“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要結(jié)合“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)踐，提出教學(xué)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，給出基于流的教學(xué)內(nèi)容顯示模型，探討把抽象內(nèi)容形象化、具體化的方法，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方式難以表達(dá)的教學(xué)意圖。通過(guò)教學(xué)使用，證明該系統(tǒng)對(duì)各種抽象知識(shí)表達(dá)合理，完全適用于課堂教學(xué)和學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)課后學(xué)習(xí)，教學(xué)效果明顯。

關(guān)鍵詞無(wú)機(jī)材料科學(xué)；多媒體；網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào) TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1671-489X（2008）12-0070-03

1 引言

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育開(kāi)展的一種重要的遠(yuǎn)程教學(xué)手段，它是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型的教學(xué)形式。網(wǎng)絡(luò)教育這種新的學(xué)習(xí)方式不受時(shí)空的限制，能夠整合全社會(huì)的教育資源為人們學(xué)習(xí)所用。不管是在校學(xué)生還是成年人，越來(lái)越多的人運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，國(guó)家提出了“21世紀(jì)教育振興行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目”，并明確指出：利用多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)，是教育信息化的重要組成部分。在這種社會(huì)大背景下，配合鄭州大學(xué)精品課程建設(shè)，筆者提出并建設(shè)了“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)。

“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”是面向材料學(xué)、無(wú)機(jī)非金屬材料方向本科生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修基礎(chǔ)課程。作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課程，在整個(gè)教學(xué)課程體系中起著承上啟下的作用。本課程內(nèi)容新概念多、理論性強(qiáng)，其中涉及到大量的、難以理解的抽象知識(shí)，如硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散、相變的微觀機(jī)制，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方式等。因此，在以往的課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，雖然學(xué)生對(duì)此課程學(xué)習(xí)積極性很高，但常感到即使在課堂上已經(jīng)領(lǐng)會(huì)，在課下又會(huì)對(duì)許多知識(shí)點(diǎn)感到困惑。鑒于此，筆者根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，不但可以把一些抽象的微觀過(guò)程以動(dòng)畫(huà)的形式生動(dòng)地演示出來(lái)，而且還可以用實(shí)時(shí)影像向?qū)W生展示新型材料加工工藝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方式和課件難以表達(dá)的教學(xué)意圖；又可以給學(xué)生提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，使學(xué)生能隨時(shí)隨地、自主地、個(gè)性化地、交互地進(jìn)行本課程的學(xué)習(xí)，從而使學(xué)生全面掌握課程精髓，學(xué)習(xí)效果更上一層樓。

2 教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則使用教學(xué)系統(tǒng)的目的是優(yōu)化教學(xué)結(jié)構(gòu)，提高課堂教學(xué)效率，既要有利于教師的教，又要有利于學(xué)生的學(xué)和課后的復(fù)習(xí)。為此，“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循以下幾條原則[3]。

1）教學(xué)性原則。明確“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)，選擇適宜的表現(xiàn)形式，充分利用計(jì)算機(jī)的特有優(yōu)勢(shì)，利用多媒體，建立符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的表現(xiàn)形式。例如，對(duì)一些抽象過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬，既要有連續(xù)的演示，給學(xué)生以完整的概念；又要有分步驟的演示，有利于教師的講解。

2）科學(xué)性原則?？茖W(xué)性無(wú)疑是評(píng)價(jià)教學(xué)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，其基本要求是不出現(xiàn)知識(shí)性錯(cuò)誤，如位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散、相變等微觀過(guò)程仿真應(yīng)符合實(shí)際規(guī)律。

3）創(chuàng)造性原則。優(yōu)秀的教學(xué)系統(tǒng)不應(yīng)是教材的翻版，而是對(duì)教材的補(bǔ)充和再創(chuàng)造。

4）互動(dòng)性原則。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師是教學(xué)的主體，把學(xué)生看成是知識(shí)倉(cāng)庫(kù)，教學(xué)過(guò)程就是不斷地往倉(cāng)庫(kù)中灌輸知識(shí)。學(xué)生靠這種被動(dòng)的方式獲得的知識(shí)是零散的、缺乏聯(lián)系的、記憶不牢的。因此，教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)把被動(dòng)的學(xué)變?yōu)橹鲃?dòng)的學(xué)，體現(xiàn)學(xué)生主體、教師主導(dǎo)的現(xiàn)代教學(xué)思想。

5）網(wǎng)絡(luò)性原則。教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)部署于校園網(wǎng)上，教師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可隨時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容；學(xué)生可在教室、圖書(shū)館、宿舍等有校園網(wǎng)接口的地方，隨時(shí)登陸系統(tǒng)，復(fù)習(xí)課堂內(nèi)容，并利用試題庫(kù)進(jìn)行自我測(cè)試。

2.2 體系結(jié)構(gòu)為了體現(xiàn)學(xué)生主體、教師主導(dǎo)的現(xiàn)代教學(xué)思想，“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”多媒體教學(xué)系統(tǒng)既是課堂助教型教學(xué)系統(tǒng)，也是學(xué)生自學(xué)型教學(xué)系統(tǒng)[4]。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）教學(xué)子系統(tǒng)。教學(xué)子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)輔助教師教學(xué)功能。教學(xué)內(nèi)容的展示符合目前“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”的大綱要求，內(nèi)容涵蓋有關(guān)材料的組成與結(jié)構(gòu)、加工與制備基礎(chǔ)、性能與使用性能3大部分，適應(yīng)教師備課和課堂教學(xué)，并可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行內(nèi)容的增減和取舍。在課堂教學(xué)過(guò)程中，授課教師可以靈活調(diào)用多媒體教學(xué)系統(tǒng)中的文字、圖形、圖表等內(nèi)容。當(dāng)教學(xué)內(nèi)容無(wú)法用文字描述時(shí)，可以調(diào)用動(dòng)畫(huà)、影像資料等，以形象、直觀、動(dòng)態(tài)的手段來(lái)輔助教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量，是傳統(tǒng)教學(xué)方式所達(dá)不到的效果。

