中学物理教学中的积件系统设计与实践

胡松文

摘 要：本文基于湖北省黄冈市浠水马垅中学“中学物理积件系统”设计与教学实践，阐述了积件思想以及积件系统的组成、特点、设计模型，并深入探讨了积件系统设计过程中涉及到的关键问题及其实现方法。

关键词：CAI；积件；积件系统

1 引言

多媒体计算机辅助教学（Multimedia Computer Assisted Instruction，MCAI）作为一种全新的教学模式引入课堂教学实践已经非常普遍，用于中学物理教学的MCAI课件也层出不穷。然而，经过多年教学实践逐渐发现，绝大多数MCAI课件总是启承有序、自成整体，但固化了知识的联系，模式化了思维过程，机械化了教学程序，很难适应千变万化的课堂信息交流；同时也无法充分发挥教师的主导性和创造性、学生的主体性和差异性，这也与教学中的一个基本准则――“教无定法”相勃。针对这种情况，1997年，我国教育理论界黎加厚等学者基于当今世界先进的计算机软硬件技术，并从我国古代的《易经》中的哲学理念得到启发，提出了积件（Integrable ware）的思想。自2007起，湖北省黄冈市浠水马垅中学物理教研组开始了“中学物理积件系统”设计工作，并在随后的教学实践中不断丰富和完善。

2 积件思想的理论基础及技术基础

2.1 积件思想的理论基础

“积件”一词缘由于“积木”，其思想可以追溯到中国古老的七巧板积木游戏和《周易》中的八卦观念，为数很少的七巧板和阴阳爻，配以丰富的组合方式就构成了无穷的变幻。中国古代辩证哲学是积件思想诞生的原始底蕴。我国教育理论工作者在对光辉灿烂、博大精深的中华传统文化和思想宝库进行开掘、领悟、提炼的基础上，参照周易阴阳生八卦、八卦变万象的理念提出以基元（知识点）的无穷组合来适应千变万化的课堂教学。运用积件思想设计的积件系统结构模型图中蕴涵的阴阳五行思想，从一个朴素的层面揭示了积件系统衍变的动因和生克乘侮、胜复制化的动态联系图式。

积件思想以发展、联系、全面的观点看问题，克服了传统课件的机械性、简单化。积件思想是实践不断深入的产物，它反映的不仅仅是多媒体计算机辅助教学的表象，而是在感性认识基础上进行深层次的理性加工和抽象概括的结果，它揭示了CAI内在的本质和规律性，对CAI实践具有更大的指导作用。

2.2 积件思想的技术基础

现代信息技术为实现积件思想提供了强有力的技术保障。首先，大容量的存储设备可用来存储和积累积件库中众多的教学资源，网络化、信息化的环境为教学资源的共享和交流奠定了基础。其次，对象链接与嵌入（OLE）技术是实现积件思想的核心技术。运用OLE技术能够控制其它多媒体超文本应用程序，如可将文本、图形、图像、声音、动画、音视频等多媒体积件单元数据嵌入或链接到当前的教学演示中，从而实现积件库资源的交互与共享。通过常用的积件开发平台工具（如Powerpoint、Authorware等）可实现如剪贴板、热区、向导、模板、搜索器、助手、打包等丰富的多媒体交互方式。

另外，日益成熟的人工智能技术为积件的智能化提供了可能。如积件组合平台的自学习性，它可在师生使用组合平台的过程中，自动识别、理解、记忆师生的操作方式、训练进度、能力水平等，能不断自我学习并调整其内部结构，使界面具有更好的人性化的交互性。同时，可自动控制积件库中积件的调整，自动根据教育心理学记忆规律和教育经验选择适当难度的内容和适当方式，帮助学生温故而知新。

3 “中学物理积件系统”的设计

3.1 “中学物理积件系统”的设计模型

“中学物理积件系统”多层次开放型结构决定了积件系统功能的可积性、灵活性、基元性、可繁殖性、通用性、规范性等一系列特性。其内核主要体现在积件的基元性和可积性。积件中的积件基元就是一个基本知识点，它不囿于任何特定的教育思想、教学方法，也不局限于课程体系和教材版本，其附加的约束条件少，因而可积性很大。从逻辑上，其组织结构可分为5层：①核心层，由教师和学生组成。学生是主体，教师起主导作用，积件系统的构建、运作均以资源和教学效果的最优化为出发点和归宿。②平台层，它是连接两个实库（多媒体资料库、微教学单元库）、两个虚库（资料呈现方式库、教与学策略库）、一个环境资源库的重要纽带，也是师生选取、加工教学资源信息，进行教学活动的操作平台。③实库层，由多媒体教学资料库和微教学单元库组成。前者主要由文本、图形、图像等空间像素和声音、动画、影视等时空元素组成，是以知识点为基础按一定检索和分类规则组织的素材材料；后者则是由许多微教学单元组成，每个微教学单元包含有一定的过程和结构。在知识难点的讲解、特定技能技巧的训练及抽象思想观念的教学中，可采用微教学单元。④虚库层，将众多思想、方法、方式、策略、技巧积聚成库，以供师生灵活选用与借鉴，由资料呈现方式库和教与学策略库组成。前者重在素材资料的表达、连接、呈现等微观层次，常用的有飞入飞出、划入划出、淡入淡出、变色闪烁、热区超链等多种呈现方式；而后者则重在课堂计算机辅助教学的整体构思上，与教法、学法和教学风格相联系，可供选用的策略主要有：讲授法、演示法、讨论法、操练法、发现法等。实库层与虚库层既有区别又密切联系，二者的关系，简言之，实库层是载体，虚库层是灵魂。⑤环境层，主要由校园网、互联网等共享积件资源库组成。它决定了积件系统的开放性和自组织性。师生可以在教学过程中实时通过向导或模板调用海量的资源库，还可将积件库与组合平台打包外挂，供异地的师生下载使用。

