课程演示系统（通用7篇）
课程演示系统 篇1
“信号与系统”课程是电气信息类专业的基础课,理论性强,学习难度大,互动性强的演示系统有助于课程的教学开展。近年来国内高校针对课程演示平台的开发进行了大量工作。有代表性的包括:金波等设计的“信号与系统”实验演示系统涵盖了课程中20 个实验内容,系统实现了计算过程的可视化与人机互动[1]。李秀梅等开发的“信号与系统”课程图形用户(GUI,Graphical User Interface)演示系统包括信号的基本运算、信号卷积、LTI连续及离散系统、采样定理、傅里叶级数展开、滤波器设计六个模块[2]。俎云霄等开发的同类系统分为连续时间信号与系统、离散时间信号与系统两大模块,每个模块中包括五个子模块,分别是信号的时域性质及卷积、信号的傅里叶变换、拉普拉斯变换、z变换、系统频率响应、通信系统等,同时该系统可生成exe文件,在无Matlab环境下运行[3]。杜世民等开发的教学仿真平台以“信号与系统”课程教学内容为主线,内容涉及了信号时域分析、系统时域分析、连续周期和非周期信号频域分析、系统频域分析、连续信号与系统s域分析、离散信号与系统z域分析七个模块[4]。
上述系统基本以教学内容为主线,将各知识点演示,可作为课堂教学的辅助,亦可作为学生课后复习使用。笔者团队开发的教学仿真演示平台,同样基于Matlab的图形用户界面开发环境设计实现,平台中除包含课程教学核心内容外,着重在动态演示、工程应用方面加入实例,目前平台中包括通信领域的调制与解调、语音信号处理、图像处理领域的工程应用等。
1 教学仿真演示平台整体框架和功能介绍
1.1 系统框架
根据“信号与系统”课程教学内容和教学目标,设计的教学演示平台包含四个方面:信号的表示、信号处理、系统分析、工程应用四大模块,同时为了方便用户查看知识点,平台中设计了帮助系统。Matlab中的图形用户界面,具有良好的交互性,方便课程知识点的仿真演示[5]。演示平台整体框架如图1 所示,图2是平台主界面图。
1.2 平台功能介绍
1)信号的表示:该功能模块主要用以演示典型连续与离散时间信号的波形。系统提供了八种典型信号可供选择,信号的基本参数可选择,同时在界面中提供信号波形生成的代码;
2)信号处理:信号处理模块包括信号的基本运算、信号分成与分解、信号的傅里叶变换域频谱分析。其中基本运算包括对信号时间变量的运算、对信号值的运算以及信号的卷积,信号的傅里叶变换模块中,提供多种信号频谱进行演示。信号合成模块给出方波和锯齿波两类信号傅里叶级数展开的动态合成过程。部分演示界面如图3所示;
3)系统分析
该部分包括离散时间系统分析和采样系统的过程演示两大模块。离散时间系统分析根据手动选择系统零极点位置,动态展示系统单位样值响应、系统频谱响应之间的关系。采样系统可展示连续时间信号欠采样、临界采样、过采样三类状态下信号的频谱以及复原过程;
4)应用模块
目前该模块包括三个应用领域:通信系统中的调制与解调、语音信号分析、图像信号处理。其中语音信号分析包括语音信号生成、语音信号分析、语音信号处理三个实例,主界面见图4;
5)帮助模块
为方便查看课程知识点,本演示平台中设计了帮助模块,其界面如图5所示,方便用户使用过程中查询相关知识点。
2 典型模块举例
2.1 动态演示模块举例
为配合教学,本平台中加入了动态显示的模块,用以阐述信号运算过程或系统的特性。信号基本运算模块中加入了离散信号卷积的动态显示部分,可清晰揭示卷积的图解过程,帮助学生理解卷积的本质和运算过程,其界面和结果图如图6所示。连续时间信号的傅里叶级数分解一直是学习的难点,设计的演示系统中给出了方波和锯齿波信号合成的动态过程,通过该演示界面,可直观了解连续时间信号傅里叶级数展开的原理,并观察吉伯斯现象,该界面图如图7所示。图8是离散时间系统分析的演示界面图,可实现人工选择系统零极点位置,由此动态演示系统频率响应、求解系统单位样值响应的整个过程,该实例将有效帮助学生理解系统零极点图与系统频率响应的关联性,深刻认识系统滤波的概念。
2.2 工程应用举例
“信号与系统”课程中理论知识点较多,与工程实践的结合是教学改革的趋势[6]。笔者参考了部分教材中的应用实例[7,8,9],选择了通信、语音信号处理和图像处理三个领域的工程实例作为仿真演示实例。调制和解调是“信号与系统”课程的重要知识点,通过演示界面,直观地给出信号调制和解调的全过程,特别是调制前后时域和频域的波形,其界面图如图9所示。语音信号和图像信号是两类常用工程信号,有众多工程应用,笔者选择语音信号合成、语音信号分析作为初步的演示实例,同时配合课程教学中的系统分析应用,将语音信号回声消除系统进行展示,上述界面图如图10-12 所示。同时,平台中将利用小波变换进行图像去噪的实例作为工程应用的实例之一。
3 总结
本文介绍了“信号与系统”课程教学演示平台的主要功能,特别详细介绍了面向工程应用的几个实例和动态演示实例。该教学演示平台互动性强,可为教学的有益辅助。目前,该教学仿真演示平台仅涉及了三个应用实例,今后可扩展至更多领域,将工程案例与理论教学有机结合。目前,笔者团队正在扩展语音信号分析与处理、图像处理模块的内容,将更多应用案例加入平台中。
摘要：“信号与系统”是电气信息类本科专业的基础课之一,该课程理论性强,学习难度大。将信号运算、频谱分析、系统分析等知识点利用仿真演示平台配合传统教学,有助于学生掌握教学内容。开发的信号与系统教学仿真演示系统包括信号处理模块、信号和系统分析模块、信号处理应用模块、帮助模块等。该系统应用Matlab中的图形用户界面编程实现,具有良好的互动性。为配合教学,演示系统中包括了常用信号运算、信号分解、信号频谱分析、卷积运算、系统频率响应分析及各类应用等,同时为结合工程应用,系统中包含在通信、语音信号处理、图像处理领域的应用实例。该演示平台可作为传统教学的补充和辅助。
关键词：信号与系统,Matlab,教学仿真演示平台,图形用户界面
课程演示系统 篇2
图形用户界面开发环境(Graphical User Interface Development Environment,GUIDE)是Matlab软件中的一个向导设计器，这一向导设计器是为GUI而专门设计的。通过图形用户界面开发环境可以方便地按照用户要求进行设计，且设计出的图形用户界面容易操作[3,4]。应用Matlab GUI的交互式教学平台，学生便可将精力放在计算结果的分析和理解上，而不是放在编写Matlab程序上。
