教學(xué)軟件開發(fā)過程模型探討*

余久久，張佑生，李凌峰

(安徽三聯(lián)學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥 230601)

教學(xué)軟件開發(fā)結(jié)合了軟件工程領(lǐng)域與教學(xué)設(shè)計領(lǐng)域，遵循采用工程化的開發(fā)過程、思想、方法及工具。作為一種為教學(xué)過程提供服務(wù)的工程化計算機軟件類產(chǎn)品，教學(xué)軟件在功能實現(xiàn)上離不開相應(yīng)的教學(xué)策略與教學(xué)設(shè)計過程，從而適應(yīng)新型教學(xué)體制和信息化的教學(xué)模式。探討運用軟件工程的技術(shù)和方法，開發(fā)并維護教學(xué)軟件已經(jīng)成為未來軟件開發(fā)的一個熱點研究方向。

1 教學(xué)軟件的定義

教學(xué)軟件可以定義為教師通過課前事先設(shè)計(制作)完畢，在基于多媒體或網(wǎng)絡(luò)課堂環(huán)境下，以自動或手動播放的方式為實現(xiàn)一定的教學(xué)目標、教學(xué)策略和教學(xué)過程設(shè)計，充分利用符號、文字、聲音、圖形圖像等多種信息媒體描述的電子教學(xué)材料，也稱為多媒體教學(xué)軟件。從技術(shù)實現(xiàn)層面看，教學(xué)軟件是達到以交互式綜合處理圖、文、聲、像等信息媒體，圖文并茂展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的一類計算機軟件程序；從反映內(nèi)容層面看，教學(xué)軟件體現(xiàn)出相應(yīng)教學(xué)策略，依據(jù)教師教學(xué)理論和學(xué)生學(xué)習(xí)認知心理，針對教學(xué)目標及教學(xué)對象特點，合理選取與設(shè)計教學(xué)信息媒體并進行有機組合，從而形成并優(yōu)化教學(xué)結(jié)構(gòu)的一種教學(xué)系統(tǒng)。近年來，如參考文獻[1-2]等把必須在相應(yīng)軟件環(huán)境下運行，由某種格式的計算機可執(zhí)行文件(如 PowerPoint環(huán)境下運行的.ppt文件)制作出來的多媒體課件也稱為教學(xué)軟件。

2 教學(xué)軟件特點分析

作為具有特定教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略的計算機教學(xué)程序，教學(xué)軟件開發(fā)離不開工程化開發(fā)思想?；诂F(xiàn)代化信息教學(xué)技術(shù)的環(huán)境下，其在功能上需實現(xiàn)教學(xué)目標、實施教學(xué)過程設(shè)計和信息媒體制作過程。參考文獻[3-8]均指出教學(xué)軟件開發(fā)過程中所具有的雙重屬性：(1)軟件自身功能屬性：包括軟件的可靠性、可維護性、可移植性等各種質(zhì)量屬性；(2)教學(xué)屬性：教學(xué)軟件以教學(xué)為主，需充分體現(xiàn)出現(xiàn)代化信息技術(shù)環(huán)境中教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念、教學(xué)設(shè)計以及教學(xué)策略等。教學(xué)屬性需要在以下三個方面得到體現(xiàn)。

2.1 教學(xué)策略與教學(xué)設(shè)計過程

教學(xué)軟件利用多媒體信息來表達教學(xué)內(nèi)容，表現(xiàn)某一知識點信息，為達到某一層次的教學(xué)目標而設(shè)計、選擇各種媒體信息。首先，作為一種“學(xué)習(xí)環(huán)境”和“認知工具”，表面上體現(xiàn)為功能模塊的設(shè)計與開發(fā)，實質(zhì)上蘊涵著以符合使用者相應(yīng)認知心理、思維習(xí)慣和學(xué)習(xí)需要的教學(xué)目標分析與設(shè)計、學(xué)習(xí)過程的設(shè)計、教學(xué)軟件內(nèi)容的組織等[3]；其次，教學(xué)軟件中所涉及到的多媒體信息的選擇與組織、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、教學(xué)案例程序、學(xué)習(xí)導(dǎo)航、問題設(shè)置、診斷評價等方式需要反映出一定的教學(xué)策略和教學(xué)過程；最后，教學(xué)軟件所蘊含的教學(xué)理念往往以細微的細節(jié)體現(xiàn)，比如軟件界面的布局、主題目錄的陳列方式、各瀏覽頁面間的位置關(guān)系等都可能對教學(xué)效果產(chǎn)生影響。

