（机械电子工程专业论文）基于建构主义理论及数控加工教学研究的mcai系统开发.pdf

摘要 中文摘要 本文紧密结合现代教学理论和教学实际，研究数控加工教学模式和教学策 略，并在此基础上开发了数控加工m c a i 教学系统，论文的主要研究内容和开发 成果如下： 本文在建构主义理论及数控加工教学研究的基础上提出数控加工一体化教 学模式，系统阐述了该教学模式的内容实质和教学意义。 基于建构主义理论分析了学生认知规律和高校学生学习特点，结合数控加工 教学实际提出p b l 教学策略，并针对p b l 在数控加工教学过程中的教学设 计和实施方法进行了研究。 专基于教学理论的研究和数控加工一体化教学模式，本文开发了数控加工 m c a i 教学系统。该系统创建了数控加工情境并支持交流协作的学习方式， 开发了理论教学、实验教学、p b l 教学、教学考评、以及信息资源等功能模 块，通过图文、动画、声音等教学媒体的构建和人机交互功能的开发，极大 地给师生提供了方便、灵活、直观的教学途径，为数控加工一体化教学和p b l 教学策略的实施提供了教学平台。 本文开发的数控加工m c a i 系统经过运行试用，效果良好。 关键词：m c a i 系统建构主义理论数控加工教学 摘要 a b s t r a c t c o m b i n i n gt h em o d e me d u c a t i o nt h e o r yw i t ht h et e a c h i n gp r a c t i c e ，t h i sp a p e r s t u d i e st h et e a c h i n gm o d e la n dt e a c h i n gs t r a t e g yo ft h ec o u r s en a m e dn u m e r i c a l c o n t r o lm a c h i n i n g o nt h eb a s i so ft h e s es t u d i e s ，i td e v e l o p st h en cm a c h i n i n g m c a i s y s t e m t h em a i nc o n t e n ta n da c h i e v e m e n to f t h ep a p e r a r ea sf o l l o w s ： t h i sp a p e rm a k e sas t u d yo ft h ec o n s t r u c t i v i s mt h e o r ya n dt h en u m e r i c a l c o n t r o lm a c h i n i n gi n s t r u c t i o n t h e n ，i tp r o b e sa n ds t u d i e st h ei n t e g r a t i o no f i n s t r u c t i o no ft h ec o u r s en a m e dn cm a c h i n i n g ，n l a j 【e sas y s t e m a t i ce x p l a n a t i o n a b o u ti t se s s e n c ea n ds i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ra n a l y s e sc o l l a g es t u d e n t s c o g n i t i o nl a wa n dl e a r n i n gc h a r a c t e r i s t i c s a p p r o a c h e sp r a c t i c a l l yh o w t od e s i g na n di m p l e m e n tt h ep r o b l e m - b a s e dl e a r n i n g i n s t r u c t i o ns t r a t e g yi nt h es t u d e n t s l e a r n i n gp r o c e s so nt h eb a s i so ft h et h e o r yo f c o n s t r u c f i v i s m o nt h eb a s i so ft h e s es t u d i e s t h i sp a p e re x p l o i t st h en u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n i n gm c a is y s t e m t h es y s t e m ，w h i c hi s am u l t i m e d i ae o u r s e w a r e ， e s t a b l i s h e sn cm a c h i n i n gs i t u a t i o n ，s u p p o r t sc o o p e r a t i o nl e a r n i n gp a t t e m ，a n d c