2007-4-5 8:15:46

 

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微观教学设计的重要性

高等教育出版社 杨再石
 

  数字教学资源历经CAI、多媒体教学系统、网络课程等阶段,开始从初级阶段向高级阶段过渡,每每在这个时期,必定要对前一阶段的经验作总结,提炼出一些理性的东西,以期使事情有一个承上启下的健康发展。本文想从教学设计的角度理性地探讨教学资源数字化中遇到的问题。虽说理性地探讨,但恰是实践性很强的探讨。

  数字教学资源建设的进程是与以课程体系改革、教学内容更新为主体的教学现代化的进程同步展开的。透过这两方面的进程,都可以看到,既有大到教育体系、课程体系等宏观方面的教学设计问题,也有小到具体的知识单元,知识点等微观方面的教学设计方面。微观方面的教学设计方面,可以简称为微观教学设计。

  一、 从三个成功案例看微观教学设计研究的必要性

  1. 新型教学资源的设计要求

  数字教学资源研制过程中出现一些新型的教学资源,用以前的设计理念是不能完全理喻的。例如,"TACOMA大桥综合教学分析"片断。以前,无论物理、力学,还是自然科学基础课程,在讲述共振现象时总要枚举拿破仑时代士兵齐步走在桥上,引起共振,震塌桥梁。现在,教学上,以TACOMA窄桥取而代之。TACOMA窄桥是于1938年开工,到1940年7月1日建成通车,是美国华盛顿州西部一座著名的大桥,连接TACOMA到大港(Gig Harbor)建全长5939英尺,还有一个外号"飞驰盖地(Galloping Gertie)"。但是在通车后仅仅4个多月,1940年11月7日,就在一阵每小时42英里的"和风"吹拂下,坍塌了。有一段电影完整地记录了当时桥的震荡过程和坍塌的结局,成为珍贵的教学资源。不少多媒体教材直接引用这个片断。但是,作为原始记录,仅仅是一段电影而已。


  作为教学素材,播放2分钟原始记录电影,可以收到使人兴奋的效果。但是。如何通过教学分析,令人信服,深刻理解,牢固掌握,从而激发出深层次的科学兴趣,需要全新的教学设计。美国Core Concept in Physics多媒体教材中对TACOMA窄桥的电影片断作了巧妙的设计,将大桥电影资料与教学分析动画、风洞中小涡运动、实验动态模拟有机地集成在一起,使人无法不信是驻波震塌了大桥(见上图中8个截图)。媒体的综合运用,材料的组织搭配,理论的逻辑分析都有较高的水平。可以说在知识点教学的层面上,这种设计作为一种方向应该大大提倡。

  2. 教学内容更新的设计要求

从略。

  3. 创造性激发的设计要求

  "计算机的最大教育价值在于使学生成为课程与教学的主体,让学生获得学习自由,为学生提供可以自由探索、尝试和创造的条件。"知识学习最大的期望是转化成自身的力量。笔墨纸砚时代,有笔就可以写,有纸就可以画,文学与绘画教学领域中,学生在不同的学习时期,都会具备相应的力量,就可以尝试和创作。但是,在科学与技术的教学领域,知识力量的形成,创造能力的激发,必需在一个漫长而完整的学习阶段完成之后,逐步达到。计算机时代,笔的写作,纸上绘画得到质的延长,学生会得到雄厚的科技知识力量,甚至喷发出创造力。这需要通过有效的教学设计来实现"最大教育价值",使学生真正获得"自由探索、尝试和创造"的能力。我们观看过华中科技大学普通班和南京大学强化班二年级学生的学年作业和论文,无不赞叹低年级学生的科学兴趣、想象力和创造力。

  例如,华中科技大学二年级的学生,在学习了基础物理课程后,设计了一个保密通讯的软件,将蒙娜利莎画像打成碎片,利用奇异吸引子,吸到"英语学习"中,形成一个保密文件,发送出去,接受方利用密钥将文件解密,还原为蒙娜利莎画像。

