微觀結構教學中CAI的使用限度及對學生能力的培養

遲靜 吳杰

（山東科技大學材料科學與工程學院，山東 青島 266590）

0 引言

作為20世紀90年代興起的一門新興教學技術，計算機輔助教學(Computer Assisted Instruction CAI)利用計算機把圖形、文字、動畫和影像等多種媒體信息整合為一個有機整體，成為傳統教育媒介的有益延伸和補充，把課堂教學引入了一個全新的境界[1,2]。然而，在CAI為教學過程帶來諸多益處的同時，也伴隨出現了一些不良現象，例如，CAI過多的充斥于課堂教學，過分強調形象性和感官刺激，造成學生“眼累腦輕松”，形成對直觀圖像的依賴心理，思維能力沒有真正得到鍛煉和提高[3]。因此，如何合理取舍教學媒介，使之服務于教學內容和教學目標，重新回歸到學生能力培養的基點，仍需要深入研究和不斷實踐。本文結合工科材料專業物質結構相關知識的教學，探討了在教學過程中CAI的使用及提高學生能力的有效措施。

1 弱化感官刺激，注重培養觀察能力

物質結構相關知識是從原子、分子水平揭示物質的本質，具有高度的抽象性和微觀性[4]，與現實生活聯系甚微，無法用感官直接感知，同時缺乏相關的背景知識，因此很多學生對于該內容的學習感到困惑、迷惘，易于產生畏難情緒，學習積極性陡然下降，甚者直接放棄學習。而借助計算機技術所創建的三維立體情景，學生就可以在虛擬環境中多角度、多方式的認知微觀結構，直觀，生動，順利幫助學生完成從平面到空間、抽象到形象、未知到已知的轉變，教學效果顯著提升。

物質結構知識的學習過程中，存在著從二維平面示意圖到三維立體幾何體的轉換，此過程需要學生在頭腦中將已有知識和未知知識建立聯系，進行相關知識的遷移，完成想象過程。例如在學習晶體的密堆積原理時，原子的一維線型緊密堆積和二維平面緊密堆積，學生都非常容易接受；對于三維立體緊密堆積，部分學生想象困難，可以利用現實生活中啤酒瓶、足球的緊密堆積實例引導學生理解。而從不同的堆積方式中找出相應的晶胞，實物堆積的示例也很難解釋清楚了，此時就可以利用計算機三維軟件構建幾何模型，通過空間轉換、透視、組合、旋轉等特殊效果，將“靜態”變為“動態”，從不同角度觀察圖形，加速學生空間模型的建立。

但需要注意的是，很多學生在觀看圖片或動畫演示的時候只是一種視覺逗留和感官刺激，觀看者的心態決定了他們處于被動接受的狀態。而空間想象能力的提高，首先需要通過觀察得到相關信息，再通過對信息進行思維加工，與已有知識進行聯系，最終形成客觀事物的空間架構。因此要使學生通過CAI教學真正提高形象思維能力和空間想象力，就必須要注重培養學生的觀察能力，提升學生善于觀察、有效觀察的科學素養。例如在利用CAI進行晶體結構演示之前，教師要提出明確要求，指明觀察晶胞形狀和陰陽離子在三維空間的位置關系，學生帶著任務對靜態圖形進行動態立體空間的深入觀察，才能夠提取有價值的信息點，在頭腦中形成抽象圖形的直觀形象映射，為進一步準確理解晶體的空間結構提供知識儲備。

2 強化空間與平面的聯結，形象思維與抽象思維協同發展

CAI教學環境提供了形象化的信息載體，能夠將一些抽象復雜的概念、原理和圖形變的直觀形象，降低學習難度，便于理解和掌握。但CAI作為一種載體，它的應用宗旨是為了解決傳統教學媒介某些難以避免的本質缺陷；CAI形象化教學的目標不是要讓學生記住幾個生動的圖片或視頻，而是要教會學生依靠思維活動自己解決問題的方法。若不加選擇的把一切問題形象化，學生易于產生思維定勢，過多依賴直觀圖像，缺乏深層次的思維加工，這樣反而弱化了學生的抽象思維能力和駕馭信息的能力。所以在教學中必須注意形象思維和抽象思維的相輔相成，在新知識傳授過程中著重能力的提升。

在有關晶體結構知識的教學過程中，利用CAI技術把二維圖形三維立體化的同時，還要引導學生從空間回歸平面，掌握平面圖形與立體結構之間的關系及相互轉換。通過動畫逐一展示晶體的內部結構，例如熟知的NaCl晶體，觀察立方密堆積結構中的點、線、面以及陰陽離子間的相對位置，一一與平面晶胞繪制圖相對應。然后教師提供類似的問題情境，讓學生思考，例如指導學生由已知的螢石CaF2立體結構繪制其平面晶胞圖。在如此反復的平面-立體的空間轉換中，學生經過不斷思考、比較與聯想，強化了圖形分析能力，在本質提高了學生的空間想象力。

