“無機材料科學”多媒體網絡教學系統設計與實現

摘要結合“無機材料科學”多媒體網絡教學系統的開發實踐，提出教學系統的體系結構，給出基于流的教學內容顯示模型，探討把抽象內容形象化、具體化的方法，實現傳統教學方式難以表達的教學意圖。通過教學使用，證明該系統對各種抽象知識表達合理，完全適用于課堂教學和學生通過網絡課后學習，教學效果明顯。

關鍵詞無機材料科學；多媒體；網絡

中圖分類號 TP311.52 文獻標識碼 A 文章編號 1671-489X（2008）12-0070-03

1 引言

網絡教學是現代遠程教育開展的一種重要的遠程教學手段，它是隨著計算機網絡技術和多媒體技術的發展而產生的一種新型的教學形式。網絡教育這種新的學習方式不受時空的限制，能夠整合全社會的教育資源為人們學習所用。不管是在校學生還是成年人，越來越多的人運用網絡學習。為了適應社會發展的需要，國家提出了“21世紀教育振興行動計劃項目”，并明確指出：利用多媒體技術、數據庫技術、網絡技術等開展網絡課程建設，是教育信息化的重要組成部分。在這種社會大背景下，配合鄭州大學精品課程建設，筆者提出并建設了“無機材料科學”多媒體網絡教學系統。

“無機材料科學”是面向材料學、無機非金屬材料方向本科生的一門專業必修基礎課程。作為一門專業核心課程，在整個教學課程體系中起著承上啟下的作用。本課程內容新概念多、理論性強，其中涉及到大量的、難以理解的抽象知識，如硅酸鹽晶體結構，擴散、相變的微觀機制，位錯運動方式等。因此，在以往的課程學習過程中，雖然學生對此課程學習積極性很高，但常感到即使在課堂上已經領會，在課下又會對許多知識點感到困惑。鑒于此，筆者根據教學經驗設計并開發了“無機材料科學”多媒體網絡教學系統。利用該系統，不但可以把一些抽象的微觀過程以動畫的形式生動地演示出來，而且還可以用實時影像向學生展示新型材料加工工藝過程，實現傳統教學方式和課件難以表達的教學意圖；又可以給學生提供一個網絡學習平臺，使學生能隨時隨地、自主地、個性化地、交互地進行本課程的學習，從而使學生全面掌握課程精髓，學習效果更上一層樓。

2 教學系統設計

2.1 設計原則使用教學系統的目的是優化教學結構，提高課堂教學效率，既要有利于教師的教，又要有利于學生的學和課后的復習。為此，“無機材料科學”教學系統的設計遵循以下幾條原則[3]。

1）教學性原則。明確“無機材料科學”教學系統的教學目標，選擇適宜的表現形式，充分利用計算機的特有優勢，利用多媒體，建立符合學生認知規律的表現形式。例如，對一些抽象過程的計算機模擬，既要有連續的演示，給學生以完整的概念；又要有分步驟的演示，有利于教師的講解。

2）科學性原則。科學性無疑是評價教學系統優劣的重要指標之一，其基本要求是不出現知識性錯誤，如位錯運動、擴散、相變等微觀過程仿真應符合實際規律。

3）創造性原則。優秀的教學系統不應是教材的翻版，而是對教材的補充和再創造。

4）互動性原則。在傳統的教學模式中，教師是教學的主體，把學生看成是知識倉庫，教學過程就是不斷地往倉庫中灌輸知識。學生靠這種被動的方式獲得的知識是零散的、缺乏聯系的、記憶不牢的。因此，教學系統應把被動的學變為主動的學，體現學生主體、教師主導的現代教學思想。

5）網絡性原則。教學系統應部署于校園網上，教師通過網絡，可隨時更新教學內容；學生可在教室、圖書館、宿舍等有校園網接口的地方，隨時登陸系統，復習課堂內容，并利用試題庫進行自我測試。

2.2 體系結構為了體現學生主體、教師主導的現代教學思想，“無機材料科學”多媒體教學系統既是課堂助教型教學系統，也是學生自學型教學系統[4]。其體系結構如圖1所示。

