（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）有限元法多媒体教学软件研制.pdf

略尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文介绍的有限元法是适应计算机的使用而发展起来的一种比较新颖和 有效的数值计算方法。近些年来，被广泛的应用在船舶、航空、建筑、桥梁、 汽车甚至于电子通讯领域。然而，有限元法教学还停留在黑板加粉笔的时 代。这就很难适应有限元法的高速发展对教育培训方面的要求。这也是本课 件开发的晟初目的。 多媒体课件是计算机辅助教学的重要组成部分。本课件利用多媒体技术， 通过对杆、梁和板等简单结构分析过程的形象演义，使复杂的原理简单化。 使得学习者能对有限元分折原理和过程有清楚的认识。通过大量的交互，使 流程的控制更加灵活。学习者可以自由控制自己的学习进程，同时交互的设 置电能及时解答学习者在学习过程中遇到的疑难问题。 本课件是在计算机辅助教学的基本理论指导下，按照多媒体课件开发的 步骤完成的。同时，本课件主要利用了课件写作系统a u t h o r w a r e 这一开 发平台。重点在于利用a u t h o r w a r e 强大的兼容性，在其内部实施对f l a s h 动画的调用和控制，使两种多媒体开发平台形成优势互补。正是这一崭新的 组合使得最终得到的课件更形象、更生动。 最终得到的有限元多媒体教学软件可以应用于课堂教学，在老师的引导 下，实施有限元课程的讲授。从而起到丰富教学内容，减缩教学时间的作用。 同时也可作为学生自学用软件，使学生在没有老师的情况下，也能对有限元 基本理论有相当的了解和认识。 关键词：有限元法；计算机辅助教学；多媒体课件；a u t h o r w a r e ：f l a s h 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef in i t ee 1 e m e n tm e t h o d p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r i san e w e f f e c t i v em e t h o d w it ht h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，ag r e a t p r o g r e s si sm a d ei nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d i nt h ep a s tf e wy e a r s ， t h em e t h o dh a sb e e nw i d e l yu s e di ns u c hf i e l d sa s s h i pb u t l d i n g 、 n a v i g a t i o n 、a r c h i t e c t u r e 、b r i d g e 、a u t o m o b i l e ，e t c e v e ni ne l e c t r o n i c c o m m u n i c a t i o df ie i d ，i th a sb e e ni n t r o d u c e dt o o b u tt h ee d u c a t i o nf o r t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di ss t i l ls t a g n a t i n gi nt h eb l a c k b o a r da n d c h a l ka g e s ot h em e t h o d so fi n s t r u c t i o na n dt r a i n i n ga r en o ta d a p t e d t ot h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d i ti sj u s t t h et a r g e to fe x p l o i t i n gs u c hac o u r s e w a r et os o l v et h i s p r o b l e m m u l t i m e d i ac o u r s e w a r ei sa ni m p o r t a n tp a r to fc o m p u t e ra s s i s t e d i n s t r u c t i o n b yu s i n go fm u l t i m e d i at e c h n i q u e sa n dv i s u a l i z i n gt h e a n a l y s i sp r o c e s so fs i m p l ef r a m e w o r ks u c ha sb a r 、b e a ma n dp l a t e ， t h e o r i e sa r es i m p l i z e d ，a n dt h ec o u r s e w a r ew i l lm a k el e a r n e r sc l e a r o ft h e o r ie sa n