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阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥(OSAS)睡眠中反復出現呼吸暫停而導致低氧血癥、高碳酸血癥和睡眠結構紊亂。OSAS并不單純是一個呼吸系統疾病,而是與神經系統有著較為緊密關系的一種疾病。現有研究資料結果表明OSAS是導致腦梗死的一個較為獨立的危險因素[1],二者之間同時又是彼此互為因果的關系,也就是說腦梗死可以導致OSAS或是使其病情變得更加嚴重,反之亦然。OASA患者通常情況下會有一定程度的認知功能損害,這同時又是導致癡呆發生的一個關鍵危險因素[2]。此次實驗對OSAS合并腦梗死患者的認知功能進行研究,探討該類患者的認知損害特點。
資料與方法
一般資料:2010年2月-2013年10月收治急性腦梗死患者92例,男62例,女30例,年齡45~78歲,診斷標準根據1995年第四屆全國腦血管疾病學術會議修訂標準[3],即夜間7小時的睡眠過程中呼吸暫停和低通氣反復發作30次以上,或呼吸暫停低通氣指數(AHI)≥5次/小時,并經多導睡眠圖(PSG)確診。根據監測指標,確診OSAS合并腦梗死24例,未患OSAS的腦梗死68例作對照組。排除標準:腦梗死后患者意識不清、病情較為嚴重,不能進行順利檢查的患者;認知障礙較為嚴重不配合檢查的患者;伴有較為嚴重的精神疾病(除抑郁、焦慮外)的患者;既往有精神障礙或家庭史者;伴有其他較為嚴重的軀體疾病不能配合檢查者。
測量身高、體重,收集晨空腹血標本,進行血液黏度、纖維蛋白原、血糖、血脂(膽固醇、甘油三脂)檢查,測量血壓。
神經心理量表檢查:入院后第2天對兩組均進行MoCA量表的測定,分別記錄兩組MoCA總分以及各認知域的分數。
統計學處理:應用SPSS13.0軟件包對所有數據進行統計學分析,計量資料以( ±S)表示,組間比較采用t檢驗。
結 果
兩組一般情況:OSAS組與對照組呼吸紊亂指標,體質量指數,最低氧飽和度,平均氧飽和度比較差異有統計學意義,見表1。
討 論
OSAS對患者的生存質量以及壽命都造成一定程度的負面影響,既往調查研究發現該病的患病率長期處在一個較高的水平,已逐漸成為受到廣泛關注的一個重要的健康問題。本研究結果顯示在腦卒中的基礎上合并OSAS的患者認知功能的損害較為嚴重,這提示OSAS可能會使得腦卒中病情更加嚴重。認知功能障礙是腦組織受損的一個較為準確表現,合并OSAS的腦卒中患者在視空間與執行、注意力等諸多認知域有不同程度的損害,這標志著OSAS可以造成較大程度的腦組織損害,對認知功能造成嚴重影響。現有研究資料結果表明,OSAS通過引起低氧血癥、睡眠剝奪等多種機制對患者的認知功能造成多方面的損害,這主要包括注意力、執行功能、記憶力等[4,5],這與此次實驗結果一致。本實驗結果顯示實驗組甘油三脂和膽固醇均較對照組明顯升高,這說明低氧環境可以使得甘油三酯以及膽固醇的代謝發生障礙,同時OSAS患者睡眠時反復發生呼吸暫停,胸腔負壓較正常狀況下明顯升高,壓力以及化學感受器受到刺激,交感神經開始興奮,這就促使兒茶酚胺、腎素―血管緊張素等的分泌,進而導致外周血管收縮造成血壓升高,而高血壓又是卒中的一個主要危險因素。OSAS是心腦血管疾病的獨立危險因素,是可以進行早期認為干預的,早發現、早治療,能夠在較大程度上減少腦卒中后對神經系統以及認知功能造成的損害,提高患者的生存質量。
參考文獻
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【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089(2016)04-0036-01
前言
網絡教學主要是以計算機網絡作為教學手段,以豐富的網絡教學資源作為課程支持,將傳統的課堂教學移植到網絡平臺上。網絡教學有利益幫助學習者實現學習效率的最大化,根據自身需求,具有針對化的獲取知識,培養了學習者自主學習的良好習慣。對于網絡教學中存在的問題,通過建立基于Agent技術整合的網絡課程模型,有效提升網絡教學的質量,為網絡教學營造更加優質的環境。
一、Agent 技術和研究性學習理論
Agent技術主要融合了計算機網絡技術以及人工智能技術,同時Agent技術能夠進行主動服務,幫助用戶完成某項工作,具有一定的智能性和適應性。Agent技術主要有以下四個特點:適應性、交互性、反應性、自主性[1]。
研究性學習理論指的是,在教師指導下,學生能夠在學習中主動地獲取知識、應用知識、解決問題的過程。網絡環境下的研究性學習指的是,學生在教師的指導下,利用計算機網絡技術,針對性的查閱自身所需的網絡學習資源,進而對知識進行分析、研究,最終實現掌握。
二、基于 Agent 技術和研究性學習的網絡課程模型設計
1.網絡課程模型層次設計
研究性學習與Agent技術整合的網絡課程模型,對現階段網絡教學平臺中存在不足之處,能夠起到一定的彌補作用。第一層是表示層。表示層作為整個系統的顯示邏輯,主要依據于Web瀏覽器技術。通過表示層,可以實現用戶與教學系統的互換聯系;第二層是應用層。應用層是教學模型最為關鍵的環節;第三層是數據層。數據層能夠存儲各類教學資源,例如教學知識庫和學生模型庫等。
2.各 Agent 功能
(1)學習者Agent。作為用戶和系統進行通信的接口,學習者Agent可以滿足學生進行顯示信息界面的設置;還可以對學習者的學習進行跟蹤,同其他的Agent進行學習數據的通信。
(2)教師Agent。主要是幫助教師開展教學活動,包括管理教學知識庫,以及維護答疑和試題的數據庫系統。
(3)管理Agent。作為系統的控制關鍵環節,管理Agent起到管理整個教學活動的作用,同時對其他Agent進行協調整合,實現所有信息的傳遞。
(4)能力評估Agent。根據測試Agent返回的結果,對學生的學習能力進行評估和分析,然后將數據信息傳遞到教學Agent。
(5)測試Agent。能夠對學生的學習知識進行測試,對考試結果進行評分,并提出修改意見,最后將結果傳遞到能力評估Agent。
(6)學習Agent。對學習者的學習過程進行追蹤,對不同興趣的學習者設計出最優措施。核心內容為全面的分析教材內容,幫助學習者構建完善的知識體系。
(7)教學Agent。可以針對學習者的學習能力,針對性的設計教學內容和教學方式,主要是扮演教師的職責。
(8)答疑Agent。利用答疑Agent,學習者遇到學習問題時,可以與其他學生或者教師進行溝通,以此討論交流解決問題[2]。
2.3 網絡課程模型運行流程
學生登錄過后,系統會自動生成一個學生Agent,同時建立一個特定的學生模型。學生Agent可以幫助學生與系統進行聯系。首次登陸的學生需要進行測試,測試Agent能夠對學生的測試獲取學生的能力水平,然后利用能力評估Agent,根據學生的測試成績明確學習起點,教學Agent會根據此起點值,對學生的學習制作具體教學方案,最后學習Agent自動形成課件教學內容,同時傳遞給教師Agent。教師Agent依此對學生進行學習指導,同時更新學生模型數據庫,以及實現學習資料的篩選[3]。
教師在登錄系統之后,系統生成一個教師Agent。教師Agent能夠幫助教師完成整個教學活動,同時完善更新教學數據庫。此外,教師Agent針對不同學生的學習能力,設計具有針對性的教學方案。
學生在學習過程中,可以通過答疑Agent與教師和學生進行問題的討論,學生在完成本次學習后,退出系統前務必要完成本次學習的測試題、以及課程反饋任務。
三、總結
網絡教學模式的出現,極大程度的改變了傳統教學方式,促進了教學模式的發展。基于Agent的研究性學習網絡課程模型,進一步完善傳統網絡教學系統,有效提升了智能型和交互性,加強了師生之間的交流溝通,保證學習更加具有針對化和具體化,充分考慮了學習者的特殊要求。網絡教學模式的不斷完善,為我國教學的發展提供了全新的方向。
參考文獻:
一、研究性學習的概念和特點
研究性學習與接受性學習是學習的兩種基本方式,也是兩種不同的教學模式。
接受性學習就是按照預定的教學內容、固定的教學方法由教師將知識傳授給學生,學生被動地予以接受、理解和消化。在這種教學模式中,教師是教學過程的主體。長期以來,我國大多數學校在實施教學中沿用這種舊模式和舊方法,學生習慣于被動地接受老師灌輸的知識,學習缺乏自主性和研究性,學習興趣受到限制,創造性不能很好發揮。學生遇到實際問題時,常常缺乏綜合運用所學的知識和技術,提出高效解決方案的能力,學生缺少實踐的機會,動手能力不強。
研究性學習是對傳統的接受式學習的一種改革,是培養創新精神、創造性思維與實踐能力的新教育理念在教學實踐中的體現。研究性學習具有開放性、探究性和實踐性的特點,在這種教學模式中,師生雙方以相互合作和交流的方式,共同完成提出問題、收集信息、選題和立題、設計研究方案、進行具體實施、總結研究成果、完成探索新知識的學習過程。在研究性學習的教學中,教師與學生的地位發生了根本的變化,學生處于自主的主動地位,教師則處于輔助的指導地位。
計算機課程具有知識面廣、技術更新快、可操作性強等特點,教學目的就是使學生掌握計算機基礎知識、常用平臺和工具,提高學生在計算機上的操作動手能力,重點培養學生自主運用計算機的新理論、新技術和新方法去解決各種復雜的實際問題。因此,計算機課程特別適宜于采用研究性學習的教學方法。
二、研究性學習的目標
結合計算機課程教學的特點,我們可以確定研究性學習實現的總體目標是以人為本、勇于探究、綜合學用、自主創新、實踐求真。展開來看,具體包括以下幾個方面的內容。
(一)在研究性學習的過程中,通過認真踏實的探究,讓學生逐步培養嚴謹求實的科學態度、勇攀高峰的意志品質、克服困難的進取精神,同時更深入地理解科學知識對于社會發展與人類進步的意義和價值,樹立報效國家、造福社會和服務民眾的人身價值觀,從思想上
樹立認真學習的積極性。
(二)學生真正成為研究性學習的主體,充分發揮他們思維開闊、敢闖敢拼的精神,通過參與一些與計算機科研相關的學習活動,逐步培養勇于質疑、樂于探索、努力求真的心理傾向,產生自發運用所學知識解決社會發展中的實際問題的積極欲望。學生可以在研究性學習的過程中實現學習進程安排、考試及成績管理、日常財務結算、班級人事管理等綜合事務的計算力管理,分析業務需求,開發相關應用軟件。
(三)教師在研究性學習中,要從鋪墊知識、方法指導、組織管理、疑難點撥、士氣激勵等諸多方面發揮導師的掌舵作用。教師在指導過程中,不僅要轉變指導觀念,更要講究指導藝術和策略。教師要不斷跟蹤國際國內計算機技術發展的最新動態,為學生提供大量可供選擇的研究性學習課題,指導學生采用合理的技術方法和應用研發平臺,幫助學生卓有成效地完成學習及探索過程。
(四)學生在研究性學習過程中,圍繞著一個需要解決的實際問題,持續激活自身原有的知識儲備,通過多種渠道收集所需信息,設計高效可行的研究方案。通過計算機硬件和軟件的開發實驗活動,對設計方案進行修正調整,最終獲得解決問題的研究成果。在研究性學習螺旋式前行的進程中,學生的綜合運用計算機新技術與自主創新能力將顯著提高,研究過程中進行溝通與合作的良好空間得以建立,師生的研究學習潛能得到深入挖掘,教師的主導作用和學生的主體作用達到和諧統一。
三、研究性學習的內容設計
研究性學習內容的選擇是開展好研究學習過程的前提和關鍵。如果課題內容選擇得不恰當,不僅影響研究學習的進程,還有可能導致整個研究半途而廢,甚至影響到學生開展研究性學習的積極性以及創新精神和實踐能力的發展提高。計算機課程具有“研究性學習”課程所要求的整體性、開放性、實踐性、應用性等特征,最適合采用研究性教學模式。因此,教師必須認真分析計算機各門專業課程的特點,結合課程的安排與進度,對研究性學習的過程進行精心策劃,對研究性學習的內容進行反復斟酌,確保研究課題的可行性和創新性。
