（课程与教学论专业论文）多媒体课件在大学物理实验教学中的应用研究.pdf

多媒体课件在大学物理实验教学中应用的研究 摘要 当今社会以多媒体为代表的信息技术迅速发展，促进了学校教学内容、教 学方法和教学模式等的一系列改革。多媒体是现代教育的有效工具，其优势是 以前任何用于教育的媒体所没有的 本文分析了物理实验的特点及其不可取代的地位，在调查研究的基础上， 笔者认为在当前的大学物理实验教学中，由于传统实验教学方法和教学手段的 种种弊端。在很大程度上限制了本课程教学质量的迸一步提高。为了解决这一问 题，笔者依据建构主义学习理论和教育心理学的理论，就如何在大学物理实验 教学中引入m c a i 进行了深入探讨，提出设计大学物理实验m c a i 课件的原则和 方法，以及m c a i 应用于大学物理实验教学的基本途径和应注意的问题。另外对 m c a i 的相关概念、理论基础进行了重新审视。并从理论和实践两方面论述了如 何利用多媒体技术制作适合大学物理实验教学的课件问题。 在此研究基础上，笔者以我校的大学物理实验教学实际情况为例，编制了 若干多媒体课件，并投入到大学物理实验教学的实践中去，解决了教学中的一 些实际问题。 关键词：物理实验实验教学计算机辅助教学多媒体课件 t h er e s e a r c ho na p p l y i n gm u l t i m e d i ac o n r s e w a r e t oc o l l e g ep h y s i c se x p e r i m e n tt e a c h i n g a b s t r a c t n o w a d a y s ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l ym u l t i m e d i ai s d e v e l o p i n g r a p i d l y ，w h i c hi si m p r o v i n gas e r i e so fr e f o r m so nt h ec o n t e n t s ，m e t h o d sa n dm o d e s o fs c h o o le d u c a t i o n i ti sc o u n t e da sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ht om o d e r ne d u c a t i o n 。 c a it e c h n o l o g yh a sg o tt h ea d v a n t a g et h a tt h eo t h e re d u c a t i n gm e d i u mh a sn e v e r g o t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e p h y s i c se x p e r i m e n ta n di t s i r r e p l a c e a b l ep o s i t i o n 。b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c h ，it h i n ki nt h e p r e s e n tc o l l e g ep h y s i c se x p e r i m e n tt e a c h i n g ，a l lt h ed e f e c t so ft r a d i t i o n a lp h y s i c s e x p e r i m e n te d u c a t i o ng r e a t l yl i m i tt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to ft e a c h i n gq u a l i t yo f t h i sc o u r s e i no r d e rt os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，a c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i v i s mt h e o r y a n de d u c a t i o np s y c h o l o g yt h e o r y ，it h o r o u g h l yd i s c u s s e dh o wt oi n t r o d u c em c a i t o c o l l e g ep h y s i c se x p e r i m e n tt e a c h i n gt oa s s i s tt h et e a c h i n g ，a n dp r o p o s e dt h e p r i n c i p l e a n dm e t h o do f d e s i g n i n