第1章 计算机辅助教学的原理与设计

1.1 计算机辅助教学概述

计算机辅助教育（Computer Based Education, CBE）是计算机技术在教育领域中应用的统称，它涉及教学、科研和管理等教育领域的各个方面。随着现代信息技术的发展，计算机辅助教育的应用十分广泛，并取得巨大的进展。按计算机应用功能分，CBE主要包括计算机辅助教学和计算机管理教学。

1.1.1 计算机辅助教学的基本概念

1． 计算机辅助教学

计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction, CAI）是计算机科学、教育学、心理学、教学法等学科交差形成的一门综合性新兴学科，是在计算机辅助下进行的各种教学活动，以对话方式与学生讨论教学内容、安排教学进度、进行教学训练的方法与技术。

目前，CAI已渗透到各门学科，给传统的教学模式、教学方法带来了巨大的变革，成为教育技术现代化的重要标志之一。CAI为学生提供一个良好的个人化学习环境，综合应用多媒体、超文本、人工智能和知识库等计算机技术，克服传统教学方式上单一、片面的缺点。为教学新的生长点提供广阔的展示平台，使教学直观形象化、多元立体化。它的使用能有效地缩短学习时间、提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。

2． 计算机管理教学

计算机管理教学（Computer Managed Instruction, CMI）狭义上讲CMI是利用计算机指导整个教学过程的教学管理系统，它的功能包括管理教学计划和教学资源，以及帮助教师管理教学活动和组织教学活动等。广义上看是计算机在学校管理中的各项应用，包括教学管理、学校行政管理、学校其他资源管理，等等。

对于数字化教学，CAI是其过程的一种形式，CMI是其有效进行的保障，两者相辅相成，相互渗透，缺一不可。

3． 媒体、多媒体、多媒体技术

媒体（Media）是指信息传输和表示的载体。它有两个含义：一是存储和传递信息的物理载体，如书、硬盘、光盘、磁带以及相关的播放设备等；二是信息的表现形式，如文字、图像、声音、动画等。

多媒体（Multimedia）是指在计算机系统中，组合两种或两种以上媒体的一种人机交互式信息交流和传播媒体。使用的媒体包括文字、图片、照片、声音、动画和影片，以及程式所提供的互动功能。

多媒体技术是指以计算机为核心，交互地综合处理文字、声音、图像、动画、视频等多种媒体信息的技术，具有集成性、实时性和交互性。它涉及到计算机硬件、软件和图像处理、信号处理、人工智能、网络和通信等广泛的技术领域，是一门综合的高新技术，它是微电子技术、计算机技术、通信技术等相关学科综合发展的产物。

4． 多媒体计算机辅助教学

多媒体计算机辅助教学（Multimedia Computer Assisted Instruction, MCAI）是指利用多媒体计算机，综合处理和控制符号、语言、文字、声音、图形、图像、影像等多种媒体信息，把多媒体的各个要素按教学要求，进行有机组合并通过屏幕或投影机投影显示出来，同时按需要加上声音的配合，以及使用者与计算机之间的人机交互操作，完成教学或训练过程。

5． 教学软件、课件与多媒体课件

教学软件（instruction software）在概念上泛指各种能为教学目的服务的应用软件。教学软件可分为3类：一类是与具体教学内容没有直接关系，但可用于教学目的的工具软件，如一些通用的文字处理软件，可称之为内容无关教学软件；第二类是与教学内容相关，但又不是针对具体教学内容的软件，如一些与课程教学内容相关的电子学习材料等，可称之为内容相关教学软件；第三类就是根据具体的教学内容开发的教学软件，其内容是具体的、特定的，因此称之为内容特定教学软件。

课件译自英文Courseware，本意是课程软件，课件中必须包含具体学科的教学内容。按照上述教学软件分类方法，课件应属于内容特定的教学软件。也就是说，课件是针对具体学科的学习内容而开发设计的教学软件。

