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“双主模式”的多媒体仿真教学系统设计
2010年3月19日    评论:    分享:

   蒋永平 张宪民 (汕头大学机械电子工程系 邮编:515063

 

    【摘要】本文以现代教育技术的教学设计理论为理论基础,结合多媒体《柔性制造系统实验仿真教学软件》的研制,探讨新型教学模式棗“双主模式”教学方法在多媒体仿真教学系统中的应用及实践效果。

 

    一、系统设计及结构

 

    1.理论基础

 

    教育技术学理论的核心是“教学设计原理”,它是连接学习理论、教学理论与教学实践的桥梁,是一门用来实际指导教学过程、为“如何教”及“如何学”提供具体处方的规定性理论[1]。目前有两种不同类型的教学设计理论:一种是以“教”为中心的教学设计,另一种是以“学”为中心的教学设计。

 

    以“教”为中心的教学设计理论,完全围绕如何帮助老师的“教”而展开。其优点是有利于教师组织、管理和控制课堂教学活动的进程,有利于教师主导作用的发挥;其缺点是忽视了学生的主动性,难以体现学生的认知主体作用,在整个教学过程中把学生置于受灌输的被动地位。这种教学设计理论是直接为传统的教学模式服务的。以“学”为中心的教学设计理论与传统的以“教”为中心的教学设计完全不同,它的全部理论、方法都是围绕如何帮助学生的“学”,即如何促进学生主动建构知识的意义而展开。其优点是有利于充分调动学生的主动性、创造性,有利于学生认知主体作用的体现;不足之处是容易忽视教师的主导作用,缺少教师的指导过分强调学生的自由探索,容易偏离甚至完全达不到预期的教学目标。

 

    把这两种教学设计理论有机地结合起来,从而形成了一种新型教学模式棗“双主模式”[1]。《柔性制造系统实验仿真教学软件》就是基于这一理论,积极利用计算机为基础的教育技术,在建构主义理论指导下,通过人机交互让学生更多地去主动思考、主动探索、主动发现,从而形成一种新的教学活动进程的稳定结构形式:在整个教学进程中,既发挥教师的主导作用,又充分体现学生的认知主体作用。

 

    2.设计思想

 

    教学设计包括两个部分内容:教学环境的设计和教学策略的设计。建构主义学习环境包含四大属性或四大要素,即“情境”、“协商”、“会话”和“意义建构”。建构主义学习理论强调创设情境,把创设情境看作是“意义建构”的必要前提,并作为教学设计的最重要内容之一;“协商”与“会话”是协作学习的主要形式,协作学习对于促进学习群体达到对当前所学知识深刻而全面的理解(即真正完成意义建构),是一个不可缺少的重要环节;“意义建构”是学习的目的,它要靠学生自觉、主动去完成,教师和外界环境的作用都是为了帮助和促进学生的意义建构。这种学习环境对学生认知结构的形成与发展是非常有利的。

 

    显然,计算机多媒体技术的特性与功能最有利于四大属性的充分体现,可为学习者创新能力和信息能力的培养营造最理想的教学环境,而多媒体计算机仿真教学正是实现建构主义学习环境的理想认知工具。我们的设计思想就是在建构主义的学习理论指导下,创设一种可行的具有极强交互功能的仿真学习“情境”,建立具有良好的“协作学习”环境的多媒体仿真教学系统;并通过有效的教学策略来激励认知主体即学习者,使他们在学习过程中能更充分地发挥出自身的主动性、积极性与创造性,从而更有效地促进学习者对所学知识意义的主动建构,真正成为信息加工的主体。

 

    * 广东省“五个一百工程”资助项目、汕头大学面向21世纪教学改革研究项目

 

    3.确定教学目标

 

    教学目标的分析和制定是总体设计阶段的核心工作。在仿真教学系统开发工作之前必须首先制定好仿真教学系统的性质,确定仿真教学系统的使用和定位问题、仿真教学系统与教材之间的关系,教学目标的学习项目、学习项目间的关系等,以及确定具体方法和步骤。为了在“教”与“学”中找到最佳的结合点,适应新型教学模式,根据教学内容与目标,我们主要定位于创设一个既能起到老师导学作用,又能实现个别化交互与协作学习的综合型仿真教学系统。

 

