學科工具軟件及其在化學學科教育教學中的應(yīng)用

1、學科工具軟件及其在學科 教育教學中的應(yīng)用Subject-Tool-Software And Its Applications In Subject-Education & Subject-Instruction鄭小軍廣西師范學院化學系E-mail: 該文主要以化學為例，討論了學科工具軟件的概念內(nèi)涵、特點和種類，與通用工具軟件、課件、積件的區(qū)別，及其在輔助學科教育教學和課件制作的應(yīng)用，提出：學科工具軟件是一種重要的、特殊的學科教育教學資源，它既是信息技術(shù)與課程整合的產(chǎn)物，同時又是實現(xiàn)信息技術(shù)與課程整合重要的軟件基礎(chǔ)，是信息技術(shù)與課

2、程整合的“粘合劑、催化劑和加速劑”；它代表了學科教育教學資源的未來方向，是計算機輔助教學的發(fā)展趨勢；學科教師要注意積累本學科專業(yè)的工具軟件，加強自學研習，充分挖掘其教育教學潛力。關(guān)鍵詞：學科工具軟件 學科教育教學 應(yīng)用 課件制作 信息技術(shù)與課程整合1 引言筆者近年來，在化學研究、化學教育教學和化學課件制作（包括課件素材）的實踐中，有意識地應(yīng)用化學學科工具軟件，積累了一些經(jīng)驗，形成了一定的理性認識。特別是近年來，在對高師生和在職中小學教師進行多媒體CAI和網(wǎng)絡(luò)教學技能培訓的過程中，深切感受到，高師生和在職中小學教師對學科工具軟件的喜愛。然而，目前Internet上和學術(shù)界關(guān)于學科工具軟件及其在學

3、科教育教學中應(yīng)用的文獻并不多見。2 學科工具軟件的概念內(nèi)涵和特性什么是學科工具軟件？很難給它下一個確定性定義。但筆者認為可以給它下一個描述性定義：學科工具軟件是一類特殊的計算機軟件，專門為解決某學科專業(yè)領(lǐng)域的某些問題而開發(fā)設(shè)計，它具有以下一些特性。2.1 學科專業(yè)性和專門性不同的學科有不同的工具軟件，各自解決某些專門領(lǐng)域的問題。例如：化學有ChemOffice、ChemWindow、ChemDraw、ChemSketch、WebLab Viewer、 Corel ChemLab、Model ChemLab和門類眾多的化學計量學工具軟件，數(shù)學有MathCAD、MathLab和Mathematic

4、，物理、幾何學有“The Geometers Sketchpad”（幾何畫板）等。學科工具軟件區(qū)別于通用型工具軟件就在于其突出的學科專業(yè)性和專門性。例如，同樣是繪圖工具軟件，通用型的SmartDraw在繪制化學圖形（化學實驗裝置和化學標志）和分子結(jié)構(gòu)式時，就遠不如ChemDraw和ChemSketch專業(yè)和功能強大。一般地，學科工具軟件由于是軟件設(shè)計者專門為某學科專業(yè)而量身定做的。因此，它在對付專業(yè)問題方面比通用工具軟件更靈驗。學科工具軟件的專門性還體現(xiàn)在，即使是同一學科，不同的工具軟件也各有專業(yè)側(cè)重點。例如，同樣是化學工具軟件，ChemDraw、WebLab Viewer和ChemSketc

5、h擅長繪制化學圖形和分子結(jié)構(gòu)式，而Corel ChemLab和Model ChemLab則擅長解決化學實驗和實驗教學中的問題；Corel ChemLab較Model ChemLab功能更強大些，可模擬的實驗種類和數(shù)量更多些；ChemSketch和ChemDraw在分子的立體結(jié)構(gòu)圖繪制和三維動畫演示方面功能強大。2.2 工具性（功能性）體現(xiàn)在它可以幫助用戶解決某學科專業(yè)領(lǐng)域的某些復雜的問題。學科工具軟件為各學科的科研、教學和生產(chǎn)提供了極大的便利，在輔助科學研究、輔助設(shè)計、輔助教學和課件制作等方面發(fā)揮著重要的作用。例如：Molecule Modeling, MathLab可以幫助科研人員進行復雜分