  之所以有如此成功,初探其因,两位主讲教授,都能结合计算机,通过精心的教学设计,把学生推向课程与教学主体的位置,并安排适当的教学环节,向学生提供发挥创造力的机会。因此,很有必要研究激发创造性的教学设计,这种设计不仅达到创造的欲望,还必须使学生具备这种能力,去实现创造。

  4. 素材资源建设的要求

从略。

  二、 微观教学设计研究的对象

从略。

  三、 透过成功案例看微观教学设计方法

  1. 教学内容的可视化设计

  在数字技术支持下,具备了使教学内容可视化的条件。因此,教学内容可视化设计已经成为教学设计的一个重要方面。教学内容可视化问题历来争论很大,既有要不要的争论,也有行不行的争论。其实,不要去争论,而是要崇尚实践。可以可视化的教学内容才去可视化,可视化成功与否要靠教学设计。事实性内容,可以采用活动视像进行描绘,客观过程可以模拟,关键问题是原理性、概念性内容的可视化教学设计。

  一个成功的案例是《机械原理网络课程》,通过动态插图,实现原理可视化,理论概念可视化。例如,"棘轮机构的组成和工作原理"是讲述棘轮机构的工作原理,其主要原理是机构工作时需要动力和约束条件。可视化设计抓住力学中动力、约束与运动的因果关系,通过动态的几何图像进行表达,具有极强的可接受性。见左图,上半部分是动态插图,下半部分是棘轮机构工作原理的文字叙述(摘自《机械原理网络课程》)。

  "棘轮机构的类型和特点"是一个典型的知识单元,教学设计中需要考虑整体效果。一方面采用表格,将几种类型集中在一起,从比较中进行区别。另一方面,针对这部分教学内容几何特征突出的特点,采用动态演示与理论阐述实现无缝结合手法,取得文字叙述与机构动作就地对比效果,很清楚地勾勒出类型和特点。下面表格(从略)中文字都通过超级连接与动态插图相链,由于是无缝连接,旧地重就可观察到各种类型及其特点。

  2. 教学内容多重呈现的组合设计

  "可视人体"的出现,为人体解剖学教学的创新和改革提供了雄厚的资源基础。由于"可视人体"是一个新的知识,如何有效传递给学生?围绕着"可视人体",可谓"图文声像影并茂",各种呈现方式俱全。如何进行组合设计?

  第一,"可视人体"作为一个研究项目的成果,应该把事实叙述清楚。VHP是Visible Human Project?的缩写,中文为"可视人体项目"。VHP最早的idea是世界上最大的医药图书馆--美国国会医药图书馆(NLM,National Library of Medicine)的生物医学工程师迈克尔·阿克曼(Michael Ackerman)于1989年提出。

  第二,需要描述"可视人体"研制的过程。马里兰州解剖局于1993,通过严格筛选,获得7具男性和3具女性符合研制条件的供体,经专家认定可用来执行VHP项目的仅仅2男1女。最终,专家们选择了在得克萨斯用化学致命剂处决的、身高为5英尺11、体重为199磅的39岁杀人犯约瑟夫·保罗·杰尼根。

  核心过程是数据采集,供体经高速冷冻至-50~-60℃后,用铣床按每两片间距0.1cm的精度铣削,对每一片铣削截面,进行照相,投入经费140万美元,花了4个月,铣削成1871片,全部数字化,数据量达15G。采用一定的数学模型,对切片数据进行数字化合成,最后成为世界上第一个可视人体。

  1995年,对女性供体进行铣削,一共铣削成5187片,花了10个月完成,数据量达40G。成为世界上第一个可视女人体。

  为了说明过程,可以通过6分39秒的电影片段,对人体数据采集的操作过程进行演示(6:39)。

  第三,人体切片数据数字化合成。上述仅仅是VHP的一种表观的介绍,真正提升到教学资源,关键要解决概念和原理的表述。教学上,不可能重复数字化合成,但可以设计一个数学模拟,使得数字化合成的概念和原理变得容易理解和掌握。

  a. 数字化原始数据选择核磁共振头部截面图像27幅,作为模拟切片数据。目标是利用数学工具,将这些原始数据,进行运算,合成人头的一部分。

  b. 将模拟的人头数据进行着色钩边

  

  c. 对钩边彩色人头切片图像进行对应定位

  

  d. 对切片间的数据进行插值后进行数字化合成,显现部分立体头像

  

