熱學中CAI課件制作的實踐與體會*

孔紅艷 孫紅科

(陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710119)

熱學中CAI課件制作的實踐與體會*

孔紅艷 孫紅科

(陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710119)

分析了物理課件的特點，并在此基礎上結合“焦耳-湯姆遜效應”課件設計實例，指出在設計與制作物理課件時，要準確把握設計理念，依據科學的設計原則，遵從物理教學規(guī)律，同時注重制作方法和技巧.最后總結了課件制作的一般過程.

課件 理論基礎 設計原則 制作過程

隨著現代科學的迅速發(fā)展和計算機的普及，計算機輔助教學(CAI)正以強有力的步伐充斥并推動著現代教育改革的方方面面[1].物理教學也不例外.物理課程由于其概念抽象，演示實驗較多，因此更需要借助CAI手段提高課堂教學效果.但是從目前大多數CAI課件來看，其設計與制作上存在許多不足[2].

熱學作為大學物理學的一門主要課程，既有一般課程的普遍性，更有其特殊性.它的理論推導過程抽象，公式難以記憶.在設計與制作熱學CAI課件時，要準確把握設計理念、設計原則.

1 認識并了解計算機輔助教學手段

1.1 相關術語及其相互關系

(1)與課件有關的術語

CAI：用計算機進行輔助教學的軟件，涉及范圍較廣，包括教師在課堂教學中進行講解的課件、開發(fā)學生智力的教育軟件以及教師準備教學的電子資料等[3].它被廣泛譯為“計算機輔助教學”，目前已基本得到教育界的認可.但從目前的實踐來看，“計算機輔助教學”的范圍遠遠大于英語中CAI(Computer Assisted Instruction)的本義，而隨著現代教育技術的不斷深化，這一領域概念的內涵和外延還在發(fā)生著變化.

教育軟件：用于進行思想品德教育和拓寬知識內容的軟件，雖然其中也含有教學內容，但并不是為

課堂教學而專門設計的.

教學軟件：用于講授知識或自行學習的軟件，可以是課本知識，也可以是課外知識.

課件：即課堂教學軟件的簡稱，它是一種反映教學思想和實現教學目標的教學應用軟件，是各種多媒體教學素材和教學策略信息集成的計算機數據或程序，是為學校的課堂教學應用而開發(fā)的軟件.

多媒體課件：為多種多媒體技術在課件制作中的集成，利用先進的多媒體硬件設備，通過科學合理的軟件設計，針對教學目的和教學使用環(huán)境將文字、聲音、圖形、圖像、動畫及影像等多媒體素材融為一體，形成具有交互性的多媒體計算機輔助課堂教學軟件[4].我們目前所指的課件大多是多媒體課件.

網絡多媒體課件：適用于Internet遠程教學或用于學校局域網教學的多媒體計算機輔助教學軟件.

(2)相互關系

與課件相關的概念如課件、教學軟件、CAI等，其相互關系如圖1所示.

圖1 相互關系

1.2 課件的分類

(1)在實際教學過程中的分類

課件：是以教師為主要用戶，以課堂為使用對象，它具有完整的一堂課的特點.它包括教學中的各種信息及其處理.廣義地講，它具備完整教學功能.比如示范、講解、習題以及反饋等功能.教師既是課件的操作者又是使用者，同時又是課堂教學的組織者.完整性是課件的一大特點，但是由于課件的上述特性，教師、學生的作用受到一定的限制.如果處理不當，整堂課教師的作用就如同電影院的放映員，學生則如同觀眾，不能充分發(fā)揮教師、學生應有的作用.

積件：則是把課件的部分內容做成“積木”式的軟件.它可以是一個問題的講解、一個實驗的演示、一個過程的模擬、一段歷史的回顧、一個場面的展示、一個物體的內部結構剖析等等.而教師的作用絲毫不受到影響，教師可以自由地選擇上課所需的“積件”配合教學，積件猶如一種動態(tài)的教具[5]，彌補了傳統教學方式在直觀、空間、動態(tài)等方面的不足，又克服了教師上課受軟件走向支配的缺點.有利于調動教育、教學者的積極性.

