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教學軟件開發思想和模式
略論“超越具體課堂教學過程”的教學軟件開發思想和模式摘要：面向課堂教學的多媒體教學是一線教師最為關心的現代教育技術，但軟件普適性不足的問題大大制約了其發展。解決這一問題必須在軟件設計開發環節建立“超越具體教學過程”的思想和模式，建議采用一線教師和專業人員共同參與的漸增型開發模式，協調好雙方主體的關系。文章還探討了“超越具體課堂教學過程”的教學軟件的特點，并就兩個案例進行了簡要分析。
一、引言
計算機輔助教學在中小學教學中的應用，從目前來看，主要方式是在課堂教學中通過演示、示范操作或個別學習來輔助教學過程。由于大班級教學組織形式的現狀和教育者的主客觀條件，這種應用方式的存在具有合理性，并將在相當長時間內仍保持主導地位。而基于網絡的計算機輔助教學還存在很多軟硬條件上的困難。在對教師的調查中，面向課堂的教學軟件也是他們的主要需求。
從目前所使用的軟件資源來看，面向課堂教學的商業軟件所占比例很�。ㄉ虡I軟件主要轉向“家庭教師”和輔助備課系統），學校和基層電教部門的自主開發，特別是教學實施者參與下的自主開發，是主要的軟件資源來源。隨著多媒體技術的發展和平臺型開發工具的普及，中小學教師參與開發多媒體輔助教學軟件可行性越來越高，熱情也越來越高，并逐漸成為優秀教師的參考條件之一和教師掌握現代教育技術的基本要求。
但從目前的現狀來看，基層教學軟件開發的水平發展不快，理論支持不足，鮮有推廣價值大的軟件作品。
因此，本文探討的主要對象是面向課堂教學的輔助教學軟件的開發思想，主要涉及基層軟件開發，但對于商業開發也具有研討意義。
二、教學軟件的課堂普適性問題
目前基層教學軟件開發除去媒體制作和編程水平的局限性，首要問題表現在實施環節的課堂普遍適用性。普適性差的首要原因，是很多軟件的設計和具體特定的課堂教學直接關聯，因而無法適用于多數的課堂。其主要表現在：
1.固化教學過程
以板書展現為主線，分條分目呈現，“一二三四”、“引入”、“小結”，將教學的過程基本固化�；驅⒕唧w問題的導入、分析、解決過程逐層展現，同樣是教學過程的固化。更有甚者，一個軟件覆蓋一節課的教學過程，從上課問候到下課再見都一應俱全。試想，這樣的軟件如果換一個老師，甚至是同一個老師換一種教學思路，都將導致軟件的不適用。
2.線性思維的程序設計，缺乏基本的交互性
我們知道，軟件技術區別于傳統媒體技術的根本特征就在于交互性。而直接體現教學過程的軟件，在設計中總停留在“先什么、再什么”的思維框架中，經常創作出線性的軟件，如卡式結構、翻頁結構、線性動畫。在線性結構的軟件中，媒體是按順序出現的，基本沒有什么規范的交互，往往是單擊鼠標或按任意鍵就到了下一頁；要到達某一特定頁就要先經歷之前所有的過程，誤操作提前進入下一頁就得從頭再來。線性的軟件交互性差，靈活性差，不但不能廣泛適應課堂教學，甚至在特定的課堂上（設計所預定的實施者）使用都存在很大問題。
3.采用簡單刺激，智能化程度低
受傳統教學設計的支配，軟件設計中也模擬傳統教學過程。具體表現如：需要板書或講解的時候給文字信息，需要掛圖或投影片的時候給圖形畫面，需要動作模擬的時候給動畫或視頻，為吸引注意加入華麗的背景或特別的聲效，做練習正確錯誤時給千篇一律的聲音或文字反饋。這樣的軟件往往是對傳統教學過程的圖解化，對于降低知識陡度，解析教學難點作用并不大，主要的功能還在于引起學生的注意，增加直觀性，對學生的認知心理作用還屬于“刺激─反應”型。
4.特例疊加，缺少媒體連續性
很多教學內容是研究事物的連續動態變化，比如數學中的圖像變換，物理中物理參量的變化，生物中的生理活動過程等。由于教師在教學過程中往往可能通過幾個特例進行研究，因此軟件也被設計為幾個特例的疊加，比如幾個特殊值代入，或特例到特例之間的變化過程。不同的教師由于教學角度的不同，往往需要有目標的選擇自己需要的特例或特殊值，甚至用整體和連續的方法研究問題，這樣軟件的普適性又會成為問題。只有媒體能滿足全程連續的變化，并能靈活控制，才能真實展現事物運動，保證適用于更多的教學過程。目前的軟件較少能夠做到。
