CAI在《電磁場理論》教學中的應用

摘 要：在“電磁場理論”課程教學中，計算機輔助教學（CAI）手段能幫助學生理解晦澀難懂的概念和公式，在很大程度上幫助教學。但同時CAI課件也疏遠了師生間的距離、加上自身存在一些先天不足以及限制教師教學的靈活性等缺點。因此教師需要改進CAI課件的質量；CAI課件應該突出教學內容的重點；同時為適應差異性學生群體的多種類多層次需求，可以開發個性化的CAI課件；并且與網絡技術結合，開發交互式CAI系統（ICAI）等。

關鍵詞：電磁場理論 計算機輔助教學 不足 改進

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（b）-0134-02

電磁場理論是工科光、電類專業學生必修的一門基礎課程，它對于后續相關課程的學習及學生綜合應用能力的培養具有不可替代的重要作用。但由于該課程的概念抽象、理論性強，并且涉及到大量的數學公式及復雜的理論分析和推導過程，很多學生偏偏抽象思維能力較差，自主學習的意識不強。這使得在采用傳統的教學模式授課中教師講得吃力，學生聽得乏味，理論難以理解，學習后又很快遺忘，課堂教學效果不理想。計算機輔助教學（CAI：Computer Aided Instruction）借助聲、光和動畫等元素的配合，能將某些深奧抽象、微觀和瞬時動態的內容以動態、形象的方式呈現出來，因而教學效果的提升非常明顯。本文就作者利用CAI在“電磁場理論”課程教學中的實踐經驗，發現的不足之處和改進措施進行了總結與探討。

1 教學經驗總結

《電磁場理論》是一門公認的難學難教的工科本科基礎課程，起點高，抽象的概念和公式多，難以理解。我們對《電磁場理論》課程的教學方法進行了多輪的有益探索和改革實踐，經過多年的不懈努力，在本課程建設和教學改革實踐方面取得了初步成效，2011年經學校評審成為校級核心課程建設項目，課程的教學水平也得到進一步提升和認可。通過CAI手段，能在很大程度上幫助教師的教學[1-4]。CAI從根本上影響和改變學校的教學過程。可以使得原本抽象、枯燥的數據用各種動態模型表示出來，從而大大提高了教學和科學研究的直觀性。

首先，CAI能減輕教師的教學負擔，把教師從板書中解放出來投入到講解中去，提高了教學效率；同時也能在很大程度上優化學生的認知過程，提高學習興趣。傳統教學方法只強調電磁場經典理論和單純的公式推導，知識過于枯燥，形式上也較為單一，缺乏應用背景和緊密跟蹤最新發展前沿的相關內容。這樣不但導致理論與實際應用脫節，也很難激發學生的學習熱情。針對教學中出現的這些情況，把電磁場理論的相關原理和知識用圖片、動畫、聲音等多媒體手段形象地展示出來，使抽象概念圖形化和可視化。因而能夠有效地調動學生的智力因素和非智力因素，激發學生的學習興趣和內部動機，增強學習的主動性和積極性，讓學生能比較容易地理解抽象復雜和晦澀難懂的內容，充分激發學生的學習積極性，提高了學習效率。

其次，CAI能將晦澀難懂的內容直觀形象地展示出來，縮短學生對所學知識理解和掌握的時間，加速認知進程，提高學習效率和質量。比如什么叫圓偏振光，通常學生很難理解，可以通過動畫把一個線偏振光極化方向在傳播過程中旋轉的過程展示出來，讓學生一看就能明白。

再次，CAI能更好地突出教學重點和突破教學難點，利用二維三維動畫技術和視頻技術使抽象、深奧的信息的知識簡單化、直觀化，縮短了客觀實物與學生之間的距離。CAI可以向學生提供當時當地無法看到和看清的事物、現象和過程，可以把微觀的物體放大，把宏觀的世界縮小，能將瞬態的過程通過慢鏡頭動畫演示，完全突破時間和空間的束縛。比如介質的極化/磁化過程，可以通過動畫演示電偶極子/磁偶極子隨外加電場/磁場發生定向旋轉的整個過程，幫助學生理解。

最后，多媒體環境可以使得教師有更多的時間去接觸每一個學生，也有更多的時間去考慮課程設計等其他方面的問題。多媒體技術使得因材施教成為可能，學生的自主學習使得教師將更多的時間花費在更加需要的地方。多媒體環境可以更好的激發學生興趣，集中學生的注意力，培養學生的探索鉆研精神。CAI課件還能起到幫助學生自學和復習，提高學習效率等作用。

2 不足之處與改進措施

不可否認CAI具有許多獨特的優勢，但是作者在“電磁場理論”課程教學實踐中也發現其存在一些不足之處，亟待改進。

2.1 不足之處

2.1.1 CAI課件疏遠了師生間的距離

CAI課件在技術上拉近知識距離的同時卻疏遠了教師與學生之間的距離。師生間原有的依賴關系被對CAI的依賴關系所取代。這樣會抑制師生間的情感交流，削弱學生人際交往能力以及合作精神等素質的培養。多媒體教學只是作為教學的一個重要補充，并非要取代傳統的教學和教室。它將教師從傳統的教學中解脫出來，使得學生更加體會到學習的樂趣。但它無法代替教師教給學生一些重要的價值觀和道德觀： 如理想、紀律、責任以及協作精神等。

2.1.2 CAI課件自身的不足

雖然CA I課件能調動學生多種感官共同參與學習， 但調動的范圍和程度很難滿足差異性學生群體的多種需求。現實中過多的感官刺激反而在客觀上分散了學生部分注意力， 影響了課堂教學的正向效果。同時很多現有的CAI課件不注意針對學習者的學習心理特征，不能夠很好地起到輔助教學的作用。學生在學習時的隨意性很大，很容易轉移、變換其學習的關注點和注意力，如果在課件中僅僅以文字和圖片等多媒體手段表達學科的知識點（也就是僅僅用CAI課件替代教師板書），容易造成學習起來難以對課程長久集中注意力；同時也沒有發揮計算機多媒體、網絡、虛擬現實等技術的優勢。