  可以看到,以上安排是一连串的数学和数字绘画设计,实行的结果,把数字化虚拟可视人体的理论核心体现出来,从中可以悟出数字化可视人体概念和原理,实现有效传递。不仅如此,数字化可视人体与物理模拟实体结合,可以把虚拟现实技术运用到解剖实习培训的教学中去,极大地提高高级解剖人员的培养效率。有一段电影片段,演示实习生用传感解剖刀在物理胳膊上划拉,虚拟现实技术可以在屏幕上展示胳膊被划破的过程,实习生的传感解剖刀用力的大小都可以在屏幕上演示出来。这样,将传统的教学提升到一个新的高度。

  3. 同一层次的概念结构功能并联组织

  在传统的教学中,优秀的教师面对学生的反映,能举一反三,从多个角度把问题讲深讲透。不过,这种举一反三是逻辑性举一反三。在数字技术支持下,可以利用多种呈现方式举一反三,多角度阐述,其新生功效是仅仅采用逻辑分析所不具备的。用多种呈现方式,对同一层次对象,从概念结构功能多角度观察,是一种并联组织设计。例如,《免疫学网络课程》在讲述MHC(主要组织相溶性复合体)时就采用了多种呈现方式举一反三的设计。有两类,MHC I和MHC II,传统上用一段文字进行表述:

  Ⅰ类分子由重链(α链)和β2m组成,分布于所有有核细胞表面;Ⅱ类分子由α链和β链组成,仅表达于淋巴样组织中的各种细胞表面……Ⅰ类分子重链胞外段有三个结构域(α1、α2、α3)……Ⅱ类分子的α、β链各有两个胞外结构域(α1、α2;β1、β2),……

  显然,从文字能知道大概是什么。但是它的空间结构及其特征,局部与局部,局部与整体的几何关系就很难想象。图像呈现对几何结构的理解有很大的优势。见MHC I和MHC II类分子结构示意图,每个示意图包含6幅小图,从带状模型,球状模型,实体模型,理论模型,功能模型等多重对比。可以讲,MHC分子空间结构的传递非常有效。为了把握MHC分子各组成部分的功能以及与其他对象之间的相互作用,采用了具有讲解的动画呈现方式(动画演示从略),深入刻划MHC分子的生物学功能。

  可以看到,虽然是不同的呈现方式,恰从同一层次上的并联表达。这种深层次的教学设计,必须建立在对知识的深刻理解的基础上,并进行有针对性的创意设计,才能圆满成功。

  4. 技巧运用设计

  从略。

  5. 通过量的积累和质的挖掘激发深度兴趣的创意设计

  从略。

  6. 虚拟实验设计

  从略。

  四、 微观教学设计的重要性

  综上所述,数字技术引入教学后,涌现出传统教学中不可能有的教学设计,呈现方式丰富了,教学观念受到冲击发生举动变化,如何运用各种媒体手段,如何调度各种呈现方式,已经提到议事日程上来。从CAI教学系统、多媒体教学系统和网络课程建设的实践来看,真正艰苦的工作就是知识内容数字化。从现有数字教学资源的作用来看,已经感到资源恐慌。教学大纲、宏观教学安排等等,共性大,比较容易动用社会的力量加以整体解决。而知识内容的数字化,不仅量大,而且深度要求高,创意难度很大。正因为如此,往往出现低水平重复,中水平重复,甚至在较高的水平上重复。为什么?容易做的大家都去做,不容易做的,参与的人员就少。还有就是教学设计上,由于长期注重宏观的设计,疏于微观教学设计。综观优质数字资源,就可以发现微观教学设计上下了工夫。今后,为了使网络课程、多媒体教学更上一层楼,就必须重视微观教学设计,鼓励知识内容数字化创意,贯彻到教学资源库的建设中。基础搞扎实了,不愁没有优质数字教学资源涌现。

  

 

 
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