6、子的設(shè)計和建模；Hucked Molecule Orbital Caculation可以幫助科研人員完成復雜的分子軌道的計算；ACD/Tautomers檢查并生成有機結(jié)構(gòu)的最常見的異構(gòu)體；ACD/Dictionary包含48，000個化學和生物中常見的系統(tǒng)和非系統(tǒng)命名的化合物，覆蓋200多個領(lǐng)域，包括超過500種不同酶的名稱和結(jié)構(gòu)(商業(yè)版)；ACD/pKa預測計算酸25度下的電離常數(shù)，特殊結(jié)構(gòu)化合物的離子校正系數(shù)；ACD/LogP 預測計算中性分子的醇/水分配系數(shù)(LogP)預測值；ACD/沸點與蒸汽壓預測計算從0.001毫米汞柱到10個大氣壓下任意壓力下的沸點，一般情況下精確到+/-10度或

7、更好；ACD/預測計算不同pH值下的溶解性；ACD/西格碼預測、顯示不同原子團的Hammett類型或相關(guān)參數(shù)。2.3 教育性學科工具軟件的教育性包括軟件開發(fā)設(shè)計的教育目的性和軟件所能夠?qū)崿F(xiàn)的教育功能性。隨著計算機輔助教學的深入，學科工具軟件幾乎都毫無例外地被應(yīng)用于學科教育教學中，軟件的設(shè)計者也有意識地考慮到如何增強其教育功能性，以滿足不斷增強的教育需求。學科工具軟件的教育性體現(xiàn)在：輔助學科教育教學，輔助CAI課件制作及素材創(chuàng)作，實施創(chuàng)造教育、培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造實踐能力，促進以計算機、網(wǎng)絡(luò)為核心的信息技術(shù)的學習掌握以及外語學習等。例如，ChemSketch歷經(jīng)1.0，2.0，3.0，3.5，

8、4.0和4.5多個版本的不斷改進，從3.5版本起大大增強了其教育目的性和功能性，特別是其Show 3D模塊，由于在分子的立體結(jié)構(gòu)圖繪制和三維動畫教學演示方面功能強大，而深受化學教師的歡迎，被普遍地應(yīng)用于多媒體教學和學術(shù)演示。中科院張景中院士主持開發(fā)的數(shù)學工具軟件“數(shù)學實驗室”之“平面幾何”、“三角函數(shù)”等具有強大的輔教和助學功能，從圖1所示的菜單命令即可見一斑。圖13 學科工具軟件的分類Internet上有許多站點提供學科工具軟件下載服務(wù)，但決定究竟下載哪一種軟件并非易事。因此，有必要進行分類，以便在下載時，對癥下藥，安全、合理地下載自己喜愛和有用的學科工具軟件。（1）按學科和專業(yè)劃分學科工具

9、軟件按所屬學科可劃分為化學工具軟件、物理工具軟件、數(shù)學工具軟件等。某一學科的工具軟件還可按專業(yè)劃分。例如，化學工具軟件可劃分為分析化學工具軟件、有機化學工具軟件、無機化學工具軟件等。其中，分析化學工具軟件還可進一步劃分為光譜分析工具軟件、容量分析工具軟件等。光譜分析工具軟件可繼續(xù)細分為紅外、紫外、色譜、質(zhì)譜、核磁共振（H譜、C譜）、原子吸收和發(fā)射光譜等。目前，雖然未經(jīng)全面、科學地統(tǒng)計，但憑筆者所見，數(shù)理化等自然科學的學科工具軟件，在門類、數(shù)量和質(zhì)量上均遠遠超過其他學科的工具軟件。而在數(shù)理化等自然科學中，又以化學工具軟件為最。（2）按功能劃分學科工具軟件按其功能的多少或復雜難易程度，可劃分單一型