2.1.3 CAI課件限制了教師教學的靈活性

教學是一種特殊的認知活動，課堂教學的精髓是師生的相互交流和相互影響。由于CAI課件模式化乃至固化了教學的內容和策略，學習者的學習仍然是被動的，個性化指導的針對性不強，因而在一定程度上排斥了師生的相互作用和課堂教學的豐富生動性。

2.2 改進措施

2.2.1 改進CAI課件的質量

一個高質量的CAI課件，應該主題明確，因材施教，盡量擴大師生交互；突出個別化、差異化學習，調動每一個學習者，把形式多樣的知識提供給學習者，為學習者提供方便快捷的學習環境與條件，有效地向學習者提出問題和反饋信息；并能充分巧妙地利用計算機網絡資源。根據學習原理，針對學習者個體差異性的特點，并以他們為主體，精心設計制作CAI課件，激發和調動學習積極性，提高學習質量。課件要求主題明確、交互性強，又便于自主學習。課件展現給學習者的不僅是條理清楚的講解，而且還要對他們學習進行經常性的評價和反饋。

2.2.2 教學不能單純依賴CAI課件

CAI只是教學的輔助手段，而不是主要手段，不能主次不分。CAI是在教學大綱指導下對教學方法與教學手段的改變，它基本上沒有改變教學內容，更沒有改變教學結構。課堂教學的主體還是教師的講授和師生的良好互動，CAI的作用是通過多種多媒體手段輔助教師的講授，達到“教師主導，學生為主體”的目的。

2.2.3 CAI課件不能華而不實

如果CAI課件堆砌了大量的聲音和圖像信息，學生的視聽感官受到強烈沖擊，反而會分散學習的注意力，使思維受到了限制，不利于想象力的發揮。因此，CAI課件絕對不能華而不實。使用CAI的真正目的并不在于向學生展示圖文并茂的教學畫面，而是力求在CAI課件中突出重點，讓學生真正地掌握所學知識。

2.2.4 開發個性化的CAI系統（PCAI）

傳統CAI課件的缺陷可以概括為：缺乏差異化的個體適應能力、缺乏交互能力、缺乏創造能力和缺乏糾錯能力。為適應差異性學生群體的多種類多層次需求，可以開發個性化的CAI課件（PCAI）。PCAI （Personalized Computer Assisted Instruction）主要包括：能根據學生的個體差異自動生成各種層次的問題與練習；并且自動根據學生的學習水平與接受程度選擇與調整學習內容和進度；在了解教學內容進度的基礎上自動解決問題，生成解答；對教學內容有解釋和咨詢的能力；能自動診斷學生的錯誤、分析原因并采取相應的糾正措施；能自動評價學生的學習行為；能自動評價教師的教學行為等幾個方面。

2.2.5 與網絡技術結合，開發交互式CAI系統（ICAI）

由于上課時間的限制，課堂上還是以教師教授知識為主，師生互動式交流有限。而與網絡技術結合，開發交互式CAI系統（ICAI）就能在非上課時間上實現更大程度上的師生互動式交流。ICAI （Interactive Computer Assisted Instruction）是利用計算機把文字、圖像、影像等多媒體內容與網絡通信技術結合起來進行教學的軟件。它突破了傳統CAI教學的“線性限制”，以交互性、立體化的方式把信息知識形象生動地呈現給學習者。具有交互性強、知識密度大、表現力強，能很好地激發學習者的學習興趣等優點。并且可以網上提交和批改作業，網上提問和解答以及網上查閱和下載相關資料等等。這樣師生就能非實時、非線性、一對一地完成最大限度的互動式交流。

ICAI把多媒體技術和網絡通信技術緊密結合起來，將大大地擴展CAI系統的功能。更重要的是實現了網上CAI教學信息資源的共享。它是一種特別適用于遠程教學的交互式CAI技術，使學生能夠從多種信息交互中獲得大量有用信息，并可以與別的學習者共享資源并交流意見等。如在網上建立各種教學信息平臺，教師和學生可以根據數學大綱的要求，通過調用信息中心的各種資源進行教學和學習；通過網絡通信技術為教、學之間提供了有效的交流渠道，為師生交流和參加學術討論提供了便利條件；通過網絡學生可以根據自己的水平選擇所需內容，實現差異化教學；通過網絡還可以把集體教學和個別教學結合起來，有利于真正的因材施教。

3 結語

在“電磁場理論”課程教學中，CAI課件能在很大程度上幫助學生理解晦澀難懂的概念和公式。但同時CAI課件也疏遠了師生間的距離、加上自身存在一些先天不足以及限制教師教學的靈活性等缺點。因此教師需要改進CAI課件的質量；教學不能單純依賴CAI課件；CAI課件不能華而不實，應該突出教學內容的重點；同時為適應差異性學生群體的多種類多層次需求，可以開發個性化的CAI課件；與網絡技術結合，開發交互式CAI系統（ICAI）等。

參考文獻

[1]師書恩，孟月萍.計算機輔助教學[M]. 北京：高等教育出版社，2001.

[2]閆寒冰，祝智庭.CAI理論在信息化教育中的新發展[J].外語電化教學，2001（80）：59-63.

[3]陳名松.計算機輔助教學（CAI）的發展與研究[J].桂林電子科技大學學報， 2007，27（2）：146-151.

[4]任駿原.“電子技術”課程CAI教學模式的探索[J].電氣電子教學學報， 2009，31（4）：99-100.