1）教學子系統。教學子系統主要實現輔助教師教學功能。教學內容的展示符合目前“無機材料科學”的大綱要求，內容涵蓋有關材料的組成與結構、加工與制備基礎、性能與使用性能3大部分，適應教師備課和課堂教學，并可根據實際情況進行內容的增減和取舍。在課堂教學過程中，授課教師可以靈活調用多媒體教學系統中的文字、圖形、圖表等內容。當教學內容無法用文字描述時，可以調用動畫、影像資料等，以形象、直觀、動態的手段來輔助教學，提高教學質量，是傳統教學方式所達不到的效果。

2）學習子系統。學習子系統主要實現輔助學生自學功能。該系統考慮了材料專業本科生的知識水平、認知能力，針對學生空間想象能力弱、抽象思維能力欠缺的特點，除了基本的文字學習內容外，還設置了三維晶體結構模型、位錯運動過程仿真、相變過程仿真等，學生可通過校園網隨時調用觀看，深入理解。

3）試題庫。試題庫主要實現輔助學生自我測試功能。試題庫主要包括“無機材料科學”課程各個知識點的、難易程度不同的習題，題型涉及填空題、選擇題、名詞解釋、簡答題、計算作圖題等，共計500余題，它為學生提供了一個檢驗學習效果、進行自我測試的交互平臺。學生通過對一段時期學習效果的自我測試，可以了解自己的學習情況，并及時調整學習方法。

3 教學系統實現

3.1 基于流的教學內容顯示“無機材料科學”教學系統的內容包括結構與組成、加工與制備基礎、性能與使用性能3部分。教學內容按照章節編排，既方便教師備課和教學，又方便學生自學。教學系統采用方正奧思和VB制作，在瀏覽器中運行。

如圖2所示，為了更好地顯示教學內容，本系統采用基于流的教學內容顯示模型。教學內容被劃分為章、節、一級標題、二級標題、顯示流。例如，點缺陷、電子缺陷等為一級標題；形成、晶格畸變等為二級標題；點缺陷的概念、點缺陷的平衡濃度等為顯示流。顯示流一般為30 k～100 k，之所以采用“流”技術，主要是為了使頁面顯示速度快，適合于互聯網上瀏覽。二級標題由多個顯示流組成，多個二級標題組成一級標題，多個一級標題組成一節，進而形成章。

3.2 抽象內容的展示對于三維晶體結構模型、位錯運動過程、增殖過程、交割過程等抽象內容，本教學系統采用Flash和3D MAX動畫，進行微觀過程仿真，展示原子微觀模型及微觀運動機制。

過程仿真分為3個階段，即初始狀態、過程展示、終止狀態。圖3顯示的是柏氏矢量互相垂直的刃型位錯的交割過程，圖中各個按鈕可實現過程運行、暫停、后退等操作，以清晰展示整個交割過程。

3.3 試題庫的實現試題庫子系統實現學生登陸、試題錄入、試題編輯修改、在線測試等功能。學生登陸根據學號，確定學生是否可以使用試題庫學習。試題錄入和試題編輯修改可依據課程章節，實現試題及答案的編輯、修改、存儲。在線測試提供了一個復習、鞏固的環境，若學生對某一部分內容理解不深，可以在試題庫中選擇該章節的試題進行針對性練習。當學生寫出答案后，系統將給出標準答案，以供學生參考比對。該子系統采用Visual Studio.Net2003開發，數據庫采用Access。圖4為系統的在線測試界面。

4 結論

“無機材料科學”教學系統采用聲音、動畫、圖像、文字等多種多媒體形式，輔之以素材庫和試題庫，既可以課堂助教，也可以學生自學，實現傳統教學方式難以表達的教學意圖。通過近3年的教學使用，證明系統能夠較好地解釋課程涉及的重要概念和理論，對各種抽象知識表達合理，教學信息豐富，教學過程直觀，完全適用于課堂教學和學生通過網絡課后學習，教學效果明顯。

參考文獻

[1]楊久俊.無機材料科學[M].鄭州:河南科學出版社，1998

[2]謝幼如.多媒體教學軟件設計[M].北京:電子工業出版社，1999，8