中學物理教學中的積件系統設計與實踐

胡松文

摘 要：本文基于湖北省黃岡市浠水馬垅中學“中學物理積件系統”設計與教學實踐，闡述了積件思想以及積件系統的組成、特點、設計模型，并深入探討了積件系統設計過程中涉及到的關鍵問題及其實現方法。

關鍵詞：CAI；積件；積件系統

1 引言

多媒體計算機輔助教學（Multimedia Computer Assisted Instruction，MCAI）作為一種全新的教學模式引入課堂教學實踐已經非常普遍，用于中學物理教學的MCAI課件也層出不窮。然而，經過多年教學實踐逐漸發現，絕大多數MCAI課件總是啟承有序、自成整體，但固化了知識的聯系，模式化了思維過程，機械化了教學程序，很難適應千變萬化的課堂信息交流；同時也無法充分發揮教師的主導性和創造性、學生的主體性和差異性，這也與教學中的一個基本準則――“教無定法”相勃。針對這種情況，1997年，我國教育理論界黎加厚等學者基于當今世界先進的計算機軟硬件技術，并從我國古代的《易經》中的哲學理念得到啟發，提出了積件（Integrable ware）的思想。自2007起，湖北省黃岡市浠水馬垅中學物理教研組開始了“中學物理積件系統”設計工作，并在隨后的教學實踐中不斷豐富和完善。

2 積件思想的理論基礎及技術基礎

2.1 積件思想的理論基礎

“積件”一詞緣由于“積木”，其思想可以追溯到中國古老的七巧板積木游戲和《周易》中的八卦觀念，為數很少的七巧板和陰陽爻，配以豐富的組合方式就構成了無窮的變幻。中國古代辯證哲學是積件思想誕生的原始底蘊。我國教育理論工作者在對光輝燦爛、博大精深的中華傳統文化和思想寶庫進行開掘、領悟、提煉的基礎上，參照周易陰陽生八卦、八卦變萬象的理念提出以基元（知識點）的無窮組合來適應千變萬化的課堂教學。運用積件思想設計的積件系統結構模型圖中蘊涵的陰陽五行思想，從一個樸素的層面揭示了積件系統衍變的動因和生克乘侮、勝復制化的動態聯系圖式。

積件思想以發展、聯系、全面的觀點看問題，克服了傳統課件的機械性、簡單化。積件思想是實踐不斷深入的產物，它反映的不僅僅是多媒體計算機輔助教學的表象，而是在感性認識基礎上進行深層次的理性加工和抽象概括的結果，它揭示了CAI內在的本質和規律性，對CAI實踐具有更大的指導作用。

2.2 積件思想的技術基礎

現代信息技術為實現積件思想提供了強有力的技術保障。首先，大容量的存儲設備可用來存儲和積累積件庫中眾多的教學資源，網絡化、信息化的環境為教學資源的共享和交流奠定了基礎。其次，對象鏈接與嵌入（OLE）技術是實現積件思想的核心技術。運用OLE技術能夠控制其它多媒體超文本應用程序，如可將文本、圖形、圖像、聲音、動畫、音視頻等多媒體積件單元數據嵌入或鏈接到當前的教學演示中，從而實現積件庫資源的交互與共享。通過常用的積件開發平臺工具（如Powerpoint、Authorware等）可實現如剪貼板、熱區、向導、模板、搜索器、助手、打包等豐富的多媒體交互方式。

另外，日益成熟的人工智能技術為積件的智能化提供了可能。如積件組合平臺的自學習性，它可在師生使用組合平臺的過程中，自動識別、理解、記憶師生的操作方式、訓練進度、能力水平等，能不斷自我學習并調整其內部結構，使界面具有更好的人性化的交互性。同時，可自動控制積件庫中積件的調整，自動根據教育心理學記憶規律和教育經驗選擇適當難度的內容和適當方式，幫助學生溫故而知新。

3 “中學物理積件系統”的設計

3.1 “中學物理積件系統”的設計模型

“中學物理積件系統”多層次開放型結構決定了積件系統功能的可積性、靈活性、基元性、可繁殖性、通用性、規范性等一系列特性。其內核主要體現在積件的基元性和可積性。積件中的積件基元就是一個基本知識點，它不囿于任何特定的教育思想、教學方法，也不局限于課程體系和教材版本，其附加的約束條件少，因而可積性很大。從邏輯上，其組織結構可分為5層：①核心層，由教師和學生組成。學生是主體，教師起主導作用，積件系統的構建、運作均以資源和教學效果的最優化為出發點和歸宿。②平臺層，它是連接兩個實庫（多媒體資料庫、微教學單元庫）、兩個虛庫（資料呈現方式庫、教與學策略庫）、一個環境資源庫的重要紐帶，也是師生選取、加工教學資源信息，進行教學活動的操作平臺。③實庫層，由多媒體教學資料庫和微教學單元庫組成。前者主要由文本、圖形、圖像等空間像素和聲音、動畫、影視等時空元素組成，是以知識點為基礎按一定檢索和分類規則組織的素材材料；后者則是由許多微教學單元組成，每個微教學單元包含有一定的過程和結構。在知識難點的講解、特定技能技巧的訓練及抽象思想觀念的教學中，可采用微教學單元。④虛庫層，將眾多思想、方法、方式、策略、技巧積聚成庫，以供師生靈活選用與借鑒，由資料呈現方式庫和教與學策略庫組成。前者重在素材資料的表達、連接、呈現等微觀層次，常用的有飛入飛出、劃入劃出、淡入淡出、變色閃爍、熱區超鏈等多種呈現方式；而后者則重在課堂計算機輔助教學的整體構思上，與教法、學法和教學風格相聯系，可供選用的策略主要有：講授法、演示法、討論法、操練法、發現法等。實庫層與虛庫層既有區別又密切聯系，二者的關系，簡言之，實庫層是載體，虛庫層是靈魂。⑤環境層，主要由校園網、互聯網等共享積件資源庫組成。它決定了積件系統的開放性和自組織性。師生可以在教學過程中實時通過向導或模板調用海量的資源庫，還可將積件庫與組合平臺打包外掛，供異地的師生下載使用。