5.多級分支的瀏覽結構
目前教學軟件開發中比較推崇的結構組織形式是多級分支，多層頁面。這種形式的軟件容易組織，結構清晰，容易實現模塊化，但其容易出現的問題卻不易覺察。由于對象散布在過多的頁面上，彼此之間有聯系的需求就得不到體現，更容易成為簡單呈現的媒體；即使在其中實現超文本的鏈接，也只是簡單的跳轉而已。因此，只要收集和創作大量的多媒體素材，然后用多級分支結構進行組織，大型軟件就做成了。這樣使軟件設計走向簡單化，軟件僅僅成為素材的瀏覽器。這樣的軟件與課堂教學雖然不是線性對應，但在媒體應用方式上依然與傳統課堂教學過程相對應。
此外，過多過深的頁面層級，會使課堂操作繁復，到達特定內容的線程加長，且用戶容易迷航。
以上教學軟件中普遍存在的普適性的缺陷，可能帶來以下問題：
1.軟件設計水平停滯不前
很多熱情參與軟件開發的教師，在若干次開發實踐后，始終在低水平、低效益上徘徊，難以有新的突破，逐漸失去開發熱情。
2.軟件一對一適用，難以廣泛推廣
一個軟件對應一個人或一種教學過程設計，不能廣泛適用不同的教師和不同的教學設計，因而無法推廣。
3.重復開發的必然性
由于軟件和具體教學過程相對應，使得重復開發成為必然，幾乎每一個課堂多媒體輔助教學的實施者都需要“量身定制”自己的軟件。很多老師迷惑，為一節課，下幾天、甚至幾個月的功夫值嗎？如果對每一課（或很多課）進行這樣的開發是不現實的，那么教師運用現代教育技術豈不走向了窮途末路？此外，重復開發的另外一個理由是，對已有軟件的質量并不接受。
4.基層開發軟件的交流和共享難以突破
除了小農經濟思想作怪，軟件普適性差成為影響軟件交流和共享的主要因素。試想，拿到別人的軟件，通常無法上到課堂上，頂多是觀摩參考借鑒，共享的意義就會大打折扣，交流的熱情也會消退�，F在互聯網上的很多大型教育網站、個人站點都提供輔助教學軟件上傳和下載，為基層軟件開發交流提供了有效的方式，但軟件本身難以共享，卻是更難以解決的。
從筆者下載的大量輔助教學軟件來看，基本上都是針對課堂教學的，其中多數設計制作水平比較初級不說，直接對應具體教學過程的又占了相當多數。
三、傳統媒體的開發思想和模式是問題產生的根源
輔助教學軟件所運用的是軟件技術，是一個有別于傳統媒體技術的交互式系統。但就目前的計算機輔助教學軟件開發的主流理論來看，卻較少運用軟件工程理論，而是遵循普通媒體制作的基本方法，集中體現在對“腳本”的重視。其開發模式可以表述為“教學設計——腳本編寫——編碼實現”，與軟件開發的一般模式“需求分析——軟件設計——軟件編碼”是有明顯區別的。
對于“腳本”的解釋是，表演戲劇、拍攝電影等所依據的底本。它本身是一個依據時間軸的規定性解釋系統，由腳本到媒體是一個“實現”直觀化、可視化的過程。我們一般強調由有經驗的學科教師來編寫腳本，并強調必須是“分鏡頭腳本”，解析為一個畫面如何布局，對象何時以何種方式出現，用戶發出什么動作后系統發生什么動作；用什么方式進入下一個畫面，再重復這一套。依據這樣腳本的作品當然更像一個傳統媒體作品。
同時，腳本來源于“教學設計”。教學設計在這里指的是某個人的或某種特定的教學設計，實質上是教學過程的設計。教學過程“轉換”為腳本，腳本再“實現”為軟件，這樣的軟件必然與具體教學過程相關，失去了不同教學設計的選擇。
由此看來，教學軟件與具體教學過程相關的問題，源于傳統媒體的開發思想和模式。實現與具體課堂教學過程無關的教學軟件開發思想，還需要借助軟件工程的一般原理，用符合軟件工程的方法指導開發工作。
當然，軟件工程通常是開發“大”程序的方法、工具和管理模式；而基層通常的教育軟件開發還只能稱之為“小”軟件，不可能完全對應軟件工程的規范流程。但軟件開發就是軟件開發，并不是傳統的媒體制作，它無論怎樣的“小”，其基本思想必須能體現軟件開發的思想。其關鍵就在于必須能夠超越具體的課堂教學過程，使軟件能適應更多的課堂和教學實施者。
