热学中CAI课件制作的实践与体会*

孔红艳 孙红科

(陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710119)

热学中CAI课件制作的实践与体会*

孔红艳 孙红科

(陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710119)

分析了物理课件的特点，并在此基础上结合“焦耳-汤姆逊效应”课件设计实例，指出在设计与制作物理课件时，要准确把握设计理念，依据科学的设计原则，遵从物理教学规律，同时注重制作方法和技巧.最后总结了课件制作的一般过程.

课件 理论基础 设计原则 制作过程

随着现代科学的迅速发展和计算机的普及，计算机辅助教学(CAI)正以强有力的步伐充斥并推动着现代教育改革的方方面面[1].物理教学也不例外.物理课程由于其概念抽象，演示实验较多，因此更需要借助CAI手段提高课堂教学效果.但是从目前大多数CAI课件来看，其设计与制作上存在许多不足[2].

热学作为大学物理学的一门主要课程，既有一般课程的普遍性，更有其特殊性.它的理论推导过程抽象，公式难以记忆.在设计与制作热学CAI课件时，要准确把握设计理念、设计原则.

1 认识并了解计算机辅助教学手段

1.1 相关术语及其相互关系

(1)与课件有关的术语

CAI：用计算机进行辅助教学的软件，涉及范围较广，包括教师在课堂教学中进行讲解的课件、开发学生智力的教育软件以及教师准备教学的电子资料等[3].它被广泛译为“计算机辅助教学”，目前已基本得到教育界的认可.但从目前的实践来看，“计算机辅助教学”的范围远远大于英语中CAI(Computer Assisted Instruction)的本义，而随着现代教育技术的不断深化，这一领域概念的内涵和外延还在发生着变化.

教育软件：用于进行思想品德教育和拓宽知识内容的软件，虽然其中也含有教学内容，但并不是为

课堂教学而专门设计的.

教学软件：用于讲授知识或自行学习的软件，可以是课本知识，也可以是课外知识.

课件：即课堂教学软件的简称，它是一种反映教学思想和实现教学目标的教学应用软件，是各种多媒体教学素材和教学策略信息集成的计算机数据或程序，是为学校的课堂教学应用而开发的软件.

多媒体课件：为多种多媒体技术在课件制作中的集成，利用先进的多媒体硬件设备，通过科学合理的软件设计，针对教学目的和教学使用环境将文字、声音、图形、图像、动画及影像等多媒体素材融为一体，形成具有交互性的多媒体计算机辅助课堂教学软件[4].我们目前所指的课件大多是多媒体课件.

网络多媒体课件：适用于Internet远程教学或用于学校局域网教学的多媒体计算机辅助教学软件.

(2)相互关系

与课件相关的概念如课件、教学软件、CAI等，其相互关系如图1所示.

图1 相互关系

1.2 课件的分类

(1)在实际教学过程中的分类

课件：是以教师为主要用户，以课堂为使用对象，它具有完整的一堂课的特点.它包括教学中的各种信息及其处理.广义地讲，它具备完整教学功能.比如示范、讲解、习题以及反馈等功能.教师既是课件的操作者又是使用者，同时又是课堂教学的组织者.完整性是课件的一大特点，但是由于课件的上述特性，教师、学生的作用受到一定的限制.如果处理不当，整堂课教师的作用就如同电影院的放映员，学生则如同观众，不能充分发挥教师、学生应有的作用.

积件：则是把课件的部分内容做成“积木”式的软件.它可以是一个问题的讲解、一个实验的演示、一个过程的模拟、一段历史的回顾、一个场面的展示、一个物体的内部结构剖析等等.而教师的作用丝毫不受到影响，教师可以自由地选择上课所需的“积件”配合教学，积件犹如一种动态的教具[5]，弥补了传统教学方式在直观、空间、动态等方面的不足，又克服了教师上课受软件走向支配的缺点.有利于调动教育、教学者的积极性.

学件：则是以学生为对象，它模拟教师的教学过程，以某种教学过程将教学信息传递给学生，教师在教学过程中不起直接作用.它除了可以具备课件、积件的上述特点外，学生可以自主学习，自己支配学习的节奏、内容，给学生思维留下一定的时间、空间.学生可以对某事件重复学习，强化学习效果.但学生，特别是中小学生，自主学习能力差，单凭好奇与冲动来求知的话，效果可能不会持久，所以学件也有很大的局限性.

