简论数字化技术对专业课程教学的影响与作用

童启明,窦晓霞

(北京联合大学自动化学院,北京 100101）

简论数字化技术对专业课程教学的影响与作用

童启明,窦晓霞

(北京联合大学自动化学院,北京 100101）

数字化技术的普及应用是信息社会快速发展的必然结果,对人们生活产生的影响广泛而深入。现代教育教学过程在丰富多样的数字化、网络化环境作用下,其组织结构、实施策略较传统模式相比已不可同日而语,从技术实现与主观行为两方面进行分析,即为教学改革之需要,亦为专业建设之关键。

数字化;教学过程;教学策略

0 引言

数字化技术的普及应用是信息社会发展的必然结果,高效快捷、丰富多彩的数字化产品不仅正在以外部的、物理的形式成为人类生存、生活环境的重要组成部分,同时其蕴涵的文化元素也在愈来愈强烈、愈来愈广泛地影响人们的思想思维方式。

在广义层次上,技术与文化之间的相互作用是人类智慧活动的基本特征之一,相互作用的结果也正是人类社会前进的基本动力。单就教育教学领域而言,信息处理技术的数字化、网络化成就正在以其特有的方式激励人们对包括自身在内的主、客观世界不断挖掘、不断扩展;同时,在学习进程中获得的经验积累与知识更新,又使我们主观创新的巨大能量以日新月异的表现形式作用到更宽阔、更深入的精神物质世界。

在教育教学的过程中应用数字化技术与数字化设备,最大优势在于可用时空资源量的增加和相对成本的降低,即资源利用效率显著提高。同时,技术条件与实现过程的变化对教育教学的组织结构、实施策略以及参与者的文化行为模式皆会有所影响,这是不可忽略、需加细致斟酌考量之点。

1 数字化技术影响教学过程

运用数字化软、硬件设备辅助教学已经非常普遍,一台个人计算机联接一台投影仪就可以很方便地组成最基本的数字化教学平台,再加上局域网、广域网的使用,数字化教学环境几乎成为教学过程不可或缺的必要条件。

与传统教学过程相比,数字化教学环境的建立使可利用的教学资源的数量与质量极度增长,形式、内容之丰富详尽程度虽然难以量化统计,但凡亲身接触、使用者皆有切身感受。从具体应用层次看,最明显之处在于资料检索的便捷与广泛,网上查阅信息几乎已经成为条件允许时的首选方式,专门用于辅助教学的专业门户网站及更多热心、无私的网络用户构筑的信息世界大有无所不及、无所不能之势。

教学过程中应用数字化技术的另一重要方面是软件工具的应用。

在通用的文字处理、图形图象处理工具之外,应用工程设计、科学分析计算软件辅助课程教学越来越普遍,例如现在控制工程、通信工程领域十分流行的MATLAB软件系统,功能强大、性能超群,不仅能够解决比较繁杂的科学计算问题,且在基础的数学分析、工程解算方面也非常灵活、细腻,电路理论、电子技术、自动控制原理、电力电子技术、电力拖动系统等许多专业课程教学中皆可使用。图1为应用MATLAB/Simu link建立的直流降压斩波电路仿真模型。

数字化技术与数字化方法对教学过程影响和作用是自外向内的,从环境工具、实现过程开始逐步延伸到课程结构、内容组织、教学策略,直至文化内涵。

图1 直流降压斩波电路MATLAB/Simu link仿真模型

以“控制系统数字仿真与CAD”课程为例,普遍采用数字媒体及软件工具之前,讲解数值解算的原理与算法大概占到课程教学的80%,典型的实验计算过程多以面向过程的程序设计语言编程配合手工计算完成,课堂讲授中几乎没有形象化的演示方案。

MATLAB软件及数字媒体的应用完全改变了课程教学结构,从工程应用案例、模型建立分析到实用控制系统建模、虚拟仿真,数字化技术贯穿始终,借助软件工具完成课程教学的比例超过70%。在内容组织方面,面向过程的、晦涩抽象的原理性解释借助软件工具可以得到比较生动的形象化描述,手工方式不易完成的动态过程演算分析则可以使用专门的工具箱函数方便实现。

在教学过程中由于应用数字化技术而引发的课程结构变化,初始阶段较多表现出的是外部技术导向性,其后发生的结构、内容变化则多以内部深化理解为动力。可以说变化的起点是外大于内、客观要求先于主观认识,但变化的过程却必然是内大于外、主动多于被动。

针对数字化环境变换教学过程的最突出特征是信息交叉与信息融合,信息交融不仅使教学过程发生量的变化,更重要的是教与学的主体——教师和学生的思想方法与行为习惯发生变换,即要从更宽、更高、更精致、更多维的角度观察这个世界。

