对计算机辅助化学教学的几点思考和认识

对计算机辅助化学教学的几点思考和认识

随着课程教材改革的全面推行和逐步深入,教学手段的现代化已成为当前实施素质教育、提高课堂教学效率的一个重要问题。当今社会是信息科学技术高速发展的社会,而二十一世纪的课堂是多媒体的课堂,在科学技术发展的今天,教育不再仅仅是“粉笔加嘴巴”的传统模式,现代化教育技术个人计算机（PC机）加多媒体必然会引入教学领域,如计算机辅助教学(CAI)和计算机管理教学(CMI)已成为世界范围的教育研究领域和未来教学的发展趋势。笔者将就开展计算机辅助化学教学的必要性及其现状与对策等方面谈谈几点思考和认识。

　一、计算机辅助教学的发展及其在化学教学中的功能

　　在我国,计算机教育应用存在二次转折,第一次是从程序设计教学转向计算机辅助教学,第二次是从课件思想转向积件思想和网络教学。计算机辅助教学兴起于五十年代末,它是教育学、心理学、教育技术学、管理科学和计算机技术相结合的产物。当时行为主义学习理论倡导程序教学法,希望根据刺激反应的强化原则,及时获取教学信息的反馈,从而有效地实行个别化教学。但正如马特莱诺（Martellaro）所说,“在计算机稳固地占领课堂之前,似乎要在教育界经受一场长期而艰难的斗争。和旧的、早已稳固起来的教学方法相比,计算机必须具有更明显的优越性才能得到广泛的应用” ? 。由于那时的计算机发展尚处于起步阶段,存在对技术人才素质要求高的困难, 有关教学软件的开发与制作更是许多教师还没有掌握的技术，同时软件以Basic编程的字符模式为主,软件开发难度大、界面不友善、价格高, 相应的措施又跟不上,因而计算机辅助教学并未受到特别的关注。到八十年代,由于计算机技术的飞速发展,社会物质条件的改善,为计算机辅助教学创造了有利条件,特别是认知心理学的兴起,使CAI课件开发更侧重于应用性,注重知识的条理性和结构化,强调要与学习者已有的认识结构相匹配,使其在原有认知结构的基础上,通过计算机的辅助达到同化和顺应,从而形成新的认知结构。近年来,由于认知心理学理论的日益成熟及多媒体计算机技术的出现和发展,如图像技术的提高（包括解析度增大、色彩丰富和2D、3D图形技术增强）、压缩与解压缩技术的发展、高容量载体的出现以及数位化技术与超媒体技术和运算技术的加快等，带动了CAI课件的发展，使计算机辅助教学更注重于学生学习能力的形成、学习策略的掌握以及提供更多的个别化教学的选择。就世界上计算机辅助教学的发展过程而言，主要经历了以字符模式为主的编程阶段、多媒体CAI课件和从一元到多元、多维等将教育与信息技术相结合的网络教学（是广域网而非局域网）阶段，因此计算机辅助教学的发展趋势,也顺应了现代化教学的两个基本趋势,即强调教学的主体性,强调充分发展学生的个性,全面提高学生的整体素质。

　　在大力提倡素质教育的今天,坚持素质教育的基本观点,就在于要面向全体学生,通过个体的发展,实现真正意义上的全面发展,同时帮助学生具备各方面的基本素质,形成合理的素质结构,为学生的未来发展奠定基础。而要实现个体的全面发展,必须立足于学生个体差异、因材施教,使学生不仅要有雄厚的知识基础,还必须掌握获取知识技能的方法,形成自学能力,才能适应未来社会不断变化的需要。而计算机辅助教学的主要功能,则会对我们进行素质教育目标的实施提供有益的帮助。就计算机多媒体技术应用于化学教学而言,具有以下几个功能：

　　1. 多媒体集文字、图形、图象、声音、动画、影视等各种信息传输手段为一体,具有很强的真实感和表现力,可以激发学习者兴趣,引起注意。提高学生学习化学的兴趣,是提高化学教学质量的前提,也是改善课堂教学环境的重要一环。化学多媒体软件在内容组织上采用大量的色彩鲜明、活泼有趣的音象画面,有助于调动学生的学习积极性。

　　2. 可以变抽象为具体,模拟微观世界的化学反应和现象,使教学更加形象、直观,便于学习者理解和掌握。化学是研究原子、分子等微观运动和变化规律的一门学科,对于化学中运动而复杂的微观世界,用传统的教学手段很难使学生理解掌握,而借助计算机的模拟手段,可以使学生比较直观形象地认识微观粒子的运动,从而对化学变化的本质能一目了然。