gt h ec o l l e g ep h y s i c se x p e r i m e n tm c a i c o u r s e w a r e ，i nt h em e a n w h i l e ，g a v es o m eb a s i cw a y so fi t sa p p l i c a t i o na n ds o m e p r o b l e m st h a ts h o u l db ep a i da t t e n t i o nt o f u r t h e r m o r e ，ir e c o n s i d e r e dt h er e l e v a n t c o n c e p t s ，t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n so fm c a ic o u r s e w a r e a n d 。f r o mt h et h e o r e t i c a i l e v e la n dp r a c t i c a ll e v e l ，ie l a b o r a t e do nh o wt ou s et h em u l t i m e d i at e c h n o l o g yt o d e s i g nt h ec o u r s e w a r es u i t e dt oc o l l e g ep h y s i c se x p e r i m e n tt e a c h i n g b a s e do nm yr e s e a r c h ，im a n u f a e t u r es e v e r a lm c a ic o u r s e w a r e ，w h i c ht o o k t h ec a s eo ft h ep r a c t i c a lc o l l e g ep h y s i c se x p e r i m e n tt e a c h i n gi nm y u n i v e r s i t y a n d b ya p p l y i n gt h e mt ot h ec o l l e g ep h y s i c se x p e r i m e n tt e a c h i n g ，is o l v e ds o m e p r a c t i c a lp r o b l e m si nt e a c h i n g k e y sw o r d s ：p h y s i c se x p e r i m e n t ；e x p e r i m e n te d u c a t i o n ；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 ；m u l t i m e d i ac o u r $ e w a r e 插图清单 图1 1 好奇心分布直方图4 图1 2 求知欲分布直方图5 图1 3 问题意识分布直方图5 图3 1 多媒体课件开发流程1 8 图3 2 金割效应物理摆实物示意图2 5 图3 3 采集数据连接示意图2 5 图3 4 导热系数实验数据处理软件。2 6 图3 5 最小二乘法数据处理软件2 7 图3 6 计算机拟合的金割效应物理摆t - x 勺形曲线2 7 图4 1 多媒体课件片头3 1 图4 2 实验目的3 1 图4 - 3 仪器文字介绍3 2 图4 4 仪器( 一) 3 3 图4 5 仪器( 二) 3 3 图4 6 原理文字3 4 图4 7 原理图3 4 图4 8 过程图首界面3 5 图4 9 分光计调节过程图( 一) 3 6 图4 1 0 分光计调节过程图( 二) ：3 6 图4 1 1 分光计调节过程图( 三) 3 9 图4 1 2 分光计调节过程图( 四) 4 0 图4 1 3 分光计调节过程图( 五) 4 2 图4 1 4 分光计调节过程图( 六) 4 3 图4 1 5 分光计调节过程图( 七) 4 3 图4 1 6 分光计调节过程图( 八) 4 4 图4 1 7 分光计调节过程图( 九) 4 5 图4 1 8 分光计调节过程图( 十) 4 5 图4 1 9 分光计调节过程图( 十一) 4 6 图4 2 0 分光计调节过程图( 十二) 4 6 图4 2 1 三棱镜顶角测量( 一) 4 7 图4 2 2 三棱镜顶角测量( - - ) 4 7 图4 2 3 三棱镜最小偏向角测量4 8 图4 2 4 超声光栅4 8 图4 2 5 超声光栅读数4 9 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g 垦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谢意。 