dp r o c e s sa b o u tt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i nt h i s p a p e r ，al o to fi n t e r a c t i o nh a sb e e na d o p t e dt om a k et h ef l o wc o n t r o l o ft h ec o u r s e w a r em o r ef l e x i b l e l e a r n e r sc a nc o n t r o l t h el e a r n i n g c o u r s ef r e e l ya n dq u e s t i o n so ft h e mw i l lb e a n s w e r e di nt i m e u n d e rt h e d i r e c t i o no f t h e p r i n c i p l e s o f c o m p u t e ra s s i s t e d i n s t r u c t i o n ，t h i sc o u r s e w a r ew a sc o m p l e t e da c c o r d i n gt ot h es t e p so f m u l t i m e d i a c o u r s e w a r e e x p l o ir a t i o n i n t h i sc o u r s e w a r e t h e c o u r s e w a r ea u t h o r i n gs y s t e m a u t h o r w a r ei s m o s t l yu s e d t h ee m p h a s i s i s p l a c e d o n u s i n g t h e s t r o n gc o m p a t i b i l i t yo fa u t h o r w a r e a n d t r a n s f e r r i n go rc o n t r o l i i n gf l a s hm o v ef r o mt h ei n t e r i o ro f a u t h o r w a r e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s o p r e d o m i n a n c e o ft h e s et w om u l t i m e d i a e x p l o i t i n g s o f t w a r e sa r e ia t e g r a t e d o b t a i n e da t t h em u l t a n df t i sb e c a u s e 1a s tb e c o m em o r e i m e d i at e b eu s e dt ot e a c ht h e o ft h ei n t e g r a t i o nt h a tt h ee o u r s e w a r e v i s u a l i z e da n a c h i n gs o f t w a r e f i n i t ee l e m e n t o ft h e d1 1 v e l y f i n i t ee 1 e m e n tm e t h o d m e t h o dc o u r s e b yt h es t e e r s c a n o f t e a c h e r si nc l a s s i ti st h ee f f e c to ft h ec o u r s e w a r et or i c ht e a c h i n g c o n t e n t sa n dr e d u c et e a c h i n gt i m e o nt h eo t h e rh a n d ，t h es o f t w a r ec a n b eu s e din s t u d e n t s s e l f s t u d ya n dh a v et h e mc o m p r e h e n dt h eb a s i c t h e o r i e so ft h ef i n it ee l e m e n tc o n s i d e r a b l yw i t h o u tt h eg u i d a n c eo f t e a c h e r s k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ：c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ： m u l t i m e d i ac o u r s e w a r e ：a u t h o r w a r e ：f l a s h 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文的目的和意义 当前，世界上正进行着一场以信息科学技术发展为主流的科学技术革命， 人类社会正由工业社会进入信息时代。