技术改造课程

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1、技术改造课程 技术改造课程 一、一、 教学信息化发展的必然结果教学信息化发展的必然结果 1 从计算机演示到计算机辅助教学系统从计算机演示到计算机辅助教学系统 （1） 1） 自发尝试自发尝试到有组织立项开发到有组织立项开发 20 世纪 80 年代中期，随着 PC 普及，开始自发地用计算机演示一些教学内 容。90 年代初期，国家教委立项，北京大学物理系牵头、全国 20 多所高校参与 研制，开发出计算机辅助大学物理教学系列软件（普通物理学部分） ，涌现一 批优秀物理教学软件。 （2） 96750 计划计划 1996 年实施“九五”国家重点 科技攻关计划计算机辅助教学软 件的研制开发与应用项目 （96

2、-750 项目） ，涌现一批成果，北京大学 张庭芳、 许崇任等研制的 普通生 物学多媒体系列教学软件 ，复旦 大学钟万蘅开发的固体物理学 CAI ， 南京大学徐士进的 地球科 学 。 固体物理 固体物理 CAICAI 96-750 中复旦大学研制的 固体物理 CAI ，联合国教科文 组织推荐的 CAI， 成为网络课程的 雏形。 地球科学地球科学 地球科学概论 课程的创建是 20 世纪 90 年代地球科学教学改革的重要举措。 随着地球科学的迅速发展和学科交叉的深化， 地球科学的教育适应学科的发 展， 在进行充分研究和探索的基础上， 边建设边教学的过程中逐渐发展形成的内 容创新、体系完整、教育策略

3、多样、教育技术先进的课程体系。 1999 年 6 月， 地球科学作为面向 21 世纪课程多媒体电子教程正式由高 等教育出版社出版发行， 被誉为我国第一部多媒体电子教程我国第一部多媒体电子教程。 2000 年 6 月， 地 球科学多媒体电子教材荣获首届国家电子出版物奖。 2 从网络课程到学科网站从网络课程到学科网站 新世纪网络课程建设工程新世纪网络课程建设工程 2000 年实施的面向 21 世纪教育振兴行动计划 ，开始实施新世纪网 络课程建设工程 。建设 300 门网络课程。2003 年沙斯期间高等教育出版社 免费发布其中 176 门。我参与了新世纪网络课程建设工程全过程，三审 全部 176 门

4、免费课。 精品课程建设带动精品课程建设带动学科网站学科网站 2001 年教育部教育部关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若 干意见启动了“高等学校教学质量与教学改革工程” （以下简称“质量工程” ） 。 这个工程的一项重要内容是精品课程建设。在精品课程建设中，在 20 世纪 90 年代以来积累起来教学改革、教学信息化成果和数字教学资源建设的基础上， 涌现出一批高水平的学科网站。广西大学的国家网络精品课程木材学 ，在建设过程中，充分利用学科的 雄厚教学资源， 构建了木材学的学科网站， 设计理念先进， 系统完整， 内容丰富， 结构合理，层次清楚，构图思路与课程主题贴得紧密，营造了一个“木”氛

5、围。 这个学科网站的科学含量高，技术含量先进。 作为学科网站， 不仅仅面向木材学一个课程， 而是面向木材学相关的学科群， 专业学科共享。而且，涵盖相关学科的教学内容，还设置一系列网络环境下的教 学环节，开展各种教学活动。 3 从形成完整的教学能力到全面改造课程从形成完整的教学能力到全面改造课程 资源建设的量变到质变， 特别资源库建设中强调形成完整的教学能力，不是 一章一节解决问题， 而是对整个课程进行全面支撑，变成形成完整的课程教学能 力，为使用信息技术工具全面改造课程，创造了基础条件。 教学理念提升，触动教学环节教学理念提升，触动教学环节，全面融入体系，呈现结构变化。，全面融入体系，呈现结构