學件：則是以學生為對象，它模擬教師的教學過程，以某種教學過程將教學信息傳遞給學生，教師在教學過程中不起直接作用.它除了可以具備課件、積件的上述特點外，學生可以自主學習，自己支配學習的節(jié)奏、內容，給學生思維留下一定的時間、空間.學生可以對某事件重復學習，強化學習效果.但學生，特別是中小學生，自主學習能力差，單憑好奇與沖動來求知的話，效果可能不會持久，所以學件也有很大的局限性.

(2)基本類型

1)按課堂教學中的表現方式有：展示型、演示型、資料型、交互型、綜合型.

2)按教學中的目的有：教學型、模擬型、練習型、開放型.

3)按課件的形式有：獨立課件、課件片斷、概念課件.

2 把握物理學(特別是熱學)課件的特點

2.1 物理學課件的特點

物理學科對CAI課件的要求比其他學科更為復雜，實現起來比較困難.比如，物理學有大量的數學公式，機械運動、熱運動、電磁運動及光運動等都很復雜，課件制作難以表現[6].相對其他學科，物理學CAI課件在形態(tài)表達方面也提出了很高的要求，即其對有關教學內容的表達上要有很強的真實性，這種真實性具體體現在造型真實、動作真實、聲音真實、顏色真實.物理學CAI課件的許多教學內容也是無法用攝影等方法直接獲取的，從而也就無法用視頻和圖像等來表述.用計算機軟件制作動畫來對這些教學內容進行充分模擬就成為物理學CAI課件的主要特點之一.

2.2 焦-湯效應課件實例介紹

2.2.1 什么是節(jié)流效應

氣體通過多孔塞膨脹后所引起的溫度變化現象[7].1852--1862年 ，J·P·焦耳和W·湯姆遜通過一系列實驗發(fā)現這一效應.這是一種絕熱節(jié)流過程，即在絕熱條件下，管道中的高壓氣體經多孔塞節(jié)流閥流向低壓一邊的過程，實驗示意圖如圖2所示.節(jié)流過程中，氣流接近多孔塞孔口時，截面積很快縮小，流速很快增大；經過孔口后，截面積又逐漸擴大，流速減小.由于過程是在絕熱條件下進行的，所做凈功應等于系統內能的變化.對于理想氣體，經絕熱節(jié)流過程后，溫度應不變.對于實際氣體，經絕熱節(jié)流過程后，溫度可能降低、升高或不變，分別稱為正的、負的或零焦耳-湯姆遜效應.正的焦耳-湯姆遜效應亦稱致冷效應，負的焦耳-湯姆遜效應亦稱致熱效應.焦耳-湯姆遜效應是實際氣體偏離理想氣體的結果.

圖2 多孔塞實驗

節(jié)流過程中, 外界對這部分氣體所做的功為

p1V1-p2V2

因該過程是絕熱的，Q= 0，所以, 由熱力學第一定律可得

U2-U1=W+Q=p1V1-p2V2

即

H1=H2

節(jié)流過程是等焓過程.

2.2.2 課件界面

課件界面如圖3所示.

圖3 焦耳-湯姆遜效應課件界面

上面的課件制作實例在制作過程中，注意到了熱學學科的抽象性等特點.因此制作時既有文字說明，又有動畫演示，加之公式推導，使學習者對該知識點有更深入的了解[8].界面設計力求主要元素清晰突出，另外課件操作也簡便、流暢.

3 制作符合物理CAI教學規(guī)律的課件

3.1 目前課件制作中存在的一些不足

(1)課件設計與課堂教學不適應

一些任課教師由于事情繁多，不能親自制作課件，或是計算機水平所限，于是購買一些課件或是交給別人去設計制作[9].由于制作者與任課教師在認識與理解上的偏差，課件制作者不了解學科教學的特點，實際制作出的課件總是難以符合任課教師的原意.其實，最理想的課件應是創(chuàng)意與制作都由使用者完成.