圖1 “中學物理積件系統”設計模型示意圖

3.2 “中學物理積件系統”的組成

積件是由教師和學生根據教學需要自由組合運用多媒體教學信息資源的教學軟件系統。積件系統由積件庫和組合平臺構成，包括教學信息資源、教學信息處理策略與工作環境。積件庫和積件組合平臺是積件的“兩翼”，積件庫中的多媒體教學資源庫、微教學單元庫、共享積件資源庫、資料呈現方式庫和教學策略庫為師生利用積件組合平臺制作教學軟件提供了充足的素材來源，靈活易用開放實用的積件組合平臺則是充分發揮師生創造性、能動性的有力工具。

積件組合平臺是直接面向普通師生、提供集成二次開發構件庫、微教學單元庫、素材呈現方式構件庫和多媒體教學素材庫用來制作教學軟件的一個工具。因此，易用、開放、高效、實用是積件組合平臺的基本特點。

積件庫是教學資料和表達方式的集合，可將大量的知識信息素材提供給教師和學生在課堂教學中自由使用。積件庫包括以下五種類型：

1）多媒體資料庫。多媒體資料庫是以知識點為基礎，按一定分類和檢索規則組織起來的素材資料，包括文字、圖形、表格、公式、動畫、流媒體、超鏈接等素材資源庫。

2）微教學單元庫。微教學單元（Micro Teaching Unit，MTU）是以幫助教師講授某個教學難點，或幫助學生學習某個知識技能點為目的，或為學生探究認知而創設的學習環境等而設計的教學單元。這些基于各學科基本知識點的“小課件”組成了微教學單元庫。如圖2所示，通過對比觀察疊加波和原波，學生可以在動態疊加波的圖像中直接看到波的獨立性，觀察任意質點的疊加運動。

圖2 “橫波的疊加”MTU

3）共享積件資源庫。我們將網絡上的一切可利用的共享資源作為共享積件資源庫。“中學物理積件系統” 組織了常用的K12學科資源庫、經典微課等豐富的網絡資源。同時，還組建了“工具箱”，工具箱中安裝了億圖圖示專家、思維導圖、DISLab、幾何畫板、數學實驗室、Mathcad等常用工具軟件，便于對共享素材進行加工。

4）資料呈現方式庫。供教師選用的各種教學素材表達的方式。將多種多樣的資料呈現方式進行歸納分類，設計成可供教師容易調用與賦值的圖標，就形成了教學資料呈現方式庫。

5）教與學策略庫。將不同的課堂教學的模式、方法與策略的方式設計成可填充、可重組的框架，以簡單明了的圖標表示，讓教師在教學中根據自己需要將不同的素材、微教學單元與不同的資料呈現方式和教學策略方式相結合，將產生搭“積木”式的效果，靈活地運用于教學實踐中；讓學生在學習中根據自己需要將不同的素材、微教學單元與不同的資料呈現方式和學習策略方式相結合，更能幫助學生發揮主觀能動性，進行積極探索和認知學習。

4 “中學物理積件系統”的設計原則

“中學物理積件系統”的開發分為積件庫和積件組合平臺兩部分的開發。經過多年來開發積件系統和教學實踐，筆者認為設計積件系統過程中應注意如下一些原則：

4.1 多媒體教學素材庫的建設

多媒體教學素材庫位于積件系統設計模型最底層。為便于檢索、使用、管理和維護，素材庫應使用類似于Windows中的資源管理器的樹型結構，以合理的分類規則來進行組織和管理。此外，素材庫還應具有可擴充性，允許教師將自己收集、加工的素材添加到樹型結構的素材庫中。可以存儲到原有的類別中，也可以創建新類別，將新素材存儲到新類別中。總之，易檢索、易使用、易管理、易維護、易擴充是多媒體教學素材庫的基本特點。

一方面，按照與當前學校課堂教學聯系的密切程度，將教學素材資源庫分為最常用庫、次常用庫和擴展庫三類，并配合方便、快速、自動、智能的檢索方法。另一方面，積件庫的建設還必須考慮到如何融合互聯網上豐富的教學信息資源，可以由師生在課堂教學中通過網絡進行檢索、重組、靈活地結合當前教學需要靈活運用。