图1 “中学物理积件系统”设计模型示意图

3.2 “中学物理积件系统”的组成

积件是由教师和学生根据教学需要自由组合运用多媒体教学信息资源的教学软件系统。积件系统由积件库和组合平台构成，包括教学信息资源、教学信息处理策略与工作环境。积件库和积件组合平台是积件的“两翼”，积件库中的多媒体教学资源库、微教学单元库、共享积件资源库、資料呈现方式库和教学策略库为师生利用积件组合平台制作教学软件提供了充足的素材来源，灵活易用开放实用的积件组合平台则是充分发挥师生创造性、能动性的有力工具。

积件组合平台是直接面向普通师生、提供集成二次开发构件库、微教学单元库、素材呈现方式构件库和多媒体教学素材库用来制作教学软件的一个工具。因此，易用、开放、高效、实用是积件组合平台的基本特点。

积件库是教学资料和表达方式的集合，可将大量的知识信息素材提供给教师和学生在课堂教学中自由使用。积件库包括以下五种类型：

1）多媒体资料库。多媒体资料库是以知识点为基础，按一定分类和检索规则组织起来的素材资料，包括文字、图形、表格、公式、动画、流媒体、超链接等素材资源库。

2）微教学单元库。微教学单元（Micro Teaching Unit，MTU）是以帮助教师讲授某个教学难点，或帮助学生学习某个知识技能点为目的，或为学生探究认知而創设的学习环境等而设计的教学单元。这些基于各学科基本知识点的“小课件”组成了微教学单元库。如图2所示，通过对比观察叠加波和原波，学生可以在动态叠加波的图像中直接看到波的独立性，观察任意质点的叠加运动。

图2 “横波的叠加”MTU

3）共享积件资源库。我们将网络上的一切可利用的共享资源作为共享积件资源库。“中学物理积件系统” 组织了常用的K12学科资源库、经典微课等丰富的网络资源。同时，还组建了“工具箱”，工具箱中安装了亿图图示专家、思维导图、DISLab、几何画板、数学实验室、Mathcad等常用工具软件，便于对共享素材进行加工。

4）资料呈现方式库。供教师选用的各种教学素材表达的方式。将多种多样的资料呈现方式进行归纳分类，设计成可供教师容易调用与赋值的图标，就形成了教学资料呈现方式库。

5）教与学策略库。将不同的课堂教学的模式、方法与策略的方式设计成可填充、可重组的框架，以简单明了的图标表示，让教师在教学中根据自己需要将不同的素材、微教学单元与不同的资料呈现方式和教学策略方式相结合，将产生搭“积木”式的效果，灵活地运用于教学实践中；让学生在学习中根据自己需要将不同的素材、微教学单元与不同的资料呈现方式和学习策略方式相结合，更能帮助学生发挥主观能动性，进行积极探索和认知学习。

4 “中学物理积件系统”的设计原则

“中学物理积件系统”的开发分为积件库和积件组合平台两部分的开发。经过多年来开发积件系统和教学实践，笔者认为设计积件系统过程中应注意如下一些原则：

4.1 多媒体教学素材库的建设

多媒体教学素材库位于积件系统设计模型最底层。为便于检索、使用、管理和维护，素材库应使用类似于Windows中的资源管理器的树型结构，以合理的分类规则来进行组织和管理。此外，素材库还应具有可扩充性，允许教师将自己收集、加工的素材添加到树型结构的素材库中。可以存储到原有的类别中，也可以创建新类别，将新素材存储到新类别中。总之，易检索、易使用、易管理、易维护、易扩充是多媒体教学素材库的基本特点。

一方面，按照与当前学校课堂教学联系的密切程度，将教学素材资源库分为最常用库、次常用库和扩展库三类，并配合方便、快速、自动、智能的检索方法。另一方面，积件库的建设还必须考虑到如何融合互联网上丰富的教学信息资源，可以由师生在课堂教学中通过网络进行检索、重组、灵活地结合当前教学需要灵活运用。