步入2 l 世纪后，多媒体技术随着国际 互联网的发展而同趋成熟，多媒体计算机辅助教学( c a i ) 也随着计算机技术 的发展而成为教学中一种必不可少的工具。 计算机进入教育领域，使得教育体制和教育模式发生了根本变革。使得 教育模式不再受时间、空间、地域的限制，教育的全民化、终身化、多样化、 自主化、国际化成为可能。有了计算机，每个人都能得到每个学科第一流老 师的指导。而这些教育技术所具有形声性、再现性、先进性和高效性，为现 代教育开辟了新的领域，如网络教学、多媒体教学等，解决了传统教学无法 解决的问题；在已有的领域，也由于计算机辅助教学的天生丽质而较传统教 育方法明显优越。看重计算机辅助教学的优越性，世界各国都大力发展。美 国的大中小学已于1 9 9 7 年全部接通国际互联网，英日德法等国的各级各类学 校也广泛应用了计算机和网络。目前在我国，中国教育和科研计算机网用户 是目前国内最大的国际互联网的用户群。 与科技发展和媒体进步相反，我们的教学实践绝大部分还停留在黑板、粉 笔的年代。教学人员不得不在粉尘弥漫的讲台上呼吸、讲课。就“有限元法” 这门课程而言，教学过程中，要书写大量的公式，而每个公式的规模也相当 宏大，任课老师授课时非常辛苦，收到的效果却不尽如人意，看着占了整个 黑板版面的矩阵或公式，学习者的信心也将大打折扣。听课学生普遍反映， 课堂上书记量太大，学起来相对枯燥。现在学校教育强调学生的实践能力， 象有限元这样的原理课课时缩减很大，任课老师也很难在短暂的授课时间里 完整的传授有限元原理。所以现行的教育方式、方法、制度改革以及发展趋 势都要求多媒体技术的介入。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本文介绍的有限元法是适应计算机的使用而发展起来的一种比较新颖和 有效的数值计算方法。近些年来，被广泛的应用在船舶、航空、建筑、桥梁、 汽车，甚至于电子通讯领域。与此同时，有限元分析软件层出不穷，| = i f 渐完 善。它们都有自己的培训软件，但很少涉及有限元的原理，所以他们只是解 决了如何操作软件的问题，而没有解决为什么如此操作的问题。而在复杂结 构的有限元分析中，操作人员必须了解自己的每一步操作，才能正确建模和 分析，这就要求对其原理有清楚的认识。 所以在有限元分析广泛运用的今天，迎合现代教育的发展，有限元多媒 体教学软件的开发呼之欲出。 多媒体课件是计算机辅助教学的重要组成部分。它使得现代教育技术的 优越性得以充分发挥，它允许学生根据学习的需要及自己的学习经验、风格 选择感知方式：为学习者提供多重感官刺激，使其对学习更有兴趣：丰富的 交互方式提高了学生的参与性；为教师和学生建立资源丰富的教学环境等等。 因为课件的重要性，各方面都在积极开发，崭新的课件不断涌现，但是考虑 到需求，商业开发主要集中在通用学科，这一点从如今的市场上可以清楚的 看到。国家鼓励高校计算机辅助教学的发展，但在高校课件的设计中同样存 在这样的问题。九七年，教育部的全国高校c a i 软件培训中心主办了一次高 校课件评选，参展的4 2 0 多件作品中绝大多数也是通用性的，如力学、数学、 英语等，这里面显然考虑了投入产出比。当然，与花样繁多的专业相比，4 2 0 也只能算是一个小数字了。至于多媒体有限元教学软件，就至今还没有公开 出版的。与此相近，工程院院士，著名教授龙驭球在九五年主持过结构力 学计算机辅助教学课件的开发，并获得了第三届高校教材国家教委二等奖。 但课件只是针对结构力学问题，没有对有限元问题进行深入探讨。 1 2 本文工作思路 本文的思路是利用多媒体技术，通过对有限元分析原理的讲述以及对杆、 粱和板等简单结构分析过程的形象演义，把复杂事物简单化、抽象原理具体 哈尔滨工程大学硕士学位论文 化，使得学习者能对有限元分析原理和过程有清楚的认识；通过大量的交互， 由学习者自己控制学习进程，同时也能及时解答学习者在学习过程中遇到的 疑难问题。 本课件在教案设计过程中，借鉴了多篇有限元分析方面的著作，同时也 不断得到有相当任课经验的老师的纠正和指导。在对许多有限元著作分析的 基础上，我们认为，有限元的教学思路大体分为两类，一类注重对物理意义 的理解，在对有限元的各大知识点的讲解中，总是从物理意义出发，分析每 个方程，每个元素的物理意义，优点是简单而易于理解，缺点是理论上难以 深化。另一类注重数学推导，此类教学的思路是从变分原理、最小位能原理 等出发，对有限元分析进行推导。此类方法，思路清晰、结构严谨，也有利 于知识的进一步深化和拓展，但是这类方法，从一开始就引入诸多难于理解 的原理，引入过程中又涉及大量公式推导，使得整个过程显得繁琐并且艰涩 难懂。而在本谋件中，采用两种思路并存的方法。因为本课件的主要适用对 象是本科生或具有相当力学知识基础的人员，但他们未必善于数学推导。所 以在各个知识点的讲述过程中，开始的时候，总是先强调对物理意义的理解， 在对该知识点有了相当的理解之后，再从数学角度进行推导，使得理论进一 步得到了深化，同样也加深了对该知识点的理解。 1 3 课件开发的理论基础和软件平台 本课件是在综合了相关理论的基础上，开始思考、开发的。这些理论基 础包括计算机辅助教育理论、多媒体开发技术以及课件制作的方法等。 计算机辅助教育译自英文“c o m p u t e r b a s e de d u c a t i o n ”，其原意是“基 于计算机的教育”或“计算机化教育”。出于对这一新技术的谨慎态度国内将 其译为“计算机辅助教育”，简称为c b e 。