    在“双主模式”多媒体仿真教学环境里,所有的媒体信息应与教学内容紧密配合,重点考虑的既有如何“教”,又有如何“学”,“学些什么”。学生是知识意义的主动建构者,教师是教学过程的组织者、指导者、意义建构的帮助者、促进者,教师主导作用的内涵发生了实质性的变化;教材所提供的知识不再是教师传授的内容,而是学生主动建构意义的对象;媒体也不再是帮助教师传授知识的手段,而是用来创设情境、进行协作学习的会话交流,即作为学生主动学习、协作式探讨的认知工具。

 

    4.组织教学内容

 

    在仿真信息内容的组织中,最关键的是课程知识的构成体系与教学内容的定位、更新和优化。比如:对于不同的教材,其仿真教学系统内容的选取和组织上应有所不同;而对于仿真教学系统使用方式的不同,仿真教学系统在内容的表现形式与教学策略上也应有所不同,这包括整个教学内容的表达技术(声音、动画、视频图象、排版等技术)、思维过程的表示方法与信息呈现技术、系统的合成、应用仿真教学系统的教学法(教学形式、教学艺术、考查测试方式等)、智能技术的引入等。这些诛多方面的教学内容如能在仿真教学系统设计中得到比较完美的统一,那么,在确定了仿真教学系统的性质、使用方式以及内容的组织定位后,可以此作为仿真教学系统设计中对实现技术及实施策略的直接依据,以保证预定的教学目标得以实现。

 

    5.设计原则及结构

 

    按照“双主模式”的理论基础,以建构主义思想指导教学设计,在《柔性制造系统实验仿真教学软件》设计中,遵循以下设计原则:

 

    (1).强调“双主模式”教学 在教学系统设计中始终围绕能充分体现“双主模式”教学理论思想而展开。教师应由课堂的主宰、知识的灌输者转变为教学活动的组织者、学习情境的创设者、学生实验过程的指导者和意义建构的帮助者;而学生应在教师所创设情境的帮助下,由学生主动进行探索式、发现式学习,使学生由外部刺激的被动接受者和知识灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者。

 

    (2).创设仿真“情境” 为了创设符合教学内容要求的仿真情境,在教学设计中,以实际的柔性制造系统为主要设计背景,采用了较多的原型设备素材和与学习内容、知识点相关的系统运行的实际视频图象,尽可能地提供和保持实际情况所具有的生动性、丰富性和系统性,并配以大量动画、文字和声音等媒体数据文件。

 

    在这样的仿真情境下学习,一方面可以使学习者能利用自已原有认知结构中的有关经验去同化当前学习到的新知识,从而赋予新知识以某种意义;如果原有经验不能同化新知识,可以引起“顺应”过程,即对原有认知结构进行改造与重组,达到对新知识意义的建构[2];另一方面,通过逼真的模拟仿真的执行和动态演示,教师可以帮助学生建立“新知”与“旧知”之间的联系,提高学生的领悟和参与能力,从而激发动机,促进意义的建构,使学生实现有意义的学习。

 

    (3).建立良好的“协作学习”环境 “协作学习”对于促进学习群体达到对当前所学知识内容深刻而全面的理解起着至关重要的作用。它有利于学习者在其中进行自由探索和自主学习,在其中得到支持和促进学习。注重学习者与环境的交互作用:一方面引导学生通过多媒体仿真教学软件,根据自已本身的情况,从不同的角度选择自已学习的切入点,建立起一些相关知识的最基本的理论基础和观点,通过“同化”与“顺应”达到对新知识一定程度上的意义建构;另一方面,利用实际柔性制造系统设备以及网络集成信息系统进行学习的自我评价。学生在教师的组织和引导下一起讨论和交流,使学习者群体的思维与智慧被整个群体所共享,共同完成对所学知识的更完善和更深刻的意义建构。

 

    (4).实现学习过程最终目的的意义建构 在多媒体仿真系统设计中,一方面提供建构理解所需的基础,同时又留给学生广阔的建构空间。由于把媒体的选择、使用与控制的权力交给了学生,对于信息资源应如何获取、从那里获取,以及如何有效地加以利用等问题,就成为学生在主动探索过程中迫切需要教师提供帮助的内容[2]。因此,在这种学习环境里,既创设有利于学生意义建构的情境,又有老师在教学过程中的导学作用,建立了一种“教依据于学、学受教于导”的师生良好的高度协调一致的教学氛围。教学设计的整个过程紧紧围绕“意义建构”这个中心,不论是学生独立探索、协作学习,还是教师辅助学习,均把对知识的意义建构作为整个学习过程的最终目的。