(2)基本类型

1)按课堂教学中的表现方式有：展示型、演示型、资料型、交互型、综合型.

2)按教学中的目的有：教学型、模拟型、练习型、开放型.

3)按课件的形式有：独立课件、课件片断、概念课件.

2 把握物理学(特别是热学)课件的特点

2.1 物理学课件的特点

物理学科对CAI课件的要求比其他学科更为复杂，实现起来比较困难.比如，物理学有大量的数学公式，机械运动、热运动、电磁运动及光运动等都很复杂，课件制作难以表现[6].相对其他学科，物理学CAI课件在形态表达方面也提出了很高的要求，即其对有关教学内容的表达上要有很强的真实性，这种真实性具体体现在造型真实、动作真实、声音真实、颜色真实.物理学CAI课件的许多教学内容也是无法用摄影等方法直接获取的，从而也就无法用视频和图像等来表述.用计算机软件制作动画来对这些教学内容进行充分模拟就成为物理学CAI课件的主要特点之一.

2.2 焦-汤效应课件实例介绍

2.2.1 什么是节流效应

气体通过多孔塞膨胀后所引起的温度变化现象[7].1852--1862年 ，J·P·焦耳和W·汤姆逊通过一系列实验发现这一效应.这是一种绝热节流过程，即在绝热条件下，管道中的高压气体经多孔塞节流阀流向低压一边的过程，实验示意图如图2所示.节流过程中，气流接近多孔塞孔口时，截面积很快缩小，流速很快增大；经过孔口后，截面积又逐渐扩大，流速减小.由于过程是在绝热条件下进行的，所做净功应等于系统内能的变化.对于理想气体，经绝热节流过程后，温度应不变.对于实际气体，经绝热节流过程后，温度可能降低、升高或不变，分别称为正的、负的或零焦耳-汤姆逊效应.正的焦耳-汤姆逊效应亦称致冷效应，负的焦耳-汤姆逊效应亦称致热效应.焦耳-汤姆逊效应是实际气体偏离理想气体的结果.

图2 多孔塞实验

节流过程中, 外界对这部分气体所做的功为

p1V1-p2V2

因该过程是绝热的，Q= 0，所以, 由热力学第一定律可得

U2-U1=W+Q=p1V1-p2V2

即

H1=H2

节流过程是等焓过程.

2.2.2 课件界面

课件界面如图3所示.

图3 焦耳-汤姆逊效应课件界面

上面的课件制作实例在制作过程中，注意到了热学学科的抽象性等特点.因此制作时既有文字说明，又有动画演示，加之公式推导，使学习者对该知识点有更深入的了解[8].界面设计力求主要元素清晰突出，另外课件操作也简便、流畅.

3 制作符合物理CAI教学规律的课件

3.1 目前课件制作中存在的一些不足

(1)课件设计与课堂教学不适应

一些任课教师由于事情繁多，不能亲自制作课件，或是计算机水平所限，于是购买一些课件或是交给别人去设计制作[9].由于制作者与任课教师在认识与理解上的偏差，课件制作者不了解学科教学的特点，实际制作出的课件总是难以符合任课教师的原意.其实，最理想的课件应是创意与制作都由使用者完成.

(2)课件使用限制了教师个性的发挥

为了实现教学目标，教师在上课前需要备课，确定教学内容和教学思路.教学思路是教师知识掌握程度、理解教材和了解学生的结果，是有个性的.如果课件将导入、教学内容、课堂提问、课堂练习都固化成一定的顺序和模式，或许适合某一位教师对某一个班的学生进行教学，但显然不可能满足每一位教师对每一个班级的教学.使用别人的课件时，教师的教学思路和风格无法发挥，融于课件中的教学思想、教学思路、表现风格、体系结构和教学技巧的应用与自己的风格可能相去甚远.若再加上教学对象的差异，课件的弊端就会暴露无疑.

(3)课件制作偏离了教学规律

课堂教学的实质是教师、学生、教材、媒体之间进行的信息交换与传递的过程，是诸方面共同组成的一个动态系统.这就要求课件的设计制作者必须从新的角度去研究和探索课件的开发，通过富有创意的教学策略和创新思维，为学生营造一个创新思维和创新能力的发展空间.教学方式要根据教学内容及教学目标来选择，不同教学媒体有机结合，优势互补，才能收到事半功倍的效果.目前有些教师不分重点难点，直接将整节课的教案或板书都搬进课件，很少顾及到学生的认知基础和学习规律.学生只能跟着教师或课件的思路走，没有参与教学过程和思考问题的时间，这种课件事实上是用新的技术来进行传统教学的方式，不仅失去了运用现代化教学设备的意义，甚至教学效果还不如传统教学方式[10].