2.2 人機交互界面因素

從教育的角度，交互是指學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中，為主動完成當前知識的意義建構(gòu)，而與學(xué)習(xí)環(huán)境之間發(fā)生的相互交流與相互作用[4]。對于大多數(shù)學(xué)生自學(xué)輔助類教學(xué)軟件，學(xué)生通過交互界面進行人機交互作用，使教學(xué)軟件交互界面成為學(xué)生和計算機進行信息交換的“走廊”。尤其在多媒體教學(xué)軟件系統(tǒng)中，人機交互界面的形式包括有多種類別的圖標、菜單、按鈕、窗口、快捷鍵等，交互風格可以體現(xiàn)為文本命令輸入、下拉菜單選擇、直接點擊按扭等形式。實踐證明，用戶界面窗口風格保持一致、菜單與鍵盤命令并存、信息顯示格式與數(shù)據(jù)輸入格式協(xié)調(diào)等一系列科學(xué)的人機交互設(shè)計原則更受到學(xué)生的青睞，提高了學(xué)習(xí)興趣。

2.3 學(xué)習(xí)反饋與評價

教學(xué)軟件中需要設(shè)置一些問題或習(xí)題作為形成性練習(xí)，提問學(xué)生并及時要求學(xué)生做出反應(yīng)，通過問題的提出與回答，強化了學(xué)生的思考或操作能力，同時教師可以真實了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。通過對教學(xué)軟件作出相應(yīng)的評價，使學(xué)生知識得到鞏固。對于學(xué)生的學(xué)習(xí)反映，教學(xué)軟件也要做出相應(yīng)反饋，達到及時指出錯誤、肯定正確、給出評價信息等功能，使學(xué)生加深理解，鞏固學(xué)習(xí)能力。

綜上所述，教學(xué)軟件開發(fā)過程的特殊性體現(xiàn)在軟件系統(tǒng)自身功能屬性和教學(xué)屬性兩方面。與普通商業(yè)性軟件開發(fā)過程不同，教學(xué)軟件需要由軟件設(shè)計師、程序編寫員、教育心理專家、學(xué)科教師、美工編輯人員等共同參與完成開發(fā)過程。教學(xué)軟件從用戶需求層面上體現(xiàn)為采用了軟件工程思想的功能模塊化設(shè)計與開發(fā)流程，但是從使用領(lǐng)域?qū)用嫔蠀s蘊含著符合學(xué)生認知過程的教學(xué)策略、教學(xué)目標分析與設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容組織等[5]。由于同時包含兩方面因素，開發(fā)之初難以描述其完整的需求分析，開發(fā)控制難度較大。

3 教學(xué)軟件開發(fā)過程模型探討

與商業(yè)性軟件一樣，教學(xué)軟件遵循從產(chǎn)品開始到被淘汰的軟件生存周期，需要借助軟件開發(fā)模型直觀表達。教學(xué)軟件的應(yīng)用離不開學(xué)科教師與學(xué)生。一方面學(xué)科教師應(yīng)具備較好地把握教學(xué)策略與方法的能力，需要參與開發(fā)過程中；另一方面針對教學(xué)軟件使用的評價及反饋方面又離不開學(xué)生，軟件本身需要在反饋中不斷得到完善。近些年，國內(nèi)已有學(xué)者對教學(xué)軟件特點進行深入研究，一致提出教學(xué)軟件的開發(fā)歷經(jīng)反復(fù)化過程，適合采用原型或螺旋模型開發(fā)。