(2)課件使用限制了教師個性的發(fā)揮

為了實現教學目標，教師在上課前需要備課，確定教學內容和教學思路.教學思路是教師知識掌握程度、理解教材和了解學生的結果，是有個性的.如果課件將導入、教學內容、課堂提問、課堂練習都固化成一定的順序和模式，或許適合某一位教師對某一個班的學生進行教學，但顯然不可能滿足每一位教師對每一個班級的教學.使用別人的課件時，教師的教學思路和風格無法發(fā)揮，融于課件中的教學思想、教學思路、表現風格、體系結構和教學技巧的應用與自己的風格可能相去甚遠.若再加上教學對象的差異，課件的弊端就會暴露無疑.

(3)課件制作偏離了教學規(guī)律

課堂教學的實質是教師、學生、教材、媒體之間進行的信息交換與傳遞的過程，是諸方面共同組成的一個動態(tài)系統.這就要求課件的設計制作者必須從新的角度去研究和探索課件的開發(fā)，通過富有創(chuàng)意的教學策略和創(chuàng)新思維，為學生營造一個創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展空間.教學方式要根據教學內容及教學目標來選擇，不同教學媒體有機結合，優(yōu)勢互補，才能收到事半功倍的效果.目前有些教師不分重點難點，直接將整節(jié)課的教案或板書都搬進課件，很少顧及到學生的認知基礎和學習規(guī)律.學生只能跟著教師或課件的思路走，沒有參與教學過程和思考問題的時間，這種課件事實上是用新的技術來進行傳統教學的方式，不僅失去了運用現代化教學設備的意義，甚至教學效果還不如傳統教學方式[10].

(4)課件表現手法華而不實

有些教師在制作課件時精雕細琢，過分追求美觀，致使一個課件要幾個星期或幾個月才能完成，在課件中使用大量的圖片、聲音和視頻，令人目不暇接，似乎只有這樣才算有水平.表面上看激發(fā)了學生的興趣，事實上會分散學生的注意力，看似熱鬧，實則嚴重影響教學效果[11].

3.2 CAI的理論基礎和以學為中心的課件設計

3.2.1 CAI的理論基礎

計算機輔助教學的學習理論基礎有過幾次大的演變[12].

(1)計算機輔助教學的行為主義學習理論基礎在CAI的研究試驗階段，CAI基于程序教學與計算機的結合，而程序教學是以行為主義學習理論為基礎的.行為主義心理學認為學習的實質在于刺激與反應間形成聯結.多年來以“刺激-反應”為指導的、基于框面、小步驟分支程序設計一直為CAI設計和應用的主要模式，并一直對后來CAI課件設計產生影響.

(2)計算機輔助教學的認知主義學習理論基礎

隨著CAI的發(fā)展，行為主義心理學的統治地位逐漸讓位于認知心理學，CAI的理論基礎也由行為主義轉向認知主義學習理論.行為主義認為學習起因于外界刺激的反應，而不關心刺激引起的內部心理過程；認知主義學習理論強調學習的內部機制或內部過程.早期的認知學習理論認為學習不是機械地形成刺激與反應的聯結，而是形成認知結構的過程.通過主體對情景的頓悟而實現，頓悟主要依靠主體內部的構造作用而不是外部影響.而信息加工理論把學習過程類比為計算機的信息加工過程，即信息輸入--編碼--加工--儲存--譯碼--輸出的過程.CAI設計中，人們開始注重學習者內部心理過程，研究學習者如何利用原有的認知結構主動地加工外部信息，把外部信息內化為學習者的知識，從而使原有的認知結構得到改造和完善.