o n s t r u c t st h et h e o r y - t e a c h i n gf u n e t i o n ，t h ep r a c t i c e - t e a c h i n gf u n c t i o n ，t h et e s t f u n c t i o n , a n dt h e i n f o r m a t i o nr e c o u r s e sa n ds oo n a l lt h e s ei n s t r u c t i o n a l i n f o r m a t i o na r ep r e s e n t e db ym u l t i m e d i a ，s u c ha st e x t ，p i c t u r e ，a n i m a t i o na n d s o u n ds ot h en cm c a ie o u r s e w a r ep r o v i d e st e a c h e r sa n dl e a r n e r s 、析t l la c o n v e n i e n t ，f l e x i b l e ，p e r c e i v a b l et e a c h i n g - s t u d y i n ge n v i r o n m e n t ，c o n s t r u c t s a t e a c h i n g s t u d y i n gp l a t f o r mf o rt h ei n t e g r a t i o no ft h en cm a c h i n i n gi n s t r u c t i o n a n dp b li n s t r u c t i o ns t r a t e g y t h en c m a c h i n i n gm c a is y s t e m ，w h i c hh a sb e e nt e s t e d ，a c h i e v e sg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：m c a is y s t e m ，t h ec o n s t r u c t i v i s mt h e o r y ，n cm a c h i n i n gi n s t r u c t i o n i i 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓e 。厥 签字日期：扣r年，月毋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨凄盘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，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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：。凳。篪 签字日期：洳r 年月g 日 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究与开发的意义 数控加工是一门综合性、实践性、应用性较强的课程，涉及理论教学、实 验教学、实践教学，教学过程复杂、教学矛盾突出、教学任务繁重、教学难度较 大、影响教学效率和教学效果的因素较多。本论文对于数控加工教学模式的探索 及m c a i ( m u l t i m e d i ac o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ) 系统的研究与开发的主要目 的和意义在于： 1 在建构主义理论及教学实践研究的基础上探索数控加工课程的教、学、 研及教学考评一体化的教学模式；研究数控教学过程中理论教学与实践教学、实 践教学与技能培养之间有机结合的教学有效手段。 2 研究并综合运用现代教育教学理论和计算机教育教学方法，结合数控加 工的教学实际，在教学过程中贯彻构建主义学习理论，突出学生学习的主体作用， 探索提高学生综合技能的教学策略。 3 分析现代教育技术( m c a i c a e c o m p u t e ra s s i s t e de d u c a t i o n ) 在教学实践 中应用存在的新问题、新矛盾，结合教学实际研究c a i 教学应遵循的教学原则， 以正确把握现代教育教学模式和传统教学模式之间的继承和发展关系。 4 在理论研究的基础上，研究、开发m c a i 数控加工一体化教学系统，搭 建数控加工一体化教学平台，将数控理论教学、实验教学、实践教学集成一体； 将个别教学、集体教学形式和p b l ( p r o b l e mb a s e dl e a r n i n g ) 教学策略有机融合于 m c a i 教学之中，以实现数控教学过程最优化。 5 运用多媒体技术，将数控加工教学过程中教师难以语言表述、学生难以 理解体会的重点、难点内容借助动画、图像、图片等教学媒体传递和表达教学信 息，以寻找突破教学难点、重点的有效手段。 