10、和綜合型。單一型學科工具軟件，如化學分子式和方程式編輯器（Molecular Formula and Equation Editor）1.0,元素周期表查看器periodic(Periodic Table) 1.0，元素屋（Elementary House），分子（化合物）式量計算器 mmcalc（Softshell Molecule Mass Calculator）。這些小型、袖珍型化學工具軟件功能單一，軟件小巧，解決化學中相對較簡單的計算和處理問題。綜合型化學工具軟件，如ChemOffice、ChemWindow、ChemSketch等，功能強大，軟件容量也相對龐大些，解決化學中相對較復雜

11、的計算、編輯和數(shù)據(jù)處理等問題。無論是單一型還是綜合型學科工具軟件，雖然各自有不同的應(yīng)用場合，但都可以不同程度地幫助用戶提高工作效率。（3）按教育目的性和教育功能劃分雖然學科工具軟件都具有不同程度的教育性。但仍可以依據(jù)工具軟件設(shè)計時的教育目的性強弱、側(cè)重點和它所能夠?qū)崿F(xiàn)的教育功能性進行劃分。教育目的性較強、側(cè)重于輔助學科教學的工具軟件有Alkane Naming、 Aromatic Naming、Corel ChemLab、Model ChemLab和ChemSketch等。其中，Alkane Naming、 Aromatic Naming實際上就是強化訓練學生熟悉烷烴、芳香化合物分子結(jié)構(gòu)式及其

12、IUPAC命名法的課件，軟件隨機畫出某烷烴或芳香化合物的分子結(jié)構(gòu)式，用戶（學習者）根據(jù)結(jié)構(gòu)式填寫其IUPAC名稱。Corel ChemLab和Model ChemLab作為模擬化學實驗的工具軟件，其教育目的性和教育功能性也很強。此外，綜合型工具軟件ChemSketch的Show 3D和Model ChemLab的Molecule Viewer可以清晰、方便地演示分子的立體結(jié)構(gòu)圖和三維動畫。ChemSketch和Model ChemLab還專門提供小測驗（quiz），方便教師和學習者進行測驗。而有些化學工具軟件其教育目的性和教育功能性就相對遜色了許多。（4）按對網(wǎng)絡(luò)的支持程度劃分學科工具軟件按對

13、網(wǎng)絡(luò)的支持程度可劃分單機版和網(wǎng)絡(luò)版。例如，同樣是化學繪圖工具軟件，ChemDraw是單機版，WebDraw和WebLab Viewer則是網(wǎng)絡(luò)版。ChemSketch4.0以前的版本不支持網(wǎng)絡(luò)，而最新的ChemSketch4.5則大大加強了對網(wǎng)絡(luò)的支持。網(wǎng)絡(luò)化已成為學科工具軟件的發(fā)展趨勢。（5）按是否收費劃分商業(yè)軟件（Commercial-ware）:由于軟件比較專業(yè)化或商業(yè)化，所以下載時要用戶輸入信用卡的號碼，屬于有償下載。用戶也可以到軟件專賣店購買其軟件光盤。例如，最新版本的ChemOffice。共享軟件（Shareware）：用戶可以從網(wǎng)站上免費下載，并且可以免費使用一段時間，這段時間稱

14、為試用期限，一般為30天。用戶要想在超過試用期限后繼續(xù)使用，必須在試用期限內(nèi)進行注冊、成為其合法、永久性用戶。用戶可以通過繳費獲得注冊碼，也可以通過其他途徑獲得注冊碼。例如，下載某些網(wǎng)站提供的注冊機自動生成活動注冊碼，或使用下載網(wǎng)站提供的固定注冊碼，或根據(jù)軟件的提示獲得免費注冊碼。免費軟件（Freeware）：用戶可以免費下載、使用，但不可作為商業(yè)用途，不可修改軟件。通常是那些在網(wǎng)上比較流行、但版權(quán)商已經(jīng)無法控制其市場的軟件，以及在新版本面市后被淘汰的低版本軟件，或一些專門為科技工作者或教育工作者開發(fā)的公益性軟件。后者如ChemSketch。捐贈軟件（Donateware）：用戶不僅可以免費下