多媒体课件是指采用多媒体技术开发的课件。

1.1.2 计算机辅助教学的产生与发展

1． 计算机辅助教学的产生

与任何其他学科的产生一样，计算机辅助教学的产生和发展具有广泛的基础，主要包括物质基础、社会基础和理论基础3个方面。

计算机的诞生和发展奠定了计算机辅助教学产生的物质基础。自第一台计算机问世以来，其发展速度是惊人的，主要表现在数量增加得快，性能提高得快，而价格却不断降低，越来越好用。这为计算机的广泛应用提供了有利条件，计算机对教育发展的重要作用是多方面的，其中一个重要方面就是为教育的改革和发展提供新的方法和技术手段，为计算机辅助教学的产生和发展提供坚实的物质基础。

信息社会对教育改革的要求，构成了计算机辅助教学产生的社会基础。这些要求用传统的教育方法是很难实现的，这就促使人们借助于信息社会中发达的技术手段来满足这些要求。计算机辅助教学就是人们利用计算机技术解决教学中的诸多问题的成功探索。它的产生与发展反映了社会发展的一种必然趋势。

行为主义心理学程序教学理论的提出，为计算机辅助教学的产生提供了理论基础。计算机辅助教学思想的形成受到两个概念的影响：机器教学和程序教学。利用机器进行教学的概念是美国心理学家锡德尼·普莱西（Sidney Pressey）在20世纪20年代提出来的。他曾设计了一台自动教学机器，可以送出多个供学生选择的问题，并跟踪学生的回答。虽然，这在当时没有引起人们的重视，但是这台机器的出现是机器辅助教学思想的萌芽。20世纪50年代，美国教育心理学家斯金纳（B.F.Skinner）在此基础上提出了学习材料程序化的想法，后来就发展成为不用教学机器而只用程序教材的“程序教学”。作为存储和处理信息的计算机，是实现这些教学方法的一种理想工具。正是在这些理论的指导下，计算机成了教学的重要工具，从而产生了计算机辅助教学。

2． 计算机辅助教学的发展阶段

美国是进行计算机辅助教学研究和应用最早的国家，所以CAI的历史基本上是以美国CAI发展历史为主线。从技术上看，计算机辅助教育的发展大体经历了4个阶段。

形成阶段。这个阶段大约在1958年至1965年之间。这一时期的主要特点是以一些大学和计算机公司为中心，进行计算机教育应用的软件、硬件的开发研究工作，出现了一些有代表性的系统。最早开展计算机辅助教育研究的是美国的IBM公司。1958年，该公司利用一台IBM 650计算机连接一台电传打字机向小学生教授二进制算术，并能根据学生的要求产生练习题，这是世界上第一个计算机教学系统。

实用化阶段。这个阶段大约在1965年至1975年之间。这一时期的第一个特点是研究规模扩大，先期的研究成果大量投入应用；第二个特点是计算机辅助教育的应用范围不断扩大，并进一步趋向实用化。在这一时期，计算机教育应用的学科领域更加广泛。除了数学、物理等科目外，在医学、语言学、经济学、音乐以及弱智儿童教育、情报处理教育和军事训练教育等多种学科教育领域，均开展了计算机辅助教育的应用。

发展完善阶段。这个阶段大约是从1975年到20世纪80年代末。这一时期是计算机辅助教育快速发展并不断完善的时期，具有三个明显的特点：第一，大型的计算机辅助教学系统进一步完善；第二，微型计算机的出现，使计算机辅助教育的发展有了突破性的变化；第三，智能化计算机辅助教学的出现对计算机辅助教育的发展产生了重大影响。

成熟阶段。自20世纪90年代以来，计算机教育应用开始步入一个全新的阶段。计算机技术的高度发展和先进教育理论的兴起，使得计算机辅助教育开始真正成熟起来。这一时期计算机教育应用的显著特点是：多媒体化、网络化、智能化、虚拟化、合作化与标准化。特别是多媒体技术与网络技术的日益紧密结合，使得基于Internet的计算机教育应用迅速发展，在一定程度上代表了计算机辅助教育的发展趋势。

1.1.3 计算机辅助教学的特点

计算机辅助教学，尤其是多媒体计算机辅助教学具有如下特点。

1． 形象生动、启发学生思维，激发学生学习兴趣

计算机具有集成文本、图像、影像、声音及动画等多种信息的功能，组成图、文、声、像并茂的演播系统，实现多媒体组合的视、听、动结合教学方法，使学生脑、眼、耳、口、手并用，以全方位、多层次吸引学生，增加信息获取量，使课堂教学更为生动活泼，弥补传统教学在时间、空间等方面的不足，激发了学生的思维和学习兴趣。同时又可作为常规教学的辅助手段指导学生自学或测验，进行求解习题、模拟实验等活动。