四、“超越具體課堂教學過程”的教學軟件開發思想與模式
“超越具體課堂教學過程”是指課堂教學軟件從內容上指向教學專題，而非課堂教學程序，功能上能較好的覆蓋課堂教學需求又能獨立于教學過程而存在，以便于廣泛適用于相關課堂教學的軟件開發思想。
1.面向專題的軟件選題
軟件開發要超越具體的教學過程，首先要改變其設計的面向對象，由面向教學過程轉為面向教學專題。因此軟件選題的對象不是一堂課，而是一個任務；可以是一個章節的教學內容，也可以是跨章節的相關要素，我們統稱為專題。針對專題的軟件就可以形成課堂教學的平臺型軟件，可以充分支持課堂教學而不局限教學過程。
比如，數學中的圖像變換問題，物理中的落體與拋體問題，生物中細胞分裂問題等，都是一些典型的重點和難點內容，有必要作為專題來研究，同時是一些能夠“可視化”的適宜媒體表現的專題。
軟件選題對于成功的開發具有關鍵意義，需要進行必要性、可能性和軟件價值的論證。在嚴格的大型開發管理中要形成“軟件計劃任務書”。
2.教學需求分析作為軟件設計的依據
教學需求就是預期在課堂教學中，都需要什么樣的媒體、什么的媒體組織形式、什么樣的操作方式、對象或參量間什么樣的動態變化關系等。它不對應某個具體的教學過程，但可以對所有教學設計中可能被用到的特性（內容的或功能的）加以分析，對教學需求要素盡可能的發掘，篩選其中有意義的要素，盡可能在設計中加以涵蓋。
有了對軟件需求的界定，才能夠根據目標進行軟件的設計。包括界面和風格設計，模塊結構設計，功能設計，主要對象或參量之間動態變化的描述等。
需求分析和軟件設計原則上要形成“軟件需求規格說明書”和“軟件設計說明書”，但在實際的開發中可以只體現為一份說明書。甚至在較小的軟件開發過程中，軟件的的需求和雛形就在設計者的頭腦中形成，用口頭交流的方式傳遞。
對于說明書，在專業領域需要用專門的形式化語言來描述，但這對于很多專業計算機人員可能都存在著困難。通常用自然語言加直觀圖示的描述是被許可的，有可能的話可以給出程序的模塊結構圖或流程圖。
3.共同參與的漸增型開發模式
軟件開發最常用的兩種模式是瀑布型和漸增型。
瀑布型開發模式遵循軟件開發生命周期的劃分，大致是“計劃——需求分析——設計——編碼——測試——維護”這些階段，每一階段完成確定的任務后就交給下一階段�！敖虒W設計——腳本編寫——編碼實現”的開發流程也試圖體現這一模式。但顯然，瀑布型開發模式比較適合于軟件需求比較明確、開發技術比較成熟、工程管理比較嚴格的場合下使用，基層教育軟件的開發顯然達不到這樣的要求。
漸增型開發模式并不要求一開始就有一個完整的軟件需求定義，通常是從部分需求出發，先建立一個不完全的系統，由需求者和設計者充分體驗和交流，加深對軟件需求的理解，反復擴充和完善。學科教師作為軟件的需求者，由于對計算機媒體缺乏深刻的理解，往往不能結合計算機的表現形式提出很好的軟件需求任務，需要專業人員的幫助和在開發過程中不斷認識、不斷發掘有意義的需求要素去豐富和完善系統。最初完成的不完善系統稱之為原型，可以是界面或模塊結構的軀殼，或主要的媒體表現形式的示范，能夠有效的成為學科教師和專業人員結合的媒介。因此，漸增型開發模式更適合于基層教育軟件任務的特點。
漸增型開發模式實際上并不需要嚴格按軟件生命周期的各個階段來劃分，其有關的軟件文檔也并不要求一開始就是完善的，可以在開發過程中逐漸形成。
此外，軟件的測試、修改和維護等，是軟件開發的應有之意，此處不再討論。
五、“超越具體課堂教學過程”的教學軟件的基本特征
1.交互性
交互性主要指人機之間的交互，用戶通過交互界面輸入信息進行控制和請求，計算機則通過交互界面提供信息和動作。從某種意義上來講，人機交互能力的強弱，是計算機軟件能否被使用者接受和信任的關鍵�！俺骄唧w課堂教學過程”的教學軟件首要特征就是很強的交互性，主要體現在以下方面：