2 系统方案设计
利用Matlab R2011b(7.13.0.564)的Guide工具箱设计和实现了《数字信号处理》课程实验系统平台的图形用户界面，系统由4个GUI界面构成:用户登录界面、系统主界面及两个子模块界面。整个系统结构示意图如图1所示。
界面布局采取自顶向下模式设计方法，即界面布局设计的顺序是先设计主界面和引导界面，然后再设计子界面。编写回调函数采取自底向上的顺序进行，即先编写所有的子界面的回调函数，然后再编制引导界面和主界面的回调函数[5]。
交互式教学系统设计的思路和流程如下:(1)设计交互式教学系统的主界面、引导界面和两个子界面。这些界面的设计可以使用Matlab中的Guide所提供的用于建构用户图形界面的一系列工具。(2)用回调函数编制两个实验子界面中的所有控件对象所需的一系列程序，以达到实现控件所对应的控制功能，实现可通过界面上的控件直接控制数据的输入，并直接、方便地实现对实验内容和结果进行对照分析。(3)用回调函数编写系统引导界面和主界面的程序，通过这些程序实现将两个子界面整合起来。
该GUI界面左侧以静态文本(static text)给出实验者姓名和学号及指导老师姓名等信息。右边是两个pushbutton按钮，通过回调函数callback点击后分别进入下一级系统子界面，并关闭当前GUI界面。
3 课程内容设计
系统子界面有两大子模块:模块一为离散信号和系统及DFT和FFT;模块二为滤波器设计及语音信号处理。两个子界面如图3所示。
离散信号和系统及DFT和FFT子模块包含内容繁多，界面设计主要使用Guide中的菜单编辑器(Menu Editor)创建自定义用户界面菜单对象uimenu的方式来实现课程体系内容的仿真。点击界面中的close控件后，会关闭当前界面同时再返回主界面。点击clear控件后，会在任何情况下清除坐标轴中的图形。该控件对象的回调函数程序段:
滤波器设计及语音信号处理子模块采用控件对象uicontrol的方式来实现滤波器设计中要求的参数可变功能。Matlab的GUI的基本图形对象分为控件对象uicontrol和用户界面菜单对象uimenu，简称控件和菜单。
3.1 离散信号和系统及DFT和FFT模块
离散信号和系统及DFT和FFT子模块包括:常用典型序列的产生、基本运算、离散线性时不变系统(离散LSI)、时域离散傅里叶变换(DTFT)、离散傅里叶级数(DFS)、离散傅里叶变换(DFT)及DFT和FFT的应用等。
信号一般分为时域连续信号和时域离散信号，其中时域离散信号也称为时间离散信号或序列。在数字信号处理中，序列是其处理核心，同时，序列也是离散系统的载体，所以本实验系统平台的设计首先要对基本典型有一定的认识和了解，掌握其产生方法。系统选取9种典型序列进行学习，即单位采样序列、单位阶跃序列，矩形序列、斜坡序列、正弦序列、实指数序列、复指数序列、随机序列、周期序列。针对序列的基本运算有相加、相乘、移位、翻转、尺度变换、奇偶合成、及线性卷积等[6]。
课程系统在演示对DFT物理意义的理解时，设一个长度为M的有限长序列x(n)，其相应的Z变换和N(N≥M)点DFT分别为
通过比较上式可得如下关系
式(3)说明序列x(n)的N点DFT是x(n)的Z变换在单位圆上的N点等间隔采样。式(4)表明X(k)为x(n)傅里叶变换X(ejw)在区间[0,2π]上的N点等间隔采样。这就是DFT的物理意义[7]。
点击“DFT物理意义”菜单选项后，得出矩形序列x(n)=R4(n)的16点和32点DFT，结果如图4所示。可知，X(ejw)在频率[0,2π]上的16点和32点等间隔采样，分别为16点和32点DFT。即验证了DFT的物理意义。
频域采样定理规定:对于有限长序列x(n)，其长度为M，只有当频域采样点数N≥M时，才有
即可由频域采样X(k)恢复出原序列x(n)，否则将产生时域混叠现象。点击“频域采样定理验证”菜单选项后，通过长度为M=26的三角形序列x(n)来验证其理论。运行结果如图5所示。
如图5所示，当采样点数N=16<M=26时，x16(n)等于原三角序列x(n)以16为周期的周期延拓序列。但由于存在时域混叠失真，故x16(n)≠x(n);当采样点数N=32>M=26时，不再有时域混叠失真，x32(n)=IDFT[X32(k)]=x(n)。
点击“不同采样点数N的FFT幅频图”菜单选项后，画出了一个由15 Hz、幅值为0.5的正弦信号和40 Hz、幅值为2的正弦信号组成的信号的N=128点和N=1 024点的幅频图，数据采样频率Fs=100 Hz。运行结果如图6所示。
从图6分析，由于采样频率Fs=100 Hz,Nyquist频率为Fs/2=50 Hz。整个频谱图以Nyquist频率为对称轴。并可明显识别出信号中含有15 Hz和40 Hz两种频率成分。由此可知傅里叶变换的数据对称性。因此，利用FFT对信号作谱分析时，只需分析0～Nyquist频率方位的频谱特性即可。
3.2 滤波器设计及语音信号处理模块
滤波器设计及语音信号处理子模块包括:IIR滤波器和FIR滤波器的低通、高通、带通的设计、原始语音信号和加噪后信号的时域和频域分析、加噪信号通过设计的各种滤波器后的时域和频域分析以及语音处理前后的回放等功能。
本课程演示系统关于滤波器设计所能实现的功能任务有:(1)能够实现人机交互。(2)滤波器的幅频响应显示在主界面中，同时以figure形式弹出其幅频和相频特性，以便截图。(3)采样频率Fs、通带截止频率Fpass、阻带截止频率Fstop、通带最大衰减Apass和阻带最小衰减Astop都能通过动态文本编辑框控件来实现参数的实时改变。Apass和Astop参数的可变性对IIR和FIR的低通、高通滤波器均有效。带通滤波器的参数设置已固定，通带上、下边界频率分别固定为1 200 Hz和3 000 Hz，阻带上、下边界频率分别为1 000 Hz和3 200 Hz。
根据后边语音信号的特点，指定具体参数指标的滤波器设计如图7所示。
