微觀結(jié)構(gòu)教學(xué)中CAI的使用限度及對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)

遲靜 吳杰

（山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

作為20世紀(jì)90年代興起的一門新興教學(xué)技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(Computer Assisted Instruction CAI)利用計(jì)算機(jī)把圖形、文字、動(dòng)畫和影像等多種媒體信息整合為一個(gè)有機(jī)整體，成為傳統(tǒng)教育媒介的有益延伸和補(bǔ)充，把課堂教學(xué)引入了一個(gè)全新的境界[1,2]。然而，在CAI為教學(xué)過(guò)程帶來(lái)諸多益處的同時(shí)，也伴隨出現(xiàn)了一些不良現(xiàn)象，例如，CAI過(guò)多的充斥于課堂教學(xué)，過(guò)分強(qiáng)調(diào)形象性和感官刺激，造成學(xué)生“眼累腦輕松”，形成對(duì)直觀圖像的依賴心理，思維能力沒(méi)有真正得到鍛煉和提高[3]。因此，如何合理取舍教學(xué)媒介，使之服務(wù)于教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，重新回歸到學(xué)生能力培養(yǎng)的基點(diǎn)，仍需要深入研究和不斷實(shí)踐。本文結(jié)合工科材料專業(yè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)的教學(xué)，探討了在教學(xué)過(guò)程中CAI的使用及提高學(xué)生能力的有效措施。

1 弱化感官刺激，注重培養(yǎng)觀察能力

物質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)是從原子、分子水平揭示物質(zhì)的本質(zhì)，具有高度的抽象性和微觀性[4]，與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系甚微，無(wú)法用感官直接感知，同時(shí)缺乏相關(guān)的背景知識(shí)，因此很多學(xué)生對(duì)于該內(nèi)容的學(xué)習(xí)感到困惑、迷惘，易于產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)習(xí)積極性陡然下降，甚者直接放棄學(xué)習(xí)。而借助計(jì)算機(jī)技術(shù)所創(chuàng)建的三維立體情景，學(xué)生就可以在虛擬環(huán)境中多角度、多方式的認(rèn)知微觀結(jié)構(gòu)，直觀，生動(dòng)，順利幫助學(xué)生完成從平面到空間、抽象到形象、未知到已知的轉(zhuǎn)變，教學(xué)效果顯著提升。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，存在著從二維平面示意圖到三維立體幾何體的轉(zhuǎn)換，此過(guò)程需要學(xué)生在頭腦中將已有知識(shí)和未知知識(shí)建立聯(lián)系，進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的遷移，完成想象過(guò)程。例如在學(xué)習(xí)晶體的密堆積原理時(shí)，原子的一維線型緊密堆積和二維平面緊密堆積，學(xué)生都非常容易接受；對(duì)于三維立體緊密堆積，部分學(xué)生想象困難，可以利用現(xiàn)實(shí)生活中啤酒瓶、足球的緊密堆積實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生理解。而從不同的堆積方式中找出相應(yīng)的晶胞，實(shí)物堆積的示例也很難解釋清楚了，此時(shí)就可以利用計(jì)算機(jī)三維軟件構(gòu)建幾何模型，通過(guò)空間轉(zhuǎn)換、透視、組合、旋轉(zhuǎn)等特殊效果，將“靜態(tài)”變?yōu)椤皠?dòng)態(tài)”，從不同角度觀察圖形，加速學(xué)生空間模型的建立。

但需要注意的是，很多學(xué)生在觀看圖片或動(dòng)畫演示的時(shí)候只是一種視覺逗留和感官刺激，觀看者的心態(tài)決定了他們處于被動(dòng)接受的狀態(tài)。而空間想象能力的提高，首先需要通過(guò)觀察得到相關(guān)信息，再通過(guò)對(duì)信息進(jìn)行思維加工，與已有知識(shí)進(jìn)行聯(lián)系，最終形成客觀事物的空間架構(gòu)。因此要使學(xué)生通過(guò)CAI教學(xué)真正提高形象思維能力和空間想象力，就必須要注重培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，提升學(xué)生善于觀察、有效觀察的科學(xué)素養(yǎng)。例如在利用CAI進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)演示之前，教師要提出明確要求，指明觀察晶胞形狀和陰陽(yáng)離子在三維空間的位置關(guān)系，學(xué)生帶著任務(wù)對(duì)靜態(tài)圖形進(jìn)行動(dòng)態(tài)立體空間的深入觀察，才能夠提取有價(jià)值的信息點(diǎn)，在頭腦中形成抽象圖形的直觀形象映射，為進(jìn)一步準(zhǔn)確理解晶體的空間結(jié)構(gòu)提供知識(shí)儲(chǔ)備。