在有關材料缺陷的教學設計中，可以首先利用CAI形象演示缺陷的形成過程以及結構特征，引導學生在觀察表觀現象的基礎上抽象出反應實質，推導出缺陷反應的數學方程式；更進一步，由抽象的方程式，推測某種缺陷對材料性能的影響，再由工程應用實例加以驗證。在整個教學環節中，CAI技術和傳統教學手段形成一個有機整體，充分發揮多種教學媒介的獨特優勢，營造豐富的學習環境，創造多角度、多維度的刺激，促進形象思維和抽象思維協同發展。

3 提供適宜的差異性學習刺激，實施分層次互助教學

學生的幾何基礎對物質結構尤其是晶體結構的學習影響較大[5]，但不可否認的是學生的幾何基礎存在差異性。究其根源，造成這種差異性的原因主要來自以下兩個方面：一是學生自身思維特性的差異；二是學生在中學階段所選修模塊的不同，部分同學已學過簡單的晶體結構知識，具備初步的分析能力。通過多年在教學過程中對學生的觀察和交流，分析認為一些學生沒有很好的掌握課程知識，未能達到預定的學習目標，并不是因為智慧、能力欠缺，而是未得到與現有知識基礎相符的學習刺激和合理的幫助。因此，在教學過程中，既要面向全體學生，也要承認學生的差異，最大限度的為不同層次的學生提供繼續發展的適當激勵及學習資源。

空間想象能力強的學生很容易將新知識與頭腦中已有空間模型建立聯系，迅速完成新舊知識的同化。而對于空間想象能力薄弱的學生，教師則可以通過三維軟件呈現豐富的虛擬幾何體，豐富表象儲備，增加形象思維素材，以幫助學生建立空間概念，提高幾何直觀能力。在教學過程中，充分利用晶體結構規律性和立體性的特點，可通過組裝物質結構模型來鍛煉學生的分析能力和想象能力。首先將學生分成若干學習小組，小組成員涵蓋了不同層次的學生；教師通過CAI展示平面圖形或立體結構，確定任務即要求按小組完成晶體結構實物模型的組建。在此過程中，學生需要仔細觀察目標圖形所呈現的空間特征，通過深入分析與不斷討論建立與頭腦中已有模型的聯系，最終按照比例形成實物模型。團隊互助合作中，基礎好的學生充當引導者和決策者，在指導他人的同時不斷強化自身知識能力；而稍差的學生更多的處于學習者的地位，有別于教師的傳授，就某一個特定問題與同齡人的深入探討，使之更易于呈現主動探究的心態，達到1+1大于2的效果。

4 拓寬專業軟件的教學功能，提升獨立探究能力

教育的目的不僅要使學生掌握科學知識，更重要的是讓學生善于獨立思考，富有創新精神。這就要求在教學過程中，教師不僅要改變知識滿堂灌的做法，使學生成為學習主導，還要努力創造適合獨立探究的學習情境，放手讓學生自己去探索，使創新培養脫離紙面而滲入實際教學中。

在物質結構CAI教學中，先進的專業教學軟件不能只限于課堂上的形象演示，還要使之成為培養學生獨立探索能力的有效載體。利用Diamond,Mercury等晶體結構繪圖軟件，學生可以自己動手構建各類晶體結構模型，以各種形式（球棍圖、空間堆積及多面體連接）展示晶體內部構造，通過自由旋轉、移動和縮放等多種效果觀察模型。在此過程中，教師只需對專業軟件的功能和操作方法進行簡單介紹，其余的工作，從查找晶體結構參數開始到模型的最終建立都要求學生獨立完成，教師只是在學生尋求幫助時給予簡單的提示和鼓勵。模型建立后，根據與數據庫進行比對的結果，學生需要修正甚至重新建立模型。在此過程中，通過獨立探索和研究，學生不僅掌握了課程知識，思維能力得到提升，更為重要的是學會了解決問題的方法和技巧以及不斷嘗試直至成功的科學態度。

5 結語

科學技術的進步使CAI教學具備了傳統教學媒介無法企及的優勢，把知識傳授從主要依靠教師講解引入了一個生動逼真的立體情景，聲音、視覺的多重感官刺激有利于學生對知識的理解和掌握。但無論教學手段多么先進，在實質上只能是輔助教學的手段，因此在CAI教學過程中，要防止一味的形象化和直觀化，弱化強烈的感官刺激，避免學生成為單純的看客，要注重觀察能力、抽象思維能力與形象思維能力的協同發展；先進的教學軟件不能只限于圖形展示，還要使之成為培養學生獨立探究能力的有效手段。在教學設計過程中，只有牢記一切教學活動都是為教學內容和教學目標服務的，學生是教學的中心，是學習的主導，才能合理的取舍各種教學媒介，優勢互補，達到學習效果的最優化。

［1］孫中強.計算機三維技術在立體幾何教學中的應用研究[MA].濟南:山東師范大學,2011.

［2］朱玲,齊煒.計算機輔助教學課件的設計與實踐:以無機化學“分子結構”一章為例[J].中國大學教學,2012(7):55-56.

［3］周國棟.論大學多媒體課件的形象性及其限度[D].長沙:中南大學,2010.

［4］陸佩文.無機材料科學基礎[M].武漢:武漢工業大學出版社,1996.

［5］萬竹青.幾何能力對高中化學物質結構學習的影響研究[D].上海:華東師范大學,2009.