软件组成，包括系统软件和应用软 件两部分。 多媒体c m 系统的软件组成 软件 系统软件 操作系统 文字处理系统 高级语言 汇编语言 数据库管理系统 网络通讯软件 常用服务软件 c a i 应用软件 c a i 课件 f 图彤图像采集和处理软件 l 动画编辑软件 c a 工开发工具 声音采集和编辑软件 l 文字输入和编辑软件 i 表处理软件 c a i 创作系统 嚣茎器藉 a 系统软件 操作系统 m p c 系统中采用最多的操作系统仍是微软公司的w i n d o w s 9 5 或 w i n d o w s 9 8 ，它们能同时运行多个程序，执行多个任务，能很好地支持多媒体及 网络。 语言系统 语言系统是编制所有软件的基本系统。无论是系统软件还是各种应用软件 ( 包括c m 课件) 都可以用计算机语言编写程序。计算机语言的种类丰富，可 用于不同日的。例如有m i c r o s o f t v i s u a l b a s i c ( 简称v b ) ，有m i c r o s o f t v i s u a l c + + 等等。 数据库管理系统 数据库管理系统是操纵和管理数据库的系统。m p c 上流行的数据库有 v i s u a lf o x p r o ，a c c e s s 等等。无论是c a j 中的试题库系统还是c a i 系统自身的 管理系统都可以由数据库管理系统开发。 b c m 主要应用软件。 课件 课件是计算机辅助教育系统中最重要的应用软件。现在c a i 课件广泛采 用动画、影象、音响等多媒体形式，使得c a i 软件的使用更方便、效果更好。 工具软件 图形图像采集和编辑软件如p h o t o s h o p 、3 d m a x 等等，动画制作软件如 d i r e c t o r 等都为工具软件。 课件写作系统 课件写作系统( c o u r s e w a r ea u t h o d n gs y s t e m ) 是为了方便开发课件、提 高课件开发效率、减少低层次的重复开发而推出的c a 开发软件。 c a 专用语言 一般地，通用的计算机语言没有特别考虑教学软件的特点和要求。因此， 国内外许多人曾致力于c m 专用语言的研究。目前比较流行的是在微机上运行 的p i l o t 语言( 1 9 6 8 年由美国加洲大学旧金山分校研制成功) 。 c a i 写作系统 c a i 专用语言简化了编程过程，但c a i 的课件设计者普通教师仍然要学 习语言和程序设计，对课件的人机界面设计也不方便。在c a i 专业研究人员多 年的努力f ，终于研究出不需要专门编程的c a 课件写作系统。如由m a e r o m e d i a 公司开发的a u t h o r w a r e 目前公认的交互能力最强的多媒体著作工具。它是一种 基于主流线和殴计图标的多媒体编辑平台。a u t h o r w a r e 采用可视化的编辑环境， 不需要直接编写程序，只要将代表媒体机交互功能的图标像堆积木那样移入设计 6 窗口内组成流程图，就形成j ，应用程序的“源代码”，完成对媒体的控制。同时， a u t h o n v a r e 也具有丰富的函数和程序控制功能，将编程语言和编辑系统很好地融 合在一起。笔者在后面要展示的“玻尔氢原子理论”课件就是在a u t h o r w a r e 平 台上制作的 5 ，c a 课件的开发过程 课件开发从计划开始，首先应明确课件开发的目的，它足以研究为目的， 还是以教学为目的。用于教学为目的的课件应明确以下几点： 课件的教学内容和性质 谍件的使用特性。 在教学中的地位。 谍件设计应解决的基本问题是课件中教学内容和教学过程的设汁。教学内容 的设计应给出课件中每一帧框面上所呈现教学内容。教学过程的设计应给出课件 中的教学过程及其控制。制作课件就是编程。 谍件投入运行前，还要进行全面的测试。测试包括功能测试和效果测试。 功能测试包括课件的各项技术功能，如对教学信息的呈现功能，对教学过程的控 制功能等。效果测试是指课件的总体效果和教学目标完成的情况。 课件的开发过程是反复循环的过程，只有对课件各方面不断总结，不断改 进，才能使课件逐步达到令人满意的效果。 课件开发的一般流程 6 ，课件c a i 的评价方法 一般地讲，对软件的评价包括六个方询 功用度：指满足功能需求的能力 可靠性：指在规定的条件下和时间内运行成功的程度 可用性：指用户对学习、操作使用效果的评价。 经济性：指使用时间和资源的特性。 可维护性：指对软件修改的难易程度。 通用性：指可装配性和可移植性。 