6、变化。 4 信息技术工具的广义理解与狭义理解信息技术工具的广义理解与狭义理解 （1） 计算） 计算技术工具技术工具 MATLAB、SPSS、Matlab 工具箱、VC+ 、Chemoffice、Guassian 软件包、 Origin、ChemLab 等等。 （2） 视觉技术工具） 视觉技术工具 OpenGL、OpenCV 的计算机视觉技术、CorelDraw、3DMAX 等等。 （3） 引擎） 引擎技术工具技术工具 HERO 引擎、 SKYLINE 地图引擎、GAME 引擎（Torque 3D Engine 2009） 、 PhysX 物理引擎技术等等。例如，2008 北京奥林匹克运动会，北

7、京航空航天大 学，全过程模拟。 历史深处的北京 。 （4） 专用） 专用技术工具技术工具 pymol 生物大分子显示软件、天文学软件、MOLMOL （生物大分子 3D 结 构分析和显示、NMR 结构解析）等等。 （5） 虚拟现实工具） 虚拟现实工具 EON Studio 3D 虚拟现实工具、 MATLAB 的虚拟现实工具箱、 VrmlPad 虚拟 现实工具等等。 （6） 传感技术工具） 传感技术工具 RFID 射频识别等感知技术、MPR 多媒体印刷阅读器等等。 （7） 集成工具和组合工具） 集成工具和组合工具 集成工具是指不同特性的信息技术工具有机构成一个整体使用。 组合工具是指不同特性的信息

8、技术工具组合在一起分别使用。 我们提倡开发集成工具，整体使用。例如，将 VC+与 OpenGL 集成起来， 整体使用。VC+进行精确计算，OpenGL 进行恰当的图形展示。 凡是使用上述枚举的工具实现课程改造的凡是使用上述枚举的工具实现课程改造的，都是使用信息工具改造课程都是使用信息工具改造课程。 。 这就是广义理解。这就是广义理解。狭义理解是使用计算工具的，才算使用信息工具改造课程。 二、二、 两个早期课程改造成功实例两个早期课程改造成功实例 1 VHP 成功改造了成功改造了“人体生理解剖学人体生理解剖学”课程课程 1994 年，美国科学家将一具男尸切成 1871 片，每片厚度 1 毫米。1

9、995 年， 他们又将一具女尸切成 5190 片，每片厚度 0.33 毫米，并以这个数据集为平台， 开发了大量相关的应用软件。这个项目称为可视人计划（VHP） 。 这是继1643年维萨里发表第一本解 剖学专著 人体构造 、 奠定现代医学发 展基础以后人体解剖学的又一次源头 源头 创新创新。一个新的学科数字解剖学正 在以比传统解剖学快得多的速度向医学 教育和临床应用领域进军。数字解剖学 成为方兴未艾的新学科数字人的重 要组成部分。 现在，VHP 提供了人体的全部数 据， 人体解剖学课程可以完全摆脱人体挂图的模式，可以用“可视人体”软 件全方位展示人体，分析人体结构等等。特别值得一提的是建立了数字

10、人体解 剖学新的课程。 如径向男人体，径向女人体演示。虚拟现实技术改造课程。 2 AUTOCAD 改造改造“机械制图机械制图”课程课程 由于 AUTOCAD 出现，为“机械制图”的计算机辅助教学开辟了现实的道 路，因此课程从“机械制图”发展成“工程图学” ，主要数学工具不再是投影几 何，而是线性代数，课程的信息工具是 AUTOCAD。 以大连理工大学的画法几何和机械制图精品网络课程为例，使用的信息 技术工具 PPS 制作“电子教案” ，用 FLASH 动画技术表现“动态插图” （SWF） ， 用 cult3D 技术操作“机械零件”全方位观察。组合技术+表观和内核改造的结合 完成整个课程的建设。