(一)研究性學習內容的選擇要與文獻資料的利用和計算機科研項目的開展相結合,盡可能選定既采用最新計算機軟硬件理論與技術,又能解決社會發展生產實踐中現實問題的好課題。在研究性學習的過程中,要求學生提出系統解決實際問題的總體方案,并靈活運用所積累的計算機開發方法和工具,通過實驗獲得研究成果。
在講授《數據庫應用技術》課程時,可以讓學生選擇“學生考務管理系統的設計”作為研究性學習的題目。“學生考務管理系統”包括考生報名管理、考生成績管理、系統維護等子模塊,分別由不同的學生負責設計研究。前臺開發工具可以選擇 VC或VB,數據庫平臺選用SQL Server 2000。學生在教師的指導下,自主完成系統功能確定、系統結構圖設計、數據庫設計、各模塊應用程序窗體設計等工作。在進行總體設計時,啟發學生思考“學生考務管理系統”的系統架構應采用C/S(客戶端/服務器)體系結構或B/S(瀏覽器/服務器)體系結構,兩者的異同之處;每種體系結構應選用的DBMS(數據庫管理系統)和前臺應用程序最新開發工具。在數據庫設計時,讓學生了解當前計算機軟件開發公司的程序設計員常用的幾種計算機輔助設計CASE工具,學習流行技術,積累開發經驗。在研究性學習的過程中,學生基于軟件工程的思想,運用所學的數據庫應用技術、VC或VB程序設計方法,解決與考務有關的實際問題。
(二)針對不同學生在知識積累、學習方法和動手能力等方面的差異,根據學生自己的興趣、愛好和具體條件,結合學校的專業優勢和教育資源現狀,教師應當幫助學生自主選擇恰當可行的研究課題,提高研究性學習的成效。
對于數學基礎扎實的學生,可以指導他們選擇與計算機理論研究相關的課題。例如,“基于神經網絡的人臉識別系統研究”涉及人工智能、模式識別、數字圖像處理、程序設計方法等多學科知識,并且可以在VC或MATLAB等平臺上進行研發,要求參與該課題研究的學生具有較強的數學功底和編程能力。
硬件設計、調試能力強的學生則可以選擇開發小型的計算機應用軟件系統和實用的電子產品,如“采樣頻率可編程的數據采集系統”“聲―光報警器”“智能門禁系統”“無接觸智能水電讀取系統”等設計課題。
(三)對于涉及多個學科的綜合性課題,按照不同的學科組建研究小組來實現各個模塊的研究學習工作。在研究性學習過程中,既培養了學生獨立解決各自問題的能力,又增強了學生的團隊精神和溝通協調能力,為將來走向工作崗位后承擔大型課題研究和項目開發打下堅實的基礎。“高速公路收費站汽車視頻監控及收費系統設計”是一個涉及光、機、電、通信和計算機等多學科的綜合性課題,包括硬件設計和軟件開發,必須有多個研究小組分工協作,才能較好地完成該課題的研究性學習任務。在課題實施過程中,每個研究小組除獨立完成各個子模塊的設計工作,還必須考慮各子系統綜合的需求。
總之,在計算機課程的教學過程中實施研究性學習是十分必要,也是切實可行的。只要明確研究性學習的目標,認真分析研究性學習的特點,確定研究性學習的實施內容,針對提出的問題設計切實可行的解決方案,通過創新的實踐過程,一定能取得解決實際問題的成果。
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Study on the Relationship between Serum MMP-9 and TIMP-1 in Patients with Acute Cerebral Infarction
YANG Xue,DOU Zhi-jie
(Department of Neurology,Affiliated Hospital of Chengde Medical College,Chengde 067000,Hebei,China)
Abstract:Objective To investigate the acute cerebral infarction serum matrix metalloproteinase 9 inhibitor,relationship and tissue inhibitor of matrix metalloproteinase 1 and cognitive impairment after cerebral infarction.Methods We collected 84 cases of patients with acute cerebral infarction(ACI) patients and 40 healthy subjects(healthy control group),cerebral infarction group according to the group of 14 d MoCA the results were divided into CI group(MoCA score
Key words:Cognitive impairment;Cerebral infarction;MMP-9;TIMP-1
到本世紀中葉,我國老年人口將超過4億,約占全國總人口的30%[1]。腦卒中及其引起的認知功能障礙(cognitive impairment,CI)的發生率也會隨之上升,血管性癡呆(Vascular dementia,VaD)已成為僅次于阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)的第二大癡呆疾病。一項1980~2011年社區流行病學Meta分析顯示,我國55歲以上人口中VaD占癡呆比例為30.6%。目前國際已有研究發現血清金屬基質蛋白酶9(Matrix metalloproteinase-9,MMP-9)水平的升高可能參與了全麻術后CI的病理生理過程,且MMP-9水平與MoCA評分呈顯著負相關[2]。John G等[3]研究表明頸動脈內膜剝脫術后CI早期患者血清基線MMP-9水平及活性均較高,測定基線MMP-9水平與其他系統篩查指標一起可以預測術后具有高風險CI的患者。另外單培彥[4]等的研究顯示炎癥反應參與了老年代謝綜合征患者的輕度CI的病理生理過程。以上研究均表明血清MMP-9水平升高可能參與了CI的形成過程,而腦梗死后血清MMP-9高水平是否與腦梗死后CI有關尚無相關報道。基質金屬蛋白酶組織抑制因子1(tissue inhibitor of metallo-proteinase-1,TIMP-1)是MMP-9的特異性抑制劑,可與MMP-9形成1∶1復合物抑制其作用。本研究將通過測定所有受試者血清MMP-9及TIMP-1水平,了解腦梗死發生后血清MMP-9及TIMP-1水平的變化,分析腦梗死急性期血清中此兩項觀察指標的濃度水平變化與腦梗死后CI的關系。
1 資料與方法
1.1一般資料 入選對象124例,其中男性73例,女性51例,平均年齡(54.67±8.43)歲,分為首發急性腦梗死患者84例(腦梗死組)及健康受試者40例(健康對照組)。①腦梗死組:根據入組14 d時MoCA評分結果分為CI組(MoCA評分
1.2納入及排除標準
1.2.1納入標準 ①符合2014年中國急性缺血性腦卒中診治指南中缺血性腦卒中的診斷標準;②首發急性起病,且經頭部CT/MRI證實為缺血性腦卒中;年齡位于40~65歲之間;③腦梗死前日常生活自理,社會適應良好,Hachinski缺血指數評分量表≥7分;④患者意識清楚,生命體征及神經系統癥狀己平穩至少24 h;⑤患者及家屬知情同意。
1.2.2排除標準 各種出血性腦血管病;帕金森病及帕金森綜合征;AD、各種顱內感染病史、腦外傷史等;CO、藥物、農藥等化學物品中毒史;惡性腫瘤;嚴重神經功能缺失可能防礙評估正常進行等。
1.3血清炎性標記物 清晨空腹抽取肘靜脈血5 ml,30 min 內3000 r/min離心10 min吸取血清,立即儲存于-80℃冰箱。采用ELISA法測定血清MMP-9,TIMP-1水平。
1.4統計學方法 采用SPSS19.0軟件進行統計分析,計量資料采用(x±s)表示,多組計量指標組間比較采用單因素方差分析。采用Spearman相關分析確定相關因素,采用Logistic回歸分析確定危險因素。所有檢驗均為雙側檢驗,P
2 結果
2.1炎性標志物水平的組間比較 與健康對照組比,CI組與NCI組血清MMP-9和TIMP-1水平均顯著升高(P均
2.2統計學處理 將性別、年齡、MoCA評分、MMP-9、TIMP-1、高血壓、糖尿病、吸煙和飲酒納入多因素Logistic回歸方程,結果顯示:高MMP-9水平(OR=6.451,P
相關分析顯示,MMP-9 水平與MoCA評分(r=-0.667,P=0.000)呈負相關,TIMP-1水平與MoCA評分(r=0.526,P=0.000)呈正相關,見表3。
3 討論
本研究的結果顯示,與健康對照組比,CI組與NCI組血清MMP-9和TIMP-1濃度均顯著升高;與NCI組相比,CI組MMP-9水平顯著升高,而TIMP-1水平顯著降低。高MMP-9水平和高齡是腦梗死后CI的獨立危險因素,而高TIMP-1水平與吸煙是腦梗死后CI的保護性因素。相關分析顯示,CI組的MoCA評分與MMP-9水平呈負相關,與TIMP-1水平呈正相關。
基質金屬蛋白酶(Matrix metalloproteinases,MMPs)是一組活性依賴鋅離子與鈣離子的中性蛋白酶基因家族,通過參與降解各種組織細胞外基質發揮其作用[5]。MMP-9是MMPs中分子量最大的一員。國際已有研究顯示,多發性腦梗死和小血管病性VaD患者腦脊液中MMP-9水平與健康對照及AD患者相比顯著升高,且可以作為VaD及AD相鑒別的生物學標志物[6]。國內R Lin[7]等的研究通過電針刺激缺血再灌注損傷大鼠百會穴及神庭穴降低MMP-9、MMP-2的表達可提高缺血再灌注損傷大鼠的學習和記憶能力。劉冉等[8]研究認為MMP-9與VaD密切相關。以上研究均說明MMP-9高表達可能對CI造成了影響,但具體機制目前尚不明確。王敏等[9]的研究表明,在慢性VaD大鼠的海馬區,MMP-9的表達量顯著升高。亦有研究亦表明,VaD組的血清MMP-9水平顯著高于健康對照組。而TIMP-1是MMP-9的特異性抑制劑,TIMP-1表達的升高,可限制MMPs的活性,減少其在腦缺血急性期對中樞神經系統的損害作用。有研究表明,TIMPs可在腦缺血缺氧過程中通過特異性拮抗MMPs保持血腦屏障完整性、改善腦水腫等發揮神經保護作用。Lorenzl S[10]等的研究表明,VaD患者血漿TIMP-1水平明顯降低。均與本研究結果相一致。結合本研究認為,急性期血清高MMP-9水平可能導致腦梗死后CI的發生,而TIMP-1可特異性阻斷MMP-9的損害作用,是腦梗死后CI的保護性因素。
目前,已有研究表明年齡與卒中后CI密切相關,Ganguli M等[11]提到年齡每升高5.3歲,VaD的患病率就會增高1倍。年齡亦被證明是不依賴卒中面積和卒中嚴重程度的預測卒中后CI的重要因素,與本研究結果一致。絕大多數研究表明,吸煙是發生CI的重要危險因素,而本研究顯示吸煙為腦梗死后CI的保護性因素,可能與樣本量過小有關。尚需進一步研究證實。
隨著我國老年人口的增加,腦卒中及其所引起的CI的發生率也不斷上升,對患者的生活質量及其家庭和社會都帶來了嚴重的影響,積極尋找腦梗死后認知功能障礙的血液學標志物,早期預防其發生具有至關重要的意義。本研究中,MMP-9與TIMP-1可能參與了腦梗死后認知障礙的發生,且與預后相關,存在易操作、重復性好、靈敏度高等優點,值得進一步研究。