2 強(qiáng)化空間與平面的聯(lián)結(jié)，形象思維與抽象思維協(xié)同發(fā)展

CAI教學(xué)環(huán)境提供了形象化的信息載體，能夠?qū)⒁恍┏橄髲?fù)雜的概念、原理和圖形變的直觀形象，降低學(xué)習(xí)難度，便于理解和掌握。但CAI作為一種載體，它的應(yīng)用宗旨是為了解決傳統(tǒng)教學(xué)媒介某些難以避免的本質(zhì)缺陷；CAI形象化教學(xué)的目標(biāo)不是要讓學(xué)生記住幾個(gè)生動(dòng)的圖片或視頻，而是要教會(huì)學(xué)生依靠思維活動(dòng)自己解決問(wèn)題的方法。若不加選擇的把一切問(wèn)題形象化，學(xué)生易于產(chǎn)生思維定勢(shì)，過(guò)多依賴直觀圖像，缺乏深層次的思維加工，這樣反而弱化了學(xué)生的抽象思維能力和駕馭信息的能力。所以在教學(xué)中必須注意形象思維和抽象思維的相輔相成，在新知識(shí)傳授過(guò)程中著重能力的提升。

在有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)知識(shí)的教學(xué)過(guò)程中，利用CAI技術(shù)把二維圖形三維立體化的同時(shí)，還要引導(dǎo)學(xué)生從空間回歸平面，掌握平面圖形與立體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及相互轉(zhuǎn)換。通過(guò)動(dòng)畫逐一展示晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如熟知的NaCl晶體，觀察立方密堆積結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)、線、面以及陰陽(yáng)離子間的相對(duì)位置，一一與平面晶胞繪制圖相對(duì)應(yīng)。然后教師提供類似的問(wèn)題情境，讓學(xué)生思考，例如指導(dǎo)學(xué)生由已知的螢石CaF2立體結(jié)構(gòu)繪制其平面晶胞圖。在如此反復(fù)的平面-立體的空間轉(zhuǎn)換中，學(xué)生經(jīng)過(guò)不斷思考、比較與聯(lián)想，強(qiáng)化了圖形分析能力，在本質(zhì)提高了學(xué)生的空間想象力。

在有關(guān)材料缺陷的教學(xué)設(shè)計(jì)中，可以首先利用CAI形象演示缺陷的形成過(guò)程以及結(jié)構(gòu)特征，引導(dǎo)學(xué)生在觀察表觀現(xiàn)象的基礎(chǔ)上抽象出反應(yīng)實(shí)質(zhì)，推導(dǎo)出缺陷反應(yīng)的數(shù)學(xué)方程式；更進(jìn)一步，由抽象的方程式，推測(cè)某種缺陷對(duì)材料性能的影響，再由工程應(yīng)用實(shí)例加以驗(yàn)證。在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，CAI技術(shù)和傳統(tǒng)教學(xué)手段形成一個(gè)有機(jī)整體，充分發(fā)揮多種教學(xué)媒介的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，營(yíng)造豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境，創(chuàng)造多角度、多維度的刺激，促進(jìn)形象思維和抽象思維協(xié)同發(fā)展。

3 提供適宜的差異性學(xué)習(xí)刺激，實(shí)施分層次互助教學(xué)

學(xué)生的幾何基礎(chǔ)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)尤其是晶體結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)影響較大[5]，但不可否認(rèn)的是學(xué)生的幾何基礎(chǔ)存在差異性。究其根源，造成這種差異性的原因主要來(lái)自以下兩個(gè)方面：一是學(xué)生自身思維特性的差異；二是學(xué)生在中學(xué)階段所選修模塊的不同，部分同學(xué)已學(xué)過(guò)簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)知識(shí)，具備初步的分析能力。通過(guò)多年在教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生的觀察和交流，分析認(rèn)為一些學(xué)生沒(méi)有很好的掌握課程知識(shí)，未能達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并不是因?yàn)橹腔?、能力欠缺，而是未得到與現(xiàn)有知識(shí)基礎(chǔ)相符的學(xué)習(xí)刺激和合理的幫助。因此，在教學(xué)過(guò)程中，既要面向全體學(xué)生，也要承認(rèn)學(xué)生的差異，最大限度的為不同層次的學(xué)生提供繼續(xù)發(fā)展的適當(dāng)激勵(lì)及學(xué)習(xí)資源。