2）學(xué)習(xí)子系統(tǒng)。學(xué)習(xí)子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)輔助學(xué)生自學(xué)功能。該系統(tǒng)考慮了材料專(zhuān)業(yè)本科生的知識(shí)水平、認(rèn)知能力，針對(duì)學(xué)生空間想象能力弱、抽象思維能力欠缺的特點(diǎn)，除了基本的文字學(xué)習(xí)內(nèi)容外，還設(shè)置了三維晶體結(jié)構(gòu)模型、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真、相變過(guò)程仿真等，學(xué)生可通過(guò)校園網(wǎng)隨時(shí)調(diào)用觀看，深入理解。

3）試題庫(kù)。試題庫(kù)主要實(shí)現(xiàn)輔助學(xué)生自我測(cè)試功能。試題庫(kù)主要包括“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”課程各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的、難易程度不同的習(xí)題，題型涉及填空題、選擇題、名詞解釋、簡(jiǎn)答題、計(jì)算作圖題等，共計(jì)500余題，它為學(xué)生提供了一個(gè)檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果、進(jìn)行自我測(cè)試的交互平臺(tái)。學(xué)生通過(guò)對(duì)一段時(shí)期學(xué)習(xí)效果的自我測(cè)試，可以了解自己的學(xué)習(xí)情況，并及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)方法。

3 教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 基于流的教學(xué)內(nèi)容顯示“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)與組成、加工與制備基礎(chǔ)、性能與使用性能3部分。教學(xué)內(nèi)容按照章節(jié)編排，既方便教師備課和教學(xué)，又方便學(xué)生自學(xué)。教學(xué)系統(tǒng)采用方正奧思和VB制作，在瀏覽器中運(yùn)行。

如圖2所示，為了更好地顯示教學(xué)內(nèi)容，本系統(tǒng)采用基于流的教學(xué)內(nèi)容顯示模型。教學(xué)內(nèi)容被劃分為章、節(jié)、一級(jí)標(biāo)題、二級(jí)標(biāo)題、顯示流。例如，點(diǎn)缺陷、電子缺陷等為一級(jí)標(biāo)題；形成、晶格畸變等為二級(jí)標(biāo)題；點(diǎn)缺陷的概念、點(diǎn)缺陷的平衡濃度等為顯示流。顯示流一般為30 k～100 k，之所以采用“流”技術(shù)，主要是為了使頁(yè)面顯示速度快，適合于互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽。二級(jí)標(biāo)題由多個(gè)顯示流組成，多個(gè)二級(jí)標(biāo)題組成一級(jí)標(biāo)題，多個(gè)一級(jí)標(biāo)題組成一節(jié)，進(jìn)而形成章。

3.2 抽象內(nèi)容的展示對(duì)于三維晶體結(jié)構(gòu)模型、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程、增殖過(guò)程、交割過(guò)程等抽象內(nèi)容，本教學(xué)系統(tǒng)采用Flash和3D MAX動(dòng)畫(huà)，進(jìn)行微觀過(guò)程仿真，展示原子微觀模型及微觀運(yùn)動(dòng)機(jī)制。

過(guò)程仿真分為3個(gè)階段，即初始狀態(tài)、過(guò)程展示、終止?fàn)顟B(tài)。圖3顯示的是柏氏矢量互相垂直的刃型位錯(cuò)的交割過(guò)程，圖中各個(gè)按鈕可實(shí)現(xiàn)過(guò)程運(yùn)行、暫停、后退等操作，以清晰展示整個(gè)交割過(guò)程。

3.3 試題庫(kù)的實(shí)現(xiàn)試題庫(kù)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)學(xué)生登陸、試題錄入、試題編輯修改、在線(xiàn)測(cè)試等功能。學(xué)生登陸根據(jù)學(xué)號(hào)，確定學(xué)生是否可以使用試題庫(kù)學(xué)習(xí)。試題錄入和試題編輯修改可依據(jù)課程章節(jié)，實(shí)現(xiàn)試題及答案的編輯、修改、存儲(chǔ)。在線(xiàn)測(cè)試提供了一個(gè)復(fù)習(xí)、鞏固的環(huán)境，若學(xué)生對(duì)某一部分內(nèi)容理解不深，可以在試題庫(kù)中選擇該章節(jié)的試題進(jìn)行針對(duì)性練習(xí)。當(dāng)學(xué)生寫(xiě)出答案后，系統(tǒng)將給出標(biāo)準(zhǔn)答案，以供學(xué)生參考比對(duì)。該子系統(tǒng)采用Visual Studio.Net2003開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access。圖4為系統(tǒng)的在線(xiàn)測(cè)試界面。

4 結(jié)論

“無(wú)機(jī)材料科學(xué)”教學(xué)系統(tǒng)采用聲音、動(dòng)畫(huà)、圖像、文字等多種多媒體形式，輔之以素材庫(kù)和試題庫(kù)，既可以課堂助教，也可以學(xué)生自學(xué)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方式難以表達(dá)的教學(xué)意圖。通過(guò)近3年的教學(xué)使用，證明系統(tǒng)能夠較好地解釋課程涉及的重要概念和理論，對(duì)各種抽象知識(shí)表達(dá)合理，教學(xué)信息豐富，教學(xué)過(guò)程直觀，完全適用于課堂教學(xué)和學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)課后學(xué)習(xí)，教學(xué)效果明顯。

參考文獻(xiàn)

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