学位论文作者签名；幂主奇每 签字日期：砂7 年厶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送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g b 王些太堂可 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： 签字日期渺7 学位论文作者毕 工作单位： 通讯地址： 孟俪 日 2 导师签名： 裆二叉 签字日期少，月7 日 电话： 邮编： q7： 加 鳓 年 业 致谢 在这三年的研究生学习阶段，我的导师梅忠义副教授不仅在学业上对我进 行耐心的指导，而且还在生活上给予我无微不至的关怀，恩师如父l 梅老师严 谨的治学态度、宽广的胸怀和豁达的处世之道给我留下了深刻的印象，并将成 为我以后学习和工作中的楷模。值此论文完成之际，作者向梅老师致以最诚挚 的敬意和衷心的感谢! 在本人学习期间，还得到了罗乐副教授、张霆老师、孙伟老师袁玲老师 等热心关怀和无私帮助；在此，向各位老师表示深深的谢意 同时，真诚感谢我的同学王亮、张艳，刘向远、韩牟、候秀芳、韩从梅、 冯秀华，周金明，郑明春等的关心和帮助，在此一一表示感谢 最后，感谢我的家人，在我研究生学习阶段对我提供的物质帮助和精神鼓 励。正是家人的无私帮助和默默奉献，才使我在研究生阶段全身心的投入到学 习之中，并顺利完成研究生期间的各项工作任务。 作者：宋玉梅 2 0 0 7 年5 月 第一章物理实验教育的历史、地位及存在的问题 i i 物理实验教育的发展历史 由于科学技术的迅速发展和高等教育的演变，物理实验教学在一个多世纪 里也发生着变化，其教育价值和功能不断地得到开发和完善。物理学本质上是 一门实验科学，物理实验是科学实验的先驱，早在十六、十七世纪，伴随近代 自然科学的形成和发展，实验方法就己成为科学研究的基本手段，实验室成为 人们获取知识的主场所到了十九世纪3 0 年代，欧洲的一些大学里出现了实验 物理训练，十九世纪后期，由于工业化兴起，欧美各主要资本主义国家的教育 规模急剧扩大，学生人数增多，从而产生了一种新的教学模式，即在高等学校 中开设物理实验课程，使实验课程成为学生为获得学位而必修的一门系统的课 程，这是物理实验教学史上的里程碑，它不仅体现了工业化和教育发展对实验 教学的客观要求，同时也是十九世纪后期科学实验活动规模不断扩大、社会化 程度不断提高在物理实验教学上的反映二战后，科学技术的迅猛发展，对传 统的高等教育人才培养模式提出了挑战，它要求高等理工科院校培养的人才必 须具备坚实的自然科学基础知识、出色的科学实验能力和勇于开拓的创新精神。 高等教育开始由传统的致力于传授知识向传授知识与发展能力并重转变，以培 养具有开拓精神和创造能力的专门人才。实验教学由于其独特的性质受到了人 们更多的关注，在高素质人才培养过程中，越来越显示出它的重要作用l l 】。 1 2 我国大学物理实验教育的产生及发展状况1 2 1 我国高等学校的物理实验教育起步较晚，比发达国家迟半个多世纪，二十世 纪初，我国在大学中开始开设物理学课程，之后不久在北京大学和南京高等师 范学校就建立了物理实验室。新中国成立后到二十世纪8 0 年代初，基础物理实 验还只是普通物理课程的一部分，后来为了加强理工科学生能力培养，国家教 委将它单独设课，这才使它成为理工科各专业学生进行科学实验基本训练的一 门重要基础课程。当时基本上采取前苏联的做法，即学生按照实验讲义安排的 步骤按部就班地验证定律和测量物理量，缺乏充分发挥自己创造性思维和独立 观察、分析实验现象及解决问题的机会。传统实验的选题不外乎验证定律和测 量基本物理量。教师总是把实验目的、实验原理、实验步骤、仪器的构造和使 用方法等讲解清楚，把实验过程演示一遍，难以激发学生对实验课的兴趣，更 谈不上通过实验课培养学生进行创造性研究的实验能力。进入二十世纪8 0 年代 以来，由于新技术革命浪潮的冲击和高等教育课程与教学改革的兴起，我国的 高等学校对基础物理实验进行了全方位、多层次的改革，如开设综合性实验、 设计性实验，更新部分实验内容，采用现代化教学手段等；这些措施初步革除 了传统实验教学不利于培养学生探索能力和刨新精神的诸多弊端。然而，随着 二十一世纪的到来，现代科技知识交叉与综合发展，实验教学的内容、方法和 形式在不断地发展和变化，知识更新速度不断加快，二十一世纪社会对人才素 质的要求不断提高，物理实验教育也面临着新的挑战，这就要培养学生的基本 科学实验技能，提高学生科学实验的基本素质，使学生初步掌握实验科学的思 想和方法；培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法， 提高学生的分析能力和创新能力；培养学生的科学素养，理论联系实际和实事 求是的科学作风，认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神口l 。 物理实验课是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课 程。是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。 