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教学软件开发思想和模式
略论“超越具体课堂教学过程”的教学软件开发思想和模式摘要：面向课堂教学的多媒体教学是一线教师最为关心的现代教育技术，但软件普适性不足的问题大大制约了其发展。解决这一问题必须在软件设计开发环节建立“超越具体教学过程”的思想和模式，建议采用一线教师和专业人员共同参与的渐增型开发模式，协调好双方主体的关系。文章还探讨了“超越具体课堂教学过程”的教学软件的特点，并就两个案例进行了简要分析。
一、引言
计算机辅助教学在中小学教学中的应用，从目前来看，主要方式是在课堂教学中通过演示、示范操作或个别学习来辅助教学过程。由于大班级教学组织形式的现状和教育者的主客观条件，这种应用方式的存在具有合理性，并将在相当长时间内仍保持主导地位。而基于网络的计算机辅助教学还存在很多软硬条件上的困难。在对教师的调查中，面向课堂的教学软件也是他们的主要需求。
从目前所使用的软件资源来看，面向课堂教学的商业软件所占比例很小（商业软件主要转向“家庭教师”和辅助备课系统），学校和基层电教部门的自主开发，特别是教学实施者参与下的自主开发，是主要的软件资源来源。随着多媒体技术的发展和平台型开发工具的普及，中小学教师参与开发多媒体辅助教学软件可行性越来越高，热情也越来越高，并逐渐成为优秀教师的参考条件之一和教师掌握现代教育技术的基本要求。
但从目前的现状来看，基层教学软件开发的水平发展不快，理论支持不足，鲜有推广价值大的软件作品。
因此，本文探讨的主要对象是面向课堂教学的辅助教学软件的开发思想，主要涉及基层软件开发，但对于商业开发也具有研讨意义。
二、教学软件的课堂普适性问题
目前基层教学软件开发除去媒体制作和编程水平的局限性，首要问题表现在实施环节的课堂普遍适用性。普适性差的首要原因，是很多软件的设计和具体特定的课堂教学直接关联，因而无法适用于多数的课堂。其主要表现在：
1.固化教学过程
以板书展现为主线，分条分目呈现，“一二三四”、“引入”、“小结”，将教学的过程基本固化。或将具体问题的导入、分析、解决过程逐层展现，同样是教学过程的固化。更有甚者，一个软件覆盖一节课的教学过程，从上课问候到下课再见都一应俱全。试想，这样的软件如果换一个老师，甚至是同一个老师换一种教学思路，都将导致软件的不适用。
2.线性思维的程序设计，缺乏基本的交互性
我们知道，软件技术区别于传统媒体技术的根本特征就在于交互性。而直接体现教学过程的软件，在设计中总停留在“先什么、再什么”的思维框架中，经常创作出线性的软件，如卡式结构、翻页结构、线性动画。在线性结构的软件中，媒体是按顺序出现的，基本没有什么规范的交互，往往是单击鼠标或按任意键就到了下一页；要到达某一特定页就要先经历之前所有的过程，误操作提前进入下一页就得从头再来。线性的软件交互性差，灵活性差，不但不能广泛适应课堂教学，甚至在特定的课堂上（设计所预定的实施者）使用都存在很大问题。
3.采用简单刺激，智能化程度低
受传统教学设计的支配，软件设计中也模拟传统教学过程。具体表现如：需要板书或讲解的时候给文字信息，需要挂图或投影片的时候给图形画面，需要动作模拟的时候给动画或视频，为吸引注意加入华丽的背景或特别的声效，做练习正确错误时给千篇一律的声音或文字反馈。这样的软件往往是对传统教学过程的图解化，对于降低知识陡度，解析教学难点作用并不大，主要的功能还在于引起学生的注意，增加直观性，对学生的认知心理作用还属于“刺激─反应”型。
4.特例叠加，缺少媒体连续性
很多教学内容是研究事物的连续动态变化，比如数学中的图像变换，物理中物理参量的变化，生物中的生理活动过程等。由于教师在教学过程中往往可能通过几个特例进行研究，因此软件也被设计为几个特例的叠加，比如几个特殊值代入，或特例到特例之间的变化过程。不同的教师由于教学角度的不同，往往需要有目标的选择自己需要的特例或特殊值，甚至用整体和连续的方法研究问题，这样软件的普适性又会成为问题。只有媒体能满足全程连续的变化，并能灵活控制，才能真实展现事物运动，保证适用于更多的教学过程。目前的软件较少能够做到。
5.多级分支的浏览结构