2． 交互性强，便于因材施教

学生有着丰富的心理活动，时刻处于成长变化中的个体。MCAI是通过学生与计算机之间双向通信的交互活动进行教学的。CAI的交互性使学生始终处于一种积极、主动的精神状态，不像被动受教时那么容易疲劳和受干扰，从而可以取得较好的教学效果。为学生在课堂上增加视、听、说的机会，还深入地触及到学生的更高层次的心理活动，即除感知外，还有如表象、记忆、思维和情绪等。根据学生个别差异，从实际出发，选择适当的教学设置，灵活安排进度。如通过直观形象的视觉刺激手段传递信息以满足视觉型学习群体的信息偏爱，通过交互性的课堂活动激发外向型学习群体的学习兴趣，利用计算机辅助手段发挥触觉型或操作型学习者在“做中学”的优势；并能根据学习者的要求选择教学内容、控制学习节奏、及时反馈教学信息，充分调动学生的学习积极性，缩短学习时间，从而达到因人而异、因材施教的目的。

3． 增大课堂信息量，提高学习效率

运用多媒体技术的存储功能，根据需要把一些图形、题目、分析或解答过程及所需板书、板画、作业等内容制成课件，预先存储在电脑中或U盘上，在教学中、课堂上适时地在学生面前再现、展示出来，节省课堂板书的时间，在相同的45分钟内，呈现更多的知识，清楚规范，图文并茂，开阔学生视野，扩大课堂信息容量，从而让学生在规定的时间内轻轻松松学到更多的知识。

利用计算机高速处理信息的特点，在课堂上快速、准确地进行作图，为课堂增加知识容量。通过计算机软件，教师对教学目标信息实现实时控制，逼真地模拟一些过程、现象和事件，极大地调动了学生的学习积极性；CAI提供的多层次练习、问题求解等多种传授知识的方式，有利于培养学生的批判性思维和创造性思维能力，从而丰富教学手段，拓展师生交流的渠道，提高课堂教学效率。

4． 科学性强

CAI中的教学软件是经过优秀学科教师与课件制作人员的共同努力编制而成的，并有严格的评测标准，因而可以避免因单名教师个人条件限制所带来的教学水平差异，保证了教学的科学性。

1.1.4 计算机辅助教学的应用原则

虽然计算机辅助教学在教学中的应用越来越普遍，然而，从实际情况来看，效果与人们的初衷有很大差距。有研究报告表明，在许多情况下，计算机在教学中的优势和潜力并没有得到充分发挥。因此，对使用计算机辅助教学应该有一个理性的认识，把握一定的原则。

1． 计算机技术与学科特点相结合的原则

每个学科都有其科学性和特点，如果计算机不能促进学生思考，仅仅是“课本搬家”，由“照本宣科”变为“照屏宣科”，它在学科教育中的意义也就不大了。实际上，现代化的教育理念、学科教学的经验能使计算机技术在教学中发挥出特殊的功能。计算机能更有效地启发学生更积极的思维活动，引导学生自己发现和探索。同时，计算机技术能把班级交流、小组讨论和“一对一”的个别化教学有机地结合起来，这时的计算机辅助教学就与传统的教学有了很大的不同。因此，只有根据学科特点，合理使用计算机技术，计算机在教学中才能真正显示出特有的优势，发挥更大的作用。

2． 教学手段为教学内容服务的原则

形式要为内容服务，计算机辅助教学手段也必须为教学内容服务。由于技术的限制和学科特点，对哪些科目内容适合于用多媒体进行教学要认真思考。比如，对于一些比较复杂的图形或较难画出的图形利用计算机作出来，也很有优势。对于那些可用可不用的知识点或者根本就不适合用的知识点生硬地使用计算机，效果反而会适得其反。应该根据教学内容来确定如何运用计算机，不是任何知识都要使用计算机，也不必一堂课从开始到结束都用计算机。

