多语种大学物理双语模拟平台的创建及应用

潘伟民　马致明　陈惠敏　阿力甫·沙吾提　门卫伟

摘 要:开展信息化教学是解决少数民族地区教育资源不足、教育观念相对滞后、教育改革进程缓慢等问题的有效手段之一,但如何建设并有效利用满足少数民族教学需要、符合不同民族认知特点的双语数字化多媒体教学资源,则是需要认真研究的问题。本文结合新疆维吾尔自治区教育厅“维语、哈语、汉语计算机辅助大学物理教学软件”项目,就少数民族地区开展双语数字化教学资源建设与应用的一些方法和策略进行了探讨,期望能对同行有所借鉴。

关键词:多语种 大学物理 双语 多媒体 模拟实验 信息化教学

中图分类号:G434 文献标识码:B文章编号:1673-8454(2009)13-0056-04

一、背景概述

当以网络多媒体技术开展的信息化教学已经成为世界发达国家和国内发达地区学生获取知识的有效途径之时,我国少数民族地区所面临的“教育观念相对滞后,教育改革进程缓慢;教育基础薄弱,普及义务教育和发展其他各类教育相对迟缓;教师队伍数量不足、质量不高;教育投入不足,办学条件难以改善”等特殊困难和问题却日渐突出,如何解决这些难题已成为教育主管部门关注的焦点。[1]

新疆地域广阔,教学语言众多,由于受历史、社会、自然条件,特别是经济发展水平等多种因素影响,新疆高等教育还面临着一些特殊挑战:高考录取的少数民族考生的理科综合成绩平均及格率不足10%!如何保证少数民族高等教育质量是广大理科教师不得不深思的一个问题。

大学物理是许多专业的重要基础课,对于少数民族学生来说又是一门非常难学的课程。一方面是因为物理教学中通常要借助演示实验为学生提供大量的感性材料,帮助学生达到理解和掌握知识的目的;但在实际教学中,由于受客观条件及时空的限制,有些实验无法做,有些实验又不易观察和控制。另一方面,大学物理中许多理论都是用抽象而又复杂的数学模型来表示,非常薄弱的理科基础使少数民族学生只凭想象和逻辑思维很难真正理解和掌握其物理内涵。这些因素给教学带来诸多不便,降低了学生的学习兴趣,同时也使大学物理的教学效果和教学质量难以保证。

在教育技术高度发达的今天,积极推进民族教育手段现代化进程、大力开展双语数字化资源建设与应用是弥补和解决这些难题行之有效的途径。在新疆维吾尔自治区教育厅的资助下,我们自主开发了一套“维语、哈语、汉语计算机辅助大学物理教学软件”,并将其投入使用,取得了明显的成效。本文结合该项目的实施就少数民族地区开展双语数字化教学资源建设与应用的一些方法和策略进行了探讨,希望能够对正在进行这方面研究的同行有所启示。

二、多语种大学物理双语模拟平台的创建

1.物理问题的选择

在对少数民族师生进行广泛调查的基础上,我们选择了同方向的简谐振动的合成、振动方向相互垂直的两个简谐振动的合成、横波与纵波、驻波、自由振动阻尼振动和受迫振动、圆周运动和简谐振动、麦克斯韦速率分布率、范德瓦尔斯方程、颜色的合成与分解、杨氏双缝干涉、夫琅和费单缝衍射、夫琅和费圆孔衍射、RLC串联电路的零输入响应、RLC串联电路的性质、串联谐振等比较典型的15个问题。这些问题涉及大学物理中一些非常重要的知识点,既是以往教学中少数民族学生难以理解和掌握、教师不易讲授的难点之一,同时也是师生们最希望用计算机图像、动画等形式来进行模拟的内容。

2.开发平台的确定

大学物理多媒体模拟实验的“仪器”是计算机,要通过计算机高级语言来实现物理模型与物理图像、物理规律的对接。Visual Basic(简称VB)是最早诞生的面向对象的可视化程序设计语言,除了具有丰富的数值计算功能和强大的绘图功能以外,还能处理维吾尔文和哈萨克文等少数民族文字,完全胜任多语种大学物理双语模拟平台的创建。此外,VB也是我区许多理工科专业开设的计算机语言类课程,用其作为开发工具也可以激发学生学习VB的兴趣和动力。综合各种因素我们选用VB6.0作为开发平台。