1 2 课题研究与开发的现状 目前，关于教育教学理论及教学实践的研究广泛而深入，但是随着现代教育 理论和教育技术的快速发展，计算机技术正日益成为教育教学研究、实践和发展 的平台。在现代教育教学理论指导下，计算机在教学领域的应用也日益广泛，涉 及的学科领域也越来越多，因此也吸引了许多研究学者的目光。基于计算机及网 络技术、多媒体技术、虚拟技术的自主学习、协作学习、研究性学习、分布式学 第一章绪论 习等教学模式、教学策略的研究正成为现代教育教学研究的一个趋势和主题。 从这些研究的理论基础来看，突显以学生为学习、认知主体的构建主义学习 理论是目前此类研究的主流思想( 它是认知学习理论的重要分支，在西方国家正 逐渐流行，在世界范围的影响正日益增强) 。计算机多媒体技术和网络技术是建 构主义学习环境下的理想认知工具，因此计算机教育技术正成为这些教育教学研 究的主要技术支持和软件开发平台。 计算机辅助教育( c a e ) 在教学实际应用中主要包括两个方面“1 ：c a i 和 c m 。 c a i ( 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 ) 一计算机辅助教学，是利用计算机网络、 多媒体等技术表达、传递特定的教学内容，并在教学过程中帮助教师向学生传授 知识和技能的一种教学形式和手段。 c m i ( c o m p u t e rm a n a g e di n s t r u c t i o n ) - - 计算机管理教学，是计算机技术在教 学日常管理工作中的应用，主要包括学生档案管理、成绩管理、试题库的设计和 管理、教师课程安排以及教学效果评估等方面。 1 2 1 国内外c a i 的发展状况 从1 9 5 8 年由美国i e l m 公司斯顿研究中心研制的世界第一套计算机教学系统 问世以来，计算机多媒体技术、网络技术以及相应的多媒体制作工具和系统软件 相继研发，计算机技术在二十世纪8 0 年代大规模应用于教学领域，大量的c a i 教学软件投入使用，c a i 从此成为计算机在教育领域中的一个重要应用。 目前，c a 在国内外高校教育教学的发展进入了崭新的阶段。 1 发达国家c a 的发展状况。 ( 1 ) 高度重视 许多发达国家非常重视c a i 在教育教学中的应用和发展，为此他们成立了 专门机构以促进高校c a 软件的研制开发和推广普及工作。例如，美国在二十 世纪9 0 年代初就通过了一项“高性能行动议案”用以确保高等院校先进教育技 术的研制开发和运用，并使其处于国际领先地位。又如北约( n a t o ) 为促进教 育技术在社会和经济生活中发挥重要作用，于1 9 8 8 年组建了先进教育技术特别 计划科学委员会“1 ，对高等教育技术重大方针、政策、课题进行咨询和对策研讨。 除此之外，世界各国十分重视先进教育技术的国际交流与合作，他们通过全球华 人计算机辅助教学年会、亚太地区计算机用于教育国际年会等国际交流形式加强 2 第一章绪论 各国计算机教育技术的广泛交流，以提高c a i 在国际发展的整体水平。 ( 2 ) 大力支持 在发达国家，很多具有实力的大公司在国家的鼓励和倡导下，或投入资金 或与高校联手合作积极支持和促进教育技术的发展。例如美国政府要求1 b m 等 公司充当高等院校互联网络的管理者，促进计算机网络技术在教育教学中的应用 和发展。 ( 3 ) 教育技术的应用遍及所有学科 m u l t i m e d i a 、v r ( v l r t u a lr e a l i t y1 等先进技术在发达国家高等院校中的应用涉 及生态学、信息科学、数学、化学等学科领域，涉及学科门类广泛而深入，提高 了高校教育的教学效益。例如加利福尼亚综合研究院用c m 研究人类学习和认 识过程、亚利桑那州立大学用c a i 进行计算机科学教学、乔治华盛顿大学运用 c m 进行教育管理学等学科的教学等等“。 2 我国c m 的发展状况 计算机教育技术在我国的研究和发展也同样受到广泛的重视，我国教育部在 设立的“面向2 1 世纪教学活动和课程体系改革计划”中有两项是专门为c m 设 立的。1 。另外，从2 0 世纪9 0 年代以来各级c m 协作组织相继成立，例如全国工 科、理科、文科等专科性c m 协作组、各地区协作组以及一些课程研制协作组 等，同时许多高校还成立了c m 研究或制作中心“。我国c a i 的发展已从单桃 向网络运行过渡，多媒体技术、人工智能技术越来越多地应用于c a 。 1 2 2 国内外c m 教学效果研究综述 1 c 砧教学效果研究的重要性 计算机辅助教学c a i 在教育领域中的应用已经日益广泛和深入，对现代教 育教学观念的更新和教学教法的改革产生了重大影响，但是c m 在所涉及的应 用领域中能否促进教学工作的全面提高还存在诸多因素值得研究、分析和探讨。 从这个角度来说c m 仍然是教育教学改革的新课题，因此对于c m 教学效果的 评价与研究具有非常重要的意义。尽管由于c a i 本身以及影响其教学效果的因 素非常复杂，而且目前c m 教学效果的研究结果还很不一致，但是我们仍然能 够通过c a i 实践应用的研究客观、全面地认识c m ，在明确其有利于教学工作 的同时客观认识其存在的负面影响，这对我们更好地设计、应用和推广c a i 以及 在教学过程中最佳地发挥计算机潜能具有重要的指导意义。 