3． 计算机辅助教学手段与传统教学手段相结合的原则

在使用计算机辅助教学中，过分地依赖技术手段，对传统的教学手段一概排斥的做法是不可取的。教育需要技术，信息时代的教育需要计算机技术，但是任何先进的技术都不是万能的。计算机辅助教学手段与传统教学手段，不是非此即彼，而是优势互补的。比如，有时需要在计算机上演示，有时必须要板书。因为不同的教学手段有不同的特点，教师在选用时要扬长避短，互相补充，科学地结合使用，才能发挥各种教学手段的最大功效，收到事半功倍的效果。

4． 体现学生的主体性，注重培养学生创新意识的原则

计算机辅助教学是一种现代化的教育手段，是辅助教学，并非是主宰教学。如果在教学中过分依赖计算机，则会物极必反，学生只能是眼看耳听，而无动手操作和动脑思维的时间和空间，这就和注入式教学没有什么区别了，更谈不上培养学生的创新能力。在使用多媒体技术辅助教学时，应将教学内容涉及的事物、现象和过程展现出来，给学生创造问题情景，让学生在情景中主动发现问题，这样可以培养学生的观察、想象、发现和归纳能力。同时，要求学生把具体的情景与已有的认知结构联系起来，完成从感性认识到理性思维的转化。这样，学生可以对已有的认知结构中的错误观念进行改造，对已形成的认知结构进行调整、扩充和重新组合，真正使自己的主体作用得到充分发挥。

5． 教学媒体与所呈现内容相协调的原则

多媒体技术用于教学，一个重要的方面是借助现代教学媒体，向学生传递教学信息，师生进行交互反馈。媒体选取的指导思想是利用现代化教学手段，对教材某些内容进行模拟或等同、放大和缩小，变静为动，变抽象为直观，配以音色，最大程度地调动学生的各种感官，引起学生的兴趣，激发求知欲，从而强化从感性到理性的过程，提高教学效率。每种媒体应用于辅助教学，必有其利的一面，亦有其弊的一面，因此使用媒体应熟知媒体的性能，以及它在教学上所能解决问题的限度。这样，在运用教学媒体时才能得心应手，使之与呈现的内容协调一致，相得益彰。媒体的选取不宜过多过滥，如不要在课件中加入太多声音、动画和色彩，以免分散学生的注意力。同时，教师应该能熟练操作各种媒体。有的学生反映在使用计算机辅助教学后，注意力反而不能集中了，一个重要因素就是部分教师计算机水平不够高，导致课堂上操作失误或课件设计中出现错误，干扰了学生的注意力。

6． 重视情感交流的原则

目前，大量的计算机辅助教学的课件尽管具有一定的交互性，但不同程度上存在着按一个固定教学模式组织教学的现象。个别课件整节课全部由计算机展示，课堂上计算机代替教师，“人机对话”取代了“人际对话”，师生之间不能进行有效的沟通，学生的思维和情感受到严重的压抑。教学过程是十分复杂细腻的过程，是学生的认知过程和构建知识的过程，更是师生情感交流的过程。学生是学习的主体，计算机是没有生命和情感的物体，所以谈不上与学生的情感交流。而教师可以根据学生在课堂上的表现，随时随地有针对性地与学生交流。因此，必须重视教师与学生的情感交流，只有这样才能激发学生的兴趣，做到认知与情感的统一，使计算机在课堂教学中真正起到辅助作用，确保学生的形象思维和抽象思维的同步发展。

总之，CAI系统不是万能的，它不仅不能完全取代目前学校的全部教学活动，而且还存在一些不足。如CAI系统中的计算机等硬件设备的价格与软件开发成本都较高，因此在普及推广方面仍然存在一些困难；CAI中教学的开展是通过事先编制的教学软件来实现的，对未估计到的情况处理能力不强，不利于培养学生的创造力；教学内容的表现受到一定限制，教学策略的实现不能像人类教师那样灵活；教学软件的编制有一定难度；在CAI的理论方面的研究还不理想等，这都将影响CAI的教学质量。因此，在教学中，要充分发挥CAI的优势，克服其不足带来的影响，更好地服务于教学。