胡松文

摘 要：本文基于湖北省黃岡市浠水馬垅中學(xué)“中學(xué)物理積件系統(tǒng)”設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐，闡述了積件思想以及積件系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)模型，并深入探討了積件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中涉及到的關(guān)鍵問題及其實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：CAI；積件；積件系統(tǒng)

1 引言

多媒體計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Multimedia Computer Assisted Instruction，MCAI）作為一種全新的教學(xué)模式引入課堂教學(xué)實(shí)踐已經(jīng)非常普遍，用于中學(xué)物理教學(xué)的MCAI課件也層出不窮。然而，經(jīng)過多年教學(xué)實(shí)踐逐漸發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)MCAI課件總是啟承有序、自成整體，但固化了知識(shí)的聯(lián)系，模式化了思維過程，機(jī)械化了教學(xué)程序，很難適應(yīng)千變?nèi)f化的課堂信息交流；同時(shí)也無法充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)性和創(chuàng)造性、學(xué)生的主體性和差異性，這也與教學(xué)中的一個(gè)基本準(zhǔn)則――“教無定法”相勃。針對(duì)這種情況，1997年，我國教育理論界黎加厚等學(xué)者基于當(dāng)今世界先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，并從我國古代的《易經(jīng)》中的哲學(xué)理念得到啟發(fā)，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(xué)物理教研組開始了“中學(xué)物理積件系統(tǒng)”設(shè)計(jì)工作，并在隨后的教學(xué)實(shí)踐中不斷豐富和完善。

2 積件思想的理論基礎(chǔ)及技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 積件思想的理論基礎(chǔ)

“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(shù)很少的七巧板和陰陽爻，配以豐富的組合方式就構(gòu)成了無窮的變幻。中國古代辯證哲學(xué)是積件思想誕生的原始底蘊(yùn)。我國教育理論工作者在對(duì)光輝燦爛、博大精深的中華傳統(tǒng)文化和思想寶庫進(jìn)行開掘、領(lǐng)悟、提煉的基礎(chǔ)上，參照周易陰陽生八卦、八卦變?nèi)f象的理念提出以基元（知識(shí)點(diǎn)）的無窮組合來適應(yīng)千變?nèi)f化的課堂教學(xué)。運(yùn)用積件思想設(shè)計(jì)的積件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖中蘊(yùn)涵的陰陽五行思想，從一個(gè)樸素的層面揭示了積件系統(tǒng)衍變的動(dòng)因和生克乘侮、勝復(fù)制化的動(dòng)態(tài)聯(lián)系圖式。

積件思想以發(fā)展、聯(lián)系、全面的觀點(diǎn)看問題，克服了傳統(tǒng)課件的機(jī)械性、簡單化。積件思想是實(shí)踐不斷深入的產(chǎn)物，它反映的不僅僅是多媒體計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的表象，而是在感性認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行深層次的理性加工和抽象概括的結(jié)果，它揭示了CAI內(nèi)在的本質(zhì)和規(guī)律性，對(duì)CAI實(shí)踐具有更大的指導(dǎo)作用。

2.2 積件思想的技術(shù)基礎(chǔ)

現(xiàn)代信息技術(shù)為實(shí)現(xiàn)積件思想提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。首先，大容量的存儲(chǔ)設(shè)備可用來存儲(chǔ)和積累積件庫中眾多的教學(xué)資源，網(wǎng)絡(luò)化、信息化的環(huán)境為教學(xué)資源的共享和交流奠定了基礎(chǔ)。其次，對(duì)象鏈接與嵌入（OLE）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)積件思想的核心技術(shù)。運(yùn)用OLE技術(shù)能夠控制其它多媒體超文本應(yīng)用程序，如可將文本、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫、音視頻等多媒體積件單元數(shù)據(jù)嵌入或鏈接到當(dāng)前的教學(xué)演示中，從而實(shí)現(xiàn)積件庫資源的交互與共享。通過常用的積件開發(fā)平臺(tái)工具（如Powerpoint、Authorware等）可實(shí)現(xiàn)如剪貼板、熱區(qū)、向?qū)?、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(shù)為積件的智能化提供了可能。如積件組合平臺(tái)的自學(xué)習(xí)性，它可在師生使用組合平臺(tái)的過程中，自動(dòng)識(shí)別、理解、記憶師生的操作方式、訓(xùn)練進(jìn)度、能力水平等，能不斷自我學(xué)習(xí)并調(diào)整其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使界面具有更好的人性化的交互性。同時(shí)，可自動(dòng)控制積件庫中積件的調(diào)整，自動(dòng)根據(jù)教育心理學(xué)記憶規(guī)律和教育經(jīng)驗(yàn)選擇適當(dāng)難度的內(nèi)容和適當(dāng)方式，幫助學(xué)生溫故而知新。