　　3. 可以动态地、对比地演示一些化学现象,可以有效地控制变化的速度,调节快慢,从而便于学习者观察和思维。有些化学反应瞬间完成,对其过程很难分步观察与判断,通过多媒体技术,教师可以模拟控制反应变化的速度,调整教与学的进度,在教师与计算机的共同启发下,培养学生的能力。

　　4. 利用多媒体的人机对话、界面友善、超文本、人工智能、可编著工具、方便的外设、虚拟现实等功能,可以使学习者沿着自己的思路,适应自己的需要去发展学习的过程,可以及时反馈教学信息,可以突出重点,解决难点,增大课堂教学容量,极大地提高教与学的效率。计算机信息贮量大,处理迅速,具有友好的工作界面,方便的人机交互功能,为学生提供了良好的个别化学习环境,使学生能根据自己的学习能力调节学习进度和难度,真正实现因材施教。而教师可以根据学生已有的认识基础,构建问题情境,指导学生独立地上机学习,并辅之以必要的反馈练习,及时肯定或解答,帮助学生总结学习方法,查找学习障碍,逐步提高学生自学能力和处理实际问题的能力。由此可见, 计算机辅助教学在提高课堂效率、增大课堂容量、进行全面即时性辅导、减轻学生课业负担等方面,都是其他教学媒体所没有的。

　　5. 多媒体的各种信息传输手段作用于学习者,可以同时调动视、听、说等多种感官,形成合理的教学过程体系,使学习者在最佳的学习环境中学习,使之达到教学的最佳效果。心理学研究表明,人们从听觉获得的知识能够记忆15%,从视觉获得的知识能够记忆25%,而同时使用两种传递信息的工具就能接受知识约65%。多媒体的多感官刺激作用,有利于学生注意力的长期保持和获取知识。

　　6. 多媒体网络可以缩短时空距离,加强人与人间的联系,有利于开阔学习者的视野,形成互助合作的优良素质。如电子图书馆和网络的服务,允许用户把信息(电子邮件)传给本系统的其他用户,也可以通过计算机获得图书馆的信息,其好处是不言而喻的。

　　正如埃斯特伦所说,“计算机能非常直观地、多方面地提供学习经验,这可以使一个年轻人在大约几个月的时间内达到用传统教学方式需几年才可达到的水平”②。由于计算机辅助教学具有这些功能,就决定了它在化学教学中会发挥日益重要的作用,所以有必要开展并加强计算机辅助化学教学工作。

　二、目前计算机辅助化学教学的现状与困难

　　近几年来,在美国等发达国家的化学教学中已广泛采用以微型计算机为核心的高新技术和多媒体远程教学。如何使我国化学教学现代化问题,已摆在全体化学教师、教研员及教材研究人员的面前。

　　从我国目前的情况看,根据邓小平同志教育要三个面向的指示,由于各级教育行政部门和各级领导的重视,全国广大地区的各类学校在计算机硬件的装备上已迈出可喜的步伐,不论是重点中学还是普通中学,很多都已从无到有建立起规模不等的计算机实验室,并多已开设了计算机普及课程,初步做到了“计算机要从娃娃做起”。但是由于种种原因,计算机在教学上的应用普遍还停留在磁盘操作系统（DOS）基础知识、文字处理、数据库基础等层次上,计算机在化学教学中的应用还基本上是处于起步阶段。这不仅是教学资源的浪费,而且还会影响到中学对未来人才的培养。究其原因,一是适合中学化学教学的计算机软件不多,就是目前已有的一些已商品化的化学教学软件也较多停留在初级教学水平,教学针对性不强,而一些水平相对较高的软件价格偏高,脱离了目前我国中学师生的承受能力,因此难以在教学中发挥作用。从目前国内的现状看,CAI的发展较为落后,品种单一、制作粗糙、交互性差、界面不理想、连贯性差,难以形成系列产品,更难以在全国推广。二是现阶段我国中学师资在掌握现代科学技术上水平普遍偏低,往往是懂化学的不懂得软件编制,许多经验丰富的教师不懂计算机与计算机语言,对计算机辅助化学教学焦急万分而无法实现自己的许多设想；而会编制软件的人员却又不甚了解化学教学,即使他们有丰富的编程经验也很难能编制出一个令人满意、切中要害的CAI课件,这种情况就使得课件设计与制作相脱节,因此可以想象很难能使编制的软件达到较理想的水平。