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研究性學習是基于人類對學習的不斷認識,逐步形成的一種現代學習觀,是指學生在教師指導下,從自然現象、社會現象和自我生活中選擇和確定研究專題,并在研究過程中主動地獲取知識,應用知識解決問題的學習活動。高等數學教學旨在培養學生的運算能力、邏輯思維能力和空間想象能力,以逐步形成運用數學知識來分析和解決實際問題的能力。然而高等數學具有知識體系龐大、學科結構復雜、運用范圍廣的特點,不少學生視高等數學學習為畏途,加上傳統教學方式和教學技術的局限,使高等數學這門課程成為高校教學難度較大的課程之一。本文旨在探索如何利用網絡技術開展研究性學習的方法,力求開辟一條高等數學教學改革的新路。
一、網絡環境下高等數學的研究性學習
研究性學習是為學生構建一種開放的學習環境,提供一個多渠道獲取知識,并將學到的知識加以綜合和應用于實踐的機會。這種教學方式是把學生置于一種動態開放、主動、多元的學習環境中,積極發掘學生的潛力,充分發揮學生的主動性,這也是改變傳統的高等數學教學模式的全新的教學理念。計算機網絡是巨大的知識與信息的資源庫,它為高等數學教學改革提供了一個平等的、自由的、開放的環境,容易激發學生積極參與各個教學環節的主動性。網絡的智能化、交互性特點使學生可以控制信息、改變信息組織過程,從而激發學生的想象力和創造力。因此,網上豐富的資源與多媒體網絡環境為實施高等數學的研究性學習提供了重要條件,其優勢主要表現在:
(1)網絡為高等數學的研究性學習提供了豐富的信息資源。開放性是研究性學習內容選擇上的主要特點。在同一主題下,研究視角的定位、研究目標的確定、切入口的選擇、過程的設計、方法手段的運用以及結果的表達等,均有相當大的靈活度,留有展示學習者(學生)、指導者(教師)個性特長和發揮才能的巨大空間。在高等數學學習過程中,伴隨著情境性問題的產生和研究學習的深入,學生需要了解更多的相關的具體信息,借助網絡的巨大搜索引擎動能,學生可以快速成查尋相關的信息,可以大大節省學習時間,提高學習效率。
(2)網絡虛擬環境為高等數學研究性學習提供了在現實中無法體驗的情景。研究性學習的內容是通過需要探究的問題來實現的,大量的學習內容是學生在主動探究中或在教師的啟發幫助下通過自主選擇獲得的,研究性學習強調學生的親身經歷,要求學生參與到各項教學活動中的每一個細節,在活動中自主選擇問題進行探究,發展實踐能力和創新能力。網絡虛擬現實與虛擬的交往為研究性學習提供了一個豐富的信息世界,它匯集人工智能、計算機圖形學等多項技術,通過多媒體技術與仿真技術相結合完成視、聽、觸覺一體化的虛擬環境。學習指導中把高等數學問題融合于具體的情境中,學生以自然方式與虛擬環境中的客體進行交互,從而給學生以逼真的感受與體驗。
(3)網絡為高等數學研究性學習提供了交流平臺。計算機的出現,首先應歸功于高等數學的奠基性工作,它有力地證明了數學這一歷史悠久的重要基礎學科具有無限的生命力和廣闊的應用前景。而計算機的飛速發展又為高等數學的發展提供了威力巨大的武器和工具。因此,科學技術的發展都是人類協作探究的結果。而研究性學習的過程正是一個溝通與協作的過程。網絡正好為研究性學習提供了一個交流的空間。在這個空間里,學生可以通過CMC(Computer-mediated Communication)技術進行遠程通信、交流,如E-mail(電子郵件)、BBS(電子公告板)、FTP(文件傳輸)、Chartroom(聊天室)、Inter Conferencing(網絡會議)、Voicemail(語言信箱)等一系列雙向交流工具實現了同步和異步交流。
(4)網絡環境下的高等數學研究性學習有利于辯證思維和橫縱思維的培養。辯證思維(即辯證邏輯思維)是指“能運用唯物辯證觀點來觀察、分析事物尊重客觀規律,重視調查研究,一切從實際出發,實事求是;能用對立統一觀點看問題,既看到事物之間的對立,也看到事物之間的統一,還要看到不同事物在一定條件下可以互相轉化,即既要看到事物的正面,也要看到反面,能從有利因素中看到不利因素,也能從不利因素中看到有利因素,總之是兩點論不是一點論”。橫縱思維包括“橫向搜索”和“縱向挖掘”兩個方面。橫向搜索用于解決“橫向復雜性”,縱向挖掘用于解決“縱向復雜性”。辯證思維是從哲學上為解決高難度復雜問題提供指導策略,橫縱思維則從心理學角度為解決復雜問題提供具體的操作策略。網絡平臺使得學生與學生之間、學生與教師之間、學生與相關專業人事進行交流,互相從問題的不同側面進行辯論與探討,可以使學生進行充分的調查研究,探索事物的來龍去脈,更加全面地認識問題。網絡環境為學生與學生之間、學生與教師之間、學生與其它社會力量的溝通協作提供了平臺,通過對問題多方面的探究,可以使學生進行充分的調查研究,探索事物的來龍去脈,進而培養學生的辯證思維和橫縱思維。
(5)網絡環境下的高等數學研究性學習還有利于發散思維的培養。發散思維又叫求異思維、逆向思維或多向思維,它強調思維內容和思維成果應與傳統觀念或原有概念不同,甚至相反,其思維事先不能確定,可以是一個,也可以是多個。它是指人們沿著不同方面思考,得出大量不同或相同的結論的思維。發散思維在高等數學學習上具有十分重要的作用。要想學到更多的知識,就必須強調發散思維,沒有發散思維,就沒有任何創造性的萌芽和創造性的成果。可以說,一切創造都起源于發散思維,高等數學學習中若沒有發散思維,則容易造成學生對書本對教師對權威的迷信,使學生的認識停留在書本上,不敢提出半點懷疑,而沒有疑問,是學不好高等數學的。網絡上有大量的豐富的高等數學教學資源,這為網絡環境下的研究性學習提供了極為有利的條件。在教學中,不少學生在網上與網友討論學習問題,有的利用網絡搜索,從網上下載了各類教學課件,這些課件均為各高校高等數學教學所用,各具特色,為學生的學習提供了全方位多角度的支持,擴大了學生的視野,使他們不再局限于書本知識,有利于發散思維的培養和創新思維的提出。
二、網絡環境下高等數學研究性學習的實施
由于高等數學研究性學習的目標是使學生獲得親身參與研究探索的體驗,學會分享與合作,培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力,培養學生收集、分析和利用信息的能力,培養科學研究的興趣、態度和社會使命感,它是一種基于項目的學習類型,強調尊重不同的觀點和交流協作,因此筆者在實踐教學中把它的教學程序劃分為五步,即問題產生、立題、展開研究、分析討論、得出結論。如下圖所示:
其中需要注意的是,每一個步驟都是由教師和學生共同參與完成的,必要時問題可以由教師先給出,再由師生共同討論后確定;每一個步驟都會產生形成性評價信息;每一個步驟的完成時間并沒有嚴格的限制,可以根據課時安排適當調整;在討論分析中,可能會產生新的問題,或需要更充分的信息支持,因此學習可能要轉到新的分析研究中。而在網絡環境下,這些都可以輕易實現。
(1)選題是高等數學研究性學習教學成功與否的關鍵所在。題目不僅要“可能”、“力所能及”,更重要的是對學生今后的學習和發展有幫助,亦即通過高等數學研究性學習,實現課程目標,并將所獲得的知識技能運用于高等數學學習,切不可將“研究性學習”簡單理解為在教室里用所學的“數學知識”解決幾道“應用題”。
高等數學研究性學習的課題,可以根據各高校的實際情況和學生的專業領域來選取。筆者在教學中采用“大課題”和“專題”相結合的形式進行高等數學的研究性的教學,效果較為明顯。大課題每學期安排1至2個為宜,主要以小組的形式進行,課題在學習生活日常生活與社會生活的交匯點產生。如大學生教育經費籌措、按揭貸款購房中銀行的收益分析等。而專題是指在高等數學教學中,每一單元或每一階段都確定一個研究題目,如產品利潤中的極限問題、征稅的學問、定價問題、最優批量問題、任意蛋糕能否對半分的問題、單位時間內血流量問題、人口統計模型、轉售機器的最佳時間、飛機俯沖時機翼影響的速度問題、飛機降落曲線問題、螞蟻如何逃跑問題、芝諾悖論問題等。為增強學生的參與積極性,可以將課題的研究作為期末成績的一部分。筆者教學實踐證明,利用“大課題”和“專題”相結合的方式,讓研究性學習中所獲得的直接經驗與高等數學課程所獲得的間接經驗交互作用,相輔相成,極大地調動了學生學習高等數學的積極性,有利于研究性學習與數學學科的應用功能的發揮。
(2)研究性學習強調學生對所學知識、技能的實際運用,既注重學習的過程,又注重學習的實踐與體驗,學生在課題的研究過程中,使自身的創新精神和實踐能力得以提升。因此,研究的過程是整個研究性學習課程實施的重點。在研究性學習實施過程中,一方面,要給學生保留足夠的時間和空間,另一方面,教師要及時了解學生開展研究活動時遇到的困難以及他們的需要,有針對性地進行指導,成為學生研究信息交匯的樞紐,成為交流的組織者和引導者,給學生適時的鼓勵和指導,幫助他們建立自信心并進一步提高學習積極性。因此在高等數學研究性學習教學管理上,要做到外松內緊,督促、指導每位學生填寫好每一次活動情況記錄、活動體會等等,每項工作落實到位,使學生更深刻地體會、理解開展研究性學習的意義,積極主動地參與研究,在研究過程中提高自身的綜合素質。
(3)采用有效的評價策略是高等數學研究性學習順利進行的保障。在研究性學習評價策略方面,除了注重學生的自我評價、注重合作的作用等等外,還應該將高等數學研究性學習的評價整合進高等數學的課堂教學之中。研究性學習的評價更加注重學習過程,而不僅僅是結果,整個學習過程中學生處于一種積極、活躍、興奮的狀態,從選題到制定研究計劃,再到收集資料,最后到結果的呈現,無不滲透著他們的辛勤勞動和積極的思考,由此豐富了學生學習的經驗,進而促進了學生獲取知識和運用知識能力的提高,可見,評價應該圍繞學生是否將研究性學習中所獲得的獲取知識的技能方法運用于高等數學學習。在高等數學學習中如何提問、如何收集信息、如何做出假設和解決問題,也就是將高等數學研究性學習的評價與數學學科的學習進行整合。
高等數學研究性學習作為一種教學改革的嘗試,既為學生提供了更廣的學習空間和更加靈活的學習形式,又能使學生的能力、情感、態度、學習方法等方面的素質得到發展。學生經過收集、處理和加工信息資料,綜合運用理論和實踐知識,使自己的數學基礎知識得到鞏固,學科素質和實踐能力得到提高,同時增強了自我學習的意識。在課題研究的過程中,學生的個人興趣、愛好和特長的發揮,激活了學生的創造潛能和學習積極性,培養了學生科學研究的志趣、態度和團體合作精神。這種新的教學模式對一部分教學難度大、知識體系復雜的課程進行教學改革也可以起一定的參考作用。
參考文獻:
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關鍵詞:研究性學習;計算機課程;教學模式
中圖分類號:G640文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)28-7997-02
The Application of Project Learning in College Computer Teaching
HUANG Shu-qin
(School of Information Engineering, Anhui University of Finance & Economics, Bengbu 233041, China)
Abstrat: The article introduces the necessary and the advantage in computer teaching, and analyzes implementation steps and attention items. It is significant to computer teaching innovation.