15、載、使用，還可以根據(jù)軟件開發(fā)者無償提供的原代碼進行修改或增加功能。Donateware又稱為“明信卡”軟件（Postcardware）。演示軟件（Demoware）:在某些新軟件正式問世前，開發(fā)者往往在網(wǎng)上提供軟件的演示版本，向人們展示軟件的畫面或主要功能。用戶可以在軟件上體會到它的主要優(yōu)點，但不能完全使用。（6）按軟件的內(nèi)碼和所支持的語言劃分可以劃分為中文版、漢化版、英文版和其他外文版。例如，chemwindow3就有中文版、英文版和其他外文版之分，下載時要注意區(qū)分。另外，雖然中文版、漢化版都是中文界面，都支持中文，但它們是有區(qū)別的：前者本身就是一個中文軟件，后者只是對原版外文軟件的漢化，即

16、把原本英文的界面，如菜單、按鈕、對話框、幫助文件或提示中文化。筆者的實踐表明，部分漢化版軟件存在缺陷（bug）。因此，用戶在選擇軟件版本時，筆者的建議是：如果英文好，可選用原汁原味的英文軟件。如果英文不好，應(yīng)優(yōu)先選擇中文版，其次再考慮漢化版。如果漢化版本較多，應(yīng)選擇漢化質(zhì)量最好、版本號最高的漢化程序。（7）按其他屬性劃分例如，按軟件開發(fā)所處的階段性和發(fā)布的目的性，將學科工具軟件劃分為演示版（Demo Version）、測試版（Beta Version）和正式版(Final Version)。按功能的全面性，將學科工具軟件劃分為迷你版（mini）、標準版（standard）和增強版、專業(yè)版（pr

17、ofessional）。4 學科工具軟件在教育教學中的應(yīng)用學科工具軟件之所以能夠應(yīng)用于教育教學，并發(fā)揮越來越重要的作用，一方面得益于軟件設(shè)計者獨特、巧妙的教學設(shè)計和功能模塊設(shè)計，另一方面有賴于現(xiàn)代化的多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學媒體的廣泛應(yīng)用，當然最重要的還是學科教師獨具匠心的教學設(shè)計，以及學習者的自主學習能力和探究精神。4.1 輔助學科教學化學教師可以充分挖掘和利用化學工具軟件的教育功能，通過網(wǎng)絡(luò)或投影儀動態(tài)演示有關(guān)化學教學內(nèi)容以傳授知識，動態(tài)演示如何利用工具軟件解決化學問題以培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，演示化學（實驗）現(xiàn)象、化學過程，揭示化學原理，加深對抽象的化學概念的理解，完成復習舊課、講授新

18、課、鞏固新課、課堂測驗（練習）、布置作業(yè)等教學環(huán)節(jié)。例如，利用Corel ChemLab和Model ChemLab模擬化學實驗，利用ChemSketch動態(tài)繪制復雜的化合物分子結(jié)構(gòu)和化學方程式，歸納總結(jié)分子結(jié)構(gòu)、化學反應(yīng)與價鍵結(jié)合的規(guī)律，動態(tài)地組裝化學實驗裝置等。利用ChemSketch的Show 3D和Model ChemLab的Molecule Viewer清晰、方便地演示分子的立體結(jié)構(gòu)圖和三維動畫。這樣的動態(tài)演示可以調(diào)動學生的學習興趣，緊緊抓住學習的注意力，有利于培養(yǎng)學生形象思維和邏輯思維。除了應(yīng)用于課堂教學外，化學教師也可指導學生利用化學工具軟件進行自主學習、獨立探究和嘗試解決化學問