目前教学软件开发中比较推崇的结构组织形式是多级分支，多层页面。这种形式的软件容易组织，结构清晰，容易实现模块化，但其容易出现的问题却不易觉察。由于对象散布在过多的页面上，彼此之间有联系的需求就得不到体现，更容易成为简单呈现的媒体；即使在其中实现超文本的链接，也只是简单的跳转而已。因此，只要收集和创作大量的多媒体素材，然后用多级分支结构进行组织，大型软件就做成了。这样使软件设计走向简单化，软件仅仅成为素材的浏览器。这样的软件与课堂教学虽然不是线性对应，但在媒体应用方式上依然与传统课堂教学过程相对应。
此外，过多过深的页面层级，会使课堂操作繁复，到达特定内容的线程加长，且用户容易迷航。
以上教学软件中普遍存在的普适性的缺陷，可能带来以下问题：
1.软件设计水平停滞不前
很多热情参与软件开发的教师，在若干次开发实践后，始终在低水平、低效益上徘徊，难以有新的突破，逐渐失去开发热情。
2.软件一对一适用，难以广泛推广
一个软件对应一个人或一种教学过程设计，不能广泛适用不同的教师和不同的教学设计，因而无法推广。
3.重复开发的必然性
由于软件和具体教学过程相对应，使得重复开发成为必然，几乎每一个课堂多媒体辅助教学的实施者都需要“量身定制”自己的软件。很多老师迷惑，为一节课，下几天、甚至几个月的功夫值吗？如果对每一课（或很多课）进行这样的开发是不现实的，那么教师运用现代教育技术岂不走向了穷途末路？此外，重复开发的另外一个理由是，对已有软件的质量并不接受。
4.基层开发软件的交流和共享难以突破
除了小农经济思想作怪，软件普适性差成为影响软件交流和共享的主要因素。试想，拿到别人的软件，通常无法上到课堂上，顶多是观摩参考借鉴，共享的意义就会大打折扣，交流的热情也会消退。现在互联网上的很多大型教育网站、个人站点都提供辅助教学软件上传和下载，为基层软件开发交流提供了有效的方式，但软件本身难以共享，却是更难以解决的。
从笔者下载的大量辅助教学软件来看，基本上都是针对课堂教学的，其中多数设计制作水平比较初级不说，直接对应具体教学过程的又占了相当多数。
三、传统媒体的开发思想和模式是问题产生的根源
辅助教学软件所运用的是软件技术，是一个有别于传统媒体技术的交互式系统。但就目前的计算机辅助教学软件开发的主流理论来看，却较少运用软件工程理论，而是遵循普通媒体制作的基本方法，集中体现在对“脚本”的重视。其开发模式可以表述为“教学设计——脚本编写——编码实现”，与软件开发的一般模式“需求分析——软件设计——软件编码”是有明显区别的。
对于“脚本”的解释是，表演戏剧、拍摄电影等所依据的底本。它本身是一个依据时间轴的规定性解释系统，由脚本到媒体是一个“实现”直观化、可视化的过程。我们一般强调由有经验的学科教师来编写脚本，并强调必须是“分镜头脚本”，解析为一个画面如何布局，对象何时以何种方式出现，用户发出什么动作后系统发生什么动作；用什么方式进入下一个画面，再重复这一套。依据这样脚本的作品当然更像一个传统媒体作品。
同时，脚本来源于“教学设计”。教学设计在这里指的是某个人的或某种特定的教学设计，实质上是教学过程的设计。教学过程“转换”为脚本，脚本再“实现”为软件，这样的软件必然与具体教学过程相关，失去了不同教学设计的选择。
由此看来，教学软件与具体教学过程相关的问题，源于传统媒体的开发思想和模式。实现与具体课堂教学过程无关的教学软件开发思想，还需要借助软件工程的一般原理，用符合软件工程的方法指导开发工作。
当然，软件工程通常是开发“大”程序的方法、工具和管理模式；而基层通常的教育软件开发还只能称之为“小”软件，不可能完全对应软件工程的规范流程。但软件开发就是软件开发，并不是传统的媒体制作，它无论怎样的“小”，其基本思想必须能体现软件开发的思想。其关键就在于必须能够超越具体的课堂教学过程，使软件能适应更多的课堂和教学实施者。
四、“超越具体课堂教学过程”的教学软件开发思想与模式
“超越具体课堂教学过程”是指课堂教学软件从内容上指向教学专题，而非课堂教学程序，功能上能较好的覆盖课堂教学需求又能独立于教学过程而存在，以便于广泛适用于相关课堂教学的软件开发思想。
1.面向专题的软件选题