使用PC机上的声卡和WINDOWS操作系统可进行语音信号的采集、加噪、处理及回放等[8,9]。系统选取自身剪切的歌曲作分析，文件后缀都默认为.wav，这是Windows操作系统规定的声音文件存的标准。文件的时间长度为t=6.134 s，采样数据点数为N＿data=49 068。首先，调用Matlab中的rand或randn随机函数产生噪声，并将噪声加入到语音信号中，仿真污染了语音信号，在此基础上分析其频谱。通过对上述的加噪声处置后，可调用sound函数进行回放声音，可聆听感受加噪前后声音变化情况;然后，再通过利用前面自行设计的各滤波器分别对加噪的语音信号进行滤波处理，其处理过程如图8所示。
语音信号经相应滤波器的处理后，可通过点击其对应的Playback分别回放FIR和IIR的低通、高通、带通滤波后的声音。
4 结束语
基于Matlab设计了一套适应于《数字信号处理》课程的交互式教学平台，该平台利用Matlab的图形用户界面(GUI)设计工具，保证了一定的开放性。该平台采用图形交互界面，不仅可用于实验教学和辅助理论教学，且操作起来较为方便、直观。实践证明，该教学实验辅助平台具有良好的教学效果，提高了同学对课程理论的理解和内容的掌握。
参考文献
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课程演示系统 篇3
密码学课程是计算机专业信息安全方向的主要课程之一,该课程的主要目的是让学生能够学习、理解和掌握一些常用密码算法的加密和解密原理。但由于密码学算法的原理过于抽象和复杂,以至于很多学生在学习这些算法时往往感到比较困惑,进而容易产生厌烦的学习心理,从而使其学习的主动性和积极性也受到了一定的影响。[1]其中,造成密码学算法教学困难的原因主要有如下几点:首先,教材中涉及算法讲解的内容不够详细,多是一些关键概念的图示,缺乏对算法的详细描述;其次,算法的执行过程对学生而言是透明的,学生无法直观的观看到算法的执行过程以及算法执行过程中相应数据结构的动态变化情况;最后,在传统的教学模式下,教师借助黑板和演示文稿等教学资源对算法只能进行抽象的语句讲解和静态的算法描述,而不能进行直观的交互操作和动态的过程演示。
为了解决以上教学难题,人们提出了算法演示的概念,所谓的算法演示,就是把算法的运行与数据结构的变化有效的联系起来,不仅能够让学生观看到算法的执行过程,还可以让学生观看到算法相应数据结构的动态变化情况及结果。[2,3]基于这一思想,进行了密码学课程交互式算法演示系统的设计与开发,该系统在充分利用Windows编程面向对象和可视化技术优势的同时,又整合了Flash、Activex等技术,在很大程度上弥补了现有一些算法演示系统在动态性、交互性、灵活性以及算法和动画之间关联性等方面的缺陷。实践证明,该系统在密码学课程的实际教学应用中有效的促进了课程教学质量的提升。
1 系统的设计与实现
密码学课程中的关键算法主要有DES、3DES、AES等算法,鉴于这些算法演示系统的实现方法相似,以下仅以DES算法演示系统的实现为例来对整个密码学课程交互式算法演示系统的设计与实现进行说明。
1.1 需求分析
1.1.1 功能需求
为了能有效增强密码学课程算法教学的有效性、趣味性和应用性,要求系统能够实现如下几个方面的功能:一是实现DES算法整个加密过程与解密过程的直观演示;二是实现DES算法的动态交互演示;三是实现算法与动画的关联演示;四是可以利用DES算法对任何格式的文件进行加密以及对相应加密文件的解密。
1.1.2 学习者需求
为了能更好的促进学习者的学习,要求系统在实现以上功能的基础上,还应满足如下几个方面的学习者需求:首先,系统的界面设计一定要简洁,必须以方便学习者操作为原则,保证学习者能够在有限的时间内,就可以很好的掌握系统的界面操作;其次,允许学习者自由的输入数据,确保学习者可以观看到不同输入情况下的算法执行过程,以便能更好地理解算法的原理;最后,考虑到学习者接受知识的速度存在差异,因而可以通过调整算法演示执行时的延迟时间,来由学习者自主控制算法演示的速度,进而可以让学习者自行掌控算法的学习进度。[4]
1.2 开发工具和开发方案
1.2.1 开发工具
本系统的开发主要采用了Borland C++Builder 6.0、Flash和Activex等工具。其中,Borland C++Builder 6.0的开发环境中具有完善的软件开发工具,其事件驱动编程机制可以使软件开发人员高效地开发出基于图形用户界面的可视化应用程序;Flash是一款功能强大的多媒体制作工具,制作出来的动画非常生动形象,而且利用它所支持的Action Script脚本编程所编写的特定程序,可以很好的实现用户对动画的交互控制;Activex作为一个开放的集成平台,可以有效实现不同应用程序的整合。
1.2.2 开发方案
(1)本系统主要用于实现DES算法的直观演示,这就要求开发工具能够有效解决算法的运行逻辑问题,而Borland C++Builder 6.0所提供的事件驱动编程机制可以很好的解决这一问题,[5]因此,可以用其进行系统主体框架以及算法直观演示功能模块和算法应用功能模块的开发。
(2)为了使系统能够很好的实现算法的动态交互演示,可以充分利用Flash及其所支持的Action Script脚本编程技术在交互式动画制作方面的优势来进行算法动画演示功能模块的开发。
(3)利用Borland C++Builder 6.0开发环境所支持的Shockwave Flash这样一个Activex控件来实现系统主体框架与算法动画演示功能模块的整合。
1.3 系统结构和模块的设计实现
1.3.1 系统结构
系统包括DES算法直观演示、DES算法动画演示、DES算法应用和系统帮助四个功能模块,而DES算法直观演示模块又可划分为DES加密过程演示、子密钥生成过程演示、迭代加密过程演示、DES解密过程演示、迭代解密过程演示五个功能子模块。其中,系统结构图如图1所示:
1.3.2 模块的设计实现
(1)DES算法直观演示模块。该模块作为整个系统的核心模块,其各功能子模块的设计实现介绍如下:
(1)DES加密过程演示子模块。在该模块中,学习者根据系统的提示,在获取明文的静态文本编辑框中任意输入8个字符的明文后,系统将根据输入字符的ASCII值将明文以二进制和十六进制的形式显示,然后将64位二进制的明文经初始置换表IP置换,将置换后的数据进行16轮迭代加密运算,并依次输出各轮迭代加密运算的结果,最后将16轮迭代加密运算的最终结果经逆初始置换表IP-1置换,置换后输出的结果即为加密后的密文,到此系统便完成了DES加密过程的直观演示。[6]