4.2 微教學單元庫的設計

從易檢索、易使用、易管理、易維護的角度考慮，微教學單元庫也應使用樹型結構和合理的分類規則。微教學單元的設計開發方法與原來的課件類似，不同的是微教學單元是供教師學生在教學中重組使用而準備的資源，所以它一般不需要封面設計，也不需要多余的背景、多余的解說配音等，短小精悍、符合積件組合平臺要求的接口格式，方便教師學生檢索和組接在當前的教學情境中運用。

4.3 素材呈現方式構件庫的設計

素材呈現方式構件庫是一系列基本構件（或稱對象）的集合，包括描述多媒體教學素材的文字、圖形、聲音、表格、公式、曲線、動畫、視頻對象等。每個對象封裝與其有關的對象的外觀（屬性）和行為（方法）。使用某一對象時，教師可從多媒體教學素材庫中選擇有關的素材使該對象實例化，通過操作已實例化的對象的各種屬性和方法，達到控制各種素材呈現方式的目的。例如，修改對象的各種屬性和控制對象的多種方法。

4.4 二次開發構件庫的設計

二次開發構件庫專門用來存放教師利用素材呈現方式構件庫中的構件重新生成的自定義素材呈現方式構件，以滿足具有較高編程水平的教師擴充自己教學資源的需要。當教師對積件系統中素材呈現方式構件所提供的屬性和方法不滿意時，可利用積件組合平臺提供的功能，用二次開發工具從原素材呈現方式構件（簡稱父構件）中派生一個新的素材呈現方式構件（簡稱子構件）。子構件除了繼承父構件中的所有特征（如屬性、方法）之外，教師還可以修改子構件的個別特征。派生的子構件存入二次開發構件庫中后，特別是當子構件的某些特征被重新修改之后，使用它們的多個教學軟件能自動完成相應的修改，不需要教師自己重復修改，這也體現了積件組合平臺高效的維護能力。

4.5 積件組合平臺的開發

1）積件組合平臺的主操作界面應類似于Authorware流程圖式的軟件設計和制作結構，對于一般教師，無需程序設計就可以方便地制作出教學軟件。

2）對于一些常用的教學策略，積件組合平臺應能提供向導式的教學軟件制作方式，通過一系列有序的填充和選擇來自動生成特定教學策略的教學軟件，如講述式、討論式、習題操練式、動手實驗式的教學軟件等。在自動生成教學軟件的基礎上，教師可進一步調整、修改，直到滿足教學情境的需要。

3）制作好的教學軟件除了在積件組合平臺中運行之外，還應提供脫離積件組合平臺，如提供一個易于安裝的教學軟件播放器，或能夠生成完全脫離平臺的可執行文件。

4）為了讓具有一定編程經驗的教師開發二次開發構件庫，積件組合平臺應提供二次開發的工具，使教師可以方便地生成自己需要的素材呈現方式構件。

5）積件組合平臺還應維護、支持它的各種教學資源庫，如使用類似于VB或Excel中的對象瀏覽器來管理二次開發構件庫、微教學單元庫和素材呈現方式構件庫，結構化地組織庫中基本部件的所有特征，方便教師檢索和使用。

6）為了易于操作對象的屬性和方法，積件組合平臺應提供簡單易用的使用環境，如用類似于VB的屬性列表方式來管理對象的各種屬性，屬性的修改和設置可從預先設置的屬性值中選擇。

7）積件組合平臺應提供導入微教學單元的接口。教師可在積件組合平臺中直接使用它，將其與其它多媒體教學素材組接起來，用于適當的教學情境之中。這樣，可大大提高教師制作教學軟件的效率，而不必為一個常用的知識點，從頭開始集成大量多媒體教學素材。另外，除了使用積件系統自帶的微教學單元庫之外，教師還可利用積件系統自己制作某一知識點的微教學單元，并擴充到微教學單元庫中。這樣，教師在自制的教學軟件中可反復使用自制的微教學單元，也可通過網上教學資源庫與其他教師共享和交流。

4.6 將積件系統納入智能化軌道

積件系統開發應與實際教學活動緊密結合，將鮮活的教學經驗充實到積件系統的研制當中。要做到這一點不僅要有大量教學第一線的教師參與積件系統的創作，更要將積件系統的設計開發引上智能化的道路，將計算機的人工智能技術與積件系統完美結合，從而設計出精品智能化的積件系統。

5 結語

從系統理論的角度來看，積件思想是一種在對系統的功能進行分析、分解的基礎上，重新設計、構造、重組或生成新系統的系統分析和系統設計的思維過程。而積件系統的設計和使用過程則是對多媒體教學信息資源和教學過程進行準備、檢索、設計、組合、使用、管理、評價與實踐過程。近七年來，“中學物理積件系統”得到了不斷完善，MTU涵蓋了新課改前后所有中學物理所有知識點和實驗，湖北省黃岡市浠水馬垅中學師生利用在日常教學、課外學習以及物理競賽輔導中取得了良好的教學效果。

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