Key words: project learning; computer course; teaching mode
傳統的“講解,演示,上機操作”教學方式是以教師為主體,學生被動接受、模擬操作,這種模式難以激發學生的學習興趣,不能充分發揮學生的創新能動性,沒有充分體現計算機課程操作性強、實踐性強的特點,也就未能很好的實現教學目標。對此需要一種開放、主動、多元的教學模式對傳統教學模式進行革新,研究性學習正是適合這種要求的一種模式。
研究性學習是我國教學改革的新理念和新模式,指學生在教師指導下,以類似科學研究的方式獲取知識和應用知識的學習方式。它以學生的自主性、探索性學習為基礎,從學科領域和社會生活中選擇和確定研究專題,主要以個人和小組合作的方式進行。這種方式靈活性強,自主性高,對培養學生創新能力有重要意義。
1 計算機課程開展研究性學習的必要性及優勢
計算機課程開展研究性學習有明顯的優勢,我們從計算機課程和研究性學習的特點上來分析其共性。
1.1 計算機課程的特點
計算機課程的特點主要體現在以下四個方面:
1) 計算機學科是一門發展迅速的學科,知識更新快是其一大特點。計算機軟硬件發展迅速,學到的知識可能也很快就會過時,這就要求老師和學生要不斷的學習。
2) 計算機學科是一門新興學科,有很多問題沒有解決,盲點較多,需要不斷的探索研究。
3) 計算機學科操作性強,動手能力要求較高。老師課堂上講的內容使學生感覺像過眼煙云,不能消化吸收,失去了學習的積極性。
4) 它是一門綜合性強的學科,尤其與數學、電子科學聯系緊密,知識點多。
計算機課程特點決定采用傳統教學模式效果不理想,需要進行改革。
1.2 研究性學習的特點
研究性學習特點:開放性、自主性、實踐性、探究性。
開放性是指學生研究的內容來源于生活,是多方面的、全方位的、不是固定的;自主性是指學生是學習的主體,完全自主的決定學習的過程,在研究過程中發現自我價值,從而實現自我價值;實踐性是指研究性學習強調學生主動參與,而不是被動接受,培養學生的實踐動手能力;探究性是指學生在主動學習的過程中,培養科學態度和科學探索精神。
1.3 計算機課程開展研究性學習的必要性和可行性
現在的計算機課程采用的教學方式理論課多是“課件+多媒體”,即“講解+演示”,實驗課堂即上機練習,這種形式使很多學生不能很好的消化課堂上講的內容,上機練習時往往不知所措,出現理論課和實驗課脫節的現象比較嚴重。而采用研究性學習,使學生完全自主的操縱每一步,對每一步都要動腦去思考,去探索,給了學生更大的選擇空間,這樣會增強學生的學習效果,激發學生的學習興趣。另外,高校的一個重要教學目標是培養學生的科研能力,研究性學習模式對提高學生的科研能力有極大幫助。所以鑒于當前傳統計算機教學方式的缺陷和當前高校的培養目標采用研究性學習模式具有必要性。
計算機課程的主要使用工具是計算機,這也是開展研究性學習的一個有力工具,學生借助于圖書館的電子資料和電子期刊數據庫,網絡等途徑可以方便的搜索、收集、整理所需的資料。計算機教育水平和研究性學習的關系緊密,可以說,計算機課程教育水平提高了,開展研究性學習的手段也提高了,反之亦然。另外,計算機課程涉及的學科較多,為開展研究性學習提供了更多的選擇空間。所以說,對計算機課程使用研究性學習的模式可行性較強。
1.4 計算機課程開展研究性學習的優勢
計算機課程的和研究性學習的特點兩者之間有相通性。首先,就實踐性而言,研究性學習為學生提供了良好的實踐環境,而計算機學科操作性強,要求學生有較高的動手實踐能力;其次,研究性學習具有探究性、開放性、自主性,而計算機學科是一門新興學科,很多問題沒有解決,為研究性學習提供良好的前提和基礎。所以計算機課程采用研究性學習有明顯優勢,效果會更好。
2 開展研究性學習的步驟
2.1 學習目標的設置
研究性學習目標是為了使學生具備分析問題、解決問題的能力,提高學生的創新能力和動手能力、培養科學態度科學和探索精神及靈活運用所學知識的綜合素質。
2.2 課題設置
進行研究性學習,要根據學生的能力個性特點設置課題。課題可以由學生自己設置,也可以有老師命題。當然,由學生命題的要由老師把關,考核課題的可行性。針對不同能力的學生課題的設置要有區別。例如擅長理論推導的學生可以設置一些算法的課題,人工智能、圖像處理等課程比較適合;編程能力較強的學生可以結合社會應用,進行軟件開發的課題;藝術修養較強的學生,可以設置網頁制作,動畫設計等方面的課題。總之,設置的課題要針對不同學生,難度適中。
2.3 實施過程
研究性學習是強調學生在“做中學”,以任務驅動法激發學生的學習興趣,培養創新和主動性。課題定好后,最好以小組形式進行課題研究,可以增強學生之間的協作能力,培養團隊精神,遇到問題,共同討論,提出解決問題的方案。小組首先明確課題的預期目標和成果形式,制定實施方案,采用什么樣的設計方法。確定任務和方案后,查閱搜集資料,對資料整合。對課題研究,解決相關問題,形成結論性成果。在整個過程中,學生是主體,教師起著監督和引導作用。可以定時召開課題進展報告會,了解課題進展情況及每個學生的學習情況。及時糾正學生出現的方向偏差和催促沒有積極投入課題研究中的學生。也可以采取其它形式,如分組討論、角色扮演等形式,鼓勵學生主動參與,充分發揮其主動性。
2.4 結果評價
研究性學習的評價體系應該多元化,一是評價的主體要多元化。有學生自評、小組評價和教師評價。二是評價的要素要多元化,可以考慮知識運用能力評價、探究能力評價、分析思考能力評價、綜合表達能力評價等多個方面綜合考慮,單純靠終結性評價的方法是不可取的。三是評價的時間更要注重整個研究過程,而不僅僅是最后。例如在課題設定階段,考察學生設定課題的能力;在研究過程中,考察知識的獲取情況、能力的培養情況及運用所學知識解決問題的能力;在課題完成后,匯報,交流階段考察學生的綜合表達能力。要重視對過程的評價和在過程中的評價,重視學生在學習過程中的自我改進,體現形成性評價的特點,使評價成為促進學生培養科學探索精神的催化劑。
3 實施過程中的注意事項
1) 師生角色的轉變。教師不再是知識的占有者和傳播者,而是指導者和組織者。教師的作用已經不是傳統方式中的中心主體,由傳統學生學習的控制者,知識的仲裁者、實施者轉換為決策者,引導者,設計者,評價者。在研究性學習過程中,教師一方面引導學生進入正確的方向,另一方面監督學生的學習情況。
2) 教師素質的提高。開展研究性學習給了學生更大的自由空間,似乎對教師的要求降低了。其實不然,教師要具備因材設定課題的能力,具備課題方向的引導能力,要對整個課題牽涉的學科有一個全局的把握,對課題前沿問題要充分了解。這些都要求老師不斷的學習,加強自身素質的修養。
3) 加強教師的監督作用。由于開展研究性學習的主要途徑是網絡,網絡方便、快捷,同時也有更多的誘惑,教師要在學生開展研究性學習的過程中加強監督,正確引導。
4) 課題內容要考證可行性。設定的課題特別是學生設定的課題一定認真審查可行性,否則在做課題的過程中會半途而廢,影響課程的學習,達不到預期學習效果。
4 結束語
研究性學習的開展范圍有兩種:一是課堂教學,另外一個是課外形式。這兩種形式都有教師使用并取得一定的成果。研究性學習的優越性必將引起各學科教師應用這種模式,這對教學改革起到重要促進作用。
參考文獻:
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隨著現代科技的迅猛發展,網絡技術逐步滲透到人類生活的各個領域.由于網絡環境自身的特點能實現學習的交互性,通過人機對話與人工智能化,進行計算機各部件工作原理的模擬和仿真,實現信息資源的共享.網絡環境的開放性加深了人與人之間的交流與合作,網絡的超文本鏈接和資源共享,有利于學生創新精神和實踐能力的培養.國家教育部從2000年開始推出的各種課程教育計劃中把“研究性學習”作為重要內容列入其中,首次成為我國基礎教育課程體系的有機組成,這被公認為我國當前課程改革的一大亮點.國外自20世紀90年代以來,自主性、開放性、研究性學習的課程已構成許多國家課程改革的突出特征,如美國的“自然與研究”、“設計學習”,英國的“社會研究”、“設計學習”,法國的“綜合學習”,日本的“綜合學習時間”等,這類課程都注重和強調學生在學習活動過程中的科學探究和科學體驗,注重培養學生的信息素養.
1網絡環境下的研究性學習特征
從課程發展角度來看,研究性學習課程及信息課程的整合研究已成為當前課程改革的熱點問題.網絡環境拓展了學習的時間與空間,因此,倡導在網絡環境下開展自主性學習,其實質就是一種以網絡為背景的探究性的教與學.它是以課堂教學的過程為基礎,以學生的自主學習為主,鼓勵學生在學習過程中進行交流與協作.網絡環境下的《計算機組裝與維護》研究性學習,是指以網絡為媒介,依據網絡的資源共享、交互學習、超文本鏈接等特征,在教師或專家指導下,從理論和實踐中選擇和確定相應專題,以小組討論方式,展開組裝與維護綜合性活動.網絡環境下《計算機組裝與維護》課程研究性學習具有以下幾個特點:
1.1研究性學習的自主性與網絡環境的交互性
研究性學習內容的具體選擇與設計,可以根據學生、學校及課程的具體條件靈活地選擇.網絡自身的交互性特征可以不受時空的限制,采取豐富多彩的交互方式,打破地區的界限進行協作交流,如利用BBS、E-mail、網絡聊天室、電子公告欄等,在學生與教師之間,學習伙伴之間,學習者與專家之間展開學習,討論問題,從而促進信息的相互交流,這有利于提高學習者自主發現和自主探究的學習能力.
1.2研究性學習的實踐性、應用性和網絡環境的生成性
有效借助網絡進行個性化學習,可以完善學生的智能結構,促進學生人格的健康發展.學生利用所學的理論知識與計算機模擬有效結合,可以獲得實際應用的真切體驗.因此,借助網絡環境可以減少實驗設備的投資,降低教學成本,同樣使學習者的認識和體驗不斷加深,創造性的火花不斷進發.
1.3研究性學習的靈活性、多樣性和網絡環境的廣泛性
這門課程研究性學習正是有了內容廣泛性和活動形式的多樣性,所以適應了學生群體智能的多元傾向與學習方式的多樣性選擇.而網絡環境下各種可利用的資源豐富,信息更新速度快,在教師有效組織的前提下,網絡環境可以為每個學習者提供不同需要的學習內容和實踐對象;而各種層次的學習者,幾乎都可以在網絡環境中在線點擊或找到自己感興趣的學習資源,從而產生探究欲望和積極性.網絡環境的開放性和多樣性可以使學習者盡早形成合作、資源共享意識,同時,因為學習參與過程,從而使學習者獲得尊重且產生成就感.
1.4研究性學習活動環境、氣氛的愉悅性和網絡環境的趣味性
哪里有興趣哪里就有記憶.研究性學習應針對每一個學生的興趣愛好和主觀要求進行活動設計.研究性學習的內容安排,如果以分組競賽的形式組織活動就能激發學生的好勝心.倘若教師安排的活動有吸引力,還能激勵學生樂學、好學的志趣,同時為學生創造趣味性強、寬松活潑的學習氛圍,容易形成平等、民主、合作的師生關系.因此,在網絡學習過程中,可以根據學習內容特點,把學習者提出的具有價值性的問題,以多媒體的方式將問題情景化,呈現在學生面前,使學習者增強學習主動性,產生探究的欲望,進而學會創新.