(2)子密钥生成过程演示子模块。该模块不仅可以实现参与16轮迭代运算的每轮子密钥的随机动态生成,而且还能够以参与第一轮迭代运算的子密钥的生成为例,进行子密钥生成过程的直观演示。
(3)迭代加密过程演示子模块。该模块以第一轮迭代加密运算为例,从获取参与第一轮迭代加密运算的数据到生成参与第二轮迭代加密运算的数据为止,给出了第一轮迭代加密运算过程的演示。
(4)DES解密过程演示子模块。与DES加密过程演示子模块相似,整个DES解密过程的直观演示流程是模块获取待解密的密文后,将密文以二进制和十六进制的形式显示,然后将64位二进制的密文经初始置换表IP置换,将置换后的数据进行16轮迭代解密运算,并依次输出各轮迭代解密运算的结果,最后将16轮迭代解密运算的最终结果经逆初始置换表IP-1置换,置换后输出的结果即为解密后的明文。
(5)迭代解密过程演示子模块。同迭代加密过程演示子模块一样,该模块以第一轮迭代解密运算为例,给出了第一轮迭代解密运算过程的演示。
(2)DES算法动画演示模块。该模块通过Shockwave Flash这样一个Activex控件在系统中集成了一个Flash动画播放器,这样就能够将制作好的用于DES算法演示的Flash动画加载到该播放器中,然后学习者就可以根据播放器上的控制按钮对DES算法的动画演示过程进行交互控制。
(3)DES算法应用模块。该模块可以实现文件加密和文件解密两项功能,其中,文件加密功能用来实现DES算法对任意格式文件的加密,文件解密功能用来实现DES算法对相应加密文件的解密。
(4)系统帮助模块。该模块为学习者提供了系统的帮助信息查询功能,学习者可以通过该模块来详细的了解系统的操作方法。
2 系统的特点
2.1 动态性和交互性
系统的动态性和交互性主要体现在子密钥生成过程演示和DES算法动画演示两个模块上,其中子密钥生成过程演示子模块可以实现子密钥的随机动态生成,学习者只需要点击图2中的“生成随机子密钥”按钮就可以动态生成初始种子密钥,同时学习者还可以根据自己的需要来对动态生成的初始子密钥进行修改;DES算法动画演示模块中所集成的Flash动画播放器可以实现DES算法的动态交互演示,学习者可以根据自己接受知识的速度,通过点击图3中的“播放”、“暂停”、“上一步”以及“下一步”等相关控制按钮就能够对DES算法的动画演示过程进行很好的交互控制。
2.2 灵活性
学习者可以在DES加密过程演示模块中获取明文的静态文本编辑框内自由灵活的输入数据,如图4(a)和图4(b)所示,可以在获取明文的静态文本编辑框中任意输入8个字符。这样就能够让学习者从不同的角度来对DES算法的运行过程进行分析和理解,从而可以使学习者通过观察不同输入情况下的算法演示过程来更好的理解DES算法的原理。
2.3 算法和动画之间的关联性
系统可以同时打开DES算法直观演示和DES算法动画演示两个功能模块,只需在DES算法直观演示和DES算法动画演示两个模块中设置相同的明文和密钥,就可以有效实现算法和动画之间的关联。如图5(a)所示,在获取明文的静态文本编辑框中输入与图5(c)所示的DES算法动画演示所采用的相同明文“security”。同样,如图5(b)所示,在获取初始密钥的文本编辑框里输入与图5(c)所示的DES算法动画演示所采用的相同密钥“12345678”。然后在逐步进行DES算法直观演示的同时,通过点击DES算法动画演示模块中所集成的Flash动画播放器上的相关控制按钮来控制DES算法动画演示的进度,实现DES算法直观演示和动画演示的同步关联。
2.4 应用性
系统可以通过DES算法应用模块对任意格式的文件进行加密以及对相应加密文件的解密处理。如图6所示,学习者通过点击“DES文件加密解密应用说明”按钮,可以根据系统的提示说明进行文件加密与解密的演练操作,进而可以让学习者在掌握DES算法原理的基础上,对DES算法的实际应用有一个深刻的认识。
3 系统的教学应用
3.1 教学应用说明
系统的实现为密码学课程增添了一项非常重要的教学资源,其中系统的教学应用可以使密码学课程算法的教学按如下四个步骤来依次进行:
(1)教师根据教材上的文本算法为学生进行静态的算法描述、讲解和分析,让学生对算法的原理有一个初步的了解。
(2)教师借助黑板和电子演示文稿以图示的方式为学生讲解算法的原理,从而可以在原来的基础上,使学生对算法的原理有一个较为深刻的认识。
(3)教师通过该系统进行算法的演示教学,首先,利用算法直观演示功能模块,来逐步进行算法的直观演示;其次,运用算法动画演示模块进行算法的动态交互演示;最后,同时使用算法直观演示和算法动画演示两个功能模块来进行算法和动画的关联演示,通过以上演示操作来使学生很好的理解算法的原理。
(4)教师完成以上教学任务后,学生可以根据自己的实际学习情况对系统进行操作和演练,通过自己的动手操作和演练来更好的掌握算法的原理。在掌握算法原理的前提下,学生可以通过系统的算法应用模块来进行文件的加密和解密操作,进而帮助学生实现算法理论理解和实践应用的有效结合。
3.2 教学应用意义
3.2.1 从教师方面来看
系统的教学应用,一方面丰富了密码学课程的教学资源,实现了课程教学方法的多元化,对改进教师的授课方式发挥了重要作用;另一方面实现了传统教学方式与数字化教学手段的有效结合,帮助教师实现了传统的“以教促学”的教学方式向注重学生“自主学习”的教学方式的转变。
3.2.2 从学生方面来看
首先,系统实现了抽象算法的直观化和动态化的交互演示,帮助学生克服了算法学习的心理困惑,增强了算法学习的自信心;其次,对于数据的获取,系统提供了动态灵活的数据输入模式,从而可以让学生从多个角度来分析和思考问题,这对培养学生多角度综合分析问题的能力具有非常重要的意义;最后,系统除了可以实现算法的演示功能外,还提供了算法的实际应用功能,这样就可以使学生在掌握算法原理的同时对算法的实践应用也有了深刻的体会,对培养学生理论联系实践的意识,发挥了重要作用。
4 结论
密码学课程交互式算法演示系统的开发充分发挥了Windows编程和Flash技术的优势,有效的解决了当前一些算法演示系统在设计上所存在的问题。在实际的教学应用中,系统不仅可以作为教师课堂讲解算法的教学辅助工具,还可以作为学生课下自主学习算法的学习工具。系统的教学应用为密码学课程创设了数字化和支持学生自主学习的新型教学环境,很好的解决了密码学课程算法教学的难题。鉴于该系统在密码学课程教学中所取得的显著效果,很有必要将该系统的设计思想以及系统的教学应用方法在计算机其他相关课程如数据结构、计算机图形学以及操作系统等课程的算法教学中得以推广。