3 “中學(xué)物理積件系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)

3.1 “中學(xué)物理積件系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)模型

“中學(xué)物理積件系統(tǒng)”多層次開放型結(jié)構(gòu)決定了積件系統(tǒng)功能的可積性、靈活性、基元性、可繁殖性、通用性、規(guī)范性等一系列特性。其內(nèi)核主要體現(xiàn)在積件的基元性和可積性。積件中的積件基元就是一個(gè)基本知識(shí)點(diǎn)，它不囿于任何特定的教育思想、教學(xué)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(jié)構(gòu)可分為5層：①核心層，由教師和學(xué)生組成。學(xué)生是主體，教師起主導(dǎo)作用，積件系統(tǒng)的構(gòu)建、運(yùn)作均以資源和教學(xué)效果的最優(yōu)化為出發(fā)點(diǎn)和歸宿。②平臺(tái)層，它是連接兩個(gè)實(shí)庫（多媒體資料庫、微教學(xué)單元庫）、兩個(gè)虛庫（資料呈現(xiàn)方式庫、教與學(xué)策略庫）、一個(gè)環(huán)境資源庫的重要紐帶，也是師生選取、加工教學(xué)資源信息，進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的操作平臺(tái)。③實(shí)庫層，由多媒體教學(xué)資料庫和微教學(xué)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(dòng)畫、影視等時(shí)空元素組成，是以知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)按一定檢索和分類規(guī)則組織的素材材料；后者則是由許多微教學(xué)單元組成，每個(gè)微教學(xué)單元包含有一定的過程和結(jié)構(gòu)。在知識(shí)難點(diǎn)的講解、特定技能技巧的訓(xùn)練及抽象思想觀念的教學(xué)中，可采用微教學(xué)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(xiàn)方式庫和教與學(xué)策略庫組成。前者重在素材資料的表達(dá)、連接、呈現(xiàn)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(qū)超鏈等多種呈現(xiàn)方式；而后者則重在課堂計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的整體構(gòu)思上，與教法、學(xué)法和教學(xué)風(fēng)格相聯(lián)系，可供選用的策略主要有：講授法、演示法、討論法、操練法、發(fā)現(xiàn)法等。實(shí)庫層與虛庫層既有區(qū)別又密切聯(lián)系，二者的關(guān)系，簡言之，實(shí)庫層是載體，虛庫層是靈魂。⑤環(huán)境層，主要由校園網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等共享積件資源庫組成。它決定了積件系統(tǒng)的開放性和自組織性。師生可以在教學(xué)過程中實(shí)時(shí)通過向?qū)Щ蚰０逭{(diào)用海量的資源庫，還可將積件庫與組合平臺(tái)打包外掛，供異地的師生下載使用。

圖1 “中學(xué)物理積件系統(tǒng)”設(shè)計(jì)模型示意圖

3.2 “中學(xué)物理積件系統(tǒng)”的組成

積件是由教師和學(xué)生根據(jù)教學(xué)需要自由組合運(yùn)用多媒體教學(xué)信息資源的教學(xué)軟件系統(tǒng)。積件系統(tǒng)由積件庫和組合平臺(tái)構(gòu)成，包括教學(xué)信息資源、教學(xué)信息處理策略與工作環(huán)境。積件庫和積件組合平臺(tái)是積件的“兩翼”，積件庫中的多媒體教學(xué)資源庫、微教學(xué)單元庫、共享積件資源庫、資料呈現(xiàn)方式庫和教學(xué)策略庫為師生利用積件組合平臺(tái)制作教學(xué)軟件提供了充足的素材來源，靈活易用開放實(shí)用的積件組合平臺(tái)則是充分發(fā)揮師生創(chuàng)造性、能動(dòng)性的有力工具。

積件組合平臺(tái)是直接面向普通師生、提供集成二次開發(fā)構(gòu)件庫、微教學(xué)單元庫、素材呈現(xiàn)方式構(gòu)件庫和多媒體教學(xué)素材庫用來制作教學(xué)軟件的一個(gè)工具。因此，易用、開放、高效、實(shí)用是積件組合平臺(tái)的基本特點(diǎn)。

積件庫是教學(xué)資料和表達(dá)方式的集合，可將大量的知識(shí)信息素材提供給教師和學(xué)生在課堂教學(xué)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(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，按一定分類和檢索規(guī)則組織起來的素材資料，包括文字、圖形、表格、公式、動(dòng)畫、流媒體、超鏈接等素材資源庫。