2網絡環境下研究性學習的組織形式和教學模式建構
2.1網絡環境下教師角色的轉變
研究性學習過程中學生通過直接體驗和探究獲得直接經驗,其專題性、開放性、實踐性和綜合性的特點,決定了教師在研究性學習過程中的角色是充當活動的組織者、情感的支持者、學習的參與者和信息的咨詢者.教學過程中的教師、學生、信息與手段等各要素的關系與功能開發,是與傳統教學模式不同的另一種功能性結構模式,是一種理想化的建構主義學習模式,教師從觀念到實際操作都起到了質的變化.教師角色中的“知識來源”作用將由部分網絡替代,即技術承擔教師的部分角色.信息資源獲取機會的均等性使得教師不再擁有控制知識的“專權”,而逐步向“伙伴與伙伴”的關系轉換.從研究性學習課題的制定和成果的到學習過程與學習的檢測評估,每個環節都是基于網絡環境進行的,要求教師具有較高的信息技術和使用水平;指導學生進行材料的搜集,要求教師具備通過網絡和電子資料熟練查詢和搜集的能力;指導學生進行交流和給學生提供技術材料,要求教師具備很強的文本編輯能力;協助學生進行課題成果的展示,以及利用學生網頁發表學生的研究成果,要求教師具有一定的圖像處理能力,多媒體制作能力以及一定的網頁編輯能力.只有當教師熟悉并能熟練地運用新技術、新手段使之成為指導學生學習不可或缺的部分時,教師角色的定位才有可能科學而準確.
因此,在網絡環境下對《計算機組裝與維護》進行研究性學習,教師不再是學習的主宰者,而是學習的幫助者.教師不再是惟一的信息源,而是更多地注重指導學生學會學習,幫助學生如何才能更快捷的搜索到自己需要的知識,如何使自己的知識成為更適用更有效的結論并被別人接受和加以運用.
2.2網絡環境下的《計算機組裝與維護》研究性學習的組織形式
2.2.1“個體活動”型
活動的過程是由學生個體獨立進行探究和實踐.比如完成老師布置的具有研究性的課外作業,雖然在整個過程中也要與人交往和溝通,如向人請教、與人協商、查詢資料等,但其所有的決定和判斷都要求學生自己做出.
2.2.2“小組合作學習”型
以4~6人小組為基本形式,個人與集體活動也包含在小組活動之中,這種活動為學生提供了可以進行橫向交流與多向溝通的網絡環境,學生可以相互交流與合作,共同提高.這種學習形式往往是以“電腦某種故障現象專題”的形態出現的.
2.2.3“沙龍”型
網絡環境下<計算機組裝與維護>課程的研究型學習,特別是一些常見故障現象的分析解決,可以采取“沙龍”的形式,以“頭腦風暴”的方法,圍繞主題進行研討和交流,相互啟發,形成共識,從而加快個人和各研究小組的學習、研究進程.
總之,網絡環境為實現全方位的、適時的、多邊互動的教學新模式打下了良好的基礎.
2.3網絡環境下的《計算機組裝與維護》研究性學習的教學模式
網絡教學模式為學生自主學習提供強有力的技術支持,較好的體現了學生以主體,以教師為主導的教學理念,使學生在獲得理論和經驗的同時,也掌握了一些運用網絡處理相關信息的能力,而且使學生綜合素質得到全面提高.
借助網絡環境開展《計算機組裝與維護》課程的研究性學習,就是將傳統教學模式和現代信息技術有效的結合起來,建構一個“協作性學習”的教學模式.在Internet網絡環境下,具有豐富的可以用來協作性學習活動的信息資源,通過各種網絡交流手段,可在網絡上呈現和表達思想與觀點,實現與他人交流共享信息.在基于因特網的協作學習中,具有學習資源環境與協作學習小組、協作學習小組與學習個體、學習者個體與學習者個體以及協作學習小組與協作學習小組之間的多重協同作用.協作學習模式有組內和組間協作,學習者首先根據自己的需要與興趣結合不同的協作小組進行展開學習過程.
“協作性學習”教學模式各環節的具體操作如下:
1)創設情景
教師通過精心設計的教學內容,故意設置障礙,創設最佳學習情景,激發學生的學習興趣,使學生處于一種積極的心理狀態中,有利于學生的自主學習.例如,在“CMOS設置”的教學中,教師給一臺計算機分別設置系統BIOS密碼和開機保護密碼,不告訴學生密碼要求清除并開機,有效激發學生對現象的關注和研究興趣,使學生產生躍躍欲試的狀態,依靠網絡尋找最佳的解決方案.網絡環境使學生學習的時間與空間不受限制,學生可以利用電子郵件、郵件列表、新聞組、IRC實時聊天、MOO虛擬環境、視頻會議等因特網上的交流工具與指導教師就所要研究的問題以及與研究問題相關的信息進行交流和討論.教師利用網絡,一些電腦常見故障問題,然后,引導學生利用QQ進行群聊、交流討論,最后根據個人所關心的問題進行分類討論,進而展開研究性學習.
2)確定目標
學生運用課題質疑法、因果質疑法、聯想質疑法、比較質疑法等,在教師的指導點撥下,通過學生自主自我設問,學生之間相互設問,師生之間相互設問等方式,提出研究課題的目標與專題.在課題的提出階段,學生可以使用因特網上的交流工具與指導教師就所要研究的問題以及與研究問題相關的信息進行交流和討論.課題的選題來源一般可以從以下幾個方面開展,即從家用電腦常見的問題出發提出課題;根據電腦某部件的工作原理提出使用電腦應注意的課題;從學習資料信息中分析比較并提煉出課題.如學生在研究“硬盤的工作原理”課題時,教師利用網絡,要研究的主題是“硬盤的工作原理”,然后,引導學生對“硬盤的工作原理”進行討論,利用QQ進行交流已有的經驗,然后根據個人的興趣和愛好,進行分專題研究,分別針對專題提出研究課題所要達到的目標,進而展開研究性學習.
3)自主探究
教師提供接近學生最近所學知識的材料,組織學生結合目前計算機技術的新發展,能夠合理利用教師提供的學習資料或網上查詢的相關計算機硬件網站及網絡資源,開展研究性學習活動,對網絡上搜集到的知識進行分析一比較一歸納一思維概括,從而得出探究的初步結論,然后進行小組合作交流.
4)協作交流
在“以學生發展為本”的研究性學習中,學生不再是受外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象,而是成為信息加工的主體意義的主動建構者.教師有計劃地利用網絡組織師生交流、生生交流、人機交一流,從而形成競爭、協同、伙伴關系.學生之間相互交流、協助解決問題而形成學習的共同體,對于交流中遇到的一些疑難及時通過網絡協作學習方式來共同克服,同時加強了針對性的輔導.學生針對個人學習結果可以通過BBS討論區進行交流,協作學習.教師可以利用視頻會議對各研究小組進行集體輔導.
在網絡環境下,研究性的協作交流是指利用網絡以及多媒體技術由多個學習者或研究小組針對同一學習內容彼此交互合作,以達到對教學內容比較深刻的理解與掌握的目的.在基于網絡環境的協作學習過程中,通常有競爭、協同、伙伴與角色扮演四種形式.
5)總結
研究小組同學對指導教師和同學的客觀評價進行總結反思,學生根據自己的學習興趣,有針對性地選擇合適的方式和相關內容,提出進一步的完善方案和設計開放性的問題,自主提高.于此同時,利用超級鏈接將實踐經驗和理論向課外延伸,提高研究成果的社會認可度.
3網絡環境下研究性學習活動的教學策略
3.1借助網絡下超文本鏈接的選擇性,培養學生信息的收集、處理與分析能力網絡資源豐富多樣,信息量大,動感和交互性強,利用網絡信息平臺查詢資料.教師要引導學生到互聯網查詢資料,利用學校先進的校園網將教學背景材料實現網上資源共享.網絡技術的使用不僅可以極大的培養學生收集、處理、評價信息的能力,而且拓展了研究性學習的“教與學”的空間.通過校園網設立共享文件夾,作為信息平臺,學生可以上傳他們查閱的研究資料,也可以下載他們所需要的研究資料,由于各研究性學習小組的選題是在同一主題下的不同課題,因而有相近之處或相似之處,可以通過網絡及時交流意見,答疑解惑.
3.2借助網絡多媒體展示的集成性,培養學生思維能力
網絡能夠為我們提供大量集成性的信息,而對這些信息的處理過程,有利于訓練學生的思維能力.教師在研究性學習的指導過程中,要指導學生排除網絡上無關信息的干擾,把精力集中在當前正在研究的問題和專題上.同時教師應積極幫助和指導學生查詢與研究課題相關的資料,并能結合查詢到的研究資料,結合自己的已有經驗,進行信息梳理、分類、比較、綜合、提煉、概括和升華,從而使學生的思維能力得到鍛煉和培養.