摘要：密码学课程是一门抽象复杂、学习枯燥、学生反映难度太大的课程。在充分地对学习者做了需求分析的基础上,针对如何增强课程的有效性、趣味性和应用性的教学难点,设计开发了密码学课程交互式算法演示系统。以DES算法为例,介绍了算法演示过程的动态性和交互性以及数据输入的灵活性等特点。系统解决了现有算法演示系统动态性差、缺乏交互以及难以在算法和动画间建立关联等问题,在实际教学应用中对改进教师的教授方式以及帮助学生更好的掌握复杂的密码学算法,取得了很好的教学效果。
关键词：密码学,DES算法,动画演示,直观演示,教学应用
参考文献
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课程演示系统 篇4
1 课程简介
《数据结构》是计算机科学的算法理论基础和软件设计的技术基础,它是计算机类及相关专业中一门重要的专业技术基础课程,是介于数学、计算机硬件和计算机软件三之间的一门核心课程。教学的目标主要的是培养学生掌握各种算法在时间和空间上技巧以及软件工程设计的能力。
1.1 课程特点
1)内容丰富。《数据结构》它是一门综合性的专业基础学科,其研究内容不仅涉及到数据元素的逻辑结构、存储结构和基本操作的算法在计算机中的表示和实现,而且还涉及到在检索信息时也必须考虑数据的组织结构,以便更方便、高效地查找、存取。
2)难度大。《数据结构》研究的范围既涉及到计算机硬件(编码理论、存储装置、存取方法等),又和计算机软件研究有着密切的联系,再加上它本身具有较强的理论性。
3)抽象性高。《数据结构》一方面它讨论是从简单的线性表到复杂的树、图等多种结构的抽象数据关系,另一方面又讨论抽象的算法在计算机运行过程中的实现。
1.2 课程内容
本课程主要介绍了线性表、串、树和图等几种类型的数据结构,以及使用这些数据结构进行程序设计时经常遇到的查找及排序等问题。其主要内容可分为:一是线性结构(线性表、栈、队列、数组和字符串等)的定义、存储和操作;二是非线性结构(树和图等)的定义、存储和操作;三是算法的定义、表示和实现。
2 问题提出
目前在各大院校,《数据结构》这门课程已不仅是计算机类专业的核心基础课程,而且也是非计算机类专业的热门选修课,所以给教学工作提出了更高的要求。以往只习惯于以教师讲授理论基础知识为主的、单一的、传统的教学模式必须改革,取而代之的要形成“直观、多视角、多途径”的教学模式通道,将抽象的数据关系、算法执行过程以浅显易懂的形式展现在学生面前、以此来激发学生的学习积极性和兴趣。
本文在上述背景下,为促进学生对《数据结构》课程学习的效果,笔者经过反复论证和研究,提出了“《数据结构》课程演示教学模式系统软件”的开发方案,将数据逻辑关系、算法等内容以演示形式生成和描述出来,这样更有助于帮助学生理解。
3 方案总体结构
如图1所示,演示教学模式系统是以普通微机系统(如:笔记本电脑或PC机)为主系统,通过C语言连接,将《数据结构》课程中的内容生成的抽象数据,在屏幕上以动漫的形式显示出来。
4 系统实现
4.1 环境平台
硬件:笔记本电脑Acer 4745G(配制:英特尔I5处理器2.66GHz/4GB内存)。
软件:Windows XP、C语言,在TC2.01下编译通过并运行。
4.2 软件设计
本系统采用C语言编程,由于它具有丰富的数据结构、强大的图形处理能力,并可通过指针操作方便地存取内存数据,此外,在标准库函数中提供了一些输入和输出的函数,以便来完成I/O操作。因此,用C语言作为媒介来完成该系统的设计是可行的。
4.2.1 系统构成
如图2所示,本系统软件由主控模块、生成模块、用户自定区模块和数据演示模块等四大部分组成。其功能如下:
1)主控模块功能:主要完成系统的初始化,参数的设定,演示功能(如:线性表、栈、查找、排序、树和图等生成)的选择以及对用户自定区的程序进行汇编、连接、装入、启动、运行到结果的返回显示等。
2)生成模块功能:完成《数据结构》课程中几个主要内容(如:线性表、串、树、图等)的生成、演示。
3)用户自定区模块功能:它是一个独立的软件包,专供用户(学生)使用。用户(学生)可根据自己的兴趣将《数据结构》课程中其它内容编制成程序,由主控模块把自编程序经压缩处理后装入用户自定区模块中,并生成文件模块号(即在参数映象区得到运行程序的启址),以便运行或调用。
4)数据演示模块:主要完成《数据结构》课程中需要生成、演示的内容。它可将生成内容运行的中间结果和最终结果送到屏幕上进行动漫显示,从而形成了“直观、多视角”教学模式。
4.2.2 生成系统模块软件设计
由图2所示,生成系统由生成模块软件和用户自定区模块软件构成,它是本系统的核心。在设计的方法上采用了模块化、标准化软件模式,供用户(学生)反复演示本系统所提供的或自编程提供的数据结果,极大地丰富了软件资源。
1)参数映象区设定。演示教学模式系统专门为软件设计人员设置了一个区域,供主控系统与生成系统之间参数传递使用。因此,主系统程序只要通过访问映象区就能得到一个用户自生成模块程序的首址,然后去运行该模块程序。其设定格式如图3所示。
2)生成模块软件。介于该文篇幅的限制,只选择了《数据结构》课程中的几个主要内容进行设计思想的介绍。
一是线性表生成子模块。完成对线性表中的数据元素进行插入(删除)运算的操作,并将每一步的运算结果在屏幕上以动漫形式显示出来。源程序如下:
二是树生成子模块。源程序如下:
三是排序(冒泡)算法生成子模块。源程序如下:
只要将上述程序进行编译、连接就可生成执行文件,从而来实现系统的运行。
5 结束语
以C语言为媒介,设计的《数据结构》课程演示教学模式系统,它的成功实现,将会极大地改善以往的传统教学模式,更有效地提高学生的学习兴趣、实际动手能力和学习成绩。这项研究开发工作还只是刚刚开始,还待于在教学实践中不断总结和完善。
参考文献
[1]陈慧南.数据结构——C语言描述[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2009.
[2]梁翎,李爱齐.C语言程序设计实用技巧与程序实例[M].上海:上海科普出版社,1996.