物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综 合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重 要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适 应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用1 4 】。 1 3 大学物理实验现状及教学中存在的问题 大学物理实验课是一门基础实验课，教育部高等学校非物理类专业物理基 础课程教学指导分委员会制定的物理实验课程教学基本要求中明确指出大 学物理实验课程的地位和作用：“物理实验课是高等理工科院校对学生进行科学 实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的 开端。物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段。同时能提供 综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的 重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和 适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用川4 。 然而长期以来，由于受传统教育思想的影响等原因，该课程没有被给予应 有的重视。从我国物理教学的现状可以看出，传统的大学物理实验教学的思想 观念及教学模式还不能适应新时代对人才发展的需要p j 。 为了了解大学物理实验教学中大学生实验状况，笔者和其他同学一起做了 一次问卷调查研究，问卷的设计是从学生的实际情况出发，以工科大学生为调 查对象，一所“2 1 l ”重点院校和一所一般本科院校，随机抽取分布于1 2 个专 业的3 2 5 和1 8 5 名学生，发放问卷5 1 0 份，回收5 0 0 份，每个问题从态度或频 率表现的程度来考查，态度设五个等级：“非常、很，有点( 基本) 、不、不管 ( 反对) ”，频率也设五个等级：“总是、经常、有时、很少，从不”。问卷结果 运用计算机软件进行统计处理为了便于分析，笔者对每个问题的态度或频率 表现的程度作了强度划分，共划分为三个等级：较高或强、中、较低或弱。如 下表1 1 所示： 2 表1 1 态度和频率强度划分表 问卷设计见附录l ，调查的结果如表1 2 表中所示为好奇心( 问题1 - - 2 ) 、 求知欲( 问题3 4 ) 、问题意识能力( 问题5 一l o ) 的调查结果。 表1 2 调查结果 较高或强 由 较低或弱 人数】【人数】 【人数】 好奇心1 新的实验 前，我感觉到 2 9 4 8 2 3 新奇： 2 在实验过程 中，当发现了 与课本或老师 2 5 4 8 2 6 讲的不同的实 验现象时，我 惊奇程度将： 求知欲3 接着，我想 探究的心理反 4 1 3 4 2 5 应是： 4 。在做实验 前，我尽量多 地查阅、了解 l l 3 9 5 1 与实验内容相 关的知识： 问题意识5 实验时，我 是按照课本上 的实验步骤 3 9 4 3 1 8 “依葫芦画 瓢”，并不认真 去想为什么： 6 预习实验或 1 0 4 2 4 8 做实验过程 3 中，我试图发 现某些地方是 否存在什么问 题 7 我做实验 后，思考把实 验的方法、原 7 3 6 5 7 理等应用到实 际中去： 8 我想通过实 验发现一些新 2 0 4 2 3 8 奇的东西： 9 在实验中讨 论问题时，我 会试图提一种 9 4 0 5 l 不同于他人的 新看法： 1 0 在实验中， 多次遇到以前 用过的同一种 操作方法，我 1 1 3 6 5 4 会考虑改进一 下： 做统计直方图如下： 图1 1 好奇心分布直方图 4 图1 2 求知欲分布直方图 图1 3 问题意识分布直方图 从以上直方图可以看出，传统物理实验没有激发学生的求知欲和好奇心， 而处于青春期的大学生应该富有强盛的求知欲和好奇心，同时这种以“验证理 论”和“仪器操作方法训练”为目的的实验教学模式，过分注重实验现象和操 作过程，使学生在上实验课时感到乏味，在进行实验时处于被动的学习状态， 制约了学生的各种能力的培养和提高。而这次调查仅仅是针对学生的求知欲、 好奇心、问题意识进行的，实际上传统物理实验还有许多其它的弊端。 目前我国许多高校的物理实验课还存在许多问题：一是物理实验教学形式 单一，教师总是把实验目的、实验原理、实验步骤、仪器的构造和使用方法等 讲解清楚，把实验过程演示一遍，甚至连实验结构也说给学生听，学生只是机 械被动的模仿实验，按照拟订的步骤去做，思维单一呆板，缺乏灵活性和创造 性，这样，学生做实验的积极性、主动性、特别是学生的独立操作能力和创造 性就不能得到充分的发挥，学生的主体地位成为空话；二是实验内容陈旧，缺 乏时代信息，有的实验几十年不变。验证性实验所占比例太大，综合性、设计 性实验比例过小，无法训练学生的创新和探究的思维能力。