第一章绪论 各国计算机教育技术的广泛交流，咀提高c a i 在国际发展的整体水平。 ( 2 ) 大力支持 在发达国家，很多具有实力的大公司在国家的鼓励和倡导下，或投入资金 或与高校鞋手合作积极支持和促进教育技术的发展。例如美国政府要求i b m 等 公司充当高等院校互联网络的管理者，促进计算机网络技术在教育教学中的应用 和发展。 ( 3 ) 教育技术的应用遍及所有学科 m u l t i m e d i a 、w ( v i r t u a lr e a l i t y ) 等先进技术在发达国家高等院校中的应用涉 及生态学、信息科学、数学、化学等学科领域，涉及学科门类广泛而深入，提高 了高校教育的教学效益。例如加利福尼亚综合研究院用c m 研究人类学习和认 识过程、亚利桑那州立大学用c a i 进行计算机科学教学、乔治华盛顿大学运用 c a 进行教育管理学等学科的教学等等”。 2 我国c a 的发展状况 计算机教育技术在我国的研究和发展也同样受到广泛的重视，我国教育部在 设立的“面向2 l 世纪教学活动和课程体系改革计划”中有两项是专门为c a i 设 立的“1 。另外，从2 0 世纪9 0 年代以来各级c a i 协作组织相继成立，饲如全国工 科、理科、文科等专科性c a i 协作组、各地区协作组以及一些课程研制协作组 等，同时许多高校还成立了c a i 研究或制作中心”。我国c a i 的发展已从单桃 向网络运行过渡，多媒体技术、人工智能技术越来越多地应用于c a 。 1 2 2 国内外c m 教学效果研究综述 1c a 教学效果研究的重要性 计算机辅助教学c a i 在教育领域中的应用己经日益广泛和深入，对现代教 育教学观念的更新和教学教法的改革产生了重大影响，但是c m 在所涉及的应 用领域中能否促进教学工作的全面提高还存在诸多因素值得研究、分析和探讨。 从这个角度来说c a i 仍然是教育教学改革的新课题，因此对于c a i 教学效果的 评价与研究具有非常重要的意义。尽管由于c a i 本身以及影响其教学效果的因 素非常复杂，而且目前c m 教学效果的研究结果还很不一致，但是我们仍然能 够通过c a 实践应用的研究客观、全面地认识c a ，在明确其有利于教学工作 的同时客观认识其存在的负面影响，这对我们更好地设计、应用和推广c a i 以及 在教学过程中最佳地发挥计算机潜能具有重要的指导意义。 在教学过程中最佳地发挥计算机潜能具有重要的指导意义。 第一章绪论 2 c a i 教学效果研究的发展历程 从c a i 问世以来，教育研究者们就一直关注着c m 在教学过程中的教学效 果，并对其进行了大量的研究。随着c a i 教育教学的发展及应用，c a i 教育教 学模式和方法经历了重大变化，因此c a i 教学效果的研究也经历了一个发展的 历程。从c m 发展的近5 0 年以来，c a 3 教学效果的研究大致经历了三个阶段”。 第一阶段是从上世纪5 0 年代末到7 0 年代末( c m 发展及应用的初级阶段) 。 由于当时的c a i 项目主要都是在大型主机上实现的，因此人们对c a i 效果的系 统研究也仅仅针对这些c m 项目。 第二阶段是从上世纪7 0 年代末到8 0 年代末。这个时期由于计算机技术的快 速发展，微机问世并应用于学校，因此大型主机上的c m 软件也随即移植到微 机上来，因此人们对c m 的研究也随之转入微机c m 教学效果的研究。 第三阶段是从上世纪8 0 年代末至今，随着计算机网络、多媒体以及虚拟现 实技术的研究、发展和普及，计算机在教育教学中具有的优越性日益突出，人们 从此又开始对现代c a i 教学模式、教学方法及手段所产生的教学效果进行深入 而广泛的探讨和实验研究。 3 影响c m 教学效果的因素 影响c a i 教学效果的因素多而复杂，给综合、全面地评价c a i 效果带来了很 大困难，因此国内外教育学者对c m 效果评价的结果也不完全一致，但总体来 看，c a i 教学对现代教学的确有着积极的影响。随着对c m 教学效果研究的不 断发展和深入，人们在实验研究过程中所涉列的影响因素也越来越复杂和具体。 一些国外研究资料指出，c m 教学效果受学生的年级、能力水平和教学类型影响 。还有些研究资料指出除了上述影响因素之外，c a i 效果还与c a i 教学课程类 型有关，例如科学课程中利用c m 手段作操作练习的效果较差，数学课的c a 效果较好等等。还有些资料指出c a i 教学效果受内因和外因的影响，例如学生 的先前知识、动机、学习内容和课程背景等等。国内的一些研究资料指出c m 的教学效果主要受学生的年龄、文化背景、学习水平、认知方式、学习内容的性 质与难度、软件的类型和特点以及教师使用c a i 的方法等因素有关”。 总体来说，c a i 能否取得良好的效果取决于教学环境、学生特点和教师特点 这三大因素的影响。 c m 教学环境：目前，根据具体的教学需要人们将c m 教学软件设计成很 多不同的类型，最常见的c m 基本类型包括课堂演示型、个别化系统交互学习 4 第一章绪论 型、模拟试验型、资料工具型等，每一种类型都分别提供不同的教学环境：反映 不同的教学内容、适用不同的教学手段、适用不同层次的学生、具有不同的交流、 交互方式。