3.3借助網絡展示各種故障的產生過程,讓學生探究、發現和體驗
多元智能培養人類已經步入了信息化時代,隨之而來的是計算機、多媒體、網絡、人工智能等為代表的各種先進信息技術迅速在教育領域獲得廣泛的運用,并且取得了很好的成效,更新了教育觀念和教學模式,豐富了教學手段和教學方式,也帶來教學內容方面的變革和發展。通過應用現代信息技術,大力培養學生的多元智能,提高學生思維和創新素質,受到了教育界的重視。如何才能充分借助教育信息技術的優勢,有效培養學生的各種潛在的特質和多方面的潛能,如何為學生的多元智能發展提供和諧的學習環境,變被動學習為主動學習,成為主動的知識建構者,是我們教育工作者思考的重要難題。
1多元智能的理論內涵分析
多元智能理論英文名稱是Multiple Intelligences,簡稱MI理論,是一種從上世紀80 年代中期已經風行至今的國際著名教育新理念。1983年,美國當代著名教育學家和心理學家加德納博士在《智力的結構》中,首次提出了多元智能理論。作為一種新異的人類智能理論,多元智能理論主張人的智能是多元的。該理論的意思是指人包含多元智能:視覺空間智能、言語語言智能、音樂韻律智能、數理邏輯智能、身體運動智能、自我認識智能、人際溝通智能以及自然觀察智能。教育學家加德納在1983年指出,智力指的就是基于某種社會文化背景的價值標準,個體在解決遇到的各種難題或生產制造某種產品所具備的能力。因為人類認識和改造世界的過程中需要面臨各種挑戰和問題,是在充分發揮人類多元智能的前提下,才創造出美好的世界,所以各種智能具有相同的重要性。但是作為個體,自身具備多少種智能是允許存在差異的。人的某種能力能否被認定為一種智能,這需要具備足夠充分的論據才能做出判斷。多元智能理論重視人的個性發展和全面發展的和諧統一,目標是培養出能夠處理實際問題,具備創新能力的創新型人才。多元智能理論自從問世,就在美國及其他國家獲得了人們的強烈反響,目前我國教育界也越來越重視多元智能理論。
2信息技術在培養學生多元智能過程中的重要性
2.1信息技術搭建活動平臺促進學生多元智能的發展。目前,隨著計算機技術的高速發展,逐步形成了以計算機網絡為核心的多媒體信息技術,該技術能夠為廣大學生提供一種虛擬的、適應性、感觀的以及誘導性的學習環境,構建出誘導、激發以及強化學生多元智能培養的高效活動平臺。學生在這個高效活動平臺中,根據自身的不同優勢智能,選擇適合自己學習的途徑和方法。因為多媒體網絡技術提供的各種多重刺激,比如聲音、視覺、動畫、圖像、線條、形狀、色彩、視頻、音量,那些難以尋找到重點或者缺乏耐心的學生是非常適合這種環境的,而且為另外一些學生提供豐富多彩的感觀世界,創設出具有愉悅特性的學習環境。廣大學生能夠在多媒體網絡技術構建出的高效活動平臺中,各種智能活動能夠得以開展,各種活動也能得到有效的培養。各種智能活動獲得了按需所求和自得其樂的效果。對于那些語言文字智能比較發達的學生來說,他們可以選擇到文字的世界里飛翔。學生也可以選擇具有挑戰性的學習方式和內容,比如研究詞的起源、接觸外國口語、寫作詩歌和散文作品等,也可以伙伴之間開展詞匯含義的討論。對于其他智能的學生,比如自然觀察智能,他們可以參加網上的虛擬實驗,將獲得很大收益。
2.2信息技術能夠提供豐富的學習資源有效促進學生多元智能的發展。加德納的多元智能理論提出,人的智能的發展史需要有關同一智力領域的材料和媒介的參與。意思是說多元智能的培養需要適當的豐富的學習資源作為智能培養的必備條件。迅速發展的多媒體信息系統具備超文本特性和網絡技術特性,能夠成為學生多元智能培養和發展的理想環境。我們知道Internet作為世界上最大的資源庫和知識庫,包含了海量的信息資源,而且信息具有開放性,信息資源豐富,所呈現的方式多樣,過程交互性好等特點,因特網采用超文本鏈接技術對信息加以組織和管理,能夠為學生多元智能的培養提供充分的學習資源。通過充分發揮Internet包含的各種搜索引擎,廣大學生能夠迅速查詢到所需要的各種知識。另一方面,網絡技術又能為廣大教師備課、選取教學資源提供豐富的資料,滿足學生的不同智力發展需要,實現因材施教。
2.3信息技術通過提供各種有效的評價手段滿足學生多元智能的發展。學生多元智能的培養缺少不了恰當有效的評價手段。而信息技術正好提供了各種評價手段,而且評價方式具有個性化和多樣化的特點。信息技術評價工具很多,比如電子學檔ELP、電子績效評價系統EPSS,能夠準確方便地對學生學習過程、方式、時間和結果加以記錄和比較,從而幫助學生進行反思,吸取經驗,提高學習的策略,促進多元智能的發展。由于學生處在這種評價體系中,他們學習過程中和技術形成了智能伙伴。借助技術,學生能夠逐步形成在反思中學習的習慣,逐漸提高內省的能力,促進意義生成,努力形成個性化的學習作品,加深各個層次的思考,提高多元智能的培養效率。
3利用信息技術培養學生多元智能的策略
3.1構建多元化的教學情境,促進學生智能結構的優化。在研究的過程中,人們發現人類在出生之前已經具備了各種智能發展的條件和基礎。所以,如果教師能夠借助先進的信息技術為學生的某種智能發展提供各種必要的條件,幾乎任何人都可以在那一種智能獲得很大的發展。反過來,即使學生的生理潛能非常巨大,如果沒有后天發展這種智能的環境,也會出現退化和消失的結果。從這里我們可以發現后天的環境對于學生智能培養和發展的重要性。所以,學校教育需要借助信息技術為廣大學生構建豐富的情境,最大限度的為各種智能的發展提供必要的外部條件,促使他們的智能結構得到優化。借助信息技術構建成的各種豐富情境,學生能夠借助多媒體計算機開展有關文字處理、數據分析、多媒體創作和編曲欣賞等活動,使自身的語言智能、邏輯數理智能以及音樂韻律智能獲得發展的空間。通過把多媒體計算機技術和人工智能技術有機結合起來,對現實進行虛擬,幫助學生形成在虛擬的環境中完成學習任務,參與模擬活動的習慣,促進學生空間形體智能的發展,培養肢體動覺智能的形成,激發自然觀察智能的培養。還可以充分發揮網上交流工具的巨大優勢,有效創設協作學習情境,有效促進學生合作精神的培養、發展學生高級認知能力、培養學生和諧的人際關系。作為信息時代的教師,必須學會運用信息技術的各種能力,努力構建出多元化的教學情境,借助豐富的形象、活潑的教學方式、豐富的教學資源,調動學生多種感官參與到學習活動中,促進各種智能的形成。
3.2充分利用網絡學習平臺,有效提高學生的人際關系智能的培養效率。在多元智能理論中,人際交往智能是其中非常重要的一種。通過合作學習方式,能夠有效培養學生的交往能力和意識,促進人的人際交往智能的發展,最終形成智能互補的目的。作為教師,應該努力為學生提供各種形式的合作學習的計劃,充分發揮合作學習的這種作用。教育信息技術在創設交流、溝通和合作的學習情境的過程中的作用非常明顯,通過建立合作學習模式,發揮教學的開放性、平等性、民主性和互動性特點,促進學生在合作學習模式中增強把握自己和與人合作的能力,繼而形成相互接納、分享和欣賞等良好品質。通過經常性的合作學習,學生逐漸建立起一種相互促進的積極的人際關系,能夠有效提高學生的人際交往能力和意識。充分發揮計算機網絡的技術優勢,借助伙伴、合作和競爭等方式,促進學生主觀能動性的發揮,提高學生在教學中的主動性,促進學生智能發展。
3.3努力借助各種手段,提供師生合作學習的各種機會。在開展各種師生合作學習的活動之前,教師需要有機地制定好學習目標。對學習資源、教學環境、合作學習平臺以及合作學習的階段過程都需要進行必要的恰當的規劃和設計,評價手段也是需要引起教師注意的重要內容。教師在進行學習目標的設計過程中,要把知識的學習、學習任務和問題情境等要素巧妙結合起來,有效協調好各種知識的深度和廣度、專一性和多樣性問題,處理好理解和運用的關系。學生能力的培養目標主要是培養學生的解決實際問題的能力、合作能力、思維能力、信息獲取傳播和評價能力、社會交往能力、計算機應用能力等。而在設計學習資源的過程中,可以借助網絡構建出多樣化的知識資源庫,為問題解決提供知識來源,幫助學生建立各自的問題列表,繼而依此檢索和定位各種解決問題的信息,提高學生認知水平。在合作交流工具的選擇上,教師更是需要投入更多經歷,選擇適合實際的合作交流工具,符合學生的需求,又能幫助學生提高合作能力。教師可以借助校園網建立屬于教師和學生的討論區,發揮BBS論壇和留言板一對一、一對多交流的特點。通過這種方式一方面避免了師生面對面之間的隔膜,縮短了師生之間的距離,另一方面能夠有效促進學生的人際交往智能的培養。在合作學習的過程中,教師要本著學生自愿的情況下,幫助他們進行異質性分組,努力讓學生形成優勢互補的習慣,促進學生的全面發展。通過組內異質和組間同質的特殊分組方法,能夠既保障組內成員的合作,又能增強組間的相互競爭,提高合作學習的成效和質量。
3.4借助多元評價體系有效促進學生自我認知智能的培養。多元評價能夠有效提高學生自我認知智能的培養。因為多元智能理論主張的是多渠道、多角度和多形式地對學生創造能力和解決問題的能力進行全面評價和考核。這種評價觀超越了傳統的評價取向,那種傳統的以考試成績和智力測驗為考核重心的標準已經明顯不適合時代的發展。多元評價觀把結果和過程、評價和學習有機結合在一起,由重視結果的評價逐步轉向以情景化為基礎的過程性評價,能夠很好地增強學校、家長對學生的學習特點和需求的了解,從而幫助學生充分認識到自身的弱勢智能和優勢智能所在,有計劃地朝富有個性特色的方向努力奮斗。基于信息環境而形成的學生多元智能評價方法在選取電子學檔作為主體外,把教師評價、自我評價和學生評價以及系統測驗等多種方式有機結合起來構成過程性評價方法。在學生進行一系列學習過程中,對他們的多元智能情況加以檢測,最終獲取比較準確的材料。在整個多元智能評價過程中,學生能夠不斷反思,繼而學會有效管理自己的學習過程,發揚自身優勢,最終促使學生的自我認知智能在不斷的學習過程中獲得較好的發展。
3.5通過開展綜合實踐活動,促進學生多種智能和諧發展。在教學過程中,教師應該充分借助信息技術開展各種綜合實踐活動,促進學生多種智能的組合發展。教師能夠基于網絡為學生開展研究性學習,激發學生多種智能的融合。因為研究性學習課題超出了單一智能的界限,實現了跨學科效果,能夠有效調動學生的多種智能潛力,從而幫助學生從自身的智能特長和興趣對研究課題加以選擇。而在研究性學習的實施階段,又充分發揮了學生的主體性。這些學生能夠根據自身智力的實際情況,有針對性地選擇研究方法、研究手段、研究過程和研究策略,有效借助計算機技術和網絡媒體技術,充分發揮學生運用不同技巧和智能的能力,促進學生多元智能的發展。
4結束語
在開發學生多元智能的教學進程中,促進素質教育的實施,培養具有高素質、創新型人才越來越需要發揮現代信息技術的重要作用。因此,在實際的教學中,教師首先需要樹立先進的現代教育理念,充分利用各種先進的信息技術,促進學生多元智能的發展。
參考文獻
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中圖分類號:G434 文獻標志碼:B 文章編號:1673-8454(2014)07-0068-04
引言
新課改實施后,高中信息技術課程體系發生了很大的變化,選修模塊增加了很多實驗性的課程內容,例如計算機硬件組裝、網線的制作、網絡服務配置、機器人裝配與調試等都具有很強的操作性,其目的是要培養學生的創新精神和實踐能力。但目前很多學校由于實驗設備的缺乏學生無法真正動手進行實驗,為了解決實驗教學環境缺失這一難題,我們設計與開發了虛擬實驗系統。
近年來隨著虛擬現實技術的發展,國內外的學者在虛擬實驗這方面做了大量的研究和開發工作,但主要面向的是高等教育理工科實驗教學,基礎教育中的研究比較少,主要也是針對物理、化學、生物等主科,作為副科的信息技術長期不受重視,在虛擬實驗方面的研究屈指可數:有文獻介紹了用虛擬機技術搭建虛擬實驗平臺的方法;[1]也有文獻介紹了用3Ds Max和VR-Platform(以下簡稱VRP)開發一個可交互的課件。[2]從技術實現的角度來看,采用虛擬機技術能夠解決硬件設施不足的問題,方便硬件設備的管理,但是平臺缺乏交互性;[1]也有的給高中信息技術實驗教學帶來了新思路,卻僅僅是一個單獨的虛擬實驗實例,不具有擴展性。[2]
本文針對上述不足,提出利用VRP構建研究性虛擬實驗系統的方案,即以VRP作為虛擬場景的開發工具,以研究性學習理論為基礎指導虛擬實驗系統教學設計。該方案能夠克服上述方法中技術實現的不足,同時注重系統的教學特性,具有交互性、平臺擴展性,易于實現和自主性、探究性等特征。
一、研究性虛擬實驗系統的設計