三是实验评价方式 不能真正反应学生的实验能力，没有建立一套有效的测评体系，因此并未收到 预期的效果，直接影响了课堂教学的质量。最多只能考察学生对教材的理解， 所以学生认为物理实验课没有什么实用意义，就产生轻视的思想。由于以上种 种原因，导致有的学生做实验敷衍了事。蒙混过关，抄袭别人的实验数据，没 有真正达到物理实验课的目的和要求。 另一方面，随着这几年教学规模的急速扩大，进校学生的数量急剧增加， 学生平均素质有所下降，而教师数量、教学设备等教学资源却并未相应地大幅 增加，因此形成了教育资源不足同学生数量增加、学生平均素质下降之间的矛 盾，学生人数多、仪器数量不足、实验教师紧缺，导致教学效果及教学效率不 理想，影响了教学质量的改善和提高，甚至无法巩固原有的教学质量学生实 质上就是机械地读数和记录实验数据，他们在实验室所做的工作很少，整个研 究过程中最重要的工作由课本和教师去完成没有进行探究的机会。由于实验 教学进度与理论教学进度的不同步，又使得学生对实验原理的理解遇到了一定 的障碍尤其是对那些操作要求高、仪器调试过程比较复杂的实验，学生很难 通过阅读实验讲义来弄清仪器的设计思想和操作方法【6 】【7 1 。 研制使用m c a i ( m u l t i m e d i ac 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 ，即多媒 体计算机辅助教学) 课件是解决上述问题的有效途径之一利用m c a i 可以对实 验原理和实验过程进行生动形象的模拟仿真、数据处理和逻辑判断、弥补真实 实验的不足、对实验结果进行分析和预测。 6 第二章m c a i 课件的理论基础 多媒体教学系统和信息技术的普及和应用，使得现代教育思想、教育理论、 心理学理论等对多媒体课件的开发和应用的重要指导作用越来越突出。多媒体 课件的设计只有在学习理论和心理学理论的共同指导下进行，才能构成一种有 效的教学系统。 2 1 行为主义学习理论哪 行为主义学习理论是较早的学习理论，是传统c a i 的理论基础，对c a i 的 研究、发展与实践起着重要的指导作用 行为主义认为学习是刺激反映之间的连结可以用刺激一反应一强化来概括， 它把外在的环境看作是刺激，把伴随而来的有机体的行为看作是反应，认为学 习的起因在于对外部刺激的反应，而不关心刺激引起的内部过程。这一观点关 注的是环境在个体学习中的重要性，学习者学到什么不是由学习者个体决定的 而是取决于环境，学习者行为的产生主要是他们对环境刺激做出的反应，强调 有什么样的刺激就会产生什么样的反应，并注意及时强化在建立正确行为中的 重要作用根据这种观点，人类的学习过程归结为被动地接受外界刺激的过程， 教师的任务只是向学习者传授知识，学习者的任务则是接受和消化。 s叶r 其中s 代表刺激，r 代表反映。 行为主义理论对早期c a i 课件的设计产生了重要影响，甚至在今天的课件 设计中仍有重要价值。概括的说，设计和编制这类课件和教材就是要在人机之 间形成刺激反应强化学习机制，即提供刺激引起学习者的反应，并根据反映正 确与否进行巩固强化和消退强化。为此就要将教材内容进行明确的分割，组成 一个个单元或框面，并按单元内容之间的逻辑关系组合起来，引导学习者一步 步循序渐进的掌握知识，同时在教材中设置强化机制，采用不断的提问、核对 和评价等措施，引导学习者达到学习目标 然而，行为主义在学习过程中忽视了学生的理解及心理过程，只反应人类 表层的低层次学习。为了克服这种弊端，人们开始重视内部的心理结构，从而 产生认知主义理论。 2 2 认知主义学习理论 认知学习理论主要强调学习是认知结构的组织和再组织。强调学习者在学 习过程中将内在联系内容与个人原有的认知结构关联起来，新旧知识发生相互 7 作用，新材料在学习者头脑中产生了真正的意义，使原有的认知结构不断完善 和发展。根据这种观点，学习过程被解释为每个学习者根据自己的态度、需要、 兴趣、爱好并利用过去的知识与经验对当前的外界刺激做出的主动的、有选择 的信息加工过程，开始研究、强调学习者的心理特征与认知规律，不再把学习 看作是对外部刺激做出的被动反映认知学习理论是与传统c a i 联系最直接、 最密切的学习理论。到目前为止，它仍旧是多媒体课件设计的重要理论支柱。 认知主义学习理论探讨学习的角度正好与行为主义相反，行为主义强调客 观环境对个体带来的刺激，导致个体的反应，从而产生行为，但它忽视个体所 拥有的内在的心理结构的作用。认知主义学习理论则认为；学习是个体作用于 环境而不是环境引起个体的行为，环境只是提供潜在的刺激，至于这些刺激是 否受到注意或被加工，取决于学习者内部的心理结构。客观环境中潜在的刺激 是多种多样的，并时时刻刻的存在，但个体对这些刺激未必都会产生反应，其 原因就是个体根据自己的内部的认知结构对外在刺激进行选择和加工，赋予特 定的意义。因而，个体的心理结构和认知结构在学习活动中有着举足轻重的作 用。 所谓内部心理结构。就是指学习者的学习态度、需要、兴趣、爱好、对自 然及社会认知和概括的能力与方式，而认知结构是这些能力与方式的符号表征 系统。