2）微教學(xué)單元庫。微教學(xué)單元（Micro Teaching Unit，MTU）是以幫助教師講授某個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，或幫助學(xué)生學(xué)習(xí)某個(gè)知識(shí)技能點(diǎn)為目的，或?yàn)閷W(xué)生探究認(rèn)知而創(chuàng)設(shè)的學(xué)習(xí)環(huán)境等而設(shè)計(jì)的教學(xué)單元。這些基于各學(xué)科基本知識(shí)點(diǎn)的“小課件”組成了微教學(xué)單元庫。如圖2所示，通過對(duì)比觀察疊加波和原波，學(xué)生可以在動(dòng)態(tài)疊加波的圖像中直接看到波的獨(dú)立性，觀察任意質(zhì)點(diǎn)的疊加運(yùn)動(dòng)。

圖2 “橫波的疊加”MTU

3）共享積件資源庫。我們將網(wǎng)絡(luò)上的一切可利用的共享資源作為共享積件資源庫?！爸袑W(xué)物理積件系統(tǒng)” 組織了常用的K12學(xué)科資源庫、經(jīng)典微課等豐富的網(wǎng)絡(luò)資源。同時(shí)，還組建了“工具箱”，工具箱中安裝了億圖圖示專家、思維導(dǎo)圖、DISLab、幾何畫板、數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室、Mathcad等常用工具軟件，便于對(duì)共享素材進(jìn)行加工。

4）資料呈現(xiàn)方式庫。供教師選用的各種教學(xué)素材表達(dá)的方式。將多種多樣的資料呈現(xiàn)方式進(jìn)行歸納分類，設(shè)計(jì)成可供教師容易調(diào)用與賦值的圖標(biāo)，就形成了教學(xué)資料呈現(xiàn)方式庫。

5）教與學(xué)策略庫。將不同的課堂教學(xué)的模式、方法與策略的方式設(shè)計(jì)成可填充、可重組的框架，以簡單明了的圖標(biāo)表示，讓教師在教學(xué)中根據(jù)自己需要將不同的素材、微教學(xué)單元與不同的資料呈現(xiàn)方式和教學(xué)策略方式相結(jié)合，將產(chǎn)生搭“積木”式的效果，靈活地運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐中；讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中根據(jù)自己需要將不同的素材、微教學(xué)單元與不同的資料呈現(xiàn)方式和學(xué)習(xí)策略方式相結(jié)合，更能幫助學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，進(jìn)行積極探索和認(rèn)知學(xué)習(xí)。

4 “中學(xué)物理積件系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)原則

“中學(xué)物理積件系統(tǒng)”的開發(fā)分為積件庫和積件組合平臺(tái)兩部分的開發(fā)。經(jīng)過多年來開發(fā)積件系統(tǒng)和教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)積件系統(tǒng)過程中應(yīng)注意如下一些原則：

4.1 多媒體教學(xué)素材庫的建設(shè)

多媒體教學(xué)素材庫位于積件系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型最底層。為便于檢索、使用、管理和維護(hù)，素材庫應(yīng)使用類似于Windows中的資源管理器的樹型結(jié)構(gòu)，以合理的分類規(guī)則來進(jìn)行組織和管理。此外，素材庫還應(yīng)具有可擴(kuò)充性，允許教師將自己收集、加工的素材添加到樹型結(jié)構(gòu)的素材庫中?？梢源鎯?chǔ)到原有的類別中，也可以創(chuàng)建新類別，將新素材存儲(chǔ)到新類別中?？傊讬z索、易使用、易管理、易維護(hù)、易擴(kuò)充是多媒體教學(xué)素材庫的基本特點(diǎn)。

一方面，按照與當(dāng)前學(xué)校課堂教學(xué)聯(lián)系的密切程度，將教學(xué)素材資源庫分為最常用庫、次常用庫和擴(kuò)展庫三類，并配合方便、快速、自動(dòng)、智能的檢索方法。另一方面，積件庫的建設(shè)還必須考慮到如何融合互聯(lián)網(wǎng)上豐富的教學(xué)信息資源，可以由師生在課堂教學(xué)中通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢索、重組、靈活地結(jié)合當(dāng)前教學(xué)需要靈活運(yùn)用。

4.2 微教學(xué)單元庫的設(shè)計(jì)

從易檢索、易使用、易管理、易維護(hù)的角度考慮，微教學(xué)單元庫也應(yīng)使用樹型結(jié)構(gòu)和合理的分類規(guī)則。微教學(xué)單元的設(shè)計(jì)開發(fā)方法與原來的課件類似，不同的是微教學(xué)單元是供教師學(xué)生在教學(xué)中重組使用而準(zhǔn)備的資源，所以它一般不需要封面設(shè)計(jì)，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(tái)要求的接口格式，方便教師學(xué)生檢索和組接在當(dāng)前的教學(xué)情境中運(yùn)用。