2 数字化方法影响教学策略

如上所述,数字化技术化方法首先使课程教学的环境方法发生变化,之后必然向课程内容结构、教学组织策略延伸渗透。

仍以“控制系统数字仿真与CAD”课程为例。作为进行系统分析与系统设计的基础,该课程教学重点之一是控制系统模型的建立和转换,其中包括外部模型与内部模型之间的转换、时间连续模型与时间离散模型之间的变换、正则模型与概念模型之间的变换,等等。

对于图2所示的连续控制系统结构图模型,应用常规方法进行结构化简、标准型变换求取对应状态空间模型的过程,步骤繁杂,难免抽象、晦涩。现在采用软件设计工具配合实现,则形象、灵活许多。在MATLAB/Simu link环境中构造的形式化模型直观简洁,模型文件存储后执行两条命令函数即可完成变换过程。

图2 连续控制系统结构图模型

这里应该注意一个问题:采用数字化技术方法辅助教学,可能导致概念模型的强化与正则模型的弱化现象。

可以肯定,从教学理解的角度看,直观的概念模型更易为学习者接受,但其所包含的原理、方法、规则、技巧并未完全展开,特别是隐含在现象背后的思想更显得渐去渐远。依笔者见,概念模型逐渐强化是一种必然趋势,符合应用领域效率优先原则;而正则模型弱化则要具体问题具体分析,不应一概而论。

以工程应用为对象的教学过程,经常将经验方法归纳整理为一般规则,不可能完全采用正则的数学语言描述,但这并不能作为忽视逻辑推理过程的借口,重要的是选择、采取合适的教学策略,抽象过程与形象表现相结合,互为表里、相辅相成。例如上述模型转换过程,就可以数字仿真为引导,先呈现解算结果,再解释变换机理,进而说明模型变换的机制和作用。

从现象、结果入手逐步说明原理、方法,是课程教学中常用的教学策略。在应用数字化技术辅助、丰富、改变教学进程的过程中,需要特别注意的是,技术运用要以为人服务、为教学目标服务为根本,避免由于过度依赖数字化工具产生的为用而用的倾向,当然更不应将是否应用数字化媒体手段作为评价课程教学优劣的硬性指标。

数字化技术设备的优势是灵活、快捷,但毕竟不同于人的基本思维模式,缺少并行触发机制,不可能自发形成知识链接网络,没有人的主动参与组织,机器还是僵化的机器,技术也不会有生命力。

3 数字化环境影响能力养成

观察在数字化环境中的工作、生活状态,不难发现已成事实的种种变化:用鸭嘴笔在硫酸钡纸上绘制工程图的过程已为工作站上运用AutoCAD取代;文字编辑、图象处理更多的是在鼠标移动中完成。

环境、条件、工具、方法的变化必然引发学习习惯、学习行为的变化,能力培养的原有定式亦将有所改变。

最明显的变化是学习空间、学习时间的改变,丰富的网络资源不受时间地域限制,在网络上几乎是有求必应、有求必得。如此变化的好处是主动学习的条件愈来愈宽松、愈来愈充分,而代价是学习者的依赖性易在不知不觉中滋生。运用数字化工具教学对学生的影响也是类似的。现在越来越多的课程教案采用网页或幻灯片的形式,复制、拷贝很容易,学生做笔记的必要性随之降低。

面对这种变化,急需建立与之相适应的能力培养机制和能力训练环境,好比孩子长大了不宜再用幼儿童车练习骑术一般,必须花精力营造适合人才培养、能力培养的大环境,改变为学而学、为做而做、对上负责的思维惯性,使数字化的生活、学习环境真正成为学生成材、成人的健康的土壤。

4 结论

在技术与文化持续交替、内外互动的循环中,求索未知的原始动力是永恒的,总有技术成果与文化观念结伴而生。当数字化的技术环境成为工作、生活中日益重要的元素时,教学过程不仅要面对、适应此种变化,同时必须认真研究由此产生的文化行为。

教学有法,而无定法,贵在得法。在课程教学这个多元复合的整体中,人与物、原理与方法、设计与实践、内在动因与外部呈现,相互依存、交互作用,只有不断探索、不断总结,才能为培养新世纪的新型人才做出应有的贡献。

[1] 薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计,机械工业出版社,2005.1

[2] 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真,机械工业出版社,2006.5

童启明(1960-),男,福建人,副教授;北京联合大学自动化学院电气工程与自动化专业负责人,主要从事电力拖动控制系统技术应用教学与研究,E-mail:zdhtqiming@buu.edu.cn

窦晓霞(1961-),女,河北人,副教授;北京联合大学自动化学院电气信息教研部主任,主要从事电机与拖动技术应用教学与研究,

E-mail:zdh txiaoxia@buu.edu.cn