软件开发要超越具体的教学过程，首先要改变其设计的面向对象，由面向教学过程转为面向教学专题。因此软件选题的对象不是一堂课，而是一个任务；可以是一个章节的教学内容，也可以是跨章节的相关要素，我们统称为专题。针对专题的软件就可以形成课堂教学的平台型软件，可以充分支持课堂教学而不局限教学过程。
比如，数学中的图像变换问题，物理中的落体与抛体问题，生物中细胞分裂问题等，都是一些典型的重点和难点内容，有必要作为专题来研究，同时是一些能够“可视化”的适宜媒体表现的专题。
软件选题对于成功的开发具有关键意义，需要进行必要性、可能性和软件价值的论证。在严格的大型开发管理中要形成“软件计划任务书”。
2.教学需求分析作为软件设计的依据
教学需求就是预期在课堂教学中，都需要什么样的媒体、什么的媒体组织形式、什么样的操作方式、对象或参量间什么样的动态变化关系等。它不对应某个具体的教学过程，但可以对所有教学设计中可能被用到的特性（内容的或功能的）加以分析，对教学需求要素尽可能的发掘，筛选其中有意义的要素，尽可能在设计中加以涵盖。
有了对软件需求的界定，才能够根据目标进行软件的设计。包括界面和风格设计，模块结构设计，功能设计，主要对象或参量之间动态变化的描述等。
需求分析和软件设计原则上要形成“软件需求规格说明书”和“软件设计说明书”，但在实际的开发中可以只体现为一份说明书。甚至在较小的软件开发过程中，软件的的需求和雏形就在设计者的头脑中形成，用口头交流的方式传递。
对于说明书，在专业领域需要用专门的形式化语言来描述，但这对于很多专业计算机人员可能都存在着困难。通常用自然语言加直观图示的描述是被许可的，有可能的话可以给出程序的模块结构图或流程图。
3.共同参与的渐增型开发模式
软件开发最常用的两种模式是瀑布型和渐增型。
瀑布型开发模式遵循软件开发生命周期的划分，大致是“计划——需求分析——设计——编码——测试——维护”这些阶段，每一阶段完成确定的任务后就交给下一阶段。“教学设计——脚本编写——编码实现”的开发流程也试图体现这一模式。但显然，瀑布型开发模式比较适合于软件需求比较明确、开发技术比较成熟、工程管理比较严格的场合下使用，基层教育软件的开发显然达不到这样的要求。
渐增型开发模式并不要求一开始就有一个完整的软件需求定义，通常是从部分需求出发，先建立一个不完全的系统，由需求者和设计者充分体验和交流，加深对软件需求的理解，反复扩充和完善。学科教师作为软件的需求者，由于对计算机媒体缺乏深刻的理解，往往不能结合计算机的表现形式提出很好的软件需求任务，需要专业人员的帮助和在开发过程中不断认识、不断发掘有意义的需求要素去丰富和完善系统。最初完成的不完善系统称之为原型，可以是界面或模块结构的躯壳，或主要的媒体表现形式的示范，能够有效的成为学科教师和专业人员结合的媒介。因此，渐增型开发模式更适合于基层教育软件任务的特点。
渐增型开发模式实际上并不需要严格按软件生命周期的各个阶段来划分，其有关的软件文档也并不要求一开始就是完善的，可以在开发过程中逐渐形成。
此外，软件的测试、修改和维护等，是软件开发的应有之意，此处不再讨论。
五、“超越具体课堂教学过程”的教学软件的基本特征
1.交互性
交互性主要指人机之间的交互，用户通过交互界面输入信息进行控制和请求，计算机则通过交互界面提供信息和动作。从某种意义上来讲，人机交互能力的强弱，是计算机软件能否被使用者接受和信任的关键。“超越具体课堂教学过程”的教学软件首要特征就是很强的交互性，主要体现在以下方面：
（1）用户对软件进程控制能力
对软件的运行状态，用户必须有很高的控制能力，如动作的启动、停止、重放，内容的跳转，速度的控制，参量的选择等等。绝不能出现播放媒体时无法中断，进入一个练习后答案不正确就陷入死循环等。
媒体的线性组织方式是降低用户控制权的方式，即便是为用户提供翻页结构，仍不能保证直达目标。
（2）功能特性自由取舍
在软件设计中，对于有意义的教学需求都尽可能地体现在软件的功能特性中，但是，并不是每一位教师或每一节课都可能用到这些特性，使用的时机、方式也不尽相同。因此，软件应设置若干特性的唤起方式，如开关项按钮等，以保证除主体内容外，多数的功能特性都可由用户自由取舍。