由于教学过程是复杂的认知过程，因此c a i 教学环境能否发挥教师 的主导作用、能否体现学生的主体作用，能否符合人们的认知规律都将影响c a i 教学效果的发挥。 教师和学生的特点：即使在传统教学中，每个教师的教育教学风格、教学水 平都有所不同；学生也有着不同的特点，例如他们的学习基础不同、学习方法、 习惯不同、甚至学生的个性不同等因素都会影响教学效果。丽c m 教学在教学 过程中对教师和学生同时提出了新的、更高的要求。因此c a i 教学能否取得良 好的教学效果更取决于教师如何科学地认识和利用c a i 、如何更好地研究c a i 的教学方法、如何充分结合传统教学优势、如何发挥自身主导作用、如何对c a i 的教学运用做好充分准备。一项研究指出，教师在c a i 教学前的各项工作如果 准备充分，学生会对教学效果反映良好，认为更多地应用c a i 会具有良好的教 学效果，因此他们赞成使用c a i 教学，并认为c a i 可使学习更容易、更有趣“。 4 c a i 教学效果的研究结论 国内外大量c a i 效果的研究资料表明，c a i 教学可综合提高教学质量。例 如，一份研究资料通过对大学生“计算机组成原理”课程引入c a i 辅助教学手段， 并在教学实验的基础上，就收集到的一些数据结合学生的反馈意见，分析讨论了 c a i 辅助教学对提高学生能力的影响，其分析研究认为“： ( 1 ) c a i 对提高学生的学习能力效果明显； ( 2 ) c a i 对提高学生的实践能力有较大帮助； ( 3 ) c a i 能够提高教学效率； 大量的国外研究资料对于c a i 教学能提高教学效率的结果也基本一致，其 中有些研究学者通过对比研究认为i 在完成相同的教学任务时采用计算机教学可 节省3 8 的时间“。 另外，c a i 在实验教学中也有广泛的应用，一项关于c a i 的实验教学效果 的研究表明：多媒体教学系统在实验教学中的应用改变了传统的教学手段、教学 过程和教学内容，其可视性、交互性、灵活性、多样性等特点显示了强大的优越 性，推动了实验教学改革，提高了实验教学质量“。 5 c a i 教学的不足 在肯定c a 在教学过程中具有的积极效用的同时，我们还必须客观地认识 第一章绪论 c a i 教学形式可能存在的一些不足甚至缺欠。 ( 1 ) c a i 教学软件的设计方面 有些c a i 教学课件过于追求软件的设计，操作过于繁琐，使学生在面对计 算机教学时不知所措、甚至感到焦虑，使学生在还未接受教学知识之前就感受到 学习的压力，学生因此产生畏学情绪，难以进入学习的角色，在这种情况下c a i 教学效果不言而喻。所以要最大限度地发挥c a i 教学效果必须综合考虑c a 设 计、开发及应用的各个环节及其相互作用，并充分结合传统教学优势使c a i 教 学更具亲和力，提供一个和谐的教学环境，使教师、学生、c a i 更好地融合一体 ( 2 ) c a 教学无法替代的教师的作用 1 ) 情感教学的缺失： 在传统教学方式中教师可以在讲台上声情并茂地讲解，丰富的面部表情和得 当的肢体语言使教师和学生之间得到充分的情感交流，学生思维活跃、思考积极。 但是在c a i 教学过程中，教师的精力和目光一部分流失在计算机的操作上，因 此课堂缺乏应有的活力和情感，学生也因此被动的接受知识，从而导致教学效果 的降低“。 2 ) 答疑解惑“ 传道、授业、解惑是教师的职业本质。答疑解惑是学习过程不可缺少的环 节，但由于学生究竟会遇到并提出什么样的问题是无法预测的，绝大部分同学的 问题都需要请教专业指导教师来解决，因此无论c a i 教学软件的设计多么完美， 也只是教学的辅助形式，它不能取代教师的全部职能。 3 ) 知识的再创造“” 在知识的传授过程中，教师不仅传授着已有的知识，也在进行着对知识的再 生产，这本身是教师学术能力和教学水平提高的过程，也是教育教学发展的动力， 正所谓教学相长。所以尽管目前人们开发出越来越多i c a i ( 智能c a i ) 教学系统， 它也只是智能在教学形式上一种表现。 除此之外，教师的示范作用和教师对学生学习的引导作用也是c a i 无法替 代的。 1 3 数控加工c a i 教学的优越性“刀“8 1 c a i 在数控加工教学中体现出的优越性主要有以下几个方面： 1 教学媒体丰富多样 第一章绪论 教学媒体是为实现教育教学目的，在教学过程中介于教师的教与学生的学之 间，携带并传递着教学信息，影响师生信息相互交流与传递的工具，它能储存、 表达、传递和传播教学信息，能在教学过程中为人所选择、控制和操作使用。 由此可见，教学媒体是承载教学信息的载体，是现代教学要素之一。计算机 辅助教学可以运用的教学媒体多种多样，包括文本、图形、图像、音频、视频、 动画等等，每种教学媒体都有不同特点和善于表达的信息类型。这些教学媒体 的使用可增强数控加工教学的直观感、动态感和立体感，使教学内容的表现力极 大地增强，有利于学生高效地掌握教学内容的重点和难点，提高数控加工课程的 教学质量和效率。 2 教学信息资源丰富 c a i 教学软件是以计算机技术为平台搭建起来的用于教学的工具，而计算 机本身具有存储空间大、运算速度快、传播速度快，表现能力强等特点。