一般认为c b e 主要包括两个方面： 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 a n a g e d i n s t r u c t i o n ，简称c m i ) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中，计算机辅助教学( c a i ) 是计算机辅助教育( c b e ) 中的重要组成 部分。狭义理解，c a i 是一种教学形态，是利用计算机的功能和特点，代替 ( 或部分代替) 教师面向学习者，促使学习者实现有效学习的教学形态。随 着c a i 的发展，我们可以在更广泛的意义上来理解这一概念。c a i 是一项重 要的新兴教育技术，代表了一个十分广阔的计算机应用领域，包括将计算机 直接用于为教学目的服务的各类应用。 c m 经历了几个不同的发展阶段，6 0 是年代是c a i 的启蒙年代( 主要在 美国) ，7 0 年代是c a i 的试验期( 主要在美国、西欧、日本) ，8 0 年代由于微 型计算机的广泛应用使c a i 得到很大的发展，9 0 年代的c a i 则进入了一个网 络化和多媒体化的时代，特别是9 0 年代末，i n t e r n e t 网络的广泛应用，使 c a i 的应用提高到一个崭新的阶段，不断向着网络化c a i 、多媒体c a i 的方向 发展。 多媒体技术在c a i 中的应用使其做到教学过程由学生自主控制，促使以 学生为中心的教育思想在c a i 中的确立；教学信息内容表达多媒体化；应用 多媒体人一机交互界面技术，使得课件可以进行实时控制。作为计算机辅助 教育系统中重要的应用软件，它包括用于控制和进行教学活动的计算机程序、 数据和文档资料及配合使用手册。随着多媒体技术的发展，c a i 课件中广泛 的采用了动画、影像、音响等多媒体形式，使得c a i 软件的使用更为方便、 效果更好。 所谓“课件”就是计算机辅助教学使用的课程软件，“多媒体课件”也就 是使用多媒体进行计算机辅助教学的课程软件“1 。它是通过计算机呈现教学 内容、结构和教师教学意图，知道和控制教学活动接受学生的要求和回答， 存储有关的教学资料，这样进行教和学的程序称为课件。课件的功能就是高 效的教学和充分利用计算机、多媒体技术等各种资源。 课件的组成要从两方面考虑，一方面要从用于教学考虑，由教学内容、 学生类型、教学策略三个要素组成。其中教学内容包括教材、知识内容和一 切要传递给学习者的信息。而学生类型是指关于学习者的一系列的信息，主 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要是关于学习者的学习状况。教学策略包括教学过程、教学方法以及教师引 导。不同的教学内容、学生类型、教学策略之间有着相互对应的关系。课件 的另外一方面是一种软件，它由数据、控制、人机交互接口三部分组成。这 三部分保证课件教学作用，同时也保证软件的本身运行。 课件写作系统( c o u r s e w a r ea u t h o r i 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 i 开发软件。1 。课件 写作系统也属于开发工具类。c a i 专用语言：一般说来，通用计算机语言没 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 a i 专用 语言的研究。1 9 6 0 年前后最早由i b m 公司开发了c o u r s e w r i t e r ，1 9 6 8 年美 国加州大学旧金山分校研制成功p i l o t ，其中比较流行的是在微机上运行的 p i l o t 语言。c m 写作系统：虽然与通用语言相比，c a i 专用语言简化了编程 过程，但c a i 课件的设计者普通的教师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 专业研究人员多面的努力下，终于研究出 了不需要专门编程的c a i 课件写作系统。美国得克萨斯大学与犹他州的杨伯 翰大学和m i t r e 公司，与1 9 7 2 年联合研制成功t i c c i t 生成型写作系统。日 本金泽工业大学和富士通公司联合研制了a c e 写作系统。目前，比较著名的 开发平台有m u i t i m e d i at o o l b o o k ，a u t h o r w a r e ，i c o n a u t h o r 等。 本课件是在多媒体开发软件a u t h o r w a r e 的基础上开发的。随着计算机日 新月异的发展，个人电脑以前所未有的速度和广度进入教育、科研和娱乐等 各个领域。并在这些领域中都有着深远的发展前景。就是在这种背景下，各 种多媒体编辑系统如雨后春笋一般被大大小小的软件公司开发出来。其中， 微软公司丌发的a u t h o r w a r e 是这些软件中的佼佼者。并且因为该软件特别适 合教学课件的开发，使其在教育领域内得到了广泛应用。 a u t h o r w a r e 是一种基于设计图标和流程线为结构的编辑平台，同时含有 具有丰富函数和程序控制功能，将编辑系统和编程语言较好的融合到一起m ，。 在增加了框架图标和导航图标之后，使得程序的流程控制更加灵活和方便。 