3.1 教學(xué)軟件原型開發(fā)模型

該模型由廣東技術(shù)師范學(xué)院谷震離教授在其參考文獻[6]中提出，如圖1所示。主要依據(jù)教學(xué)軟件在設(shè)計與實現(xiàn)過程中需要傳遞出的圖形、文本、音頻、視頻、動畫等各種多媒體元素信息，并在教學(xué)設(shè)計過程中對各種多媒體元素信息進行細化。整個模型主要包含教學(xué)設(shè)計與系統(tǒng)設(shè)計、腳本編寫、創(chuàng)意設(shè)計、多媒體元素的制作與編輯、編輯合成與測試評價共6個關(guān)鍵步驟，強調(diào)在多媒體元素的制作與編輯步驟中可以對不同的媒體素材及程序設(shè)計部分 (包括初步設(shè)計與詳細設(shè)計)可以進行并行處理。原型開發(fā)模型顯著的特點還在于多媒體評價人員(包括學(xué)習(xí)者、教育學(xué)專家、心理學(xué)專家等)可以共同參與各種多媒體元素的非線性開發(fā)過程，較好地解決了教學(xué)軟件開發(fā)過程中的教學(xué)屬性的復(fù)雜性問題。

教學(xué)軟件原型開發(fā)模型為開發(fā)符合教學(xué)規(guī)律、反映教學(xué)策略的多媒體教學(xué)軟件提供方法與技術(shù)上的支持[6]，依據(jù)教學(xué)目標首先迅速開發(fā)出軟件的最初版本，通過多媒體評價人員的反復(fù)測試與反饋，不斷修改和優(yōu)化這一螺旋上升過程，最終形成符合用戶要求的教學(xué)軟件產(chǎn)品。

3.2 教學(xué)軟件螺旋開發(fā)模型

基于教學(xué)軟件的開發(fā)過程同時包含了軟件工程和教學(xué)設(shè)計因素，體現(xiàn)出一定的系統(tǒng)方法思想。劉新陽等人基于傳統(tǒng)螺旋模型研究的基礎(chǔ)上，在參考文獻[7]中提出一種新型的三重螺旋模型來指導(dǎo)教學(xué)軟件開發(fā)流程，如圖2所示。

該模型分別從軟件工程視角和教學(xué)設(shè)計視角把分析、設(shè)計、實現(xiàn)和評價四項基本任務(wù)作為三重螺旋的階段性重點，歷經(jīng)最初的分析原型階段再到測試原型階段，直到最終產(chǎn)品形成階段。每一階段要求具備特定目標，分別體現(xiàn)出教學(xué)軟件中有關(guān)教學(xué)目標和策略的設(shè)計、軟件系統(tǒng)功能設(shè)計以及使用反饋評價三方面內(nèi)容。第一重螺旋以教學(xué)專家和程序設(shè)計人員為主，從宏觀的教學(xué)目標及整體教學(xué)設(shè)計的角度上構(gòu)建最初的分析原型；程序員、美工編輯人員主要參與第二重螺旋開發(fā)流程，旨在從軟件詳細設(shè)計與實現(xiàn)方面(如模塊接口編碼、編輯與制作各類多媒體元素等)開發(fā)出測試原型，可以作為教學(xué)試用產(chǎn)品。在第二重螺旋的基礎(chǔ)上，通過教師及學(xué)生的反復(fù)使用與評價，開發(fā)人員依據(jù)反饋結(jié)果找出軟件產(chǎn)品所存在的問題并加以不斷改進與完善；第三重螺旋實現(xiàn)了對軟件細節(jié)上的進一步優(yōu)化過程，形成最終教學(xué)軟件成品。

圖2 教學(xué)軟件三重螺旋開發(fā)模型

三重螺旋模型保證開發(fā)出的教學(xué)軟件能夠完美體現(xiàn)出教學(xué)設(shè)計思想[7]，充分發(fā)揮了參與開發(fā)過程中的各類學(xué)科專家、教育專家、程序設(shè)計人員等各類專業(yè)人員特長，也重視教學(xué)軟件的評價過程。