因此， 多媒体教学系统所能承载的教学信息要远远超过普通的教学课本，而且这些多媒 体信息具有集成性、实时性、交互性、多样性、再现性等特点，学生可以通过文 本信息、图像信息、声音信息扩大和丰富自己的知识面，这些教学信息资源在教 学过程中的充分利用克服了以往数控加工教学中教师不停说、不停写的满堂灌的 弊病。 3 交互能力强 c a i 多媒体教学软件可以实现强大的人机交互能力，设计出良好的交互界 面。所谓人机交互是指计算机与人之间为完成一定任务而进行的信息交互过程” “。友好的交互界面一方面便于教师实现教学环境的转换、教学手段和教学策 略的多样化，便于教师在数控加工教学过程中综合发挥多种教学手段的作用，另 一方面可以为学生提供人机交互的学习环境，充分调动学生学习的主动性，发挥 学生认识主体的作用。 4 资源共享 随着计算机技术尤其是网络技术的快速发展，计算机辅助教学可以通过网 络技术实现教育教学信息的共享，并实现数控加工教学的远程教育，使教学活动 跨越时空，满足不同地域、不同人群的学习需求。 5 模拟现实操作 c a i 在教学中的一项重要应用就是计算机仿真教学，它的优越性在于： ( 1 ) 可以将数控教学内容中的理论、实验、实践教学集成在课堂教学环境中， 第一章绪论 使教师能更合理地设计课堂教学结构； ( 2 ) 计算机仿真实践操作一方恧可以提高学生的数控操作技能，为实际操作 打下良好的基础，另一方面可以避免实际操作中可能存在的危险。 6 便于培养学生多方面能力 计算机多媒体辅助教学系统可以使学生通过听、看、思维以及动手操作，手 脑并用的方式提高学生动手能力、思考能力、自学能力以及分析解决问题等多方 面能力“，实现数控加工教学的提高学生综合技能的教学目标。 1 4c a i 教学原则的研究与分析 如前所述，教学原则是教学过程中必须遵循的基本要求，对教学工作具有普 遍的指导意义，计算机辅助教学作为现代教育技术发展而产生的一种教学辅助形 式，同样也要遵循这些原则和要求。但是与传统教学相比较，两者除了存在共有 的特性外c a 教学还具有其独特的一面。因此从现代教学和实际经验出发，c a i 教学除了要遵循“教学论”中提出的教学原则之外，还要遵循适合其自身的c a i 教学原则，这些原则将对我们更好地运用c a i 教学同样具有指导作用。 1 c a i 教学原则一：继承性原则 现代教育离不开现代教育技术，计算机辅助教学就是运用现代教学技术实施 教育教学的一种手段，它可将多种教学媒体运用于教学过程，增强教学的直观性、 丰富学生的见识、激发学生的学习欲望、调动学生学习的主动性、创造良好的教 育学环境。 然而，作为最重要的教学媒体，教师是知识经验的传递着，是教学进程的组 织者，是学生学习的引导者和课程的研制者“。教师在教学过程中对学生的人 格影响以及教师教书育人的魅力是任何一种先进“教学机器”不可代替的；教师 对教学过程、教学内容、教学方法灵活运用的主观能动性以及教师在教学过程中 与学生之间心灵的沟通也是任何先进教学手段无法做到的。因此计算机辅助教学 要继承传统教学的精华，将先进的教学工具和手段与传统教学活动相结合，实现 两者的优势互补，才能更好地发挥计算机辅助教学的作用。 2 c a i 教学原贝, u - - ：效率原则 c a i 效率原则是针对计算机辅助教学的任务和目标而言的。c a i 作为辅助教 学手段，其主要的教学任务之一就是提高教学效率。 在教学中合理地运用多媒体技术可以提高课堂教学密度、促进学生对知识的 第一章绪论 理解、提高学生实践动手能力，使学生的学习活动处于主动和积极状态，加快学 习进程，提高教学效率。相反，如果随意、盲目无序地使用多媒体或一味地运用 多媒体支持教学，非但不会产生良好的教、学效果，还会适得其反。因此在计算 机辅助教学中要注意把握多媒体使用的度，对于c a i 软件的设计不能过于追求 表面的背景和动画效果，避免将学生的注意力集中在华而不实的背景界面，而失 去c a i 应用的教学效果。 3 c a 教学原则三：教学过程的优化原则 教学模式的最优化是指在给定的教学条件下通过系统的控制手段，达到最 大限度的教学活动效果和效率“。 教师在运用c a i 教学时要根据计算机多媒体教学软件提供的教学环境和条 件充分分析每一种教学手段和策略的优、缺点，细致分柝教学任务及教学内容的 特点，通过形成性评价手段动态地观察和分析学生学业的变化，最终确定c a i 的最优化教学方案，避免简单地运用拿来主义，盲目运用c a i 实旌教学。 4 c a i 教学原则四：发展性原则“ 任何c a i 教学课件的设计、开发和应用都具有局限性，即使在特定的教学 环境、特定的教学方法、特定的教学内容、面对特定的教学对象，c a i 可能会发 挥积极的教学效果。但是随着教学环境、条件和教学对象特征以及教育学科、内 容的不断发展、变化，相应c a i 教学的适应性和适用性都会发生变化，教学效 果自然也会随之改变。 因此c a i 教学软件的设计、开发以及教学教法的应用不能一成不变，而且它 的发展变化应符合教学和人类认知的规律，所以在运用c a i 教学时应注意及时 吸收科学和学科领域的新成就。另外，在教学过程中学生的认知水平、对新型教 学方式的适应能力以及学业成绩的提高也需要一个提高和发展的过程，所以在运 用c a i 辅助教学时需要客观认识两者的发展规律，使其有机统一、相辅相成。 