a u t h o r w a r e 作为编辑平台，它能对其他素材进行调用，比如本课件制作过程 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中重点应用的对f l a s h 动画调用技术，就是a u t h o r w a r e 强大的兼容、综合功 能的一部分。 通过a u t h o r w a r e 对f l a s h 动画进行调用，使得本课件充分利用两种开发 软件的优点。用f l a s h 强大的平面动画制作功能弥补了a u t h o r w a r e 这方面的 不足，使得课件的动画效果更加生动、灵活。同时发挥a u t h o r w a r e 作为编辑 平台强大的兼容、综合能力，灵活、方便、思路清晰的特点。这样，本课件 在讲述有限元法的时候，使用者就很容易感觉到整个课件系统的思路清晰明 了，而在讲授具体某一个知识点的时候，课件在f l a s h 动画的帮助下，使得 授课形象、生动、易于理解。至于涉及到的a u t h o r w a r e 、f l a s h 以及它们之 间的调用、控制技术，详见后面章节。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章c a i 课件设计原理 2 1c a l 的理论基础 在现代教育技术领域中，c m 已经成为工作者注重实践的一个重要方面。 计算机作为教学媒体并非自然而然的优越于其它媒体，有效的c a i 实践离不 开合理的理论指导。本课件在开发过程中的方方面面都受到各种学习心理学 理论的影响。这些学习理论流派为c a i 领域的研究和发展提供了极为有利的 条件，就其对c a i 的影响来说，行为主义的学习理论、认知主义的学习理论 以及正在兴起的构建主义理论为c a i 的形成和发展奠定了坚实的理论基础。 2 ，1 1 行为主义学习理论与c a l 设计 1 行为主义学习原理 按经典的条件作用学说，让一个中性刺激伴随着另一个会产生某一反应 的刺激连续重复呈现，只知单凭那个中性刺激就能诱发这种反应，新的刺激 一反映( s - r ) 连接就形成了。例如，在著名的巴普洛夫实验中，铃声替代了 肉丸引起狗流口水。刺激替代现象在人体上也时有发生，例如讲课中当教师 转向黑板时，学生就会拿起笔来准备做笔记。虽然“转身”动作本身并非引 起“做笔记”这一反应的原始刺激；然而，经典的条件反射作用下建立的连 接属于随意性的学习行为，这种学习模式对于人类学习并没有多大帮助，反 而往往造成误会。 比较有意义的是斯金纳创立的操作性条件作用学说和强化理论。他把机 体由于刺激而被动引发的反应称为“应激性反应”，机体自身主动发出的反应 称为“操作性反应”。操作性反应可以用来解释基于操作性行为的学习，如人 们读书写字的行为。为了促进操作性行为的发生，必须有步骤的给予一定的 条件作用，这是一种“强化类的条件作用”。强化包括正强化和负强化两种类 型：正强化可以理解为机体希望增加的刺激；负强化则是机体力图避开的刺 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 激。增加正强化物或减少负强化物都能促进机体行为反应的的概率增加。这 - 一发现被提炼为“刺激一反应一强化”理论。按照这一理论，在学习过程中， 当给予学习者一定的教学信息“刺激”后，可能会产生许多反应。在这 些反应中，只有与教学信息相关的反应才是操作性反应。在学习者作出了操 作性反应后，要及时给予强化。 在应用条件作用学说和强化理论与人类学习研究的基础上，斯金纳提出 了程序教学的概念，并且总结了一系列的教学原则，如小步调教学原则、强 化学习原则、及时反馈原则等，形成了程序教学理论。5 0 年代后期，斯金纳 积极倡导程序教学运动。他设计了教学机器，提出了直线式程序教学的模式。 首先把教学内容分成一组连续的小单元，在学生进入一个新的单元学习前， 必须先回答一些关于前一个单元的问题。如果回答错了，程序或者向学生提 供一些暗示，或者直接告知正确答案。只有经过了这一关，且学生真正了解 了与前一单元相关的问题的正确答案后，才可能进入新的学习单元。程序教 学作为组织和提供信息的一种特殊方法，在操作中将预先安排的教材分成许 多小的单元，并按照严格的逻辑顺序编制程序，将教学信息转换成一系列的 问题与答案，从而引导学生一步一步的达到预期的目标“1 。 2 本课件设计中的行为主义原则 以行为主义理论为基础的计算机辅助教学有属于自己的一系列设计原 则，这些原则在本课件中得到遵守，现作以下总结： 规定学习目标：将教学期望明确表示为学生所能显现的行为，保证 行为主义心理学基本方面可观测的反应。 经常复习检查：在有限元课程的学习过程中经常复习和修正，以便 保证能够适当的形成预期的行为。 小步子和低错误率：将有限元法原理设计成一系列小单元，使单元 间的难度变化比较小，达到较低的错误率。 自定学习步调：允许学生自己控制学习速度。 显式反应与即时反馈：在本课俘进行过程中，包含频繁的交互活动， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 尽量多的要求学生做出明显反应，当学生做出反应时计算机应立即 给予反馈。 行为主义学习理论对c a i 的形成起到了不言而喻的作用。但它的某些思 想却与人们的日常经验存在很大的差异，按照这一理论基础设计的c a l 课件， 往往忽视了人们认识过程的主观能动作用，因此，仅仅依靠行为主义学习理 论框架设计的课件具有很大的局限性。 