微观结构教学中CAI的使用限度及对学生能力的培养

迟静 吴杰

（山东科技大学材料科学与工程学院，山东 青岛 266590）

0 引言

作为20世纪90年代兴起的一门新兴教学技术，计算机辅助教学(Computer Assisted Instruction CAI)利用计算机把图形、文字、动画和影像等多种媒体信息整合为一个有机整体，成为传统教育媒介的有益延伸和补充，把课堂教学引入了一个全新的境界[1,2]。然而，在CAI为教学过程带来诸多益处的同时，也伴随出现了一些不良现象，例如，CAI过多的充斥于课堂教学，过分强调形象性和感官刺激，造成学生“眼累脑轻松”，形成对直观图像的依赖心理，思维能力没有真正得到锻炼和提高[3]。因此，如何合理取舍教学媒介，使之服务于教学内容和教学目标，重新回归到学生能力培养的基点，仍需要深入研究和不断实践。本文结合工科材料专业物质结构相关知识的教学，探讨了在教学过程中CAI的使用及提高学生能力的有效措施。

1 弱化感官刺激，注重培养观察能力

物质结构相关知识是从原子、分子水平揭示物质的本质，具有高度的抽象性和微观性[4]，与现实生活联系甚微，无法用感官直接感知，同时缺乏相关的背景知识，因此很多学生对于该内容的学习感到困惑、迷惘，易于产生畏难情绪，学习积极性陡然下降，甚者直接放弃学习。而借助计算机技术所创建的三维立体情景，学生就可以在虚拟环境中多角度、多方式的认知微观结构，直观，生动，顺利帮助学生完成从平面到空间、抽象到形象、未知到已知的转变，教学效果显著提升。

物质结构知识的学习过程中，存在着从二维平面示意图到三维立体几何体的转换，此过程需要学生在头脑中将已有知识和未知知识建立联系，进行相关知识的迁移，完成想象过程。例如在学习晶体的密堆积原理时，原子的一维线型紧密堆积和二维平面紧密堆积，学生都非常容易接受；对于三维立体紧密堆积，部分学生想象困难，可以利用现实生活中啤酒瓶、足球的紧密堆积实例引导学生理解。而从不同的堆积方式中找出相应的晶胞，实物堆积的示例也很难解释清楚了，此时就可以利用计算机三维软件构建几何模型，通过空间转换、透视、组合、旋转等特殊效果，将“静态”变为“动态”，从不同角度观察图形，加速学生空间模型的建立。

但需要注意的是，很多学生在观看图片或动画演示的时候只是一种视觉逗留和感官刺激，观看者的心态决定了他们处于被动接受的状态。而空间想象能力的提高，首先需要通过观察得到相关信息，再通过对信息进行思维加工，与已有知识进行联系，最终形成客观事物的空间架构。因此要使学生通过CAI教学真正提高形象思维能力和空间想象力，就必须要注重培养学生的观察能力，提升学生善于观察、有效观察的科学素养。例如在利用CAI进行晶体结构演示之前，教师要提出明确要求，指明观察晶胞形状和阴阳离子在三维空间的位置关系，学生带着任务对静态图形进行动态立体空间的深入观察，才能够提取有价值的信息点，在头脑中形成抽象图形的直观形象映射，为进一步准确理解晶体的空间结构提供知识储备。

2 强化空间与平面的联结，形象思维与抽象思维协同发展

CAI教学环境提供了形象化的信息载体，能够将一些抽象复杂的概念、原理和图形变的直观形象，降低学习难度，便于理解和掌握。但CAI作为一种载体，它的应用宗旨是为了解决传统教学媒介某些难以避免的本质缺陷；CAI形象化教学的目标不是要让学生记住几个生动的图片或视频，而是要教会学生依靠思维活动自己解决问题的方法。若不加选择的把一切问题形象化，学生易于产生思维定势，过多依赖直观图像，缺乏深层次的思维加工，这样反而弱化了学生的抽象思维能力和驾驭信息的能力。所以在教学中必须注意形象思维和抽象思维的相辅相成，在新知识传授过程中着重能力的提升。

在有关晶体结构知识的教学过程中，利用CAI技术把二维图形三维立体化的同时，还要引导学生从空间回归平面，掌握平面图形与立体结构之间的关系及相互转换。通过动画逐一展示晶体的内部结构，例如熟知的NaCl晶体，观察立方密堆积结构中的点、线、面以及阴阳离子间的相对位置，一一与平面晶胞绘制图相对应。然后教师提供类似的问题情境，让学生思考，例如指导学生由已知的萤石CaF2立体结构绘制其平面晶胞图。在如此反复的平面-立体的空间转换中，学生经过不断思考、比较与联想，强化了图形分析能力，在本质提高了学生的空间想象力。