(4)课件表现手法华而不实

有些教师在制作课件时精雕细琢，过分追求美观，致使一个课件要几个星期或几个月才能完成，在课件中使用大量的图片、声音和视频，令人目不暇接，似乎只有这样才算有水平.表面上看激发了学生的兴趣，事实上会分散学生的注意力，看似热闹，实则严重影响教学效果[11].

3.2 CAI的理论基础和以学为中心的课件设计

3.2.1 CAI的理论基础

计算机辅助教学的学习理论基础有过几次大的演变[12].

(1)计算机辅助教学的行为主义学习理论基础在CAI的研究试验阶段，CAI基于程序教学与计算机的结合，而程序教学是以行为主义学习理论为基础的.行为主义心理学认为学习的实质在于刺激与反应间形成联结.多年来以“刺激-反应”为指导的、基于框面、小步骤分支程序设计一直为CAI设计和应用的主要模式，并一直对后来CAI课件设计产生影响.

(2)计算机辅助教学的认知主义学习理论基础

随着CAI的发展，行为主义心理学的统治地位逐渐让位于认知心理学，CAI的理论基础也由行为主义转向认知主义学习理论.行为主义认为学习起因于外界刺激的反应，而不关心刺激引起的内部心理过程；认知主义学习理论强调学习的内部机制或内部过程.早期的认知学习理论认为学习不是机械地形成刺激与反应的联结，而是形成认知结构的过程.通过主体对情景的顿悟而实现，顿悟主要依靠主体内部的构造作用而不是外部影响.而信息加工理论把学习过程类比为计算机的信息加工过程，即信息输入--编码--加工--储存--译码--输出的过程.CAI设计中，人们开始注重学习者内部心理过程，研究学习者如何利用原有的认知结构主动地加工外部信息，把外部信息内化为学习者的知识，从而使原有的认知结构得到改造和完善.

(3)计算机辅助教学的建构主义学习理论基础

进入20世纪90年代CAI成熟阶段，CAI领域出现了建构主义的理论倾向.建构主义学习理论的基本观点认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情景即在社会文化背景下，借助其他人(包括教师和学习伙伴)的帮助，利用必要的学习资料，通过建构意义的方式而获得.所谓建构的意义是指：事物得到性质、规律以及事物之间的内在联系.在学习过程中帮助学生建构意义就是要帮助学生对当前学习内容所反映的事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间的内在联系达到较深刻的理解.

建构主义学习理论强调以学生为中心，它不仅要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者，而且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者.这就意味着教师应当在教学过程中采用全新的教学模式(彻底摒弃以教师为中心，强调知识传授，把学生当作知识灌输对象的传统教学模式)、全新的教学方法和全新的教学设计思想，因而必然要对传统的教学理论、教学观念提出挑战，从而在形成新的学习理论——建构主意学习理论的同时，也逐步形成了与建构主义学习理论、建构主义学习环境相适应的新一代教学模式、教学方法和教学设计思想.

CAI理论基础不仅强调要以建构主义学习理论作为计算机辅助教学的理论基础，而且也强调要以建构主义的教学理论作为计算机辅助教学的理论基础.

(4)计算机辅助教学的人本主义学习理论基础

人本主义认为学习是人固有能量的自我实现，由个人自主发起的、使个人整体投入其中并全面变化的活动，强调学习中的情感因素，提倡“开放式”教学.以人本主义学习理论为指导，CAI设计中要充分考虑学习者的主体位置，让学习者主动参与，自动自发学习，给予学习者适当的活动空间和展示其优点且享受成功的机会，促进学生“学会学习”.

3.2.2 以学为中心的课件设计

由于建构主义学习理论强调以学生为中心，认为学生是认知的主体，是知识意义的主动建构者；教师只对学生的意义建构起帮助和促进作用，并不要求教师直接向学生传授和灌输知识.可见，在建构主义学习环境下，教师和学生的地位、作用和传统教学相比已发生很大的变化.相应的教学设计理论与传统教学相比也有很大不同，对于CAI课件制作来说，以学为中心的课件设计应从以下几个方面努力：

(1)要在学习过程中充分发挥学生的主动性，要能体现出学生的首创精神.

(2)要让学生有多种机会在不同的情景下去应用他们所学的知识.