3.3 教學(xué)軟件原型與螺旋相結(jié)合開發(fā)模型

李為民、張軍征在參考文獻[8]中依據(jù)教學(xué)軟件中所含的各種媒體元素與程序編寫過程需要交叉進行，以及初始階段教學(xué)設(shè)計過程不確定性的特點，同樣從教學(xué)設(shè)計與軟件工程思想相結(jié)合的角度，提出一種類似原型與螺旋模型相結(jié)合的開發(fā)模型，如圖3所示。

圖3 數(shù)學(xué)軟件原型與螺旋相結(jié)合開發(fā)模型

計劃、設(shè)計與開發(fā)成為該模型開發(fā)過程的三個階段，標準、評價與管理始終作為與三個階段相互作用的三大要素，成為指導(dǎo)教學(xué)軟件開發(fā)活動的準則。

教學(xué)軟件原型與螺旋相結(jié)合開發(fā)模型在整體上反映的是螺旋模型開發(fā)的一個周期，模型中的計劃與設(shè)計階段均采用原型開發(fā)方法，通過反復(fù)修改予以實現(xiàn)。計劃階段從明確開發(fā)項目整體范圍、標準、項目限制條件、學(xué)習(xí)者特點分析的大范圍框架上，主要以“頭腦風暴，集思廣益”形式探討教學(xué)軟件風格、結(jié)構(gòu)、界面等因素，進行反復(fù)修改原型；設(shè)計階段側(cè)重對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標與方法、教學(xué)交互等教學(xué)設(shè)計方面屬性形成一套完整描述；開發(fā)階段運用相應(yīng)的軟件實現(xiàn)工具，從技術(shù)手段上對教學(xué)軟件所涉及到的各種多媒體素材的創(chuàng)作、編輯、程序編寫等活動過程按照并行的方式完成，實現(xiàn)軟件功能需求。標準、評價與管理三要素同時貫穿于上面三個階段，從開發(fā)人員與用戶共同遵循的產(chǎn)品目標特征一致性原則，歷經(jīng)不斷反饋、修改與評價而形成符合要求的最終軟件產(chǎn)品，開發(fā)過程中完善的項目管理過程三個方面保證了開發(fā)質(zhì)量。該模型適合教學(xué)類軟件的開發(fā)，具備普遍性。

4 教學(xué)軟件開發(fā)趨勢——探究式教學(xué)設(shè)計過程的體現(xiàn)

從以上開發(fā)模型可以得出，教學(xué)軟件開發(fā)過程遵循系統(tǒng)方法的思想，要求用戶在使用過程中對軟件產(chǎn)品自身功能實現(xiàn)與教學(xué)設(shè)計兩個層面對產(chǎn)品原型的不斷評價與反饋。作為一種認知性的學(xué)習(xí)工具，教學(xué)軟件作用效果不能純粹用軟件功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)來衡量，教學(xué)設(shè)計過程是否科學(xué)合理是無法在功能實現(xiàn)上直接反映出來的。對于輔助教學(xué)過程、優(yōu)化教學(xué)結(jié)構(gòu)的一種教學(xué)軟件系統(tǒng)，教學(xué)設(shè)計是用來保證軟件的教學(xué)性好壞的重要指標，通過學(xué)習(xí)者積極的探究與體驗才能更好地體現(xiàn)教學(xué)軟件的教學(xué)功能。作者認為未來教學(xué)軟件的開發(fā)趨勢需要在軟件教學(xué)設(shè)計層面上體現(xiàn)出探究式教學(xué)設(shè)計思想，對于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)思維能力、提高學(xué)習(xí)效率有很大的好處。