(3)計算機輔助教學的建構主義學習理論基礎

進入20世紀90年代CAI成熟階段，CAI領域出現了建構主義的理論傾向.建構主義學習理論的基本觀點認為，知識不是通過教師傳授得到的，而是學習者在一定的情景即在社會文化背景下，借助其他人(包括教師和學習伙伴)的幫助，利用必要的學習資料，通過建構意義的方式而獲得.所謂建構的意義是指：事物得到性質、規(guī)律以及事物之間的內在聯系.在學習過程中幫助學生建構意義就是要幫助學生對當前學習內容所反映的事物的性質、規(guī)律以及該事物與其他事物之間的內在聯系達到較深刻的理解.

建構主義學習理論強調以學生為中心，它不僅要求學生由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識意義的主動建構者，而且要求教師要由知識的傳授者、灌輸者轉變?yōu)閷W生主動建構意義的幫助者、促進者.這就意味著教師應當在教學過程中采用全新的教學模式(徹底摒棄以教師為中心，強調知識傳授，把學生當作知識灌輸對象的傳統教學模式)、全新的教學方法和全新的教學設計思想，因而必然要對傳統的教學理論、教學觀念提出挑戰(zhàn)，從而在形成新的學習理論——建構主意學習理論的同時，也逐步形成了與建構主義學習理論、建構主義學習環(huán)境相適應的新一代教學模式、教學方法和教學設計思想.

CAI理論基礎不僅強調要以建構主義學習理論作為計算機輔助教學的理論基礎，而且也強調要以建構主義的教學理論作為計算機輔助教學的理論基礎.

(4)計算機輔助教學的人本主義學習理論基礎

人本主義認為學習是人固有能量的自我實現，由個人自主發(fā)起的、使個人整體投入其中并全面變化的活動，強調學習中的情感因素，提倡“開放式”教學.以人本主義學習理論為指導，CAI設計中要充分考慮學習者的主體位置，讓學習者主動參與，自動自發(fā)學習，給予學習者適當的活動空間和展示其優(yōu)點且享受成功的機會，促進學生“學會學習”.

3.2.2 以學為中心的課件設計

由于建構主義學習理論強調以學生為中心，認為學生是認知的主體，是知識意義的主動建構者；教師只對學生的意義建構起幫助和促進作用，并不要求教師直接向學生傳授和灌輸知識.可見，在建構主義學習環(huán)境下，教師和學生的地位、作用和傳統教學相比已發(fā)生很大的變化.相應的教學設計理論與傳統教學相比也有很大不同，對于CAI課件制作來說，以學為中心的課件設計應從以下幾個方面努力：

(1)要在學習過程中充分發(fā)揮學生的主動性，要能體現出學生的首創(chuàng)精神.

(2)要讓學生有多種機會在不同的情景下去應用他們所學的知識.

(3)要讓學生能根據自身行動的反饋信息來形成對客觀事物的認識和解決實際問題的方案(實現自我反饋).

3.3 物理課件制作中應遵循的設計原則

(1)界面元素的清晰性原則

學習始于學習者對環(huán)境中刺激的注意和感知，界面元素的聲、光、行、色等刺激，僅是環(huán)境刺激中的一部分，而元素之間的刺激也在相互競爭.根據認知的信息加工理論，在攜帶信息的眾多刺激中，只有一部分能被注意并有效感知，得到進一步加工.因此界面設計的首要問題是如何引導學習者注意信息顯示中與學習相關性更大的方面，而不要太關注不大相關的方面，使感知效率最大化.界面元素的清晰性原則就是要恰當處理界面元素的樣式特征及元素之間的相對關系，保證學習者清楚準確地感知界面元素，注意到重要信息.具體要求比如，在背景中突出主體，進行簡約化處理，吸引和保持注意，考慮個體因素等.

(2)操作的流暢性原則

操作的流暢性原則，是要求界面元素及其在空間和時間上的安排，符合學習者操作的規(guī)律，使界面操作簡捷、自然、舒適.具體要求如界面一致、外觀簡潔等.課件的界面具有一致的元素、樣式、布局、控制、風格，并且相對固定，能使學習者很快適應界面，免除了注意和識別新界面的心理過程，避免對界面操作不必要的記憶；外觀簡潔，可使學習者集中注意必要的信息，減輕觀察和記憶的負擔.