（1）用戶對軟件進程控制能力
對軟件的運行狀態，用戶必須有很高的控制能力，如動作的啟動、停止、重放，內容的跳轉，速度的控制，參量的選擇等等。絕不能出現播放媒體時無法中斷，進入一個練習后答案不正確就陷入死循環等。
媒體的線性組織方式是降低用戶控制權的方式，即便是為用戶提供翻頁結構，仍不能保證直達目標。
（2）功能特性自由取舍
在軟件設計中，對于有意義的教學需求都盡可能地體現在軟件的功能特性中，但是，并不是每一位教師或每一節課都可能用到這些特性，使用的時機、方式也不盡相同。因此，軟件應設置若干特性的喚起方式，如開關項按鈕等，以保證除主體內容外，多數的功能特性都可由用戶自由取舍。
（3）友好的用戶界面
友好的用戶界面是軟件易于學習、使用的關鍵，同時能大大提升與用戶的親和力。友好的用戶界面應簡單明了，符合常規，風格一致，反饋提示豐富得當，有良好的容錯性。
如缺少明顯的交互提示標志，讓用戶盲目尋找功能特性；畫面自動變化，沒有用戶干涉的機會；按鈕或提示方式、部位頻繁變化，用戶不容易掌握規律；過多的用戶鍵盤輸入，又缺少缺省值；誤操作將導致軟件出錯或鎖死等等常見現象，都是界面不夠友好的表現。再如用滑塊拖動或數字增減按鈕，就比直接輸入大量參數友好得多。
2.智能性
軟件的智能性相對于軟件簡單刺激的媒體展現方式。如果要求軟件的采用有助于學生意義建構的過程，就首先要體現軟件內部諸因素、諸對象之間的互動關系。
比如事物的運動變化總是受特定因素或參量的影響，而參量變化和事物運動之間的關系往往是教學的關注點。如果軟件中對象自動變化就成為簡單展現；而通過用戶主動干涉參量變化，導致對象的運動變化，就體現了事物內部的聯系。
3.界面集成化
界面集成化是針對推崇多級分支和多層頁面的程序結構而言的。多級分支結構的教學軟件的缺點前文已有論述。
主張盡可能減少頁面層級，在單一的界面內集成更多的對象、功能和特性。過多的對象不可能，而且也不主張在單一界面上平鋪堆砌，而應該給用戶隨時激發、喚起、打開和關閉有關對象的權限，不轉換界面就能實現更多的操作。同時，因為對象在同一界面內存在，就有可能通過算法實現交互技術，實現對象間的互動，體現事物內在的聯系和運動規律。實現這樣的互動遠比對象素材本身要難得多。
六、基層教學軟件開發適宜的組織方式
這里所說的軟件開發的組織方式指的是參與開發的人員之間的關系。目前最為常見的是學科教師同專業人員（如計算機教師）的合作開發。如果強調“超越具體課堂教學過程”的思想，那么對于開發工作的參與者，都會產生新的要求。
1.以項目任務為核心，突出雙方的主體性
以項目任務為核心，即指向一定的教學專題，而非特定的教學過程。這樣，學科教師不再是教學過程的記錄者或教案的搬家者，專業人員也不再是腳本的實現者，雙方都成為共同任務的創造者，雙方的主體地位才能得以發揮。
2.將軟件設計過程看作交流協作過程
通常成功的教學軟件制作過程并不是一個信息沿“教案——腳本——軟件”單向流動的過程，而是“基本需求——軟件原型——新的需求認識——新的軟件模型……”這樣一個循環提高的過程。這個過程需要學科教師和專業人員深入持續的交流、對軟件反復體驗嘗試來實現。
3.專業人員要善于理解學科教師的思路，善于指導和提升教師的思想
讓一個學科教師提供一個成熟的書面軟件任務說明是不現實的，即便教師能提供，專業人員能否深入理解還存在很大問題。專業人員要善于在協作交流中領會教師的思路和意圖，對于軟件教學性、科學性的要求必須有學科教師的認同。同時，教師對于計算機的特有功能領會不深，提出的要求往往不能體現計算機的特點和優勢，這時，專業人員就應該提出建議，幫助教師擴展思路，優化設計。
4.學科教師必須投身軟件開發的過程，才能有發展和突破
提出一個任務或完成一個腳本，就等著軟件被生產出來，這種期望是不現實的。投入開發過程，不但是保證軟件質量的需要，同時是學科教師在開發領域發展和突破的需要。學科教師投身軟件開發過程，可以體驗軟件任務的形成過程、軟件的設計過程、素材的收集過程、功能的設想和實現過程，以及相關文檔的形成過程，才能深入理解軟件技術的特點，學會教學軟件需求分析和軟件設計的方法。