　　目前全国计算机辅助化学教学的现状与困难主要表现为以下几个方面：

　　1. 全国的经济发展很不平衡,在很多地区存在着资金与设备短缺的情况,很难能对计算机辅助化学教学进行深入的研究与开发。

　　2. 研究与编制力量分散,队伍不整齐。尤其是对计算机辅助化学教学的研究缺乏整体的设想与规划,CAI课件很难有质上的突破,对CAI的功能研究与开发得不够。

　　3. 在突破教学难点上还缺乏好的CAI课件。在CAI化繁为简、化虚为实、变乱为明、化难为易的功能方面开发得远远不够。

　　4. 在加大教学密度上研究得还不够。利用计算机多媒体技术可以做到高密度的知识传授,大信息量的优化处理,能大大提高课堂效率。从目前已知的CAI课件看,在这方面的研究工作应该加强。

　　5. 对优化教学过程、反馈教学成果的研究还不深入。从目前情况看,在进行计算机软件研制和教学实践时,尚不能把握坚持整体观点、重视多样化、贯彻综合观点、力争最优化的方法论原理。

　　在当前课程教材改革不断走向深入,由应试教育向素质教育转轨的背景下,应该采取措施向课堂45分钟要效率,加强计算机辅助化学教学的研究,在中学化学教学中,发挥CAI的模拟功能、多媒体结合功能、个别辅导功能,以学生为主体、教师为主导、计算机为辅助手段开展教学活动。在中学化学教学研究中,也应该进行CAI的专题研究,在一定范围内,开展CAI课件的开发与协作,多出精品。建议政府或教育行政部门出面,做好统筹协调工作,减少目前个体作坊式的低水平、无序的软件开发状况,同时也可以避免由于重复劳动而造成的浪费。各级教育行政部门和学会在协调、引导的基础上,在人力、物力上对计算机辅助化学教学研究工作要给予支持,加强经验交流,做好推广工作。这样,就会促进我国计算机辅助化学教学的深入开展。

　三、开展计算机辅助化学教学应注意的一些问题

　　针对我国的现状,要开展计算机辅助化学教学必须具备一定的条件。笔者认为,主要应注意以下四个方面：一是硬件建设,二是软件设计与配置,三是技术力量,四是研究信息交流网络中心。要开展好计算机辅助化学教学,就必须解决好这四个方面的问题。

　　1. 要解决好教育手段现代化的要求与当前设备落后、资金短缺的矛盾

　　在课堂教学中要使用多媒体技术,就需要有硬件和软件的支持。多媒体软件对硬件的要求较高,设备等需要较大的投资。而目前我国的国情是教学经费不足,教学经费还主要是供给教师工资和学校的日常开支,所以开展计算机辅助化学教学也只能先在经济较为发达、教学条件较好的地区起步,然后逐步推广,同时也希望国家能加大对教育的投入,尽快实现教学手段的现代化。随着社会进步和物质条件的改善以及计算机的发展和价格的下降,硬件建设问题的解决对学校或是个人来说,也会变得相对较为容易一些。

　　2. 要解决好计算机辅助化学教学中的“辅什么”和“怎么辅”的问题

　　进行计算机辅助化学教学的研究,首先要明确其地位是“辅助”而不是“代替”,不要以计算机辅助化学教学来盲目地、一律地代替其他教学手段和方法。

　　目前开展计算机辅助化学教学面临的严重问题是软件建设跟不上硬件建设的速度。这主要是因为化学中的微观世界难以完整体现,化学反应与化学实验的复杂性很难用传统的二维动画来模拟,况且好的CAI课件的设计与制作需要较高的资金投入,因而化学CAI课件的编制相对来说又要难于其他学科。这样,在人力、物力资源有限的前提下,为充分利用这些资源,开展好计算机辅助化学教学,以使多媒体教学软件提供的素材适应教师的课堂教学设计,在设计制作CAI课件时就要考虑辅助教师什么教学内容的“辅什么”和怎样辅助教师完成这些教学内容的“怎样辅”问题。