探究式學(xué)習(xí)是情境學(xué)習(xí)的一種類型，在教師引導(dǎo)下提出學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生在明確學(xué)習(xí)任務(wù)和目標的情況下，自主探究解決問題的過程[9]。其指導(dǎo)思想旨在以學(xué)生為主體，在教師的指導(dǎo)下自己通過閱讀、觀察、實驗、思考、討論等途徑獨立或團隊形式進行探究，自覺主動地探索，掌握教學(xué)內(nèi)容，找出規(guī)律，形成自己的概念。參考文獻[10-11]不同程度地提出了由國外相關(guān)教育機構(gòu)所開發(fā)的包含設(shè)計、管理與傳遞在線協(xié)作學(xué)習(xí)活動功能為一體的學(xué)習(xí)活動管理系統(tǒng)(簡稱LAMS)具備了學(xué)生探究式學(xué)習(xí)特點。教師事先根據(jù)教學(xué)設(shè)計的內(nèi)容，在基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過該系統(tǒng)提前設(shè)計好學(xué)習(xí)活動的序列。引導(dǎo)學(xué)生在課內(nèi)或課外的學(xué)習(xí)環(huán)境里，通過學(xué)習(xí)活動的實施，掌握相關(guān)知識和技能的功能。在教學(xué)設(shè)計層面上，該系統(tǒng)所具備最顯著的特點是教師進行探究式教學(xué)設(shè)計。學(xué)生通過LAMS在線學(xué)習(xí)，改變了以往的單向純接受式學(xué)習(xí)方式，而采取主動思考、探索與發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)方式，達到對所學(xué)知識內(nèi)容的分析、篩選和二次加工能力要求。華中師范大學(xué)信息技術(shù)系趙呈領(lǐng)等人在對傳統(tǒng)的探究式教學(xué)設(shè)計研究的基礎(chǔ)上，針對LAMS進一步提出了“拋出任務(wù)與展示目標、嘗試任務(wù)與自主探究、交流任務(wù)與合作探究、完成任務(wù)與評價總結(jié)”[12]四個階段的探究式教學(xué)設(shè)計的主要過程。該過程通過教師課前把精心設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容巧妙隱藏在學(xué)習(xí)目標中，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)和教師提供的共享學(xué)習(xí)資源，采取自主或合作的方式通過觀察、閱讀、思考、交流等學(xué)習(xí)活動進行主動學(xué)習(xí)，遇到問題自主尋求解決辦法。教師使用LAMS的實時交互功能，跟蹤并監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)全過程，同時依據(jù)學(xué)生所完成的學(xué)習(xí)任務(wù)結(jié)果，及時做出評價總結(jié)(包含過程性和總結(jié)性總結(jié))。

教學(xué)軟件的教學(xué)設(shè)計層面中融入探究式教學(xué)設(shè)計過程，將增強學(xué)生的主體地位，使其自主學(xué)習(xí)能力得到極大提高，同時也提高對教師的教學(xué)設(shè)計要求。作為探究式教學(xué)活動的設(shè)計者和活動過程的引導(dǎo)者與組織者，教師可以更好地把握教學(xué)全過程，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動向，通過及時反饋學(xué)生學(xué)習(xí)狀況調(diào)整教學(xué)過程，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在探究式教學(xué)設(shè)計過程中，教師如何根據(jù)實際教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生特點，組織不同程度的探究活動；探究式教學(xué)設(shè)計過程如何有效結(jié)合其他教學(xué)設(shè)計方式，在軟件功能層面上實現(xiàn)等問題將成為未來教學(xué)軟件教學(xué)設(shè)計過程中所要考慮的重要因素，也是未來教學(xué)軟件開發(fā)趨勢。如何更好地開發(fā)教學(xué)軟件并服務(wù)于教學(xué)過程，還需要在教學(xué)實踐中進一步思考與探索。

教學(xué)軟件開發(fā)過程有機融合了軟件工程與教學(xué)設(shè)計過程，分別從教學(xué)與軟件的視角來探討并處理教學(xué)過程和軟件產(chǎn)品之間的關(guān)系，開發(fā)出符合教學(xué)規(guī)律、反映教學(xué)策略的教學(xué)軟件，需要努力尋找教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)對象之間最佳的結(jié)合點，尋求符合學(xué)生思維方式及認知結(jié)構(gòu)與規(guī)律，并且為其提供相應(yīng)方法、技術(shù)上的支持。教學(xué)軟件開發(fā)過程模型的探討對于分析教學(xué)軟件產(chǎn)業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義，同時對于提高當前教學(xué)軟件的開發(fā)質(zhì)量、價值評測以及未來教學(xué)軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展亦具有建設(shè)性指導(dǎo)意義。

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