个体在自身的心理结构的影响下，与客观环境相互作用的过程中，不断 的修正自己的心理结构，反过来又影响未来与环境的相互作用，当新的经验改 变了学习者现有的心理结构时，学习就产生了i 因此，“学习的过程是个体内 部心理的改组与形成的过程”。这就是认知理论对人类学习的基本观点。 s _ + a t _ r 其中a 代表同化，t 代表主体的认知结构。客体刺激( s ) 只有被主体同化 ( a ) 于认知结构( t ) 之中，才能引起对刺激的行为反应( r ) ，学习才能发生。 认知理论学习观既强调了学习者的认知结构的作用，也强调学习材料本身 内在的逻辑结构。如在常规的学习过程中，结构化的教材与学生已有的认知结 构联系起来，新旧知识发生相互作用，新的材料在学习者头脑中获得了新的意 义，使学习者已有的认知结构得以变化和发展，这就是学习的实质。 认知学习理论既强调外在的客观因素也强调学习者内在的主观因素，重 点放在两者的结合上主张学习就是将外在事物的关系( 结构) 内化为学习者 自己的心理结构( 认知结构) 的过程。因此，在m c a i 的课件设计中，人们开始 注意学习者的内部心理过程，强调学习者的心理特征与认知规律。把学习看作 是学习者根据自己的态度、需要、兴趣、爱好、利用自己原有的认知结构，对 当前外部刺激所提供的信息主动做出的、有选择的信息加工过程。设计多媒体 课件时，应有明确的指导思想，让学习者充分认识到学习内容中概念与概念之 间，概念与原理之间的关系：充分考虑学生认知活动的参与，并使学生在学习 8 中得到自我指导；既要表现推理性认知过程，也要提供归纳性认知过程；课件 的内容结构应符合学习者的认知发展水平；课件应表现出事物的辨证矛盾特征， 以便引起学生在更高水平上思考0 0 i 2 3 建构主义理论l l 到了2 0 世纪8 0 年代末期，许多美国学者开始批评认知学习理论，认为认 知学习理论只谈心理过程，而忽略社会、文化、背景。建构主义学习理论开始 逐渐取代认知主义学习理论，建构主义是信息时代的产物，随着对它的研究和 应用，人们的学习观念发生了巨大的变化。 建构主义认为世界是客观存在的，但对世界的理解是由每个人以自己的经 验为基础来决定的建构主义认识论的基本理念是；就知识的性质而言，知识 是个体建构的，它内在于人的心灵中，不是通过教师的传授得到。学习是在一 定的情境即社会文化背景下，借助他人的帮助即通过人际间的协作活动而实现 的意义建构过程，学习者在以往学习中已经形成了丰富的经验，新问题呈现时， 他们可以基于以往的相关经验，依靠他们的认知能力形成对问题的某种解释。 教学不是知识的传播，而是知识的处理转换由此可见，建构主义非常强调学 习的情境性。 建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，教师是意义建构 的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者。学习者在认知、解释、理 解世界的过程中建构自己的知识，学生是主动的思考者、提出问题者、问题说 明者、解释者，学生对获得的信息通过理解、提问、解释和应用等方式进行主 动建构，才能变成其认知结构中的知识首先，学习者并不是空着脑袋进入学 习情境中的。在日常生活和以往各种形式的学习中他们已经形成了有关的知识 经验，即使有些问题从未接触过，没有现成的经验可以借鉴，但是当问题呈现 在他们面前时，他们还是会基于以往的经验，依靠他们的认知能力，形成对问 题的解释。其次，学生是在合作与协商的过程中学习的。教师与学生、学生与 学生之间需要共同针对某些问题进行探索，并在探索的过程中相互交流和质疑， 了解彼此的想法这种合作应该是贯彻于整个学习活动过程中合作对学习资 料的收集与分析、假设的提出与验证、学习过程的自我反馈和学习结果的评价 以及意义的最终建构都有十分重要的作用。 教师的角色是学生建构知识的支持者。教师的作用从传统的传递知识的权 威转变为学生学习的辅导者，成为学生学习的高级伙伴或合作者。教师创设一 种良好的学习环境，学生在这种环境中可以通过实验、独立探究、合作学习等 方式来展开他们的学习。教学是逐步减少外部控制、增加学生自我控制学习的 过程 9 由于c a i 的技术优势特别适合于实现建构主义学习环境，换句话说，多媒 体计算机可以作为建构主义学习环境下理想的工具和获取信息的媒介，能有效 的促进学习者的知识意义建构，多媒体c a i 所具有的特点和开放式实验教学的 要求，很好的符合建构主义理论的要求，多媒体c a i 所具有的交互性、网络信息 传递性，可以使学生在利用多媒体c a i 进行学习时，实现人与机器、人与人之 间的交流学生还可以通过网络的信息传递功能，与同学或老师进行交流讨论。 以建构主义学习理论为指导的多媒体课件教学不同于传统的课堂教学，有其自 身的独特性，能充分发挥学生的主动性，体现出学生的创造精神；让学生有多 种机会在不同的情景下应用他们所学的知识；让学生根据自身行为的反馈信息 来形成对客观事物的认识和解决实际问题的方案在具体教学过程中应把握以 下两点： 1 采用双主模式 建构主义学习理论强调学习者是认知主体，是意义的主动建构者；同时又 不忽视教师的主导作用，认为教师是意义建构的帮助者、指导者和促进者因 此，多媒体课件教学应采取既发挥学生主体作用，又发挥教师主导作用的双主 模式 在多媒体课件教学进程中，学习者有时处于传递一接受学习状态( 教师帮学 习者建立新知与。