 

    (5).仿真系统基本结构 柔性制造系统(fms)多媒体仿真教学系统,是一门专业性较强的工程技术类教学软件,综合机、电、光、液、材料等多学科知识,集工程性、实践性、综合性为一体,注重培养学生分析和解决工程实际问题的能力。fms多媒体仿真教学系统由如图1.所示的七个典型的教学实验和若干个知识点组成的微教学单元以及若干微教学单元库构成。利用多媒体、计算机仿真技术,为学生创设了从不同侧面、不同角度表现上述实验的多种情况,以便供学生在自主探索过程中随意进入其中任一种情境去学习。

 

    二、教学策略设计

 

    在计算机多媒体仿真教学系统设计中,教学策略起着核心作用。在设计时,要把总体考虑体现在教学内容的组织、教学任务的安排和教学交互活动的设计中[3]s.m.alessis.r.trollip认为:一个完整的教学过程一般可分为四个阶段,即教师呈现信息、教师引导学生、学生进行练习以及教师评价学生的学习[4]。按双主教学模式思想,《柔性制造系统实验仿真教学软件》主要创设了仿真指导型和仿真练习型两种教学环境,来实现教学活动进程。教师与学生能够在此环境里,以新的有效的方式对学习环境进行操作和控制。

 

    1.仿真指导型

 

    计算机仿真教学的种类很多,很难用一个系统的分类框架把它们严格地划分成若干类。简单地,可以把仿真分为静态仿真和交互仿真。在静态仿真中,绝大部分内容只能看和听,而不能直接参与仿真过程。这种仿真也可认为是一种教学演示,仿真指导型主要采用这种静态仿真,在仿真环境里,教学信息主要包括教学内容信息、教学提示信息和帮助信息。仿真指导型设计的重点是引导学生,解决教什么以及如何教的问题。在这个环境里,主要由计算机引导学生按教学内容分层次学习,由计算机向学生介绍和示范实验内容、具体使用和操作步骤,以及所涉及到的仪器设备及辅助器材的知识,并给出在线提示和帮助信息。学生可根据计算机呈现的菜单,选择由知识点组成的微教学单元。如果学生确定了所学的教学单元之后,课件就进入了一个教学循环过程,从信息呈现、引导提问、应答处理到反馈与帮助构成的教学环路。

 

    由于多媒体仿真教学具有较高激发动机的作用,可充分利用文字、图形、动画、影象和声音等多种媒体手段,将可视化、临埸感、交互、引导结合到一起,使仿真产生的信息和数据快速、实时地转变为具有明确物理意义的、形象生动的表现形式,使学习者在仿真环境里各种媒体的引导下,通过参与和感受,更加方便、正确地理解和熟悉所涉及到的学习内容。

 

    2.仿真练习型

 

    仿真练习型主要是采用交互仿真,在交互式仿真中,学生可以操纵仿真中的各个部分,并观察自已行为所产生的结果。

 

    在仿真练习环境里,重点在学什么以及如何学?从该仿真软件的结构可以看到,它给学生创建了一个独立思考问题、分析问题和解决问题的教学环境。为了达到良好的交互学习效果,我们采用了非线性的超文本树状结构。从物理的角度看,我们把知识分类为多个知识点,组成相互独立又联系紧密的微教学单元,并存放在相应的知识库里。通过树状结构的组织,当学习者在学习或练习的时候,可以按逻辑关系把一部分知识点提取出来,成为有联系、有针对性的学习。这样,学习者不仅可以控制学习情境的复杂度和逼真度,还可以弱化甚至剔除真实情境中无关的干扰因素,抽取教学内容中的重点、难点加以呈现,使学生把注意力集中于关键内容。学生可以有效的方式对学习环境进行操作和控制,实现从不同侧面接触、了解、认识和掌握fms的组成、原理、特点、作用等学习内容,达到完成意义建构、实现个别化教育、提高学习时效和动手能力的目的。

 