（3）友好的用户界面
友好的用户界面是软件易于学习、使用的关键，同时能大大提升与用户的亲和力。友好的用户界面应简单明了，符合常规，风格一致，反馈提示丰富得当，有良好的容错性。
如缺少明显的交互提示标志，让用户盲目寻找功能特性；画面自动变化，没有用户干涉的机会；按钮或提示方式、部位频繁变化，用户不容易掌握规律；过多的用户键盘输入，又缺少缺省值；误操作将导致软件出错或锁死等等常见现象，都是界面不够友好的表现。再如用滑块拖动或数字增减按钮，就比直接输入大量参数友好得多。
2.智能性
软件的智能性相对于软件简单刺激的媒体展现方式。如果要求软件的采用有助于学生意义建构的过程，就首先要体现软件内部诸因素、诸对象之间的互动关系。
比如事物的运动变化总是受特定因素或参量的影响，而参量变化和事物运动之间的关系往往是教学的关注点。如果软件中对象自动变化就成为简单展现；而通过用户主动干涉参量变化，导致对象的运动变化，就体现了事物内部的联系。
3.界面集成化
界面集成化是针对推崇多级分支和多层页面的程序结构而言的。多级分支结构的教学软件的缺点前文已有论述。
主张尽可能减少页面层级，在单一的界面内集成更多的对象、功能和特性。过多的对象不可能，而且也不主张在单一界面上平铺堆砌，而应该给用户随时激发、唤起、打开和关闭有关对象的权限，不转换界面就能实现更多的操作。同时，因为对象在同一界面内存在，就有可能通过算法实现交互技术，实现对象间的互动，体现事物内在的联系和运动规律。实现这样的互动远比对象素材本身要难得多。
六、基层教学软件开发适宜的组织方式
这里所说的软件开发的组织方式指的是参与开发的人员之间的关系。目前最为常见的是学科教师同专业人员（如计算机教师）的合作开发。如果强调“超越具体课堂教学过程”的思想，那么对于开发工作的参与者，都会产生新的要求。
1.以项目任务为核心，突出双方的主体性
以项目任务为核心，即指向一定的教学专题，而非特定的教学过程。这样，学科教师不再是教学过程的记录者或教案的搬家者，专业人员也不再是脚本的实现者，双方都成为共同任务的创造者，双方的主体地位才能得以发挥。
2.将软件设计过程看作交流协作过程
通常成功的教学软件制作过程并不是一个信息沿“教案——脚本——软件”单向流动的过程，而是“基本需求——软件原型——新的需求认识——新的软件模型……”这样一个循环提高的过程。这个过程需要学科教师和专业人员深入持续的交流、对软件反复体验尝试来实现。
3.专业人员要善于理解学科教师的思路，善于指导和提升教师的思想
让一个学科教师提供一个成熟的书面软件任务说明是不现实的，即便教师能提供，专业人员能否深入理解还存在很大问题。专业人员要善于在协作交流中领会教师的思路和意图，对于软件教学性、科学性的要求必须有学科教师的认同。同时，教师对于计算机的特有功能领会不深，提出的要求往往不能体现计算机的特点和优势，这时，专业人员就应该提出建议，帮助教师扩展思路，优化设计。
4.学科教师必须投身软件开发的过程，才能有发展和突破
提出一个任务或完成一个脚本，就等着软件被生产出来，这种期望是不现实的。投入开发过程，不但是保证软件质量的需要，同时是学科教师在开发领域发展和突破的需要。学科教师投身软件开发过程，可以体验软件任务的形成过程、软件的设计过程、素材的收集过程、功能的设想和实现过程，以及相关文档的形成过程，才能深入理解软件技术的特点，学会教学软件需求分析和软件设计的方法。
更进一步，如果学科教师能够较好地掌握开发技术，则更有可能成为优秀的教学软件开发人才。
七、“超越具体课堂教学过程”的教学软件开发实例
1.正弦函数图像变换发生器见于www.k12.com.cn中国中小学基础教育教学网“教学软件交流中心”，或mosw.yeah.net。
正弦函数图像变换是高中代数的重点和难点问题，其课堂教学的主要需求可概括为：
一定范围内任意改变A、ω、Φ三个参数的值，函数图像随即发生动态的变化。任意多个状态的图像都可留有痕迹，以便相互比较。任何状态都可以提供当前函数值与自变量关系的列表，以便对照图像与描点结果是否吻合。
系统设计开发最终结果的界面如图1。
图1