本文以高中信息技術選修課程《網絡技術應用》為例,依據《網絡技術應用》課程實驗要求設計和實現基于VRP的研究性虛擬實驗系統,系統設計的總目標是要改善目前實驗設備缺乏的現狀以及培養學生的創新精神和實踐能力。其中研究性虛擬實驗系統中的“研究性”,指的是以研究性學習理論為指導思想,設計出來的虛擬實驗具有研究性學習的特點,能使學生通過實驗增強實踐探究能力和創新意識。目前對研究性學習的定義沒有統一的界定,《普通高中研究性學習實施指南(試行)》給出的定義是:研究性學習特指學生在教師指導下,從自然、社會和生活中選擇和確定專題進行研究,并在研究過程中主動地獲取知識、應用知識、解決問題的學習活動。[3]根據此定義,這里將研究性學習理解為一種學習方式,它相對應于接受性學習,學生的學習是一個主動探究問題、創造性地解決問題的過程。具有自主性、開放性、主題性、實踐性、探究性和創造性等特點。[4]
1.教學設計
(1)學習者分析
學生是虛擬實驗系統使用的主體,因此在系統開發前必須充分考慮學生的特點、認知水平和認知風格等基本特征,為后續的開發工作提供依據。高中生的生理和心理都進入成熟期,思維具有創造性和靈活性,喜歡新事物和創造性的活動,因此在新穎而有趣的虛擬實驗環境中進行自主探究學習,能夠激發學生的學習興趣,滿足學生的求知欲和探索精神。
(2)研究性教學內容與學習資源設計
本系統中包含《網絡技術應用》教材中大部分的實驗內容,通過對實驗內容的整合,選取能夠體現虛擬實驗系統教學優勢、實踐體驗性強的實驗內容,每個實驗都是以問題的形式呈現,學生在這個問題情境下,可以提出具體的研究問題作為實驗學習目標。為輔助學生自主實驗,系統提供理論豐富的學習資源,如文本學習資料、圖片、動畫及視頻案例等,學生可以自由地組織和獲取各種學習資源。
以上設計體現了研究性學習開放性的特點,學生可以自主選擇實驗內容與學習資源進行實驗,另外,虛擬實驗系統能夠使學生不受時間和空間的限制隨時隨地進行實驗,體現了整個研究性虛擬實驗系統的開放性。
(3)教學目標分析
教學目標是教學的出發點和歸宿,也是對學生學習效果評價的依據。虛擬實驗的具體目標分為兩個:知識、技能目標和實驗活動目標,其中實驗活動目標中包含情感態度、精神素養方面的要求。
(4)自主實驗策略制定
研究性學習強調學生的主體地位,要充分發揮學生的主動性,因此自主實驗的設計應以學生為中心,學生自主對實驗引導的問題進行探索,從實驗儀器的選擇、實驗操作步驟的確定、學習資源的利用到實驗報告的填寫,都是由學生自主安排,教師不參與實驗過程,而是給出相關知識點解析、視頻或PPT演示示例供學生參考,學生可以根據自己的學習情況安排自己實驗進度。整個實驗過程具有自主性、探究性和實踐性,同時學生探究實驗的過程也是一個創造性的過程。
(5)反饋評價設計
研究性虛擬實驗系統的反饋評價設計,主要是通過填寫實驗報告進行的,同時也注重學生在實驗過程的評價與學生的自我評價。目的在于讓學生及時了解自己的實驗情況,反復修正和探索實驗問題,教師也可以通過學生的實驗反饋了解學生的學習情況。
2.系統框架設計
虛擬實驗系統包括簡介、儀器庫、實驗列表、背景音樂、幫助和退出系統六個組成部分,其中最核心的部分是虛擬實驗模塊,每個虛擬實驗功能設計大致一樣,主要由實驗介紹、演示示例、儀器選擇、自主實驗及反饋自測五大功能模塊組成。系統的框架設計如圖1所示。
實驗介紹模塊:介紹每個虛擬實驗的學習背景概述、教學目標、教學重點和難點。示例演示模塊:包括視頻教程和PPT動畫演示文稿,通過鼠標點擊虛擬投影屏幕模型上的按鈕進行播放。儀器選擇模塊:虛擬儀器桌上主要有水晶頭、雙絞線、網線測試儀、壓線鉗、路由器、交換機等虛擬儀器,通過鼠標點擊虛擬儀器模型實現交互,從而選擇實驗所需要的儀器設備。自主實驗模塊:這是學生進行自主虛擬實驗的開放性場所,學生在虛擬小女孩角色的引導下進入虛擬實驗室中進行自主實驗探究。本模塊中提供的資源包括動畫漫游、問題引導、知識點解析、操作內容和實踐拓展,學生實驗前可以通過動畫漫游熟悉整個實驗環境,然后根據給出的操作內容,自主進行實驗探究,實驗中有疑惑可查看教師給出的問題引導及相關知識點解析,學有余力的學生還可以完成實踐拓展中的內容,進一步提高自己能力。反饋自測模塊:附有實驗記錄表、實驗中問題分析和實驗結論填寫。
3.流程設計
根據系統設計實現的先后順序,虛擬實驗系統的實現流程圖包括前期準備階段、3D建模階段和交互設置階段三個步驟,如圖2所示。
(1)素材收集
在系統實現的前期準備階段,除了對教學設計“軟”素材的準備,還要對虛擬場景制作的“硬”素材進行收集。由于虛擬實驗系統是以實體實驗室為基礎進行仿真構建的,因此要對實驗室的外形構造信息和紋理材質、貼圖照片等進行采集。
(2)三維模型建立
本文采用功能強大、界面友好的3ds Max 2010進行《網絡技術應用》虛擬實驗環境的構建,主要包括虛擬實驗室、虛擬實驗儀器設備如水晶頭、雙絞線、壓線鉗、PC機、路由器等模型的構建。模型框架創建后,為模型添加材質和貼圖、布置燈光及場景烘焙,其效果如圖3所示。
(3)交互設計
在3ds Max 2010中完成虛擬實驗環境建模后,通過安裝好的VRP-for-Max插件導入VRP編輯器中,導出的時候可以進行預覽。成功導入VRP編輯器后便可對虛擬實驗場景進行編輯和調整,進行交互設計。本文所實現的是桌面式虛擬實驗系統,學習者與系統的交互主要是通過鼠標、鍵盤及界面的按鈕進行,通過設置模型或按鈕的事件觸發腳本命令實現與場景中對象的各種互動,如實現對模型的平移、縮放、旋轉及在場景中進行漫游、行走等。
(4)虛擬實驗系統
VRP虛擬實驗系統的比較簡單靈活,既可以將文件編譯成單機可獨立執行的*.exe文件,也可以輸出為Vrpie文件通過互聯網在線瀏覽交互。
二、具體實現案例
1.開發環境介紹
VR-Platform(Virtual Reality Platform,簡稱VRP)是北京中視典數字科技有限公司獨立開發的虛擬現實軟件,VRP軟件的適用性比較強,操作簡單,軟件功能強大,已經廣泛應用于城市規劃、室內設計、教育科研、古跡復原、工業仿真及軍事模擬等領域。
本文采用VRP軟件最新版本VRP12.1212作為虛擬實驗系統開發平臺,選擇的理由:一是VRP軟件是全中文界面,高度可視化,所見即所得,最大的特點就是易學易用,可以說在目前虛擬現實軟件中是最容易上手的。[5]對編程基礎沒有大的要求,這可以打消很多高中信息技術一線教師“想做虛擬現實卻苦于編程基礎一般”的疑慮,激勵更多一線教師參與進來,設計出更多符合高中生學習特點的虛擬實驗。二是交互性良好,在VRP中模型和二維界面都可以進行鼠標事件或距離觸發事件的腳本編寫,簡單設置參數后,就可以實現功能強大的交互。三是與3Ds Max 無縫集成,支持3Ds Max中絕大多數的燈光、材質、貼圖,支持3ds Max中的相機動畫、骨骼動畫、位移動畫和變形動畫,這些模型和動畫都可以很方便快捷地導入到VRP中,導出時還可以進行預覽。[6]四是VRP具有良好的兼容性,能夠兼容大多數Windows系統,VRP中還提供了ActiveX插件方式、基于腳本方式和基于C++源碼的SDK三種強大的二次開發接口,具有良好的擴展性。
2.具體實現
下面通過部分實例來說明如何利用VRP實現研究性虛擬實驗系統:
(1)演示示例的實現
當用鼠標單擊二維界面“演示示例”按鈕時,虛擬實驗場景切換到投影儀屏幕,用鼠標單擊屏幕上的開始播放按鈕,即可播放虛擬實驗的演示示例視頻或PPT動畫演示文稿。圖4為實驗案例一“網線的制作”演示示例效果。
其中“演示示例”按鈕的腳本代碼設置為:
切換相機(通過名稱),定點-投影屏幕,1
開始播放按鈕腳本設置為:加載視頻,E:\li\實驗 例子\VRP文件\網線的制作.avi,0
應用視頻到模型,網線視頻按鈕,1
視頻播放控制,網線視頻按鈕,1
變量賦值,視頻顯示,1
(2)虛擬儀器選擇的實現
單擊“儀器選擇”按鈕,系統通過定點相機切換場景到儀器桌,儀器桌上的儀器設備信息都記錄在連接的Access數據庫中,鼠標左鍵雙擊儀器可以調出數據庫顯示面板查看儀器信息,如圖5所示。學習者根據實驗需要自主選擇儀器,單擊鼠標中鍵可選擇所需儀器,當選擇錯誤儀器時,系統會給出溫馨提示,學生自己考慮選擇或取消,取消選擇點擊鼠標右鍵即可。
“儀器選擇”按鈕腳本設置如下:
切換相機(通過名稱),定點-儀器桌,1
時間軸播放,儀器操作時間軸
更改時間軸播放方式,儀器操作時間軸,0,1
激活時間軸,儀器操作時間軸,1,1
(3)自主實驗的實現
學生進行自主實驗是虛擬實驗系統的核心部分,單擊二維界面上“自主實驗”按鈕,進入自主實驗開始場景,其界面如圖6所示。學生通過小女孩角色引導進入虛擬實驗室進行虛擬實驗探索,如圖7所示為學生正在通過ping命令測試網絡連接,界面用大窗口實現電腦桌面內容便于觀看和操作,使用到的是VRP12版新增加的“渲染到貼圖”功能。[7]
“自主實驗”按鈕腳本設置為:切換相機(通過名稱),定點-室外,1。
“漫游”按鈕腳本:切換相機(通過名稱),動畫相機漫游,1。
小女孩角色腳本設置為:時間軸播放,室外行走動畫。
切換相機(通過名稱),角色控制-小女孩,1。
開門動作腳本:播放剛體動畫,vrp_rigid開門,0,0,1。
三、結束語
本文以高中信息技術選修課《網絡技術應用》為例,設計和實現研究性的虛擬實驗,打破了傳統的教學方式,為高中信息技術實驗課程提供了新的教學模式和學習方式。注重實驗內容的研究性教學設計和界面設計,可以提高學生的興趣,培養學生的創新精神和實踐能力。選用VRP作為虛擬實驗的開發工具,并且給出了整個開發流程,為高中信息技術一線教師自主研究開發提供參考。只有信息技術教師首先重視學科教學,信息技術學科的地位才能得到有效提升。
參考文獻:
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綜合素質培養
錢鍾書先生曾說過:“有了門,我們可以走出去;有了窗,我們不用走出去。”近年來,我國涌現出的一大批以機器人教育為代表的青少年科技教育項目,其最直接的目的就是為青少年朋友打開“一扇窗”,讓他們開眼界,闊視野。
機器人教育是一種以科技培養為主的綜合素養教育,在現如今普遍重視應試教育的環境里,如何培養孩子的綜合素質,提高孩子們的實踐能力,顯得尤為重要。
我國的機器人教育始于2001年,彼時國家正在推行計算機的普及教育。由于機器人技術的發展水平越來越成為一個國家科技發展水平的重要標志,機器人教育漸趨普及,其中以“機器人進課堂”教育和競賽型機器人教育為主。
目前,以機器人為核心構建的創新教育平臺,已在我國大、中、小學乃至幼兒教育中普及。縱觀各地的機器人教育方式,大體是按年齡段而量身打造,承載著不同的教育目的:
通過院校已經開設的關于機器人教育的相關課程,如自動化控制、傳感技術、機械學、電子學、計算機硬件及軟件程序等學科課程,圍繞機器人的研發,從理論到實踐,開展研究性學習、綜合創新活動,培養大學生探索、協作、創新能力;
通過以學校、少年宮等組成的智能機器人學習小組,開展機器人教育的選修課以及研究型課程,同時,組織學生參加各類競賽活動,激勵孩子,以提升學生及社會對機器人教育的關注度;
主要通過以興趣培養、體驗課的形式,輔助培養幼兒時期的兒童提升創造、創新動手能力。
機器人技術
承載著新的使命
機器人的制造技術融合了機械原理、電子傳感器、計算機軟硬件及人工智能等眾多先進技術。目前,許多教育機器人還添置了智能應用功能,如藍牙紅外傳感、視線追蹤及機器人競賽的簡單編程等。有些還增加了DIY電腦機械臂、鉸接式多足編程設置等。這些前沿性配置,為孩子開啟探索科技之門承載著新的使命。
在教學中,機器人教育也體現了非常重要的作用。學生們在動手操作的工程中,可以理解機器人的概念和工作方式,為進一步學習機器人技術的有關知識打下基礎;而學習編寫簡單的機器人控制程序,能夠提高學生分析問題和解決問題的能力;通過機器人競賽和完成各項任務,學生能夠在搭建機器人和編制程序的過程中,培養動手能力、協作能力和創造能力。有科技老師曾表示:“學習機器人技術不僅提高了學生的創新能力和邏輯思維能力,還使學生做事更加條理分明,這是機器人教育所帶來的意想不到的結果。”
智能技術是信息技術領域的一個學術前沿,智能機器人的開發與應用全面涉及感測技術、通信技術、智能技術和控制技術,是進行信息技術教育的最佳載體,也是全面培養學生信息素質,提高其創新精神和綜合實踐能力的良好平臺。
開拓思路
培養動手能力
作者簡介:毛麗民(1981-),男,江蘇常熟人,常熟理工學院電氣與自動化工程學院,講師;劉叔軍(1962-),男,黑龍江寶清人,常熟理工學院電氣與自動化工程學院,教授。(江蘇 常熟 215500)
基金項目:本文系國家自然科學基金(項目編號:61273312)、江蘇省自然科學基金(項目編號:BK2010261)的研究成果。