(3)外觀的藝術性原則

課件制作首先是一個技術運用的結果，然后才可以看作一件藝術作品.學習者在使用課件的過程中，因學習活動的完美性和界面操作的流暢性，以及對界面的感知中產生愉悅.界面外觀的藝術設計是以課件的教學性和界面操作的流暢性為前提的.貫徹藝術性原則，具體要求比如視覺元素有變化、視覺元素要和諧、視覺元素有秩序等.

(4)激勵學習者參與的原則

在認知活動中，學習者是信息加工的主體，是知識意義的主動建構者，只有學習者積極主動地投入，學習才可能發(fā)生，外部學習條件才能起到應有的作用.激勵學習者參與的原則是遵循認知學習規(guī)律，利用計算機技術的特點，設計教學課件的內容和形式，引導學習者主動與學習內容交互，參與學習活動控制，最大限度地投入時間和精力.

(5)引導自主學習的原則

自主學習是相對于教師指導為主的學習.自主學習比較多地體現了建構主義的主張，也包括認知主義所倡導的發(fā)現學習思想.在教師與學習者面對面的教學中，教師為學習者創(chuàng)設自主學習環(huán)境，提出學習任務，作為學習的引導者、幫助者，作為學習者的伙伴.課堂教學軟件設計者相當于教師的角色，引導自主學習的原則是應用計算機技術創(chuàng)設自主學習情境，提供學習工具，促進學習者對知識意義的主動建構.

3.4 制作課件應具備的素質

(1)計算機操作水平

要求掌握一般的操作系統如Windows XP，各類應用軟件中如文檔處理的Microsoft Word2003，電子表格Excel2003，幻燈片制作及演示PowerPoint2003，圖形處理Photoshop9.0，三維渲染和動畫3DS MAX等，更重要的是熟練應用目前較流行的各種多媒體創(chuàng)作平臺，比較著名的首推Macromedia公司(現為Adobe公司)的多媒體和動畫制作軟件Flash8.0及Authorware7.02，其他如幾何畫板、仿真物理實驗室等都是各具特色的物理課件制作軟件，要制作出更精確的、交互性更強的課件，則可以學習如C語言編程知識等.

(2)專業(yè)水平

CAI課件要廣泛用于課堂教學之中必須保證課件的科學性；教師在教學中自由演講，適應教學個性化的要求；課件題材要廣泛，內容要豐富，以滿足教學不同層次的不同要求.沒有相關學科較高的專業(yè)水平，可想而知很難勝任這項工作.

(3)藝術修養(yǎng)

教學是一門藝術，多媒體CAI教學更是藝術之精華，要創(chuàng)作并把大量的圖片、文本、色彩、聲音、動畫、小電影等有機地組合在一起，用合理的流程進行控制，給人以賞心悅目、簡潔流暢之感，而又不喧賓奪主，影響知識的可視性，沒有一定的審美、音樂、組織能力是不行的.例如有些教師，喜歡把界面做得太花哨，顏色和音頻過多，好像不這樣不足以顯示多媒體的魅力，這顯然是忌諱的.

3.5 課件制作的一般過程

3.5.1 計劃階段

計劃階段常常被人們忽視，然而，謹慎細致的計劃對于制作一個成功的課件作品來說很重要，充分的計劃能夠避免反復，在這一階段花費的時間可以得到超值的回報.

在這一階段需要做諸如以下這些工作：明確教學內容范圍，分析學習者特征，明確限制條件，選擇和收集資源等.

(1)明確教學內容范圍.教學內容范圍的具體和確定程度是多種多樣的，要根據具體情況確定.

(2)分析學習者特征.成功的教學設計的基礎是理解目標群體，課件必須適于預期的學習者.教學設計應該是相對精確的，正如設計服裝要量體裁衣.因此設計者要仔細地界定軟件的使用者，包括潛在的使用者.

(3)明確限制條件.制作者應該清楚課件設計與制作的工作條件，以及課件使用的限制因素，包括計算機軟件、硬件、網絡、音頻和視頻設備等.