(3)要让学生能根据自身行动的反馈信息来形成对客观事物的认识和解决实际问题的方案(实现自我反馈).

3.3 物理课件制作中应遵循的设计原则

(1)界面元素的清晰性原则

学习始于学习者对环境中刺激的注意和感知，界面元素的声、光、行、色等刺激，仅是环境刺激中的一部分，而元素之间的刺激也在相互竞争.根据认知的信息加工理论，在携带信息的众多刺激中，只有一部分能被注意并有效感知，得到进一步加工.因此界面设计的首要问题是如何引导学习者注意信息显示中与学习相关性更大的方面，而不要太关注不大相关的方面，使感知效率最大化.界面元素的清晰性原则就是要恰当处理界面元素的样式特征及元素之间的相对关系，保证学习者清楚准确地感知界面元素，注意到重要信息.具体要求比如，在背景中突出主体，进行简约化处理，吸引和保持注意，考虑个体因素等.

(2)操作的流畅性原则

操作的流畅性原则，是要求界面元素及其在空间和时间上的安排，符合学习者操作的规律，使界面操作简捷、自然、舒适.具体要求如界面一致、外观简洁等.课件的界面具有一致的元素、样式、布局、控制、风格，并且相对固定，能使学习者很快适应界面，免除了注意和识别新界面的心理过程，避免对界面操作不必要的记忆；外观简洁，可使学习者集中注意必要的信息，减轻观察和记忆的负担.

(3)外观的艺术性原则

课件制作首先是一个技术运用的结果，然后才可以看作一件艺术作品.学习者在使用课件的过程中，因学习活动的完美性和界面操作的流畅性，以及对界面的感知中产生愉悦.界面外观的艺术设计是以课件的教学性和界面操作的流畅性为前提的.贯彻艺术性原则，具体要求比如视觉元素有变化、视觉元素要和谐、视觉元素有秩序等.

(4)激励学习者参与的原则

在认知活动中，学习者是信息加工的主体，是知识意义的主动建构者，只有学习者积极主动地投入，学习才可能发生，外部学习条件才能起到应有的作用.激励学习者参与的原则是遵循认知学习规律，利用计算机技术的特点，设计教学课件的内容和形式，引导学习者主动与学习内容交互，参与学习活动控制，最大限度地投入时间和精力.

(5)引导自主学习的原则

自主学习是相对于教师指导为主的学习.自主学习比较多地体现了建构主义的主张，也包括认知主义所倡导的发现学习思想.在教师与学习者面对面的教学中，教师为学习者创设自主学习环境，提出学习任务，作为学习的引导者、帮助者，作为学习者的伙伴.课堂教学软件设计者相当于教师的角色，引导自主学习的原则是应用计算机技术创设自主学习情境，提供学习工具，促进学习者对知识意义的主动建构.

3.4 制作课件应具备的素质

(1)计算机操作水平

要求掌握一般的操作系统如Windows XP，各类应用软件中如文档处理的Microsoft Word2003，电子表格Excel2003，幻灯片制作及演示PowerPoint2003，图形处理Photoshop9.0，三维渲染和动画3DS MAX等，更重要的是熟练应用目前较流行的各种多媒体创作平台，比较著名的首推Macromedia公司(现为Adobe公司)的多媒体和动画制作软件Flash8.0及Authorware7.02，其他如几何画板、仿真物理实验室等都是各具特色的物理课件制作软件，要制作出更精确的、交互性更强的课件，则可以学习如C语言编程知识等.

(2)专业水平

CAI课件要广泛用于课堂教学之中必须保证课件的科学性；教师在教学中自由演讲，适应教学个性化的要求；课件题材要广泛，内容要丰富，以满足教学不同层次的不同要求.没有相关学科较高的专业水平，可想而知很难胜任这项工作.

(3)艺术修养

教学是一门艺术，多媒体CAI教学更是艺术之精华，要创作并把大量的图片、文本、色彩、声音、动画、小电影等有机地组合在一起，用合理的流程进行控制，给人以赏心悦目、简洁流畅之感，而又不喧宾夺主，影响知识的可视性，没有一定的审美、音乐、组织能力是不行的.例如有些教师，喜欢把界面做得太花哨，颜色和音频过多，好像不这样不足以显示多媒体的魅力，这显然是忌讳的.