11、不仅课程的教学内容，而且课程的教学环节、进行活动也 贯串了技术的改造。 3 从从课程课程表观表观改造到课程内 改造到课程内 核改造核改造 简单而言， 使用信息技术工具改造课程， 大体上分两类： （1） ） 课程的表观改造课程的表观改造 课程的表观改造，一般指课程的视觉形 式的改变，图、文、声、像、影等媒体手段，综合运用，贯穿整个课程。 最简单是 PPT， 不是大量的大纲式 PPT， 而是具有丰富媒体链接的演示文稿， 例如， 新概念物理教程 量子物理 ，由于准备了足以全面支撑课程教学 PPT 资源，成为主干教学资源。 从 PPT 实例 从宇宙到原子核 ， 说明表观改造也是实际可行的低成本路径。

12、（2） ） 课程的内核改造课程的内核改造 课程的内核改造， 一般指课程的核心理论内容表述的改变，这种表述基于信 息技术工具，贯穿整个课程，形成新的课程体系。所谓贯穿整个课程，不仅指学 科内容，还包括其他各种教学环节，例如作业形式、评价内容、实践环节等等。 其结果是原来的方程和函数表述的理论内容，可以用数值计算及其结果表 述， 抽象的内容可以具象表述，有的甚至可以使整个课程从内容到表述形式得到 根本的改变。最典型的例子是用 MATLAB 改造线性代数课程。 （3） ） 表观与内核结合的改造表观与内核结合的改造 表观与内核结合的改造课程， 就是将课程的视觉形式的改变与课程的核心理 论内容表述的改变

13、结合起来，进行整体改造。 三、三、 信息技术工具对知识表达作用信息技术工具对知识表达作用 1 改变知识表达的方法改变知识表达的方法 最明显的实例是“机械制图”，实物在空间是三维的，图纸上的图是二维的， 需要在二维空间中表达三维实物形象，但是又要保留三维信息。 当初，20 世纪 80 年代，我们在探索计算机辅助物理教学时，就遇到如何在 计算机屏幕上表示物理客体的问题。开始走投影几何的路子，用微分方程来算。 微分方程本质上是表达三维客体投影到二维平面的一个物理过程， 因此计算 麻烦，概念往往被掩盖在过程中。 后来受到量子力学的启发， 用状态变换来思考和解决问题。我们把三维看成 一个状态，把二维看成

14、另一个状态，投影是一个操作。这个操作就是矩阵变换。 = 3 2 1 23 22 21 13 12 11 2 1 a a a b b b b b b c c 一个三维矢量，用一个 23 的矩阵操作，变成一个二维矢量。事情就变得简 单了。 只要找到 23 的矩阵， 什么三维数据只要用 23 的矩阵乘一下就解决问题。 当时，忽然开朗，从过程运算变成状态变换，思想方法发生变化，知识表达 的方法也跟随变化。 我在一次高教社的一次教材改革研讨会上提出， 如何看待“机械制图”教材的 改革，结合 AUTOCAD，就看它的体系是否从投影几何发展到矩阵代数，结果 数年之后，“机械制图”变成“工程图学”，课程全面得

15、到改造。2 有利于深层有利于深层次教学内容资源的开发次教学内容资源的开发 （1） 基础物理教学中关于非线性问题引入的启示） 基础物理教学中关于非线性问题引入的启示 a. 第一步定性、半定量引入非线性问题第一步定性、半定量引入非线性问题 例如，基础物理教学现代化中，赵凯华教授在新概念物理教程 力学 将非线性问题引入，就是教学设计成功的范例。力学中非线性问题往往要涉 及二阶非线性常微分方程，在数学上有难度，直接搬过来，肯定行不通，赵 凯华教授提出采取物理上引进相图、相空间的概念。这样处理，达到一箭双 雕的效果。 一方面，引入相图、相空间将二阶微分方程降低为一阶微分方程，作为 基础课程教学，数学上可以方便地处理，以提升物理概念的难度，换来降低 数学处理的难度。 另一方面，虽然物理概念难度加大了，但是对于物理人才培养的需要来 讲，更符合现代物理的要求。 这种处理手法也是一种有创意的、有深度的教学设计。第一次真正实现 在基础物理课程教学中，用物理的办法讲述“非线性现象”（以别于以思辩的 方法讲述，或以科学普及的办法讲述） 。这一创意，教学上实际效果很好， 已经广为采用，现