课程演示系统 篇5
1.运用微课程丰富学习资源, 激发学生兴趣
微课资源主要是短时频与配套的辅助资源, 通常仅占大约几十兆容量, 而且可通过网络在线播放微课视频, 教师与学生借助网络媒体即可在线学习, 学生还能下载微课资源并将其保存至mp4、手机、平板、笔记本电脑等终端设备上, 进行移动学习。物理基础、学习能力不同的学生均可根据个人需要在课余时间学习和复习知识, 选择性强, 在查漏补缺的同时也能巩固已学知识。比如, 教师采用微课程放大磁感线、万用电表、量筒、天平等演示实验的演示过程, 运用特写镜头向学生展示仪器的关键部位与重要的操作步骤, 方便学生学习和掌握规范的操作方法, 以及通过课后观看巩固知识、一些演示实验比较复杂、抽象, 只观看一次学生很难捕捉到所有关键点, 掌握程度不足, 而学生下载微课后, 就能在按照自身需求多次观看、深入学习, 达到全面理解和掌握的目的。学生在以往的课堂教学中, 主要的学习资源就是物理教材, 在学习时以教师为主要知识来源。但微课程则可以为学生提供十分开放、丰富的学习资源, 突破时间和空间的限制, 学生能各取所需, 有效学习。磁场、电流、声波电磁波等物理知识点比较抽象, 学生无法观察或感觉到, 教师的口头讲述也难以激发学生兴趣。微课程的引入可以形象化展示相关的信息资料, 促进学生思维发散, 并且可以向学生展示一些现象不明显或难以演示的物理实验, 丰富学生的感性认识。
2.运用微课程呈现演示实验, 提高教学效率
微课程的时间大约为10 分钟, 内容精悍, 能够将演示实验高效、完整、成功地展示给学生, 使教学有效性提高。比如, 进行实验“光沿直线传播”时, 要用激光灯对着充满烟雾的瓶子照射, 从而将光沿直线传播的现象展示给学生。然而在课堂上教室已经存在较强的光线, 学生在观察时现象比较不明显、不清晰, 导致效果不理想。因此教师可提前选择光线适合的方向完成该实验, 用摄像机、手机等装备录制实验过程, 将其制作为微课, 播放给学生, 这样实验现象就变得十分清晰, 便于学生观察。又如, 在物理实验“测量电阻阻值”中, 学生除了要能正确连接电路, 还要准确读出电压表、电流表的读数, 然而实验器材等因素会限制实验的进行, 特别是后排学生会感到视角小, 无法准确读数, 所以实验之后难以掌握电压表及电流表的连接方法。为解决该问题, 教师可通过微课程的方式呈现该实验, 拉近镜头放大电压表和电流表的读数, 采用慢镜头演示如何连接电压表和电流表, 方便学生学习。这样学生在课堂上可以直接观看一次性成功的实验, 而且可以清楚观察到关键部分, 节约了无用时间, 使教学效率大大提高。
3.运用微课程优化实验教学, 实现交互学习
一些演示实验的现象虽然清晰, 但产生实验现象的过程却很短暂或不明显, 导致学生在完成实验后始终不明白为何能产生该现象, 不清楚各物理量在实验中的关系。通过微课程教师可以将物理量的关系与变化细节通过动画、图片等形式展现出来, 帮助学生深入理解实验原理、过程与结论。微课程还能使演示实验的可见度提高。决定演示实验能否成功的重要因素就是实验现象是否直观、明显, 有时我们要定量分析实验结果, 所以其精度必须满足一定的要求, 然而实验操作、器材等因素都可能影响实验过程, 降低结果的可见度, 微课程则能在向学生呈现干扰最小时的实验过程, 避免出现较大误差。同时, 微课程还能用于展示和原子物理、分子动力理论等有关的演示实验, 采用图片、视频等形象化原本抽象的物体, 加深学生的理解与记忆。一些演示实验的物理变化或速度太快, 其现象也转瞬即逝, 学生难以捕捉。所以教师可利用微课程加以演示, 并且适当调节实验进程, 反复播放, 方便学生观察。除此之外, 微课程可以提高教学的交互性, 增进师生、生生之间的交流和互动, 当学生在学习中产生疑问时, 既可以向教师求助, 寻求指导和解答, 也可以和其他学生共同讨论, 攻克难题。而教师也能全面了解学生的学习情况, 根据反馈信息调整教学进度, 改进不足之处。
课程演示系统 篇6
目前, 一些学校的教师在讲解机械原理课程时, 利用教学模型、展柜、录像带等形式替代了传统的黑板、挂图等教学工具, 达到了一定的教学效果。但是这仍然存在一些缺陷。一方面, 教学模型、教学展柜等工具, 虽然可以动, 但教师没法一边动, 一边做详尽的分析;另一方面, 由于课时的限制, 机械原理课程中许多基本理论和概念很难在课堂上反复讲解, 课后学生复习时, 因为没有对应的工具, 学习效果会大打折扣。而软件的应用克服了上述的各种问题。
利用绘图软件等制作出一些动态演示课件, 不仅可以控制动画的播放时间, 而且可以实现在任意位置的停留, 以便做进一步的讲解。同时, 将课件拷贝给学生, 学生在复习的时候可以根据自己的兴趣反复演示。通过这样的教学方法可使得教学形象生动, 不仅提高学生的学习兴趣, 也能使学生们加深对所学内容的理解, 提高学习效率。下面具体举两个例子来阐述动态演示教学相对于传统教学的优势。
例如, 在平面四杆机构的演化形式教学中, “通过改变运动副的尺寸得到不同的机构”这部分内容, 由于涉及运动副尺寸的变化, 很难通过挂图、教学模型、教学展柜来体现“变化”这一过程。而通过动态演示的过程 (见图1) , 则可以轻松实现。图中, 通过动态变化的效果, 充分展示出通过改变运动副B的尺寸大小, 实现了由“曲柄滑块机构”向“偏心轮机构”演变的过程。
又如, 介绍“渐开线的形成”的概念中提到:当一直线BK沿圆周做纯滚动时, 直线上任意点K的轨迹AK就是该圆的渐开线。此处如果利用模型, 学生很难看清楚任意点K所扫过的轨迹的过程。采用动态演示的方法 (见图2) , 则可清晰地看到从A—K3—K2—K1—K的演变过程, 从而加深对渐开线的印象。
动态演示教学不仅能提高学生的学习兴趣, 而且可以大大减少教师的板书量。如果在应用过程中能够做到以下这四点, 更可以大大提高整个教学质量。
第一, 增加信息量。传统教学需要大量的板书、绘制准确的图形, 这都需要耗费大量的时间, 难免会减少教师真正的授课时间。通过动态演示教学模式, 可减少上述工作的时间, 这就给教师增加了课堂容量。教师要充分利用这空余出来的时间, 多讲解一些实例, 使学生更容易理解所学的知识。
第二, 增强互动环节。现在许多教师开始注重教学过程中与学生互动的环节, 但有些知识难点往往在整个变化的过程中间 (如上面所提的“通过改变运动副的尺寸得到不同的机构”) , 而传统的教学模式在这里很难达到互动的效果。动态演示的一个优点在于所要演示的动画均能在任意所需的位置做停留。教师应充分利用这一特点在“运动副变大”这一过程中停留, 达到互动的效果。