    比如:在fms系统工作站1里的仿真加工操作部分中,主要分为单机运行和系统运行,均涉及到机床和机械手的各个知识点。当学生根据系统运行状况,选择机床数控加工程序、机械手路径程序或命令集文件等适当的操作指令和参数后,系统、机床和机械手就会作出相应的响应。在这部分教学中,需要学生灵活运用所学的知识,利用计算机输入不同的参数,实现仿真操作,观察输入不同指令和参数对系统所产生的不同结果。如果遇到难点和复杂的实验操作过程,可以方便地实现重复实验过程,并方便地控制运行过程的速度,从而达到意义建构的目的。而这类实验若在真实系统上操作,往往需要比较长的时间周期。显然,在传统教学模式下,让每一位学生都能全身心地参与操纵每项实验的整个运行过程是难以做到的。

 

    两种仿真教学环境分别为不同的两种教学策略。仿真指导教学环境主要模拟起到教师的主导作用,而仿真练习环境确充分体现了学生的主体作用。这就是我们在同一个实验项目里,根据“双主模式”教育思想,创设的两个不同方式的学习环境。两个学习环境完全由学习者根据自身的情况随机选择,交互使用。学习者可首先进入指导环境,在“老师”的引导下完成学习内容,这个阶段主要是“传递棗接受”式教学活动。学习者可在此环境里了解、熟悉自已选择的实验内容,建立必要的基本概念。然后进入仿真练习环境,在这个环境里,主要是学习者自主学习,可极大地发挥学习者的主动性、积极性和创新能力,加深对新学习知识的理解,特别是重点、难点的掌握,在人机交互的环境里,学习者可以更多地去主动思考、主动探索、主动发现。这种教学策略与综合仿真教学环境,对于我们在进行fms系统实验教学中所涉及到的多交叉学科知识、实验设备昂贵、以及进行带有一定的危险性的机床和机械手的操作这类大型系统实验教学尤为重要。

 

    四、实践效果及结论

 

    信息技术的发展,特别是计算机仿真技术与多媒体技术相结合的人机交互技术的发展,给创作高质量的建构主义学习环境带来了契机。本文在现代教育思想、理论的指导下,运用现代教育技术,研制了《柔性制造系统实验仿真教学软件》,由此,创建了一个全新的多媒体仿真教学环境,对新的教学策略进行了探索,对工科专业实验室大型仪器设备的实验教学的改革进行了有益的偿试。不同知识程度的学生均可在“双主模式”仿真实验教学环境下进行比较系统、全面地了解、学习和熟悉实验教学内容,然后在真实系统上操作。遇到问题时,又回到仿真教学环境中再学习。这样由“创设情境棗认识指导棗观察分析棗探索思考棗过程实践棗综合测评”等六个教学环节所组成的新型教学模式来进行的教学实验(其中前三个环节主要由老师发挥主导作用以外,其余均可体现学生的主体作用),较好地缓解了大型单套设备实验教学的时效(时间/效率)问题,较好地解决了多学科交叉的大型实验教学中多重点、多难点的教学问题,使难于理解和掌握的内容如:用网络技术实现设备和信息的集成、网络控制机理、信息流向、刀具加工轨迹、加工坐标变换,传输线转弯机械处控制机理等,有了更好的独立思考、协作学习和完成意义建构的实践环境,同时还大大减轻了教师的教学负担。该系统通过两届学生的试用,效果十分显著。笔者认为:新型教学模式棗“双主模式”的教育设计思想已逐渐被人们所认识和接受,并付诸实践。而信息技术和多媒体技术在教育教学领域的全面应用,将导致教学内容、手段、方法和教学模式的深刻变革,最终导致教育思想、观念、教与学的理论乃至整个教育体制的根本性变革。

 

参考文献

 

(1) 何克抗 “论现代教育技术与教育深化改革关于me命题的论证”98内地与香港教育技术学术研讨会大会特邀报告

(2) 何克抗 “教学设计理论与方法研究评论(上、中)” 《电化教育研究》1998.2.

(3) 祝智庭等 “cai的教学策略设计 (之一)” 《电化教育研究》1998.1.

(4) s.m.alessi $ s.r.trollip. computer based instruction: development andmethodology. prentice hall inc. 1990.

标签:双主模式仿真教学
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