4.2 微教学单元库的设计

从易检索、易使用、易管理、易维护的角度考虑，微教学单元库也应使用树型结构和合理的分类规则。微教学单元的设计开发方法与原来的课件类似，不同的是微教学单元是供教师学生在教学中重组使用而准备的资源，所以它一般不需要封面设计，也不需要多余的背景、多余的解说配音等，短小精悍、符合积件组合平台要求的接口格式，方便教师学生检索和组接在当前的教学情境中运用。

4.3 素材呈现方式构件库的设计

素材呈现方式构件库是一系列基本构件（或称对象）的集合，包括描述多媒体教学素材的文字、图形、声音、表格、公式、曲线、动画、视频对象等。每个对象封装与其有关的对象的外观（属性）和行为（方法）。使用某一对象时，教师可从多媒体教学素材库中选择有关的素材使该对象实例化，通过操作已实例化的对象的各种属性和方法，达到控制各种素材呈现方式的目的。例如，修改对象的各种属性和控制对象的多种方法。

4.4 二次开发构件库的设计

二次开发构件库专门用来存放教师利用素材呈现方式构件库中的构件重新生成的自定义素材呈现方式构件，以满足具有较高编程水平的教师扩充自己教学资源的需要。当教师对积件系统中素材呈现方式构件所提供的属性和方法不满意时，可利用积件组合平台提供的功能，用二次开发工具从原素材呈现方式构件（简称父构件）中派生一个新的素材呈现方式构件（简称子构件）。子构件除了继承父构件中的所有特征（如属性、方法）之外，教师还可以修改子构件的个别特征。派生的子构件存入二次开发构件库中后，特别是当子构件的某些特征被重新修改之后，使用它们的多个教学软件能自动完成相应的修改，不需要教师自己重复修改，这也体现了积件组合平台高效的维护能力。

4.5 积件组合平台的开发

1）积件组合平台的主操作界面应类似于Authorware流程图式的软件设计和制作结构，对于一般教师，无需程序设计就可以方便地制作出教学软件。

2）对于一些常用的教学策略，积件组合平台应能提供向导式的教学软件制作方式，通过一系列有序的填充和选择来自动生成特定教学策略的教学软件，如讲述式、讨论式、习题操练式、动手实验式的教学软件等。在自动生成教学软件的基础上，教师可进一步调整、修改，直到满足教学情境的需要。

3）制作好的教学软件除了在积件组合平台中运行之外，还应提供脱离积件组合平台，如提供一个易于安装的教学软件播放器，或能够生成完全脱离平台的可执行文件。

4）为了让具有一定编程经验的教师开发二次开发构件库，积件组合平台应提供二次开发的工具，使教师可以方便地生成自己需要的素材呈现方式构件。

5）积件组合平台还应维护、支持它的各种教学资源库，如使用类似于VB或Excel中的对象浏览器来管理二次开发构件库、微教学单元库和素材呈现方式构件库，结构化地组织库中基本部件的所有特征，方便教师检索和使用。

6）为了易于操作对象的属性和方法，积件组合平台应提供简单易用的使用环境，如用类似于VB的属性列表方式来管理对象的各种属性，属性的修改和设置可从预先设置的属性值中选择。

7）积件组合平台应提供导入微教学单元的接口。教师可在积件组合平台中直接使用它，将其与其它多媒体教学素材组接起来，用于适当的教学情境之中。这样，可大大提高教师制作教学软件的效率，而不必为一个常用的知识点，从头开始集成大量多媒体教学素材。另外，除了使用积件系统自带的微教学单元库之外，教师还可利用积件系统自己制作某一知识点的微教学单元，并扩充到微教学单元库中。这样，教师在自制的教学软件中可反复使用自制的微教学单元，也可通过网上教学资源库与其他教师共享和交流。

4.6 将积件系统纳入智能化轨道

积件系统开发应与实际教学活动紧密结合，将鲜活的教学经验充实到积件系统的研制当中。要做到这一点不仅要有大量教学第一线的教师参与积件系统的创作，更要将积件系统的设计开发引上智能化的道路，将计算机的人工智能技术与积件系统完美结合，从而设计出精品智能化的积件系统。

5 结语

从系统理论的角度来看，积件思想是一种在对系统的功能进行分析、分解的基础上，重新设计、构造、重组或生成新系统的系统分析和系统设计的思维过程。而积件系统的设计和使用过程则是对多媒体教学信息资源和教学过程进行准备、检索、设计、组合、使用、管理、评价与实践过程。近七年来，“中学物理积件系统”得到了不断完善，MTU涵盖了新课改前后所有中学物理所有知识点和实验，湖北省黄冈市浠水马垅中学师生利用在日常教学、课外学习以及物理竞赛辅导中取得了良好的教学效果。

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