第三, 增强学生的主观能动性。课堂上展示给学生的是制作完成后的动态演示效果, 有的学生对于制作软件及制作过程较为感兴趣。教学过程中, 可以充分抓住这部分学生的心理, 将有兴趣的同学召集起来, 让其自己制作动画并拿到课堂上讲解。这样做, 一方面可以提高学生的学习效果, 另一方面, 也培养了他们的创新能力和综合素质。
第四, 反复演练。动态演示的另一个优点在于可以反复演练。由于课时的限制, 教师无法在课堂上对某个问题反复进行讲解。这就要求学生课后加强复习。动态演示能够很好地呈现整个课堂的教学过程, 使同学们在复习的时候事半功倍。
随着时代的发展, 课程教学的改革变得不可或缺。动态演示是计算机软件与传统教学的有机结合, 它的引入使得机械原理课程教学更加形象、生动, 极大地提高了学生的学习兴趣, 充分调动了学生的学习积极性。
摘要：本文通过介绍机械原理课程教学中对动态演示的应用和探索, 提出了在机械原理课程教学中引入动态演示教学的一些看法和体会。
关键词：机械原理,动态演示,课程改革
参考文献
课程演示系统 篇7
然而, 全面审视演示实验的教学功能, 就会发现, 不论中学教学如何改革, 演示实验仍然承载着创设教学情境、激发求知欲望、培养探究能力、学习规范操作、形成科学概学生知识视野, 也大大提升了学生实验操作能力, 同时大大激发了学生学习、应用物理知识的兴趣。
四、诱导发散, 拓宽思路
学生在学习过程中, 往往将思维局限于模式化的框框中, 导致知识的负迁移或是形成思维惯性, 这会影响个体创造性解决问题的水平。因此, 要将集中思维和发散思维有机结合起来, 注意比较法的运用和变式问题训练, 帮助学生养成多方面比较、多角度思考和广泛联系的思维习惯, 加深对问题本质的感悟。这就要求教师在教学中, 积极引导学生进行举一反三、一题多解、一问多解的发散训练。提高学生自主创新的灵活性。例如, 一个30欧的电阻和一个60欧的电阻串联在9伏的电路中, 求这两个电阻两端的电压分别是多少?让学生结合欧姆定律解题, 也可以利用串联电阻具有分压的作用解题, 这样学生就会出现多种解法。学生在发散思维的训练中, 思路更加宽广, 自主创新的灵活性更强。
五、动手操作实践, 促进自主创新的发展
让学生在动手操作实践的条件下展开想象的翅膀, 不仅可以补充知识的不足, 而且激发起学生的学习兴趣, 形念、揭示本质规律、培养科学态度等教学功能, 依旧是化学教学中不可或缺的部分[1], 因此, 其合理的部分仍需要在人类的教育史上经久传承, 只是演示实验的教学策略需要随着时代的发展和教学理念的转变而改革。
一、新课程背景下, 演示实验教学策略的传承
任何改革都不是全盘否定, 新课程改革也是如此。在新课改背景下, 演示实验的教学策略除了需要坚持科学性、趣味性、实践性、安全性等基本要求外, 还必须传承其成独特的认识。例如:在学习“功”这一章时, 学生对功、功率和机械效率三个概念容易混淆, 我设计了一堂比赛形式的实验课:比比谁做的功最多, 谁的功率最大, 谁的机械效率最高。每个同学都抱三块砖以最快的速度从一楼跑到四楼, 测出自己的做功、功率和机械效率。实验由学生自己设计方案, 自己进行测量、记录、计算、设计表格填数据。学生通过对自己的亲身感受和确凿数据进行回忆、对比、联想、分析, 终于明白了道理。这比教师在课堂自己演示, 枯燥讲解要好得多。
实践证明, 只有教师把学习主动权交给学生, 让学生动手动脑, 也就给了学生自主探究的机会, 就能探究出解决问题的方法, 在学习过程中, 弄清知识之间的联系, 经历知识的形成过程。这种自主、和谐的学习氛围, 有利于学生个性发展, 标新立异。总之, 在教师的引导下, 通过学生自己独立思考, 自主探究, 使学生真正成为学习活动的自主参与者, 充分发挥学生的个性特点, 才能造就适合新世纪的新型人才。
【责任编辑张桂英】
验证性、示范性、思维性、主导性和简约性, 并和新课改的教学理念有机结合。
1. 传承演示实验的验证性, 与探究性互相补充。
演示实验按思维过程可分为两种类型, 一种是验证型, 一种是探究型。
验证型演示实验的教学过程一般是按“提出问题———猜想结论———分析原理———实验证明”的程序进行教学的。以验证质量守恒定律为例, 可以先提出问题:“参加化学反应前后的物质质量相等吗?”, 然后猜想结论:参加化学反应前后的物质质量相等。再分析原理“原子种类和数目不变”, 最后通过白磷的燃烧实验予以验证。验证型实验教学模式主要用于实验原理、装置、操作比较复杂的演示实验, 例如氯气的实验室制法、溶液的电解等。
探究型演示实验的教学过程一般是按“提出问题———设计实验———实施实验———得出结论”的程序进行。以二氧化碳和水反应为例, 先提出问题:“二氧化碳和水反应吗?”然后进行设计实验, 可以是向水中和二氧化碳的水溶液中滴加石蕊或用湿润p H试纸等方法, 然后操作这些实验并加以分析, 经过归纳概括得出结论, 二氧化碳和水反应生成酸性物质。这种教学模式, 无疑对发展学生的能力特别是思维能力以及培养学生的科学研究素质有重要作用。
因此, 演示实验的教学应该以探究型和验证型相互借鉴, 互相补充, 达到相得益彰的效果。
2. 强化演示实验的示范性, 与自主性互相补充。
化学实验教学活动包括教师的演示实验、学生的分组实验、实验习题以及课外化学科技活动 (包括化学方面的研究性学习) 等。各种方式的配合和运用, 对于学生形成化学概念、理解和掌握化学知识以及能力的培养和智力的开发起着重要的作用。其中, 课堂演示实验的示范性是其他类型实验的基础。就其功能而言, 演示实验是达成三维目标, 尤其是知识与技能目标的重要手段。虽然分组实验是在教师的指导下, 由学生自己在实验室独立完成的实验, 在增加学生的学习兴趣、巩固所学知识、培养独立观察能力等方面比演示实验见长, 但离开了教师的演示实验这个基础, 学生连规范的操作都不能掌握, 一切将成为空谈。
3. 突出演示实验的思维性, 与直观性相互补充。
演示实验能使学生具体认识到物质的外在特征, 是学生获得感性知识的必由之路。教学中, 要借助演示实验生动、直观、鲜明的现象来满足学生的心理需求, 从而激起学生学习兴趣和求知欲。
例如:在序言课《化学给我们带来什么》这节课的教学中, 除了演示教材中的碳酸氢铵受热分解、镁带燃烧、火柴燃烧产物使高锰酸钾溶液褪色、加热试管中的火柴头外, 还可以增加“玻璃棒点灯”、“雨落花红绿叶出”等几个趣味小实验。实验中的声、色、形并举的反应现象, 强烈地吸引着学生们的注意力, 他们情绪高涨, 精神振奋, 学习热情被充分调动起来, 而演示实验结束后的归纳、总结、拓展和延伸在序言课中却显得不那么重要。