5 c a i 教学原则五：先进性原则“ 作为现代教育技术手段，c a i 仍然只是教学的一个组成部分，它的应用和发 展必须以先进的教育思想为指导、以先进的教育技术为基础。 因此在运用c a i 教学时教师必须首先更新教学观念，适应先进教育教学技 术的发展，充分发挥教师的主导作用，才能发挥新型教学手段和技术的作用。否 则即使计算机教学能力再强，c a i 效用的发挥也是非常有限的。 第一章绪论 1 5m c a i 教学软件的设计与开发流程 多媒体c a i 教学软件是一种根据教学目标设计，表现特定的教学内容，反 映一定教学策略的计算机教学程序，它是一种可以用来存储、传递和处理教学信 息，能让学生进行交互操作，并对学生的学习做出评价的教学媒体“。由此可 见c a i 教学课件是一种满足教学需要的特殊软件。因此在设计和开发c a i 教学 软件时既要遵循一般软件开发的规律，又要遵循教育教学规律，还要掌握多媒体 软件的设计方法，严格按照教学软件的开发流程才能设计、开发出满足教学要求 的高质量c a i 软件。 通常m c a i 软件的开发方法和步骤“”。如下： 1 教学需求分析 通常在教学软件的开发之前都要进行必要性和可行性的论证，也就是要认 真分析教学中是否存在急需c a i 解决的问题，并要研究这些“需要”能否解决、 如何解决，并由此分析确定软件的开发目标。 2 教学设计 课件的教学设计内容主要包括： ( 1 ) 教学内容分析、确定教学目标，划分知识单元和知识结构； ( 2 ) 设计、研究切实可行的教学策略和教学模式； ( 3 ) 形成性考试、练习的设计等。 3 系统设计 软件的系统设计是在前两项工作的基础上进行的，通常包括以下内容： ( 1 ) 制作工具的选择：根据教学软件的教学设计要求选择制作所需的工具软 件。 ( 2 ) 屏幕界面的设计：屏幕界面的设计反映多媒体课件所包含的主要教学内 容及该课件的使用方法等重要信息，它的设计决定着课件总体设计是否合理。 ( 3 ) 划分知识单元点：将教学单元知识内容细分，并确定它们之间的逻辑结 构和相互联系。 ( 4 ) 交互、跳转的设计：根据知识单元以及知识点之间的逻辑关系设计知识 点之间的跳转方式，并设计人机之间的交互链接和交互方式。 4 编写脚本 用文字、框图、表格等形式表达教学设计、系统设计的内容，反映教学内 第一章绪论 容，知识结构、设计主体思想、教学功能模块、交互、跳转方式等教学软件设计 的整体框架。 5 素材准备 可供c a i 多媒体软件使用的素材有很多种，主要包括文本、图像、动画、 声音、视频等。素材的准备需要根据教学内容和软件设计的需要通过文本录入、 图形、图像的制作、视频图像的录制等不同方式进行。 6 软件的编辑 利用著作工具或程序语言对各种素材进行编辑，按照前面的教学设计所确定 的课件结构和脚本设计的具体内容将各种素材有机地结合在一起，编辑成交互性 强、操作灵活、视听效果好的多媒体课件。 7 软件的试用与评价 通过c a i 教学软件的实践应用，检验软件的教学设计、系统设计是否能满 足教学要求，并评价软件使用的效果。 8 软件产品的成型 软件经过试用检验后还需要进一步修改完善。当多媒体软件的整体设计最终 确定之后，多媒体软件就可以推广发行了。 1 6 本文的主要研究内容 本文紧密结合现代教学理论和数控加工教学实际，深入研究了数控加工一体 化教学模式和基于建构主义理论的p b l 教学策略，并在此基础上开发了数控加 工m c a i 系统，为提高数控加工教学质量和效率创造了有利条件。 全文安排如下： 第一章阐述课题的研究现状和意义，c a i 在国内外的发展和应用状况，c a i 教学效果的研究状况以及数控加工c a i 教学优越性和应遵循的c a 教学原则。 第二章基于建构主义理论核心思想、p b l 教学策略的研究和数控加工教学 存在问题的分析，提出并研究数控加工一体化教学模式和p b l 教学策略及其实 施方法。 第三章基于理论研究确定数控加工m c a i 系统的开发目标和功能模块。 第四章数控加工m c a i 系统各功能模块及人机交互控制的设计与开发。 第五章全文结论和展望 第二章：建构主义理论及其教学实践研究 第二章建构主义理论及其教学实践研究 2 1 建构主义学习理论的研究 2 1 1 建构主义的由来及发展”“ 建构主义( c o n s t r u c t i v i s m ) 的最早提出者可追溯到瑞士著名的心理学家皮亚 杰。他坚持从内因t n j i - 因相互作用的观点来研究人类的认知发展，认为人们是在 与周围环境相互作用的过程中逐步建构起关于外部世界的知识，从而使自身认知 结构得到发展。这种相互作用包含两个基本过程即“同化”、“顺应”。所谓同 化是指把外部环境中的有关信息吸收进来并结合人们自身已有认知结构的过程， 也就是把外界刺激所提供的信息整合到自己原有认知结构内的过程；所谓顺应则 是指外部环境发生变化，而原有认知结构无法同化新环境提供的信息时所引起的 认知结构发生重组与改造的过程，也就是个体的认知结构在外部刺激的影响下发 生改变的过程。前者是认知结构数量的扩充、后者则是认知结构性质的改变。认 知个体就是通过同化与顺应这两种形式来达到与周围环境的动态平德，不断构建 自身的认知结构并不断丰富、提高和发展。