19、題，或?qū)δ承碗s問題，進行合作學習和協(xié)同探究。數(shù)學（幾何）、物理教師利用幾何畫板進行課堂教學，指導學習利用幾何畫板進行數(shù)學、物理問題的探討，已經(jīng)是非常普遍的現(xiàn)象了。4.2 輔助課件及其素材制作層出不窮、功能強大的學科工具軟件使得非計算機專業(yè)的學科教師制作出優(yōu)秀的、實用的多媒體課件成為輕松愉快、富有成就感的工作。以化學為例，現(xiàn)在越來越多的化學教師體會到利用化學工具軟件輔助教學、制作課件和素材的優(yōu)越性。筆者曾多次指導化學教師利用ChemSketch制作課件和動畫，優(yōu)化教學設(shè)計，上多媒體CAI公開課、優(yōu)質(zhì)課及說課，取得了很好的教學效果。利用ChemSketch豐富的模板，強大的繪圖功能和導入、導出功

20、能，可以制作出豐富多彩的圖形、圖像素材，還可以配合微軟的Camcorder或Lotus的ScreenCam或Snag it捕獲屏幕動畫，作為多媒體課件的素材。4.3 培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造實踐能力幾何畫板被譽為21世紀的動態(tài)幾何，數(shù)學（幾何）和物理教師利用幾何畫板培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造實踐能力，國內(nèi)外已有許多研究成果和典型教學案例。李克東教授提出，“利用各種工具、平臺，讓學生利用平臺創(chuàng)造作品”“培養(yǎng)學生的藝術(shù)創(chuàng)作能力”“培養(yǎng)學生的信息組織能力”。并且提出了創(chuàng)造思維和創(chuàng)造能力的兩個層次，“一是科學創(chuàng)造層次，如科學家提出新的學說，發(fā)明家發(fā)明新的產(chǎn)品等；二是個體自身潛能的開發(fā)和發(fā)展層次。對于中小學

21、生，其創(chuàng)造性并不是要像科學家、發(fā)明家那樣要完成一項具有特殊意義的產(chǎn)品（一種理論、思想或一種成品），而是指對學習者個體自我潛在智能有意義的開發(fā)和發(fā)展。這種層次的創(chuàng)造思維能力是第一層次的基礎(chǔ)。”3。隨著化學工具軟件的普及，利用化學工具軟件培養(yǎng)學生基礎(chǔ)層次的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造實踐能力將成為化學教師進行教學研究與實踐探討的熱點。例如，利用ChemSketch總結(jié)化學價鍵的規(guī)律，化合物（如同系物、同分異構(gòu)體）分子結(jié)構(gòu)的規(guī)律；利用Molecule Modeling, MathLab嘗試進行復雜分子的設(shè)計和建模等。4.4 促進計算機學習和外語學習學科教師利用學科工具軟件進行課堂教學演示、教師指導學生利用化學工具

22、軟件自主學習、獨立探究和嘗試解決化學問題的教學實踐本身就具有很強的示范作用，學生看到并體念了計算機和網(wǎng)絡(luò)的強大功能，從而激發(fā)起學習計算機和網(wǎng)絡(luò)的興趣和熱情。這實際上是計算機和網(wǎng)絡(luò)教育的擴展和延伸。此外，由于目前的學科工具軟件，特別是化學工具軟件，多數(shù)是外文軟件，其菜單命令（Menu Command）、工具按鈕（Tool Button）、對話框（Dialogue Box）、即時幫助（Instant Help）、幫助文檔（Help Documents）、軟件使用教程（Software using Tutorials）和教學電影（Teaching Movies）都使用純正、地道的外語（包括計算機外語