3.总体设计思想

多语种大学物理多媒体双语模拟平台是在构建物理模型和数学模型的前提下,利用计算机多媒体技术来模拟物理现象,诠释物理规律,演示运动过程,并由此构建适用于新疆少数民族的民汉双语课堂模拟演示平台和课后自主学习平台。因此课件的设计既要遵循物理模型和物理规律,又要符合少数民族学生的认知特点,更重要的是要通过交互式模拟课件将抽象繁琐的数学模型转换成生动形象的物理图像,给学生提供一些实际难以获得的感性知识,弥补传统教学的不足,帮助学生克服因基础薄弱所产生的理解困难,并顺利完成向理性认识的过渡。[2]

模拟实验平台应具有很强的人机交互性,物理参数的输入方式要尽可能方便好用,如振幅、频率、波长、波速、屏距、缝距、电阻、电容等参数均可由滚动条或列表框来提供和变换,各种单色光源可借助调色板进行选择等。所有模拟过程都能做到参数与现象之间的随调随变、直接响应,而不需要再去单击按钮等其他工具,就如同在真实仪器上操作一样。各类运动过程要用逼真的动画进行动态演示,并能随参数的变化而进行连续的变化;为了便于分析和讲解,同时也考虑到少数民族学生的认知特点和知识水平,界面中提供单步行进和连续行进两种演示控制手段。有些周期性的运动或特殊状态借助音效来渲染效果,不要时又可以随时关闭。当参数变化而引发物理现象的改变时,通过文字、配音等方式逐步提示和引导学生寻求其中所蕴含的物理规律。

此外,用户可根据需要随意选择维语、哈语和汉语三种语言的文字和配音,并能按双语教学的要求进行任意组合。

4.课件开发制作

任何一个多媒体课件的开发都是一项系统工程,要涉及计算机科学、教育技术学、教育学、心理学及所应用的学科,是人员、过程和问题的有机交织,在课件开发中所倡导的原则是“学科教学规律的遵从、软件工程方法的掌控、人机交互思想的渗透、教育技术理念的融合”。[3]

为了贯彻这些原则,我们组成了强大的维语、哈语、汉语计算机辅助大学物理教学软件研发团队:由既懂专业又懂教学规律的维族、哈族和汉族大学物理教师组成学科组,负责模型的建立、模拟计划的制定、课件的测评以及各种语言之间的翻译;由精通软件开发的各族计算机教师组成课件制作组,负责模拟环境的创建、程序代码的编写以及程序的组装和调试;由发音纯正的校园之声广播站的维族、哈族和汉族大学生播音员组成配音组,负责课件的背景配音。这样从建立模型、制定模拟计划、创建模拟环境、编写程序代码、组装调试、各种语言之间的翻译、配音、测评、试用等各个环节均有专业人士参与。在开发过程中,我们突出课件的交互性和实用性,始终坚持将优秀的教学理念融入课件的每一环节,这些措施保证了课件的质量和总体设计思想的实现。

在攻克各类动态图像的实现、光学现象中光强的控制、民文字符的正确定位显示、大批民文文字的处理、民文下拉式菜单的实现、多文种语音的正确切换等技术难关后,终于开发制作出15个多语种大学物理多媒体双语模拟课件。

5.系统平台的构建及特色

为了便于使用和管理,我们对所开发的三种语言的15个子课件进行了集成,所有子课件均可由系统主界面统一调用。同时为了满足新疆各族师生双语教学的需要,系统中的所有子课件均实现了界面文字和配音语言之间的多向组合,从而形成了维文汉语(界面文字是维吾尔文、配音是汉语,以下类同)、维文维语、哈文汉语、哈文哈语、汉文汉语、汉文维语和汉文哈语7个系列。进入主界面后,先选择拟使用的系列,然后进入子界面后再选择相应的课件即可,系统体系结构如图1所示。

界面文字和配音语言之间的多向组合(组合方式如图2所示)是本系统的一大特色,这种方式非常适合新形势下少数民族地区开展的信息化教学和双语教学。

三、多语种大学物理双语模拟平台的应用

1.应用方式

为了满足各种教学需要,我们将本系统安装在有关的多媒体教室,同时也将其放在校园网上。因此,本系统既可用于教师课堂教学时的演示和讲解,也可用于学生课后复习时的思考和探索;既可用于民语言班级,又可用于汉语言班级;对于民语言班级,根据双语教学的需要和学生的理解能力,既可选用纯民文课件,也可选用纯汉文课件,还可选用多语种语音文字按特定方式组合的课件;学生可以复制并使用有配音文件的课件,也可以下载并使用无配音文件的课件(考虑到网速等因素)。