　　化学CAI课件在课堂上不能替代教师,而是辅助教师进行教学,因此,就不能将化学CAI课件设计编制成课本教材的翻版。就化学学科而言,化学的概念与原理抽象程度较高,物质的微观结构既看不见,又摸不着,单靠语言和文字的描述,很难能在学生的大脑中留下深刻的印象；同时有些有毒、有危险的化学药品与化学实验以及常规方法难于实现的化学反应也无法在课堂上向学生演示。因此,从“辅什么”的角度而言,化学CAI 课件的内容对象应为用其他教学方法或手段进行时效果不理想或难于实现的教学问题,如化学反应历程的模拟,原子和分子等微观粒子的运动,电子的空间运动与s、p、d电子云轨道的形状和空间伸展方向,分子结构,晶体结构,离子化合物与共价化合物的形成过程,物质的溶解过程,原电池的形成,有危险的化学实验,不易观察的化学实验,易造成环境污染而学生又必须知道的一些化学实验,用普通方法不易操作和实现的化学实验,现代化科研设备与工艺流水线……。诸如此类的知识与内容都是化学CAI 课件的表现素材,这些内容如果能设计编制成质量较高的化学CAI 课件,将会使化学课堂教学效率大大提高,会有助于学生把化学中抽象的东西形象化、动态化,使化学教学过程具有更强的教育性、直观性和活泼性。对于“怎样辅”问题,则要求化学CAI 课件必须具有可编辑功能,教师可以根据自己的教学经验和需要进行选用和编辑,可以将其随意拆分和组合，以使制作出的课件符合自己的课堂设计需要,使化学CAI 课件的课程内容有机地成为教师所设计的课堂教学的一个重要组成部分。

　　开发化学CAI 课件费时耗资。因此在设计编制化学CAI 课件时,还应该注意以下几个问题：

　　(1) 要注意化学学科知识内容的科学性与可接受性；

　　(2) 要选取教材的重点与难点；

　　(3) 要注意符合学习者的认知规律,加强直观性与发展学生思维相结合；

　　(4) 不能用模拟实验代替学生实验,可以通过CAI课件解决局部放大模拟或微观变化宏观展现问题；

　　(5) 渗透部分教学录像的内容(即好的教学录像VCD化),避免花费很多时间和资金放在制作动画内容方面；

　　(6) 化学CAI 课件应具有较强的交互性、较友好的界面,并具有可编辑功能；

　　(7) 课件设计与编制要有明确的指导思想和理论基础,要坚持高标准,处理好总体构思与具体设计的关系。

　　3. 建立一支合格的编制人员队伍和对教师进行操作训练

　　要编制出大量好的化学CAI 课件,一定要有一支稳定的高质量的编制人员队伍,这支队伍的建立需要有关教育行政部门和计算机专业人员的共同努力。应努力做到开发与应用并行、专职与兼职并重、教学人员与研制人员并用,形成一个相对稳定的CAI开发、研制、应用的系统。

　　要使多媒体在教育上发挥更大的作用,要发展学校的CAI和CMI,必须加强计算机知识的培训和计算机人才的培养,使教师特别是青年教师都懂得计算机的基础知识,了解CAI课件的使用,掌握计算机操作方面的基本技术,这样才能把多媒体用于教育教学工作中,也才能与编制人员更好地交流,提出对CAI课件的开发需求。同时,要注意培养懂得化学学科专业知识的计算机骨干力量,能够更多更好地掌握CAI课件开发的技术,努力设计出能把教学工作的需要最佳地表现出来的实用软件。

　　4. 建立一个各市、省乃至全国的研究信息交流网络中心

　　从目前全国的情况看,各地开展计算机辅助化学教学程度各不相同。有些地区、学校硬件建设已基本配套,但缺少适当的软件,因此设备利用率不高。还有些相当数量的地区和学校对化学CAI课件的研究工作相互重复或相近,缺少彼此间的交流与联合,造成在很大程度上的人员与资金的浪费。为了能协调好各地、学校对化学CAI课件的研究与制作,有必要建立起一个市级、省级乃至全国的计算机辅助化学教学研究信息交流网络中心,定期交流与探讨对计算机辅助化学教学的研究成果和实践经验,在我国现阶段教育资金相对缺乏的条件下,集中人力与才力,开展化学CAI课件的研究、开发与协作,推动多媒体在课堂教学中发挥更大的作用。

　　计算机是现代科学技术的基础和核心。人类已经进行了计算机时代、信息高速公路时代,近三十年来世界科学技术90%以上的发现、发展都与计算机技术紧密相连。把计算机引入课堂教学、引进家庭辅导、作为现代化教学技术的重要组成部分不仅有利于加强教学的时代性、竞争性和开拓性,有利于面对新时代的挑战,而且也有助于学生在学习过程中形成新思想、新观念、新方法,对他们今后成为高素质的化学人才有着重要的积极作用。计算机与基础教育的结合是世界范围内教育改革的一大趋势,我们应该进一步加强对计算机辅助化学教学的研究,促进我国计算机辅助化学教学的深入开展。

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