函数当前图像（一个周期）以系列小球表示，其轨迹由A、ω、Φ三个参数决定，用户可以有多种方式在0~5的范围内自由改变参数：一种方式是键盘输入，通过“输入［?］”的三个按钮激活；另一种是通过拖动屏幕左下方的三组滑块来改变参数，同时还提供了键盘、刻度值和渐变按钮来驱动滑块的移动。变化的步长也可以由用户改变。
在小球轨迹处于任何状态时，都可以通过“描线”功能描绘一条曲线，其粗细可控，颜色随机产生；座标系中可多条曲线共存。曲线可随时被“擦除”，重画。画曲线时如果选择“标注”功能，则可为曲线标注解析式。小球轨迹还可由“屏蔽”功能暂时屏蔽。
小球轨迹处于任何状态，都可点击“列表”按钮，打开当前函数值与自变量特殊值之间的列表。如图2所列为图1中当前小球轨迹的函数值和自变量列表。
图2
本软件可以适用于所有相关内容的课堂教学，做到了超越具体课堂教学模式。
2.植物细胞的有丝分裂本软件精简版见于www.k12.com.cn中国中小学基础教育教学网“教学软件交流中心”，或mosw.yeah.net。本软件获得首届全国网络课程和多媒体课件大奖赛二等奖，首届全国中小学电脑制作及设计作品制作活动教师组二等奖。
细胞分裂是高中生物的重点和难点。这一生理过程牵涉到生命很本质的变化，对于学生建立良好的生物学科观很有意义，同时对学生认识微观世界的能力、观察和想象能力、概括和表述能力、绘图能力、实验动手能力、数形结合能力等的培养都是良好的知识载体。但这一生理过程实在是难以观察，实验也有难度，认识起来非常抽象。基于植物细胞有丝分裂这一专题，现概括的提出以下教学需求：
①软件必须展现植物细胞有丝分裂全过程的清晰、连续的模式化的动画。
动画可以自如播放，可以任意分阶段播放，可以控制速度，可以随时掉转到动画的任一画面。
②为帮助学生对各个时期特征的掌握，教师可能用到描述各时期特征的文字信息和口头讲解。
③在对细胞研究的基础上，教学中还可能需要针对一个染色体在细胞周期中变化进行专题研究，系统也应能够提供相应的信息。
④在对模式图研究的同时，必须提供显微镜下的实际照片相对照学习。包括各时期的典型照片和非典型的照片，以及不同角度的照片等。
⑤对于展现显微镜下细胞周期实际变化的视频信息，如能与模式化动画对照则更有利于形成完整的认识。
⑥对于研究细胞周期中染色体、DNA、染色单体的含量问题，属于能力提高还是应试问题，有一定争议。系统应该包含此内容，备教师上课之选。
⑦可提供针对最基本知识的交互式练习，备课堂之用。
基于以上需求，程序开发最终结果的主要界面如图3所示。
图3
①动画与动画的播放控制达到目标。
动画窗口之下的几个按钮和录像机操作类似。长滑杆为进度滑杆，滑块被拖动时动画就相应跳转。滑杆上方的各时期的按钮被点击可以在区间内播放动画。短滑杆为速度控制滑杆。最后，点击动画窗口，可以打开和关闭动画窗口，这个不起眼的功能，以备课堂教学中可能有的需求。
②同步辅助功能，是本软件的一个亮点。
四个同步选项中的一个或多个被选中时，其动作的发生是依据动画进程自动协同控制的。即动画进行到哪个时期则展示哪个时期的内容，如板书信息、口语讲解、各时期典型照片；“同步曲线”若干图像的变化与动画完全同步。这体现了知识内部的关联，有利于学生的意义建构过程。三条曲线都有各自的开关，可以打开和关闭。
③其他媒体的组织。
“图片”按钮导致在展示区（图3中座标系及图像区域）展示图片，并提供翻页结构导航栏，同时提供弹出菜单方式的直接跳转操作。
“图例”按钮导致进入以一个染色体为例的专题研究，是一个进退自如的动画控制及一组相关交互。
电影，由屏幕下方的一排“小摄像机”图标启动相应的电影，单击带禁止符号的图标中断播放。图标位置和细胞分裂的相应阶段对应。
④课堂练习、辅助文献、帮助文件等，则不在此界面下出现，而进入子程序操作。
所有操作都可使用键盘和鼠标两种方式。
本软件较集中地体现了超越具体课堂教学过程的开发思想，较好地覆盖了相关的教学需求，交互性良好，界面趋于Windows风格，相关要素、功能和特性取舍自如，操作灵活。在单一界面上的丰富媒体的功能的合理组织，程序内部对象间的互动设计体现了事物的运动规律。
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