空間想象能力強(qiáng)的學(xué)生很容易將新知識(shí)與頭腦中已有空間模型建立聯(lián)系，迅速完成新舊知識(shí)的同化。而對(duì)于空間想象能力薄弱的學(xué)生，教師則可以通過(guò)三維軟件呈現(xiàn)豐富的虛擬幾何體，豐富表象儲(chǔ)備，增加形象思維素材，以幫助學(xué)生建立空間概念，提高幾何直觀能力。在教學(xué)過(guò)程中，充分利用晶體結(jié)構(gòu)規(guī)律性和立體性的特點(diǎn)，可通過(guò)組裝物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型來(lái)鍛煉學(xué)生的分析能力和想象能力。首先將學(xué)生分成若干學(xué)習(xí)小組，小組成員涵蓋了不同層次的學(xué)生；教師通過(guò)CAI展示平面圖形或立體結(jié)構(gòu)，確定任務(wù)即要求按小組完成晶體結(jié)構(gòu)實(shí)物模型的組建。在此過(guò)程中，學(xué)生需要仔細(xì)觀察目標(biāo)圖形所呈現(xiàn)的空間特征，通過(guò)深入分析與不斷討論建立與頭腦中已有模型的聯(lián)系，最終按照比例形成實(shí)物模型。團(tuán)隊(duì)互助合作中，基礎(chǔ)好的學(xué)生充當(dāng)引導(dǎo)者和決策者，在指導(dǎo)他人的同時(shí)不斷強(qiáng)化自身知識(shí)能力；而稍差的學(xué)生更多的處于學(xué)習(xí)者的地位，有別于教師的傳授，就某一個(gè)特定問(wèn)題與同齡人的深入探討，使之更易于呈現(xiàn)主動(dòng)探究的心態(tài)，達(dá)到1+1大于2的效果。

4 拓寬專業(yè)軟件的教學(xué)功能，提升獨(dú)立探究能力

教育的目的不僅要使學(xué)生掌握科學(xué)知識(shí)，更重要的是讓學(xué)生善于獨(dú)立思考，富有創(chuàng)新精神。這就要求在教學(xué)過(guò)程中，教師不僅要改變知識(shí)滿堂灌的做法，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)主導(dǎo)，還要努力創(chuàng)造適合獨(dú)立探究的學(xué)習(xí)情境，放手讓學(xué)生自己去探索，使創(chuàng)新培養(yǎng)脫離紙面而滲入實(shí)際教學(xué)中。

在物質(zhì)結(jié)構(gòu)CAI教學(xué)中，先進(jìn)的專業(yè)教學(xué)軟件不能只限于課堂上的形象演示，還要使之成為培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索能力的有效載體。利用Diamond,Mercury等晶體結(jié)構(gòu)繪圖軟件，學(xué)生可以自己動(dòng)手構(gòu)建各類晶體結(jié)構(gòu)模型，以各種形式（球棍圖、空間堆積及多面體連接）展示晶體內(nèi)部構(gòu)造，通過(guò)自由旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)和縮放等多種效果觀察模型。在此過(guò)程中，教師只需對(duì)專業(yè)軟件的功能和操作方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，其余的工作，從查找晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)開始到模型的最終建立都要求學(xué)生獨(dú)立完成，教師只是在學(xué)生尋求幫助時(shí)給予簡(jiǎn)單的提示和鼓勵(lì)。模型建立后，根據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)的結(jié)果，學(xué)生需要修正甚至重新建立模型。在此過(guò)程中，通過(guò)獨(dú)立探索和研究，學(xué)生不僅掌握了課程知識(shí)，思維能力得到提升，更為重要的是學(xué)會(huì)了解決問(wèn)題的方法和技巧以及不斷嘗試直至成功的科學(xué)態(tài)度。

5 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使CAI教學(xué)具備了傳統(tǒng)教學(xué)媒介無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)，把知識(shí)傳授從主要依靠教師講解引入了一個(gè)生動(dòng)逼真的立體情景，聲音、視覺的多重感官刺激有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。但無(wú)論教學(xué)手段多么先進(jìn)，在實(shí)質(zhì)上只能是輔助教學(xué)的手段，因此在CAI教學(xué)過(guò)程中，要防止一味的形象化和直觀化，弱化強(qiáng)烈的感官刺激，避免學(xué)生成為單純的看客，要注重觀察能力、抽象思維能力與形象思維能力的協(xié)同發(fā)展；先進(jìn)的教學(xué)軟件不能只限于圖形展示，還要使之成為培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探究能力的有效手段。在教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，只有牢記一切教學(xué)活動(dòng)都是為教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)服務(wù)的，學(xué)生是教學(xué)的中心，是學(xué)習(xí)的主導(dǎo)，才能合理的取舍各種教學(xué)媒介，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到學(xué)習(xí)效果的最優(yōu)化。

［1］孫中強(qiáng).計(jì)算機(jī)三維技術(shù)在立體幾何教學(xué)中的應(yīng)用研究[MA].濟(jì)南:山東師范大學(xué),2011.

［2］朱玲,齊煒.計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)課件的設(shè)計(jì)與實(shí)踐:以無(wú)機(jī)化學(xué)“分子結(jié)構(gòu)”一章為例[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2012(7):55-56.

［3］周國(guó)棟.論大學(xué)多媒體課件的形象性及其限度[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010.

［4］陸佩文.無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1996.

［5］萬(wàn)竹青.幾何能力對(duì)高中化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的影響研究[D].上海:華東師范大學(xué),2009.