旧知的联系) ，但更多的时候是在教师指导下进行主动思 考和探索，在情境中自己确定问题，自己寻找解决问题的途径，在问题解决过 程中自己进行意义的建构。这其中包括搜集辨别信息、提出假设进行验证以及 与同伴合作交流等环节。 教师在教学活动中有时处于中心地位，但其主要任务是激发学习者的学习 兴趣，帮助学习者形成学习动机，创设符合教学内容需要的多种情境和提示新 旧知识之间的联系，帮助学生进行知识的迁移，组织协作学习，把学习者的 学习引向深入，监控学习者的学习活动，并适时给予引导和帮助。 2 创设真实情境 建构主义学习理论认为，学习活动是在一定的情境即社会文化背景下进行 的，而且学习环境中的情境必须有利于学习者对所学内容的建构。多媒体课件 制作活动中创造的情境首先要符合学习者认知发展水平的情境，大学生擅长逻 辑思维且理解力强，创设给他们的情境就要符合他们这种心理发展的特点。为 此应仔细分析学习者的知觉、记忆、思维以及动机、经验，情感等因素，找到 学习内容与学习者认知结构的结合点，在创设自然科学领域中的情境时，用最 符合学习者认知心理的外部刺激去促进他们对新知识的同化和顺应，完成意义 的建构。创设尽可能真实的多样化情境，利用多媒体技术与虚拟现实技术创设 逼真的情境，有助于调动学习者的所有感官和过去的经验去探索与解决问题。 而只有在真实情境中的问题才具有挑战性和现实意义。创设从不同侧面、不同 角度表征知识的多样化情境，将为学习者的探索提供多条路径，以便随机进入 任一情境去学习。促进知识的迁移。 此外，学习者可以通过调用多媒体课件进行学习。不受时间和地点的限制， 根据自己的需要选择学习内容。在认知工具计算机的协助下，学习者的认知 能力和解决问题的能力得到发展。在学习者与教师的协作过程中，学习者能获 得教师的指导，同时教师也能获得学习者的反馈信息。学习者在情境中学习时， 所遇到的问题也可能是教师一时无法解答的问题，这时，教师就会转变角色， 与学习者一起共同探讨问题，成为协作者【”】【1 4 l 。 2 4 教育心理学基础1 1 5 i 2 4 1 当代大学生的心理特点 当代大学生是社会的特殊群体，他们大多处于青少年后期，他们的心理正 在迅速走向成熟而又没有真正完全达到成熟经过之前十几年的学校课堂教育 已经构成了比较完整的知识结构，具备了进行独立思考的能力。随着身心的进 一步发展及所受教育程度的提高、活动范围的扩大，大学生的自我分析、自我 评价、自我教育能力有了明显的提高。独立意识迅速增强，愿意独立思考、独 立体验、独立解决问题。有自己的见解主张，不盲目随波逐流，特别关心自己 的成长和发展，不厌其烦地“自我设计”未来，对未来充满憧憬和幻想。 智力发展达到较高水平随着专业学习训练与科学研究活动的参与，大学 生的知识面迅速扩大，知识量也不断增加思维也发展到较高阶段，大多以抽 象逻辑思维为主。就业的压力和对未来美好生活的追求使他们有学习知识发展 能力的迫切要求。他们对自己也有很高的期望，对未来充满幻想。他们一般不 满足于教材和教师讲授的内容，在上课的5 0 分钟里学生也不愿再进行“填鸭式” 的教育，不再接受老师照本宣科的讲课方式，他们有自己的思维，不再是老师 说什么就是什么了他们更愿意根据自己的兴趣爱好结合未来理想职业的特点 而主动选择学习内容【l “。 2 4 2 多媒体的教育心理学基础 从多媒体辅助教学影响的对象来看，教育心理学是多媒体辅助教学理论基 础。教育心理学是研究学校中教与学的基本心理规律的科学，学的规律是教的 规律的基础，学习理论是教育心理学中的核心理论，尽管学习理论有着不同的 流派，但却都为现代教育技术学提供了理论基础，影响整个学习过程的主要因 素有两个方面，一是学习内容，二是学习方式。在学习内容既定的条件下，学 习过程主要是随着学习方式的变化而变化。教育心理学的研究表明，在教学中， 单一媒体的使用很容易使人产生厌烦情绪，进而引起心理疲劳。多媒体介入课 堂教学，使教学充满了生机和活力，心理学家对人类接受信息的主渠道进行研 究的结果概括如下：视听复合媒体对信息的识别率高，刺激性强，不容易产生 遗忘 培养学习动机可以采取以下三种措施或三种途径：创设外部客观条件，激 发学习动机；培养内部心理品质，转化学习动机；强化各种内外因素，维持学 习动机。现代教育技术的教学运用，具有一个最明显的功能，在于创设情境。 经过各种程序的演示，将学生的学习任务由难度较高的程度简化到难易适中或 更为简单的程度，使学生从提高学习效率方面来强化其学习动机 多媒体技术的教学实践运用，对认知主体非智力因素的最突出影响作用， 表现在兴趣与学习、情感与学习两个方面第一，对学习兴趣的激活。多媒体 技术的教学应用，对学生学习兴趣的产生和发展是非常明显的，第二，积极激 发学习情感在学习活动中。