特别重要的是对教学内容和教学质量的评估 内容是精确的 内 内容是有教育价值的 容 内容有无种族、性别歧视 目标确定良好 确定之目标已达到 教 内容呈现清晰、逻辑合理 对于预计的学生难度是适当的 学 图像，色彩声音运用适当 课件的应用有激励动机的作用 质 有效地激励了学生的创造能力 对学生的回答反馈有效 量 学生控制了呈现的速度和顺序 教学符合学生过去的经验 学习在一定范围情况下有普遍性 补充的用户材料是有效的 补充的用户材料是可以理解的 信息显示有效 能独立方便地使用它 教师能方便地应用课件 程序适当地发挥了计算机有关能力 在正常的情况下，程序是可靠的 以上是著名评估组织m i c r o s i f t ( m i c r o c o m p u t e rs o f t w a r ea n di n f o r m a t i o n f o rt e a c h e r s ) 对c a i 课件的评价标准。 从表中可以看到，c a i 课件的评价重点是它的教学质量。尤其在目前，技 术上的问题基本都得到解决，我们可以把精力集中在它的内容的设计上。 第二部分：计算机辅助物理教学研究 一、物理学科的特点及计算机辅助物理教学的出现和发展的必要性 物理学是一门以实验为基础的科学。这主要表现在人类的物理知识主要来 源于对自然的观察，特别是来源于物理实验。人们借助实验，通过对实验的数据 的采集、加工和处理，提出并建立假说，形成概念，找出规律。我们可以积极探 索多媒体计算机与物理实验的结合，实现对物理实验的实时控制及对实验数据的 自动化采集和处理，以更好地发挥实验教学的技能。 物理学是一门结构严谨的精密科学。物理学的学科体系是由一系列基本概 念、基本规律和理论按照一定的逻辑秩序组合而成的。其中物理概念是构成学科 知识体系的基石，物理规律和理论体系则是构成学科知识体系的主干。但对于物 理概念这个基石和物理规律和理论体系这个主于，学生在学习的过程中却常常遇 到很大的困难。因为无论是物理概念还是物理规律和理论体系都是建立在观察和 实验基础上的抽象思维的产物，学生往往缺少具体事物的直观性而难以达到物理 概念、物理规律和物理理论体系所要求的抽象性，这是学生感到物理难学的主要 原因之一。恰恰在这一点上，计算机辅助教学有其独到的优势。它能提供代替的 经验，使抽象的物理概念理论半具体化，具体物理事物现象半抽象化，减小了由 具体物理事物、现象上升到抽象的物理概念、理论的难度，即在具体和抽象之间 建立了半具体半抽象的过渡阶段，从而使物理教学、物理学爿变得比较容易，既 容易转向具体形象化，也容易转向抽象概念化。 物理学是自然科学的基础学科拥有广泛的应用领域。物理学的研究对象 是自然界中最普遍、最基本的物质运动形态和物质的基本结构，而物质的这种运 动形态和基本结构存在于大到宏观天体的物体和小到微观粒子如原子，电子7 ，至 夸克之中。这样大的物体和这样小的物体，用普通办法如挂图来描述，始终教学 效果不佳，不能反映其动态的变化规律。而计算机辅助教学在这方面可以发挥很 好的作片j 。它可以模拟宏观物体，也可以化微观为宏观，可以用动画、活动视频 来体现物理中“动”和“变”的特点。所以我们应重点开发有利于解决物理这些 难点和重点问题的课件。 物理学不仅应该使学生掌握了物理事实、现象、概念、规律以及理论体系 等基础知识，更重要的是应该培养学生的创新精神和培养学生的实践能力和学生 主动学习的能力。我们应当重点开发有利于学生主动学习和有利于培养学生创新 精神、实践能力的课件。基于i n t e r n e t 网络的物理辅助教学能给学生提供自主 的物理学习环境。在这个环境中，学生可以对物理知识主动地探索，主动地发现， 发挥了学生学习的主观能动性，有利于发展学生的创造性和创新精神。 基于i n t e r n e t 网络的物理辅助教学能创设物理学习情景。比如对于一个优 秀的物理教学主页，知识的呈现方式，已不再仅仅是文字和声音，还有图像和视 频等多媒体知识的情景，可以模仿和虚拟。能够产生身临其境的逼真效果。当学 生回到实践后，利用已有的逼真的效果的影响，将半具体化的理论应用于实践， 少走理论应用于实践的弯路，使学生的实践能力迅速地提高。 二、物理课件制作所遵循的原则 l ，科学性原则。 物理课件设计不能出现科学性错误。不能将错误的物理概念和原理教授给 学生，这一点似乎人所共知。但是，市面上出售的物理教学光盘恰恰在这一点上 没有过关。笔者在一次物理课件展示会上看到一个课件大气的压强。在这个 课件的开头，在旋转的地球外制作了一层厚厚的大气。但有老师指出，怎么地球 的旋转是东到西的。多媒体物理课件作为固化的宜于推广的科研成果，一旦出现 科学性错误，造成的损害远远不是一个物理教师的失误可比拟的。所以，成都市 第一届物理课件评比赛中，在课件的评价标准中，严格规定物理课件有科学性错 误不得入围参加评比 2 ，教育性原则。 要按照学生的认知规律，要充分利用多种媒体，用文字、图像、动画、声 音对学生的视觉和听觉形成良性刺激，使物理课件具有启发性、针对性和交互性。 3 ，艺术性原则。 优秀的多媒体物理课件是思想性和艺术性的和谐统一体。在可能的情况下， 课件展示的语言文字应