2 1 2 认知主义学习理论与c a i 设计 1 认知学习理论 认知学习理沦强调知识的获得不是对外界信息的简单接收，而是对信息 的电动选择和理解。人并不是对所有作用于感官的信息兼收并蓄，而是在认 知结构的控制、影响下，只对某些信息给予注意，受到注意的信息被选择接 收并加工。 认知学习理论认为，有意义的学习过程始终在认知结构基础上进行。先 学习的知识对以后的学习总会产生各种影响。认知学习理论强调的不是刺激 反应，不是环境和学习者的外部行为变化。它把学习看作是掌握事物并把握 事物内部联系的学习。它认为学习的本质是在语言符号表征的新概念和学生 认知结构中原有的适当观念之间建立实质性的、非人为的联系。 大多数认为理论采取大脑信息加工的理论假设，认为人的认识过程实际 上是一个信息加工过程。人们在对信息进行处理时，也象通讯中的编码与解 码一样，必须根据自身的需要进行转换和加工。 人们对外界的刺激及其反应有感觉寄存、短时记忆、长期记忆和控制等 四个过程所构成。外部刺激在控制过程的控制下，在感觉寄存、短时日忆、 长期记忆间进行传递和处理”，。 感觉寄存：面对外界大量的刺激，感觉寄存器应从这众多的刺激信 息中选取某种所需特定信息，称这个过程为注意选择。信息在感觉 寄存器中的保持时间较短，约为1 4 2 s 。在这一时间内，被选定的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 信息传至短时记忆区，为被传递的信息自动消失。 短时记忆：短时记忆不仅要对信息进行保持，还要进行对信息进行 编码等各种处理。为了延长信息在短时记忆过程中的保持时间，短 时记忆过程中需要对信息不断的进行编排，用以反复的激活记忆的 痕迹。短时记忆区是一个过渡性记忆缓冲器，其容量有限，只能记 录5 9 个信息块，只能保持大约1 5 3 0 s 。 长期记忆：短时记忆区中的信息经过复述和编码过程转化为长期记 忆，传递至长期记忆区后可长期保持。长期记忆区是一个相当持久 的、容量极大的信息库。长期记忆区中信息的记忆主要有插语记忆 ( e p i s o d i c ) 和语义记忆( s e m a n t i cm e m o r y ) 。插语记忆是对事实、 现象的记忆，如对某种宝石形状、光泽的记忆；语义记忆是基于语 言的记忆，例如对符号的意义，对关系、公式、法则和解题算法的 记忆。 控制过程：控制过程是对上述各种过程中信息流的控制，它包括感 觉通道的选择、模式识别、信息的传递和处理、反应的开始等各种 操作的控制。 2 本课件设计中的认知主义原则 认知主义学习理论在形成之初就与行为主义从不同角度在探讨学习。在 他们看来，环境的刺激是否受到注意或被加工，主要取决于学习者的心理结 构。学习者在以各种方法进行学习的过程中，总是在不断的修正自己的内部 结构。认知主义学习理论促进了c a i 向智能教学系统的转化。人们通过对人 类的思维过程和特征的研究，可以建立起人类认知思维活动的模型，使得计 算机在一定程度上完成了人类教学专家的工作。 以认知主义学习理论为依据，本课件的设计原则归并如下： 用直观的形式向学习者显示学科内容结构，让学生了解教学内容中 涉及的各类知识之间的相互关系。 有限元分析原理的讲述应适合学习者认知发展水平，按照由简到繁 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的原则来组织教学内容。 原理讲述过程中强调理解，有助于知识的持久和可迁移。 向学生提供认知反馈可以确认他们的f 确知识和纠f 他们的错误学 习。虽然行为主义教学理论也强调反馈的重要性，但认知主义教学 理论一般将反馈看作一种假设检验。 原理的讲述既要以归纳序列提供，又要以演义序列提供。 2 1 3 建构主义学习理论与c a l 设计 1 建构主义学习理论 行为主义的程序教学理论和认知主义的教学设计理论之间虽然存在着冲 突，但有一个共同点，即以客观主义认识论为基础。进入9 0 年代以后，客观 主义认识论遭到了来自建构主义认识论的挑战。建构主义认为，学习者的知 识应该是他们在与环境的交互作用中自行建构的，而不是灌输的。建构主义 的学习观点可概括为以下几个方面： ( 1 ) 学习是一种建构的过程 知识来自于人们与环境的交互作用。学习者在学习新的知识单元时，不 是通过教师的传授而获得知识，而是通过个体对知识单元的经验解释从而将 知识转变成了自己的内部表述。知识的获得是学习个体与外部环境交互作用 的结果。人们对事情的理解与其先前的经验有关，因而对知识的正误的判断 是相对的，而不是绝对的。学习者在形成自己对知识的内部表述时，不断对 其进行修改和完善，以形成新的表述，因而这一内部表述是一个开放的体系。 学习者在对知识单元进行学习时，实际上是形成了一个个的知识体。每一个 知识体就是一个小的结构，一个新的知识单元的学习是建立在原有的知识结 构的基础之上的。每一个知识结构包括基本要素，即知识单元和链。链就是 一个开放的等待完善的连接体，它保证了新的知识单元的追加。只有当学习 者真正掌握了所学的内容之后才能形成可靠的知识结构。也只有可靠的知识 结构才是追加新知识单元的基础。当然，这些知识结构并不一定是线性的， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 随着学习者的认知发展阶段的变化，它应当朝着多分支的方向拓展。