这就是皮皿杰关于建构主义的基本观 点。 在皮亚杰建构主义基本观点的基础上，科尔伯格在认知结构的性质与认知结 构的发展条件等方面作了进一步的研究：斯滕博格和卡茨等人则强调了主动性在 建构认知结构过程中的关键作用，并对认知过程中如何发挥个体主动性作了探索 和研究；维果斯基则强调认知过程中学习者所处社会历史背景的作用，在此基础 上以维果斯基为首的维列鲁学派深入研究了“活动”和“社会交往”在人的高 级心理机能发展中的重要作用，所有这些研究都使得建构主义理论不断完善和丰 富，为其教学实践应用创造了条件。 2 1 2 建构主义学习理论的核心思想 1 关于学习的含义 建构主义学习理论认为，人们对知识的获取不是通过教学的传授，而是通过 学生个体对知识的经验解释，并形成自身的内部表述得到的；是学习者个体与外 部环境交互作用的结果，它强调学生的学习是有目的的吸收和加工学校和教师所 提供的信息，而不是对刺激作出机械反映。教师是教的过程的主体、学生是学的 第二章：建构主义理论及其教学实践研究 过程的主体，教师虽然根据教学目标决定着教的形式、性质及内容，但教师所提 供的只是创设一定的外部环境也就是外因，它必须通过内因起作用“。因此建 构主义理论强调在教学过程中要以学生为中心，教学的形式、性质以及内容的设 计要围绕这个中心，来创建“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”的环境， 它们是构成建构主义理论的四大要素。 “情境”：建构主义理论认为学习是一种真实情境的体验，它是意义建构的 必要前提。它认为学习总是与一定的社会文化背景及情景相联系，在实际的或接 近实际的情境中进行学习，学生可以利用生动、直观的形象有效地激发联想、唤 醒长期记忆中有关的知识、经验或表象，为原有知识和新知识之间的同化和顺应 创造有利条件”。 “会话”与“协作”：会话与协作发生在学习过程的始终，对学习资料的搜 索与分析、假设的提出与验证、学习成果的评价直到意义的最终建构均有重要作 用。在协作过程中学生之间通过积极互赖、个体责任、面对面积极互动、社交技 能，以及小组加工等学习活动要素”，可以建立相互信任、相互沟通( 会话) 、 相互负责、共享成果的学习氛围，不仅可以锻炼每个学习成员的研究能力还增强 了学生协作精神与意识。 “意义建构”：是最终的教学目的，在学习过程中帮助学生建构意义是指帮 助学生对当前学习内容所反映的事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间的 内在联系达到较深刻的理解，也就是使学生能够真正掌握和理解所学知识，并活 学活用。 2 关于教和学的方法”“ 建构主义倡导以教师为指导、以学生为中心，既强调学习者的认知主体作用， 又不忽略教师的指导作用。教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的灌 输者；学生则是意义的主动建构者、信息加工的主体。因此建构主义教学理论， 对教和学都提出了新的方法和要求： ( 1 ) 学的方法 1 ) 要用探索法、发现法去构建知识的意义： 2 ) 要主动搜索并分析有关的信息和资料，对所学习的问题提出各种假设并 加以验证： 3 ) 联系当前所学知识和已有知识、并认真思考，将这种联系和思考与协作 学习有机结合，提高意义建构的效率和质量。 第二章：建构主义理论及其教学实践研究 ( 2 ) 教的方法 1 ) 激发学生学习兴趣、帮助学生端正学习动机： 2 ) 创建符合教学要求和内容的情境，帮助学生建立新老知识的联系和构建 所学知识的意义； 3 ) 组织和构建协作学习环境和条件，引导学生朝着有利于意义建构的方向 发展。引导的方法包括：不断提出新问题引发学生的思考和讨论；将问题不断引 向深入，加深学生对所学内容的理解：启发学生在学习过程中自我发现、自我纠 正、自我更新和拓展知识。 2 1 3 信息技术：建构主义应用于教学的先决条件 建构主义学习理论是认知学习理论的一个重要分支，其教育思想的提出由来 已久，其发展历程可谓源远流长。然而自二十世纪八十年代初期以来，认知心理 学虽已逐渐取代行为主义心理学并占据了统治地位，但建构主义学习理论仍在相 当长的时期里并未产生明显影响，其中最为重要的原因就是缺乏建构主义学习理 论应用于教学的必要条件。随着计算机多媒体技术和i n t e m e t 应用的日益普及， 建构主义学习理论才逐渐引起人们的广泛注意，基于建构主义理论的教学改革及 实验研究才逐渐深入，由此可见，计算机多媒体技术和i n t e r n e t 网络的特性及功 能有利于建构主义学习环境的创建，有利于建构主义学习理论四大要素“隋境”、 “协作”、“会话”和“意义建构”的充分体现。因此，信息技术是建构主义应用 于教学的先决条件。 2 1 4 基于建构主义学习环境的教学设计 建构主义学习理论对教师和学生的地位、作用有着更新的理解和认识，因此 建构主义学习环境下的教学设计与传统教学相比截然不同，它强调在学习过程中 要充分发挥学生的主动性，要能体现出学生的首创精神，要让学生有机会在不同 的情境下去应用他们所学的知识，要让学生能根据自身行动的反馈信息来形成对 客观事物的认识和解决实际问题的方案”“。 除此之外，建构主义学习环境的教学设计强调学习环境( 非教学环