在有关材料缺陷的教学设计中，可以首先利用CAI形象演示缺陷的形成过程以及结构特征，引导学生在观察表观现象的基础上抽象出反应实质，推导出缺陷反应的数学方程式；更进一步，由抽象的方程式，推测某种缺陷对材料性能的影响，再由工程应用实例加以验证。在整个教学环节中，CAI技术和传统教学手段形成一个有机整体，充分发挥多种教学媒介的独特优势，营造丰富的学习环境，创造多角度、多维度的刺激，促进形象思维和抽象思维协同发展。

3 提供适宜的差异性学习刺激，实施分层次互助教学

学生的几何基础对物质结构尤其是晶体结构的学习影响较大[5]，但不可否认的是学生的几何基础存在差异性。究其根源，造成这种差异性的原因主要来自以下两个方面：一是学生自身思维特性的差异；二是学生在中学阶段所选修模块的不同，部分同学已学过简单的晶体结构知识，具备初步的分析能力。通过多年在教学过程中对学生的观察和交流，分析认为一些学生没有很好的掌握课程知识，未能达到预定的学习目标，并不是因为智慧、能力欠缺，而是未得到与现有知识基础相符的学习刺激和合理的帮助。因此，在教学过程中，既要面向全体学生，也要承认学生的差异，最大限度的为不同层次的学生提供继续发展的适当激励及学习资源。

空间想象能力强的学生很容易将新知识与头脑中已有空间模型建立联系，迅速完成新旧知识的同化。而对于空间想象能力薄弱的学生，教师则可以通过三维软件呈现丰富的虚拟几何体，丰富表象储备，增加形象思维素材，以帮助学生建立空间概念，提高几何直观能力。在教学过程中，充分利用晶体结构规律性和立体性的特点，可通过组装物质结构模型来锻炼学生的分析能力和想象能力。首先将学生分成若干学习小组，小组成员涵盖了不同层次的学生；教师通过CAI展示平面图形或立体结构，确定任务即要求按小组完成晶体结构实物模型的组建。在此过程中，学生需要仔细观察目标图形所呈现的空间特征，通过深入分析与不断讨论建立与头脑中已有模型的联系，最终按照比例形成实物模型。团队互助合作中，基础好的学生充当引导者和决策者，在指导他人的同时不断强化自身知识能力；而稍差的学生更多的处于学习者的地位，有别于教师的传授，就某一个特定问题与同龄人的深入探讨，使之更易于呈现主动探究的心态，达到1+1大于2的效果。

4 拓宽专业软件的教学功能，提升独立探究能力

教育的目的不仅要使学生掌握科学知识，更重要的是让学生善于独立思考，富有创新精神。这就要求在教学过程中，教师不仅要改变知识满堂灌的做法，使学生成为学习主导，还要努力创造适合独立探究的学习情境，放手让学生自己去探索，使创新培养脱离纸面而渗入实际教学中。

在物质结构CAI教学中，先进的专业教学软件不能只限于课堂上的形象演示，还要使之成为培养学生独立探索能力的有效载体。利用Diamond,Mercury等晶体结构绘图软件，学生可以自己动手构建各类晶体结构模型，以各种形式（球棍图、空间堆积及多面体连接）展示晶体内部构造，通过自由旋转、移动和缩放等多种效果观察模型。在此过程中，教师只需对专业软件的功能和操作方法进行简单介绍，其余的工作，从查找晶体结构参数开始到模型的最终建立都要求学生独立完成，教师只是在学生寻求帮助时给予简单的提示和鼓励。模型建立后，根据与数据库进行比对的结果，学生需要修正甚至重新建立模型。在此过程中，通过独立探索和研究，学生不仅掌握了课程知识，思维能力得到提升，更为重要的是学会了解决问题的方法和技巧以及不断尝试直至成功的科学态度。

5 结语

科学技术的进步使CAI教学具备了传统教学媒介无法企及的优势，把知识传授从主要依靠教师讲解引入了一个生动逼真的立体情景，声音、视觉的多重感官刺激有利于学生对知识的理解和掌握。但无论教学手段多么先进，在实质上只能是辅助教学的手段，因此在CAI教学过程中，要防止一味的形象化和直观化，弱化强烈的感官刺激，避免学生成为单纯的看客，要注重观察能力、抽象思维能力与形象思维能力的协同发展；先进的教学软件不能只限于图形展示，还要使之成为培养学生独立探究能力的有效手段。在教学设计过程中，只有牢记一切教学活动都是为教学内容和教学目标服务的，学生是教学的中心，是学习的主导，才能合理的取舍各种教学媒介，优势互补，达到学习效果的最优化。

［1］孙中强.计算机三维技术在立体几何教学中的应用研究[MA].济南:山东师范大学,2011.

［2］朱玲,齐炜.计算机辅助教学课件的设计与实践:以无机化学“分子结构”一章为例[J].中国大学教学,2012(7):55-56.

［3］周国栋.论大学多媒体课件的形象性及其限度[D].长沙:中南大学,2010.

［4］陆佩文.无机材料科学基础[M].武汉:武汉工业大学出版社,1996.

［5］万竹青.几何能力对高中化学物质结构学习的影响研究[D].上海:华东师范大学,2009.