适当的激情、良好的心境是学习的重要保证 多媒体计算机辅助教学正是利用了人类的学习规律，经过多次的反复与强 化，加强了学生的理解和记忆力采用多媒体技术来辅助教学，能使学生的多 种感官得到刺激，最大限度地汲取信息与知识实验心理学家特瑞赤拉 ( t r e i c h e r ) 曾做了两个著名的实验一个是关于人类获取信息的来源，经研究： 人类获取的信息8 3 来自视觉，1 1 来自听觉，3 5 来自嗅觉，1 5 来自触觉， 1 来自味觉另一个实验是关于知识保持即记忆持久性的实验，经研究：人们一 般能记住自己阅读内容的1 0 ，自己听到内容的2 0 ，自己看到内容的3 0 ，自 己听到与看到内容的5 0 ，在交流过程中自己所说内容的7 0 【l n 。还有一组统 计：人对信息识别率听觉为2 8 秒，视觉为0 4 秒，两者结合则极快：人对客 观事物的接收效率中，听觉占1 1 ，视觉占8 3 ，两者结合总效率为9 4 ：人 获得知识的记忆保持率为；单用听觉，3 小时后为7 0 ，3 天后为1 0 ；单用 视觉，3 小时后为7 2 ，3 天后为2 0 ；如果视听结合则记忆率最高，3 小时 后为8 5 ，3 天后仍有6 5 8 1 。这些统计数字表明，在认知过程中如果既能 听到又能看到，再通过交流讨论并以自己的语言表达出来，知识保持的效果将 大大提高。而多媒体计算机的信息形式多样性应用于教学过程不仅非常有利于 知识的获取，而且非常有利于知识的保持信息和知识是密切相关的，获取大 量的信息就可以掌握大量的知识。因此，充分运用以计算机多媒体技术为核心 的多种媒体手段为教学所创设的环境并加以科学、合理的组织，使学生能在既 看得见，又听得到，还可用手操作的学习环境中，通过主动参与，去获取信息。 与此同时，在有助于开展讨论、交流的学习环境中，经过学生自己的内心体验， 去加工、处理信息由此所产生的对知识的获取、保持、应用与再创造的教学 效果将大大优于传统教学的效果。 多媒体计算机提供外部刺激的多样性有利于知识的获取与保持，多媒体计 算机提供的外部刺激不是单一的刺激，而是多种感官的综合刺激。这对于知识 的获取和保持是非常重要的。多媒体技术既能看得见又能听得见，还能用手操 作这种通过多种感官的刺激所获取的信息量，比单一的听老师讲课要强的多 信息和知识是密切相关的，获取大量的信息就可以掌握更多的知识多媒体计 算机应用教学过程不仅非常有利于知识的获取，而且非常有利于知识的保持 第三章大学物理实验m c a i 课件的设计和应用 多媒体课件设计是实现w c a i ( m u l t i m e d i ac 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 ，多媒体计算机辅助教学) 的必要条件。m c a i 是多媒体技术和 c a i ( 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 ，计算机辅助教学) 相结合的产物， 它是以计算机为中心的集合体，能够对文字、声音、图形、动静态图像等多种 信息媒体进行获取、编辑、存储、检索、展示、传输等各种操作，以我们最熟 悉的传递信息方式声音和图像进行交流这种“图文声”并茂的人机双向 交流，引起学生强烈的兴趣和注意，促进了对知识的理解和记忆，调动了学生 的主动探索精神，提高了教学的效果，同时，还能大大减轻教师的劳动强度， 从而使教师从重复性的工作中解脱出来自进入九十年代以来，多媒体技术迅 速兴起、蓬勃发展，其应用已遍及国民经济与社会生活的各个角落，正在对人 类的生产方式、工作方式乃至生活方式带来巨大的变革。 多媒体计算机辅助教学( m c a i ) 充分利用多媒体计算机的各种功能帮助教师 完成教学任务，使学生通过多种感官获取知识信息，增强教学效果的一门现代 教育技术应用多媒体技术编制成的新一代教学软件系统，改变了原来计算机 辅助教学( c a i ) 中只将知识信息以单一视觉或听觉符号表现的方法，把难以说明 的物理原理辅以生动的画面来解释，把不便进行的宏观或微观实验通过计算机 模拟加以实现。不同程度的学生可以选择不同的进度和方式来学习，学生对教 学内容的接受情况可以迅速反馈给计算机，并由计算机进行及时的综合分析， 以便教师采取相应的对策 多媒体技术的引入，对传统的教育方式产生了巨大的冲击，使之发生了更 加深刻的变革多媒体技术在提高教育质量和教学效率方面所起的作用已被人 们所公认，信息社会的教育需要多媒体。多媒体教学具有丰富的表现力、巨大 的容量、良好的交互性、广泛的共享性等优点。多媒体技术是物理实验教学良 好的辅助工具，使教学模式变得丰富多彩，能有效的激发学生的学习兴趣，调 动学生学习的积极性，强化感性认识，加深对所学知识的理解。传统的实验教 学，教师是知识源泉，教学方法是单向灌输式的知识传授型，而且手段落后 多媒体技术的发展和应用给物理教学带来很好的辅助工具，将一些枯燥难以理 解的过程直观化。 随着多媒体技术的发展，计算机辅助教学课件应用更广泛，对教学质量的 提高起到了很大作用，也引发了我们对如何利用现代信息技术改革传统教学模 式和教学方法的思考。 1 4 3 1 m c a i 的发展 3 1 1 国外计算机辅助教学的发展状况l 嘲 早在2 0 世纪2 0 年代中期，美国心理学家普莱西( s l p