与序言课不同的是, 通常的演示实验教学, 应尽可能避免出现学生只“看热闹”的情况, 要使学生获得感性认识的同时, 启发学生积极思维, 主动去思考分析现象, 使学生的观察和思维活动紧密地结合起来, 用观察来促进思维活动的展开, 又用思维来指导观察活动的进行, 以达到逐步掌握化学概念和规律、提高观察和思维能力的目的, 从而实现由感性认识到理性认识的飞跃。如:含硫火柴燃烧产物使高锰酸钾溶液褪色的实验中, 可以启发学生思考究竟是什么物质能使高锰酸钾溶液褪色?经过学生深入思考后得出, 原来含硫火柴的火柴头中含有硫, 火柴燃烧产生的二氧化硫气体能使高锰酸钾溶液褪色。这样, 学生不仅知其然, 而且知其所以然。
4. 坚持演示实验的主导性, 但应让学生适当参与。
为了培养学生发现问题和研究问题的能力和实验操作技能, 有些演示实验还可以由学生操作。到底哪些实验适于教师演示, 应根据教材的要求和实验的特点进行分析。一般来说, 那些操作简单、安全的、学生已经掌握基本要领的实验可由学生做;那些装置复杂、操作要求严格的实验, 学生做可能有危险的实验, 消耗试剂较多的实验, 以及对学生示范基本操作步骤的实验应由教师演示。
5. 追求演示实验的简约性, 但须保证应有的示范性。
简约性是演示实验的一项基本要求, 是实验改进的基本方向[2]。简约性好的演示实验因为仪器常见、操作简单, 可以节省宝贵的课上时间, 使学生在有限的课堂学习时间里, 能更多、更准确地把握实验所传递的信息, 提高教学的效率。另外, 实验的简约化还可以减少药品的损耗, 减少对环境的污染, 是实施“绿色”化学的一个很好的契机。但是, 实验的简约性必须服务于它的教学功能, 满足示范性、科学性等演示实验的基本要求, 以确保教学效果。
例如, 演示H2还原Cu O的实验, 可以用向下排空法收集一试管H2, 试管口向下固定在铁架台上, 把烧红的铜丝稍待片刻, 刚变为黑色后, 立即伸入试管中, 马上可以看到黑色铜丝变为红色, 同时管壁有水珠出现。此实验的优点是操作方便, 快而明显, 特别是学生分组实验, 更加实用。而如果像教材中那样加热试管中的Cu O粉末并通入氢气, 试管底部常常渗进红色铜而很难清除, 且如果氢气不纯会产生爆炸的危险。
二、新课程背景下, 演示实验教学策略的改革与创新
任何改革都在一定程度上预示着一种进步, 一种创新。在新课改背景下, 演示实验的教学策略也需要在现代教学理论的指导下进行大胆的改革与创新。
1.为实现演示实验的功能而优化实验教学模式。
演示实验不仅是一种为学生提供感性认识的直观手段, 而且是提高学生学习兴趣、使学生掌握科学知识的一种非常重要而有效的途径和方法。但在传统的教学实践中, 演示实验普遍存在着下列问题:教师做, 学生看;学生观察目的性不明确, 只陶醉于看热闹;观察角度片面、笼统、模糊;只注重观察而忽略对现象本质的思考等。
化学实验活动是一种复杂的活动, 既有操作活动, 又有思维活动、心智活动。新课改倡导演示实验的探究性, 其目的在于改变注入式的演示实验, 尽最大可能让学生主动参与、动手操作, 体验演示实验过程, 变“课堂”为“学堂”, 变被动为主动, 积极探究各种自然现象, 研究事物的发展变化规律, 得出科学结论。
2.为服务学生的探究过程而增加演示实验[3]。
现代心理学研究表明, 人类智力活动的进行与发展必须经历由外部物质活动向内部认知活动的转化过程。化学教学过程就是要促使学生由外部的、物质的、显性的活动向内部的、心理的、隐性的活动转化。因此, 根据教学内容适当增设演示实验往往能促使这一转化的实现。
例如, 讲授分子运动这一基本性质时, 为了使学生头脑中能够建立起分子运动的表象, 可补充一个简单的实验:分别向一杯冷水和热水中加入少量的质量相同的高锰酸钾粉末, 学生很容易发现高锰酸钾粉末在热水中扩散很快, 整杯水很快变成紫红色, 而高锰酸钾在冷水里则扩散较慢, 整杯水需要较长时间才能变成紫红色。通过观察, 学生很容易得出结论, 分子的运动速度与温度有关, 温度越高, 分子运动速度越快;温度越低, 分子运动速度越慢。
3.为提高学生创新能力而让学生设计演示实验[4]。
善疑多想、问根求源是开发创新思维能力的高贵品质, 而让学生参与设计化学演示实验, 则是提高学生创新思维能力的“及时雨”。在教学实践中, 让学生设计化学演示实验, 不仅能引导学生积极思维, 还能不断诱发思维升华, 提高学生创新思维能力。
例如, 在演示盐酸、CH3COOH溶液、Na OH溶液、Na Cl溶液、氨水、酒精等几种物质导电性实验时, 学生很难察觉到灯泡发光的明暗程度, 如果把该演示实验让学生动手改进, 把实验中灯泡改成电流计, 将会由“模模糊糊”转变为“真真切切”。因此, 对于那些实验安全系数较高、操作难度较小、观察能见度较差的演示实验, 很有必要将其“下放”成边讲边实验, 通过教师———学生、学生———教师、学生———学生之间多向信息交流, 完成探究任务, 增强探究体验。
4.为拓展学生探究思维空间而改进演示实验。
认知心理学关于思维的研究成果表明, 探究的过程首先是解决问题的过程。教材中的某些演示实验, 在实验装置等方面常常暴露出一定的不足。这时教师的恰当引导能使学生进入积极的心理状态, 产生寻找改进方法的兴趣, 延伸了对这个演示实验的思维过程。在学生讨论演示实验改进方案过程中, 教师发挥的作用主要是进行一般性的原则指导, 尽可能让学生自行探究完成, 教师只是在学生“疑无路”的情况下才予以点拨。
例如, 在做喷泉实验时, 可以让学生积极思考产生喷泉的其他方法。教师提前将其他实验装置图制成幻灯片, 用于补充学生没有想到的方法。这样, 不同层次学生的探究兴趣都会得到激发, 创造能力也会得到不同程度的培养和提高。
5.为挖掘学生探究的深度而转化演示实验。
布鲁纳曾指出:“发现并不限制于寻求人类尚未知晓的知识, 确切地说, 应包括用自己头脑来获得知识的一切方法。”这一著名的论断是化学课堂上改验证性实验为探究性实验重要的理论基础和依据。验证性实验与探究性实验之间的显著区别是:前者先把结论、规律直接给予学生, 再用实验去验证;后者是先把真实的物质和现象呈现给学生, 让他们通过观察、操作、亲身体验去认识事物, 发现问题, 然后在教师的点拨和引导下, 学生利用已有的知识和经验, 通过研究探讨, 推理归纳, 悟出道理, 得出结论, 形成规律。
总之, 在新课改的背景下, 演示实验在化学教学中仍然有着不可替代的作用。教师只有明确了演示实验的重要意义, 继承演示实验教学中合理的教学策略, 并结合新课改的精神不断改进和创新, 才能充分发挥出演示实验的育人功能, 进一步提高化学课堂的教学效果。
参考文献
[1]杨雪月.中学化学演示实验与学生实验的教学探讨[J].黔东南民族师范高等专科学校学报, 2002, 20, (3) :108~109.
[2]郭美艳.浅谈化学演示实验[J].保山师专学报, 2004, 23, (2) :59～61.
[3]白秋莲.基于“探究”的化学教学设计[J].中小学实验与装备, 2006, 16, (88) :32.