4.3 素材呈現(xiàn)方式構(gòu)件庫的設(shè)計(jì)

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

4.4 二次開發(fā)構(gòu)件庫的設(shè)計(jì)

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

4.5 積件組合平臺(tái)的開發(fā)

1）積件組合平臺(tái)的主操作界面應(yīng)類似于Authorware流程圖式的軟件設(shè)計(jì)和制作結(jié)構(gòu)，對(duì)于一般教師，無需程序設(shè)計(jì)就可以方便地制作出教學(xué)軟件。

2）對(duì)于一些常用的教學(xué)策略，積件組合平臺(tái)應(yīng)能提供向?qū)降慕虒W(xué)軟件制作方式，通過一系列有序的填充和選擇來自動(dòng)生成特定教學(xué)策略的教學(xué)軟件，如講述式、討論式、習(xí)題操練式、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)式的教學(xué)軟件等。在自動(dòng)生成教學(xué)軟件的基礎(chǔ)上，教師可進(jìn)一步調(diào)整、修改，直到滿足教學(xué)情境的需要。

3）制作好的教學(xué)軟件除了在積件組合平臺(tái)中運(yùn)行之外，還應(yīng)提供脫離積件組合平臺(tái)，如提供一個(gè)易于安裝的教學(xué)軟件播放器，或能夠生成完全脫離平臺(tái)的可執(zhí)行文件。

4）為了讓具有一定編程經(jīng)驗(yàn)的教師開發(fā)二次開發(fā)構(gòu)件庫，積件組合平臺(tái)應(yīng)提供二次開發(fā)的工具，使教師可以方便地生成自己需要的素材呈現(xiàn)方式構(gòu)件。

5）積件組合平臺(tái)還應(yīng)維護(hù)、支持它的各種教學(xué)資源庫，如使用類似于VB或Excel中的對(duì)象瀏覽器來管理二次開發(fā)構(gòu)件庫、微教學(xué)單元庫和素材呈現(xiàn)方式構(gòu)件庫，結(jié)構(gòu)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(duì)象的屬性和方法，積件組合平臺(tái)應(yīng)提供簡單易用的使用環(huán)境，如用類似于VB的屬性列表方式來管理對(duì)象的各種屬性，屬性的修改和設(shè)置可從預(yù)先設(shè)置的屬性值中選擇。

7）積件組合平臺(tái)應(yīng)提供導(dǎo)入微教學(xué)單元的接口。教師可在積件組合平臺(tái)中直接使用它，將其與其它多媒體教學(xué)素材組接起來，用于適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)情境之中。這樣，可大大提高教師制作教學(xué)軟件的效率，而不必為一個(gè)常用的知識(shí)點(diǎn)，從頭開始集成大量多媒體教學(xué)素材。另外，除了使用積件系統(tǒng)自帶的微教學(xué)單元庫之外，教師還可利用積件系統(tǒng)自己制作某一知識(shí)點(diǎn)的微教學(xué)單元，并擴(kuò)充到微教學(xué)單元庫中。這樣，教師在自制的教學(xué)軟件中可反復(fù)使用自制的微教學(xué)單元，也可通過網(wǎng)上教學(xué)資源庫與其他教師共享和交流。

4.6 將積件系統(tǒng)納入智能化軌道

積件系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)與實(shí)際教學(xué)活動(dòng)緊密結(jié)合，將鮮活的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)充實(shí)到積件系統(tǒng)的研制當(dāng)中。要做到這一點(diǎn)不僅要有大量教學(xué)第一線的教師參與積件系統(tǒng)的創(chuàng)作，更要將積件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)引上智能化的道路，將計(jì)算機(jī)的人工智能技術(shù)與積件系統(tǒng)完美結(jié)合，從而設(shè)計(jì)出精品智能化的積件系統(tǒng)。

5 結(jié)語

從系統(tǒng)理論的角度來看，積件思想是一種在對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析、分解的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)、構(gòu)造、重組或生成新系統(tǒng)的系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維過程。而積件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用過程則是對(duì)多媒體教學(xué)信息資源和教學(xué)過程進(jìn)行準(zhǔn)備、檢索、設(shè)計(jì)、組合、使用、管理、評(píng)價(jià)與實(shí)踐過程。近七年來，“中學(xué)物理積件系統(tǒng)”得到了不斷完善，MTU涵蓋了新課改前后所有中學(xué)物理所有知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)，湖北省黃岡市浠水馬垅中學(xué)師生利用在日常教學(xué)、課外學(xué)習(xí)以及物理競賽輔導(dǎo)中取得了良好的教學(xué)效果。

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