也就是 晚，同时可以有着许多的链在等待新知识单元的追加”1 。 ( 2 ) 学习是一种活动的过程 学习过程并非是一种机械的接受过程，在知识的传递过程中，学习者是 一个极活跃的因素。知识的传递者不仅肩负着“传”的使命，还肩负着调动 学习者积极性的使命。对于学习者们的许多开放着的知识结构链，教师要能 止其中最适合追加的新知识单元的链活动起来，这样才能确保新的知识单元 被建构到原有的知识结构中，形成一个新的、开放的结构。 学习的发展是以人的经验为基础的。由于每一个学习者对现实世界都有 自己的经验解释，因而不同的学习者对知识的理解可能会不完全一样，从而 导致了有的学习者在学习中在所获得的信息与现实世界不相吻合。此时，只 有通过社会“协商”，经过一定时间的磨合之后才能达成共识。 ( 3 ) 学习应发生在丰富的情景中 学习发生的最佳境态不应是简单抽象的，相反，只有在真实世界的情景 中才能使学习变得更为有效。学习的目的不仅仅是要让学生懂得某些知识， 而且要让学生能真正运用所学知识去解决现实世界中的问题。 一些真实世界境态中，学习者的知识结构怎样发挥作用，学习者如何运 用自身的知识结构进行思维，是衡量学习是否成功的关键。如果学生在学校 教学中对知识记得很“熟”，却不能用它来解决现实生活的某些具体问题，这 种学习应该说是不成功的。 2 本课件设计中的构建主义教学原则 建构主义认为，学习者只能根据他们自己的经验解释信息，并且他们的 解释在很大程度上是因人而异的，这就对传统的教学设计理论提出了严重挑 战。行为主义教学理论注重于外部刺激的设计，认知主义着跟于知识结构的 建立，建构主义则特别关心学习环境的设计。从建构主义认识论和学习观出 发，教育专家们得出了一系列教学原则，可以指导教学设计和教学环境的设 计： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在每个知识点的讲述过程中，提出其解决的问题所在。使所有的学 习活动都应浚抛锚在大的任务或问题中。也就是说，学习的目的对 于学习者是明确的，以便学以致用。 设计学习环境，让学习者带着任务进行学习。真实的活动是建构主 义学习环境的重要特征。这些真实的任务整合了多重的内容或技能， 他们有助于学习者用真实的方式应用所学的知识。所谓真实的环境 并非一定要真正的物理环境，但必须使学习者能够经历与实际世界 中相类似的认知挑战。 设计的学习环境应具有与实际环境相近的复杂度，使学习者在学习 结束后能够适应实际的复杂环境，避免降低学习者的认知要求。 让学习者拥有学习过程的主动权。教师的作用不是独裁学习过程和 规约学习者的思维，而应该为他们提供思维挑战，激发他们自己去 解决问题。 为学习者提供有援学习环境。倡导学习者拥有学习过程的主动权并 非意味着他们的任何学习活动都是有效的，当他们遇到问题时应给 于有效的援助。 鼓励学习者体验多种情境和检验不同的观点。知识是社会协商的， 个人理解的质量和深度决定于一定的社会环境，人们可以互相交换 想法，通过协商趋同。应该鼓励各种合作学习方法。 以上这些建构主义学习原则被许多计算机辅助教学付诸实践，本课 件中也力求做到。创造情境化教学、基于问题的学习、计算机支持合作 学习等新颖的计算机辅助教学模式。 2 2 c a l 教学设计原理 2 2 1 教学设计的基本原理 教学设计是应用系统科学方法研究教学问题，确定解决他们的方法和步 骤，并对教学结构作出评价的一种教学规划过程和操作过程。教学设计是以 哈尔滨工程大学硕七学位论文 分析教学的需求为基础，以确立解决教学问题的步骤为目的，以评价反馈来 检验设计与实施的效果。教学设计是以学习理论、教育传播理论和系统科学 方法论作为其理论基础。 教学设计的基本原理包括目标控制原理、要素分析原理、优越决策原理 和反馈评价原理。目标控制原理是指教学过程中教师的活动、媒体的选择和 学生的反应都会受到教学目标的控制。要素分析原理指对构成教学体系统的 各个组成部分进行分析，找出对系统性质、功能发展、变化有决定性影响的 要素进行研究，而把次要因素忽略；优选决策原理及应用系统科学方法，对 各种待选的教学设计方案进行比较评价，从中选取最佳的策略；反馈评价原 理及利用反馈信息，对教学效果进行评价，并对设计的教学策略进行修改。 多媒体教学软件的教学设计，就是要应用系统科学的观点和方法，按照 教学目标和教学对象的特点，合理的选择和设计教学媒体信息，并在系统中 有机的组合，形成优化的教学系统结构“。 22 2 教学设计的主要内容 教学设计过程实际上是根据学科内容特点，对学生特征进行分析，确定 教学目标，并为达到相应的教学结果制定相应的教学策略的过程。它主要包 括以下基本工作：分析学生特征、确定教学目标、制定教学策略( 选择教学 媒体、设计教学过程结构) 、进行学习评价。 1 分析学生特征 学生的特征主要是指学生的原有认知结构和原有认知能力。原有认知结 构使学生在认识客观事物的过程中在自己头脑里已经形成的知识经验系统； 原有认知能力是学生对某一知识内容的识记、理解、应用、分析、综合和评 价的能力。 对学生的特征进行分析就是要运用适当的方法来确定学生对于当前概念 的原有c a i n 结构和原有认知能力，并且把他们描述出来，作为确定教学目标 和教学策略的主要依据，以便使制作出来的多媒体教学软件对学生更有针对 哈尔滨工程大学硕士学位论文 性。 2 确定教学目标 确定教学目标，是教学设计的首要工作，也是其它设计工作的基础。