2.应用案例

下文给出三种不同文字界面的三个不同课件的应用案例。

(1)驻波

本课件用来模拟两列相向而行的简谐波合成时的各种情景。左行波和右行波的振幅、频率可以单独控制,行波的速度也可由滚动条来调节;左行波和右行波的位置可以上下分开,也可以居中合并;合成的效果可以保留视觉暂留,也可以取消;模拟可采用单步合成的方式,也可采用连续合成的方式。通过对各种不同参数的动态模拟及必要的双语语音或文字提示,学习者从中可以很容易地得出驻波形成的条件及其他一些物理场景。图3是维文界面下该课件的运行效果图。

(2)夫琅和费单缝衍射

本课件用动态方式模拟出了夫琅和费单缝衍射条纹随波长和孔径的变化情况。界面中提供了简易的实验装置,孔径大小可由滚动条调节,光源颜色可借助简易调色板在红、黄、绿、青、蓝、白中任选。课件中逼真地模拟出了各个行波的传播过程以及衍射条纹的疏密和间距随波长和孔径的变化情况。图4是哈文界面下该课件的运行效果图。

(3)自由振动、阻尼振动和受迫振动

本课件用来模拟自由振动、阻尼振动和受迫振动。其中还可演示受迫振动下的简谐振动、受迫振动下的阻尼振动等。弹簧振子的振幅、频率和初相,强迫力的振幅和频率、阻尼因数以及振动速度等都可以单独控制,模拟可采用单步行进的方式,也可采用连续行进的方式。当参数变化时,所对应的振动状态名称以及该振动的数学模型均在课件窗口中给出。图5是汉文界面下该课件的运行效果图。

3.应用情况及效果

本模拟平台以实时动态物理图像为主,以文字、语音、动画、音效为辅,借助计算机的仿真模拟能力和计算能力将那些在教学中难以讲述和理解的问题形象化,把抽象、繁琐的数学模型转换成具体的物理图像,在屏幕上演示或模拟出在实验室中无法操作或难以控制的物理现象,给各族学生提供了常规教学中无法实现的情景,使他们得到本来无法获得的直观认识。

项目开发成功后,我们在新疆师范大学、昌吉学院、新疆医科大学、新疆农业大学等不同院校、不同专业、不同民族的大学物理教学中进行了推广应用。从考试结果对比及调查问卷来看,本平台的适用性很好,师生们普遍认为有了这套双语模拟软件后曾经难讲、难理解的内容变得通俗易懂了,既有利于培养学生分析问题和解决问题的能力,同时也为改善教学手段、攻克教学重点和难点、提高教学质量起到了很好的辅助作用。

2005年10月,项目组成员门卫伟老师以本模拟课件为素材制作的“医用物理学”课件获得第五届全国多媒体课件大赛三等奖,并被录入中国教育资源网。2007年1月,本项目获得新疆维吾尔自治区教学成果三等奖。

四、结束语

模拟实验是理科教师制作CAI课件的重要手段,是利用计算机辅助教学的关键之一。模拟实验不仅要客观合理地提供材料,使学生有清楚、直观的了解,而且更重要的是要充分体现学生的主体地位,启发学生思维,发展学生的想象力,开发学生的创造力。

开发和应用多语种双语CAI课件是解决少数民族地区教育资源不足、教育观念相对滞后、教育改革进程缓慢等问题的有效手段,也是改善办学条件、推进民族教育手段现代化进程、提高少数民族教育质量的重要途径。

虽然我们在新疆多民族语言大学物理双语CAI课件的开发和应用方面进行了一些探索,取得了一定的成效,得到了广大师生和有关部门的认可,但是我们的力量毕竟还很薄弱,我们所做的工作还非常有限。希望能有更多的有识之士参与到CAI课件的开发和应用当中,壮大我区尤其是双语CAI课件研发和推广的队伍,为提高我区教育质量,促进教学手段现代化做出应有的贡献。

参考文献:

[1]国务院关于深化改革加快发展民族教育的决定[EB/OL].http://www.edu.cn/20041126/3122334.shtml.

[2]宋清.大学物理计算机模拟实验的MATLAB开发[J].高等函授教育(自然科学版),2005(8):5-8.

[3]宋继华等.对外汉语教学网络课程开发的理论原则[J].北京师范大学学报(社会科学版),2004(2):113-118.