3.5 课件制作的一般过程

3.5.1 计划阶段

计划阶段常常被人们忽视，然而，谨慎细致的计划对于制作一个成功的课件作品来说很重要，充分的计划能够避免反复，在这一阶段花费的时间可以得到超值的回报.

在这一阶段需要做诸如以下这些工作：明确教学内容范围，分析学习者特征，明确限制条件，选择和收集资源等.

(1)明确教学内容范围.教学内容范围的具体和确定程度是多种多样的，要根据具体情况确定.

(2)分析学习者特征.成功的教学设计的基础是理解目标群体，课件必须适于预期的学习者.教学设计应该是相对精确的，正如设计服装要量体裁衣.因此设计者要仔细地界定软件的使用者，包括潜在的使用者.

(3)明确限制条件.制作者应该清楚课件设计与制作的工作条件，以及课件使用的限制因素，包括计算机软件、硬件、网络、音频和视频设备等.

(4)选择和收集资源.选择和收集所需的资源，包括基本的信息资源和制作的辅助材料，如与学科内容相关的资源、与教学设计和制作有关的资源、与制作技术有关的资源.

3.5.2 设计阶段

在设计阶段，要分析教学内容，确定课件的内容，明确教学目标，确定课件的结构，创作流程图等.

3.5.3 制作过程

制作阶段把设计转变为具有教学性的运行流畅的程序，包括所有图像、音频、视频等素材的制作，必要的程序编制，把素材集成到程序中使教学课件程序能正常运行.在制作阶段的最后还需要对课件进行测试和总结性评价.

这一过程主要工作有：准备文本材料，创作图像和动画，制作视频和音频，制定布局和颜色规格，使用软件进行集成，测试与修改，总结评价完成课件.

4 合理且高效地利用计算机辅助教学

计算机辅助教学作为一种现代化教学技术，它有着传统教学手段不可替代的优点，如形象、生动、直观等.合理地开发和运用CAI课件教学，能增强学习的时效性，扩大知识含量，营造课堂情境，优化课堂教学，提高课堂学习效率，使学生学习潜能得以开发、个性得到充分发展.

通过CAI课件教学虽然可以给学生提供丰富多彩的信息，但这些都是间接经验，是别人做好让学生看和听的，有些信息的真实性会受到怀疑.它毕竟只是一种辅助教学手段，若使用不当，就会适得其反.基于多媒体CAI技术的物理教学，既对传统的教学模式提出了挑战，也对广大物理教师提出了更高的要求，只有把计算机技术与物理学科的特点充分结合起来，才能充分发挥现代教育技术在物理教学中的作用，才能真正起到提高物理教学水平的作用.

1 秦允豪.热学.北京：高等教育出版社，1999

2 汪志诚.热力学 统计物理.北京：高等教育出版社，2003

3 潘天士.课件制作理论与技巧.北京：机械工业出版社,2004

4 皮连生.教育心理学.上海：上海教育出版社,2004

5 莫雷.教育心理学.广州：广东高等教育出版社,2002

6 陈贞波,孙维君,赵文玲.多媒体CAI课件制作技术教程.北京：科学出版社，2006

7 张军征.多媒体教学软件设计原理与方法.北京：科学出版社，2007

8 潘林峰.大学物理CAI课件的设计与制作.科技情报开发与经济,2005，15(23)：234～235

9 贺小光，钟凤兰.热学多媒体课件的设计与制作.长春师范学院学报，2006，25(2):25～27

10董红斌.现代教育技术教程.北京：中国水利水电出版社,2005

11Sham Bhangal著.Flash MX 2004全攻略.卜照斌,译.北京：电子工业出版社, 2004

12Joey Lott & Robert Reinhardt著.Flash 8 ActionScript宝典.路川, 胡欣杰,译.北京：电子工业出版社, 2006

Practice and Experience on Designing CAI Courseware of Thermotics

Kong Hongyan Sun Hongke

(College of Physics and Information Technology, Shaanxi Normal University, Xi′an, Shaanxi 710119)

In this paper, the characteristics of physics courseware are analyzed. On this basis, furtherly combined with “Joule-Thomson effect” courseware design practice, the correct concept and the scientific principle of design, the law of physics teaching, making method and skill for the physics courseware are pointed out. At last, the general process of making the physics courseware is summed up.

courseware; theoretical basis; design principles; working process

*2014年陕西省精品资源共享课程项目和陕西师范大学科研启动项目资助，项目编号：1110010628

孔红艳(1974- )，女，博士，副教授，研究方向为凝聚态物理和计算物理.

2017-01-07)