教 学目标是指希望通过教学过程，使学生在认知、情感和行为上发生变化的描 述。教学目标是教学活动的导向，是进行学习评价的依据。 要确定教学目标，必须考虑三个方面的因素：一是社会需要，二是学习 者的特征，三是教学的内容。多媒体教学软件开发课题的选择不是由开发者 个人所决定的，而应当由从事教学实践的教师根据教学的实际需求决定选择 需要制作成多媒体计算机辅助教学软件的教学内容。选择教学内容时，应当 考虑为什么选择这一教学内容将其制作成多媒体软件。 在确定教学内容后，进一步根据学科的特点，将教学内容分解为许多的 知识点，并根据不同教学目标分类方法，分析这些知识点属于哪一类学习结 果或教学目标。 3 合理选择与设计媒体信息 为使每个知识点的教学达到预定的教学目标，根据对教学内容与教学目 标的分析结果和各类媒体信息的特性选择适合的媒体信息( 如文本、图形、 动画、图像、影像、解【兑、效果声音等) ，并把它们作为要素分别安排在不同 的信息单元( 节点) 中。 根据系统科学理论，系统是由要素构成的，要素间的相互联系便形成系 统结构，不同的结构会产生不同的功能。在多媒体教学系统中，要把多种媒 体信息作有机的组合，以便形成一个合理的教学系统结构，使它发挥最佳的 功能，以实现预期的教学目标。 4 确定相应的教学过程结构 确定相应的教学过程结构，就是把软件所包含的教学内容分解为若干个 知识单元，每个知识单元内包含有若干个知识点，找出各个知识点、知识点 与知识单元、知识单元之间的关系和联系方式。不同的联系法方式形成了不 同的教学内容结构，对教学内容结构的各知识点施以不同的教学事件，从而 哈尔滨j = 程大学硕士学位论文 构成了不同的教学过程结构。 5 进行学习评价 在教学过程中，应及时对学生的情况进行评价，掌握学生的学习情况， 即使会对学习进行指导。例如，可根据教学目标的要求和教学内容设计一定 的练习题，对学生进行考核，从而了解学生对所学内容的掌握程度，起到强 化、矫正的作用。 2 3 本章小结 在本章中，总结了行为主义、认知主义、建构主义三种学习理论以及各 种学习理论对本课件的要求，形成本课件实现过程中的原则。同时，归纳了 c a i 教学设计的基本过程，在实际设计的过程中得以运用。本课件的设计过 程就是按照这样的教学设计过程进行的。在课件的设计思路、材料的组织、 信息的呈现等方面的工作则是在各种学习理论的指导下完成的。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章多媒体课件开发的技术方法 多媒体课件就是在课堂教学运用的多媒体软件，根本上说还是辅助教学， 是一种教学手段，本身不能代替课堂教学。对于一般课堂教学课件，要求开 发人员既能把握教学，又能学会课件的计算机制作技术，还要了解课件开发 的流程。 3 1 多媒体课件开发流程 多媒体开发的流程“”，如下表： 表3 1 多媒体课件开发流程 阶段阶段要素阶段结果 课题选择 分析学生类型分析课题定义 环境分析 内容分析 目标分析 理论经验分析 设计教学设计编写教材、稿本和流程图 软件系统设计 交互设计 制作素材创作收集课件整合 界面设计制作 框面媒体集成 评价运行试用修改 用户评价 专家评价 推广应用 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如上表所示的课件开发流程，在实际工作中是不可少的环节，只不过每 个环节深入程度不同，其课件会有不相同的效果。由于实际中精力和时间的 限制，可根据自己的具体情况斟酌，把重点放在哪个环节上。 3 2 课件设计思想 课件的灵魂就在于课件体现的教学思想，遵循的教学原则及规律。因而 整体把握课件的设计思想，主要在开发课件的分析阶段。 1 课题定义 当课题选定之后，进行学生情况、环境、内容、目标等分析，界定清楚 目标和内容，描述出使用对象的年龄阶段，已有知识水平，心理特征，综合 表述在实际教学中课件的目的和意义。 2 学生类型分析 实际上课件的课题选定( 课题的选定是由课程需要和学校教学活动需要 而确定的) ，教学基本内容就定了。这些基本教学内容，是针对什么样的学生 来进行教学，分析学生类型是至关重要的。作为教师对所教班级的学生应充 分做好整体和个体的分析，做到心中有数。因此，必须作出年龄心理分析、 原有知识基础和技能分析，确定学生的类型。 3 环境分析 环境分析主要是指对学生学习有影响的环境因素。这里只对课堂教学环 境有影响的学生文化及社会背景、群体学风等方面进行分析。 4 内容分析 课件的基本内容确定后，内容分析包括内容结构分析、例题和练习题的 热选择、预设学生反应问题、课型选择分析。 ( 1 ) 内容结构分析：由课程内容划分出若干课程知识点，以及这些知识 点的结构关系、再根据这个结构列出教学板块和层次顺序。 ( 2 ) 例题和练习题选配：为了学生能够理解、掌握或者带有尝试，诱导 发现等各知识点，必须选配具有典型性、针对性、训练性的精要例题、练习 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和作业题目。 ( 3 ) 预设学生反应问题：教师可以凭借自己以及别人的教学经验，记忆 自己学习的体验来设想学生学习这些知识内容时，会出现什么样的问题，对 问题会出现什么样的反应。 ( 4 ) 课型选择分析：根据前面的内容分析，结合目标分析基本上就能选 定谍型了。课型基本上可分为：讲授课( 可分为现象、概念、规律、专题和 讲读课型) 、自学课( 可分为程序