中圖分類號:G642.423 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2013)01-0148-03
在國外院校,學生本科階段就開設了機器人啟蒙課程,使學生對機器人能夠有普遍地了解,研究生階段開設關于機器人的更深層次的課程,而國內高校本科階段開設機器人課程的相對較少。
機器人教學與其他學科教學的最大不同之處在于,機器人教學在學習上充分滲透了研究性學習的思想,而且機器人教學實踐性非常強。實踐教學是培養學生實踐能力,培養創新創業人才的重要教學環節。高校要把實踐教學和理論教學擺在同等重要的位置,要不斷改革實踐教學內容,改進實踐教學方法。以機器人競賽、創新實踐為導向的項目教學法研究,對大學生創新素質教育具有重要的現實意義。
一、項目教學方法
“給你55分鐘,你可以造一座橋嗎?”這是德國教育專家弗雷德·海因里希教授在“德國及歐美國家素質教育報告演示會”上介紹“項目教學法”的一個實例。首先由學生或教師在現實中選取一個“造一座橋”的項目,學生分組對項目進行討論,并寫出各自的計劃書;接著正式實施項目——利用一種被稱為“造就一代工程師偉業”的“慧魚”模型拼裝橋梁;然后演示項目結果,由學生闡述設計思想和構造機理;最后由教師對學生的作品進行評估。通過以上步驟,可以充分發掘學生的創造潛能,培養和提高他們的動手能力、實踐能力、分析能力和綜合能力。
以機器人競賽、創新實踐為導向的項目教學法研究,就是要將項目教學法應用到機器人的創新實踐中,把各項理論知識和實踐技能有機地結合,將機器人的項目分解成多個明確的目標任務,讓學生在規定的時間里獨立完成相應的任務,其目的在于充分發掘學生的創造潛能,提高學生解決實際問題的綜合能力。通過實踐探索出一種能提高學生創新和實踐能力,全方位調動學生學習的積極性的機器人教學模式。在實施“機器人競賽、創新實踐為導向的項目教學法”時,重視機器人項目的選擇、機器人具體成果展示、教師的評估與總結、充分利用創新實驗室的現有資源并使之與現代化教學相結合,這是搞好“項目教學法”的關鍵。
二、機器人競賽
機器人競賽是一項很好的科技創新活動,形式繁多,內容豐富。設計方案的開放性,也為學生的創新奠定了基礎。參賽者可以用不同的方法實現同一個項目,通過比賽,激發其對機器人的學習興趣,引導他們積極探索機器人新科技,為其自主創新能力的培養提供良好的平臺。
中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽:1999年,在RoboCup 國際委員的支持和授權下,首屆中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽在中國重慶舉辦,目前是中國機器人最具影響力的賽事,比賽共設立12類65項賽事。機器人競賽種類多、規模大、水平高,為大學生進行創新實踐活動提供了很好的平臺。
“未來伙伴”杯中國智能機器人大賽(暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽),是中國人工智能機器人專業委員會等多個單位主辦的一項全國性賽事。大賽包含機器人救火大賽、機器人足球比賽、機器人創新大賽、機器人搜救大賽、機器人擂臺賽和機器人舞蹈戲劇大賽等6個主題項目。其中機器人救火大賽是國際賽制機器人滅火比賽(暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽)。
“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽,由教育部委托高等學校自動化專業教學指導分委員會主辦。競賽分競速賽與創意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來,“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽已經成功舉辦了6屆。
三、機器人實踐教學的具體實施
機器人競賽、創新實踐是一項很好的科技創新活動,機器人的趣味性易于激發學生學習和研究的興趣,同時將創新實踐、競賽引入教學過程,使學生變被動學習為主動學習和研究。
“機器人項目教學法”的一般教學結構如圖1所示:
“項目教學法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”,改變了以往“教師講,學生聽”被動的教學模式,創造了學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學模式。
本文以參加2012年中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽的醫療與服務機器人組的項目為例,在比賽初期確定人員,將不同專業和不同年級的學生組成一個競賽小組,研究競賽規則、制定項目方案、機器人結構設計、電路設計、程序調試,學生分工合作,過程中集思廣益、取長補短、團結協作。這種在探索中學習的過程是其他教學環節無法實現的,對于培養學生的實踐創新能力非常重要。本文以一種醫療與服務機器人設計為導向的項目教學法,按照以下六個教學步驟進行:
1.項目的申請
根據學院參加機器人競賽的實際情況,中國機器人大賽暨RoboCup公開賽,作為全國最具影響力的機器人比賽。本學院主要參加了醫療服務機器人、機器人游中國、擂臺等機器人項目,學生可以針對感興趣的比賽項目,或者根據江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃,申報項目,填寫申請書。教師針對學生申報的項目,分析學生的實際情況,建議選擇項目規模和難度適中的項目。
中國已經進入了老齡化社會,而且在今后幾年內老齡人口數量將會呈上升趨勢,老齡化將更加嚴重。老齡化使社會的勞動力減少,一些老年人不僅不能參加勞動,而且有的甚至失去了自理能力,需要人照顧,這就增加了他們的子女以及社會的負擔。年輕人為了工作日益繁忙,在目前服務行業工作者稀缺的背景下,在醫院時不時會有行動不便的病人需要護士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下,行動不便的病人寸步難行,稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學生選擇參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項,設計一種醫療服務機器人更好的服務病人。
2.項目團隊的建立
建立學生團隊,營造互相競爭、互相幫助的學習氛圍,學生在做項目過程中攜手合作,彌補相互間的不足,遇到問題大家一起討論解決,這讓學生體會到團隊的重要性,做到共同進步。同時,團隊的學生分工明確,每人負責項目的某一部分,使學生真正參與到項目中,整個項目的完成,離不開每一個學生,學生為使項目不會因為自己負責的部分沒有完成而主動學習,主動查資料,可以培養和提高學生的自主學習能力。學生團隊的建立,應考慮學生的專業,年紀,特長等因素。教師確定一名隊長,根據項目的特點,隊長可以自己招學生,實現學生管理學生。
參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項,筆者選擇了5名學生,隊長由09級的一名學生擔任,該生組織能力比較強,專業能力也比較脫出,由他負責整個項目的進展,匯報工作。其他學生分別是1名2009級的,2名2010級的,1名2011級的,專業分別是自動化、測控、電氣。
3.項目任務、計劃的制定
團隊負責人制定機器人項目工作計劃,確定工作步驟。機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的智能儀器。本次設計的醫療服務機器人由小組討論決定,醫療服務機器人外形像輪椅,病人能夠獨自駕駛去化驗室拿取報告,去門診找醫生復診,降低護士工作量及病人家屬的負擔。為使醫療服務機器人更好的服務病人,該團隊為機器人設置了兩種模式:座椅模式和病床模式,免去了病人就診、休息時需要被移動到病床上的麻煩。機器人將現場鍵盤控制和遠程控制相結合,實現護士對病人的遠程監護,機器人在前進過程中,檢測到前方有障礙物時就會立刻停下,減少不必要的事故。同時機器人配備了機械手,可以幫助病人取物品,最大程度幫助病人。
根據團隊中學生的專業、特長等分配任務,負責機器人機械結構設計的學生需要畫圖紙、電焊等來完成機器人結構的設計、機械手的設計;電路設計的學生制作包括單片機電路、電源穩壓電路、電機驅動電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路;測控專業的學生負責電路的測試、場地的制作等工作;程序編寫的學生,完成程序的設計、調試;控制界面的設計由另外一個學生負責,主要是VB編寫上位機、WIFI攝像頭的調試、藍牙通信的調試。
根據機器人項目的特點,學生在制作過程中可適當地作一些調整。根據項目完成的時間確定工作步驟,進行時間分配。最終得到教師的認可才能執行。
4.項目制作
學生自己確定各自在小組中的分工,然后按照已確立的工作步驟和程序工作。基于機器人項目的作品成果形式多種多樣,可以是調查報告、實物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果,可反映學生在項目完成過程中所掌握的技能。本次設計的醫療服務機器人成果包括機器人模型一個、機器人設計與使用說明書一份、演講稿一份。在本項目比賽結束后,指導學生按照他們設計的醫療服務機器人撰寫論文、申請專利。
5.項目檢查評估
整個項目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報,首先由隊長對整個項目進行匯報總結,再由隊員對自己負責的工作進行匯報和自我評估,并且對設計的醫療服務機器人進行展示,教師根據團隊成員的表現、研究成果表述和作品的展示進行檢查,為到現場比賽作準備。
針對項目中出現的問題,師生共同討論,教師引導學生獨立思考問題,解決問題。學生通過對比師生評價結果,找出造成結果差異的原因
6.項目資料歸檔或應用
為使學生養成良好的習慣,項目結束后,教師監督學生將項目工作資料整理歸檔,材料包括項目申報書、進度表、機器人機械結構圖、程序設計流程、機器人控制程序、項目結項書、項目報告講義等。
四、機器人項目教學的成果
機器人創新實踐是一個綜合性、高難度的科技制作過程,有利于提高學生的動手能力和創新能力。在教師指導下,學生通過自己查閱資料、提出有創意的設計方案,選擇合適的元件,設計、焊接電路,編程、測試程序等,充分調動了學生的積極性,發揮學生的創造力,使學生在實踐中進一步提高自己的綜合能力。有助于將學生的興趣應用到教師的科研中,使學生們熱愛科技,投身科技,在學校形成良好的科技學術氣氛。
本校參加機器人競賽源于2010年,當時參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽、中國機器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機器人大賽、“未來伙伴”杯機器人競賽,并因此開設了機器人技術、機器人創新實踐與競賽等公共選修課;制定了《大學生創新實驗室項目負責制實施辦法》,針對項目采取一系列措施,保證學生能在項目的過程中鍛煉自己的能力,同時能保證創新實驗室項目的創新性。實踐教學效果顯著,本校代表隊在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區比賽中,獲得攝像頭組第一名,晉級參加全國決賽的隊伍,獲得全國攝像頭組特等獎。2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項季軍,2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍,受邀參加在美國舉辦的國際機器人滅火比賽。
五、結論
實踐教學的目標是培養學生通過實踐發現、分析和解決問題的能力,培養創新精神和初步的科學研究能力。機器人創新實踐活動以其高度的實踐性被越來越多的高校引入實踐教學。本校自動化學院機器人實踐教學的具體實施,促進了學院各學科綜合發展,提高了教師的理論、實踐教學水平和科研水平,使學生對機器人相關課程融會貫通,提高了學生自主學習、創新和團隊合作等綜合能力,推動了學院實踐教學體系的發展和完善。
參考文獻:
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