23、和學科專業(yè)外語）。這一方面增加了學生使用學科工具軟件的難度，同時也為學生提供了學好計算機、網(wǎng)絡(luò)和外語的契機。學生在學科教師的指導下學習使用學科工具軟件和利用學科工具軟件解決學科專業(yè)問題的過程，實際上也就是他們學習和熟悉純正、地道外語的過程。而計算機、網(wǎng)絡(luò)和外語正是21世紀的學生必須具備的現(xiàn)代信息技術(shù)素養(yǎng)的核心組成部分。目前，作為加入WTO的應(yīng)對措施，我國教育界正在努力實踐在學科教學中實行雙語教學。筆者認為，對化學教師來說，外文版的化學工具軟件就是理想的雙語教學材料。5 學科工具軟件與通用工具軟件、課件、積件的區(qū)別學科工具軟件不同于通用工具軟件，因其具有學科專業(yè)性和教育性。它也不同于普通課件即第

24、一代教學軟件，因為常規(guī)課件事先由教學設(shè)計確定，有固定程序，情節(jié)定型，模式化，封閉，不能再編輯修改，而學科工具軟件則是為教師和學生提供可以對學科教學內(nèi)容進行創(chuàng)作和信息加工處理的工具平臺教師恰當?shù)剡\用它，可以創(chuàng)造性進行學科教學；學生恰當?shù)剡\用它，可以創(chuàng)造性地學習探究、解決原本相當棘手的學科專業(yè)問題。因此，用學科工具軟件創(chuàng)作的課件、素材和課例（教學設(shè)計）是“活”的、開放性的，可以隨時隨地再編輯、修改，進行有創(chuàng)造性地、深層次的“二次開發(fā)”。這與第二代教學軟件即積件系統(tǒng)有相似之處，但兩者各有特色學科工具軟件是解決學科專業(yè)問題、創(chuàng)作或輔助創(chuàng)作課件、積件的原創(chuàng)性工具平臺，同時也是對它們進行創(chuàng)造性地、深層次加

25、工處理的“二次開發(fā)”工具平臺。而積件系統(tǒng)則主要是積件的組合平臺，在組合功能和方便易用性方面比較突出，但目前的積件系統(tǒng)大多數(shù)本身并不提供原創(chuàng)工具平臺。由于優(yōu)秀的學科工具軟件是“活”的教學平臺和創(chuàng)作平臺，較之于課件和積件，更有利于發(fā)揮師生的創(chuàng)造性和個性，更能夠適應(yīng)千變?nèi)f化的現(xiàn)實課堂教學，因而更受廣大師生喜愛。6 結(jié)論學科工具軟件是一種重要的、特殊的學科教育教學資源。學科工具軟件、信息技術(shù)與課程整合兩者之間有著密切的聯(lián)系從學科工具軟件的產(chǎn)生、發(fā)展的邏輯上看，我們可以把它歸結(jié)為信息技術(shù)與課程整合的必然產(chǎn)物，而從學科工具軟件在學科教育教學中的作用上來說，學科工具軟件是實現(xiàn)信息技術(shù)與課程整合重要的軟件基礎(chǔ)

26、，它可以稱得上是信息技術(shù)與課程整合的“粘合劑、催化劑和加速劑”。學科工具軟件代表了學科教育教學資源的未來方向，是計算機輔助教學的發(fā)展趨勢。學科教師充分發(fā)揮各學科工具軟件在教育教學中的積極作用，有利于充分挖掘計算機和網(wǎng)絡(luò)教育資源的利用率和潛力，有利于把學生從網(wǎng)上聊天、網(wǎng)上游戲、網(wǎng)上視聽娛樂、網(wǎng)戀導向到學科專業(yè)學習以及以計算機、網(wǎng)絡(luò)和外語為核心的信息技術(shù)的學習與掌握這樣正確的方向上來，有利于學校和教師實施創(chuàng)造教育，把培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐能力落實到課堂教學和實踐教學環(huán)節(jié)中去。而這一方面要求我們加強師資培訓，另一方面也要求學科教師平時注意積累本專業(yè)領(lǐng)域和相關(guān)領(lǐng)域的學科工具軟件，加強自學研習，做到既要創(chuàng)造性地挖掘?qū)W科工具軟件的教育教學潛力，同時又要注意引導，避免學生對學科工具軟件的過分依賴而帶來的負面影響。參考文獻1 2 http:/chin.icm.ac.