(4)選擇和收集資源.選擇和收集所需的資源，包括基本的信息資源和制作的輔助材料，如與學科內容相關的資源、與教學設計和制作有關的資源、與制作技術有關的資源.

3.5.2 設計階段

在設計階段，要分析教學內容，確定課件的內容，明確教學目標，確定課件的結構，創(chuàng)作流程圖等.

3.5.3 制作過程

制作階段把設計轉變?yōu)榫哂薪虒W性的運行流暢的程序，包括所有圖像、音頻、視頻等素材的制作，必要的程序編制，把素材集成到程序中使教學課件程序能正常運行.在制作階段的最后還需要對課件進行測試和總結性評價.

這一過程主要工作有：準備文本材料，創(chuàng)作圖像和動畫，制作視頻和音頻，制定布局和顏色規(guī)格，使用軟件進行集成，測試與修改，總結評價完成課件.

4 合理且高效地利用計算機輔助教學

計算機輔助教學作為一種現代化教學技術，它有著傳統教學手段不可替代的優(yōu)點，如形象、生動、直觀等.合理地開發(fā)和運用CAI課件教學，能增強學習的時效性，擴大知識含量，營造課堂情境，優(yōu)化課堂教學，提高課堂學習效率，使學生學習潛能得以開發(fā)、個性得到充分發(fā)展.

通過CAI課件教學雖然可以給學生提供豐富多彩的信息，但這些都是間接經驗，是別人做好讓學生看和聽的，有些信息的真實性會受到懷疑.它畢竟只是一種輔助教學手段，若使用不當，就會適得其反.基于多媒體CAI技術的物理教學，既對傳統的教學模式提出了挑戰(zhàn)，也對廣大物理教師提出了更高的要求，只有把計算機技術與物理學科的特點充分結合起來，才能充分發(fā)揮現代教育技術在物理教學中的作用，才能真正起到提高物理教學水平的作用.

1 秦允豪.熱學.北京：高等教育出版社，1999

2 汪志誠.熱力學 統計物理.北京：高等教育出版社，2003

3 潘天士.課件制作理論與技巧.北京：機械工業(yè)出版社,2004

4 皮連生.教育心理學.上海：上海教育出版社,2004

5 莫雷.教育心理學.廣州：廣東高等教育出版社,2002

6 陳貞波,孫維君,趙文玲.多媒體CAI課件制作技術教程.北京：科學出版社，2006

7 張軍征.多媒體教學軟件設計原理與方法.北京：科學出版社，2007

8 潘林峰.大學物理CAI課件的設計與制作.科技情報開發(fā)與經濟,2005，15(23)：234～235

9 賀小光，鐘鳳蘭.熱學多媒體課件的設計與制作.長春師范學院學報，2006，25(2):25～27

10董紅斌.現代教育技術教程.北京：中國水利水電出版社,2005

11Sham Bhangal著.Flash MX 2004全攻略.卜照斌,譯.北京：電子工業(yè)出版社, 2004

12Joey Lott & Robert Reinhardt著.Flash 8 ActionScript寶典.路川, 胡欣杰,譯.北京：電子工業(yè)出版社, 2006

Practice and Experience on Designing CAI Courseware of Thermotics

Kong Hongyan Sun Hongke

(College of Physics and Information Technology, Shaanxi Normal University, Xi′an, Shaanxi 710119)

In this paper, the characteristics of physics courseware are analyzed. On this basis, furtherly combined with “Joule-Thomson effect” courseware design practice, the correct concept and the scientific principle of design, the law of physics teaching, making method and skill for the physics courseware are pointed out. At last, the general process of making the physics courseware is summed up.

courseware; theoretical basis; design principles; working process

*2014年陜西省精品資源共享課程項目和陜西師范大學科研啟動項目資助，項目編號：1110010628

孔紅艷(1974- )，女，博士，副教授，研究方向為凝聚態(tài)物理和計算物理.

2017-01-07)