更進一步，如果學科教師能夠較好地掌握開發技術，則更有可能成為優秀的教學軟件開發人才。
七、“超越具體課堂教學過程”的教學軟件開發實例
1.正弦函數圖像變換發生器見于www.k12.com.cn中國中小學基礎教育教學網“教學軟件交流中心”，或mosw.yeah.net。
正弦函數圖像變換是高中代數的重點和難點問題，其課堂教學的主要需求可概括為：
一定范圍內任意改變A、ω、Φ三個參數的值，函數圖像隨即發生動態的變化。任意多個狀態的圖像都可留有痕跡，以便相互比較。任何狀態都可以提供當前函數值與自變量關系的列表，以便對照圖像與描點結果是否吻合。
系統設計開發最終結果的界面如圖1。
圖1
函數當前圖像（一個周期）以系列小球表示，其軌跡由A、ω、Φ三個參數決定，用戶可以有多種方式在0~5的范圍內自由改變參數：一種方式是鍵盤輸入，通過“輸入［?］”的三個按鈕激活；另一種是通過拖動屏幕左下方的三組滑塊來改變參數，同時還提供了鍵盤、刻度值和漸變按鈕來驅動滑塊的移動。變化的步長也可以由用戶改變。
在小球軌跡處于任何狀態時，都可以通過“描線”功能描繪一條曲線，其粗細可控，顏色隨機產生；座標系中可多條曲線共存。曲線可隨時被“擦除”，重畫。畫曲線時如果選擇“標注”功能，則可為曲線標注解析式。小球軌跡還可由“屏蔽”功能暫時屏蔽。
小球軌跡處于任何狀態，都可點擊“列表”按鈕，打開當前函數值與自變量特殊值之間的列表。如圖2所列為圖1中當前小球軌跡的函數值和自變量列表。
圖2
本軟件可以適用于所有相關內容的課堂教學，做到了超越具體課堂教學模式。
2.植物細胞的有絲分裂本軟件精簡版見于www.k12.com.cn中國中小學基礎教育教學網“教學軟件交流中心”，或mosw.yeah.net。本軟件獲得首屆全國網絡課程和多媒體課件大獎賽二等獎，首屆全國中小學電腦制作及設計作品制作活動教師組二等獎。
細胞分裂是高中生物的重點和難點。這一生理過程牽涉到生命很本質的變化，對于學生建立良好的生物學科觀很有意義，同時對學生認識微觀世界的能力、觀察和想象能力、概括和表述能力、繪圖能力、實驗動手能力、數形結合能力等的培養都是良好的知識載體。但這一生理過程實在是難以觀察，實驗也有難度，認識起來非常抽象�；谥参锛毎薪z分裂這一專題，現概括的提出以下教學需求：
①軟件必須展現植物細胞有絲分裂全過程的清晰、連續的模式化的動畫。
動畫可以自如播放，可以任意分階段播放，可以控制速度，可以隨時掉轉到動畫的任一畫面。
②為幫助學生對各個時期特征的掌握，教師可能用到描述各時期特征的文字信息和口頭講解。
③在對細胞研究的基礎上，教學中還可能需要針對一個染色體在細胞周期中變化進行專題研究，系統也應能夠提供相應的信息。
④在對模式圖研究的同時，必須提供顯微鏡下的實際照片相對照學習。包括各時期的典型照片和非典型的照片，以及不同角度的照片等。
⑤對于展現顯微鏡下細胞周期實際變化的視頻信息，如能與模式化動畫對照則更有利于形成完整的認識。
⑥對于研究細胞周期中染色體、DNA、染色單體的含量問題，屬于能力提高還是應試問題，有一定爭議。系統應該包含此內容，備教師上課之選。
⑦可提供針對最基本知識的交互式練習，備課堂之用。
基于以上需求，程序開發最終結果的主要界面如圖3所示。
圖3
①動畫與動畫的播放控制達到目標。
動畫窗口之下的幾個按鈕和錄像機操作類似。長滑桿為進度滑桿，滑塊被拖動時動畫就相應跳轉�；瑮U上方的各時期的按鈕被點擊可以在區間內播放動畫。短滑桿為速度控制滑桿。最后，點擊動畫窗口，可以打開和關閉動畫窗口，這個不起眼的功能，以備課堂教學中可能有的需求。
②同步輔助功能，是本軟件的一個亮點。
四個同步選項中的一個或多個被選中時，其動作的發生是依據動畫進程自動協同控制的。即動畫進行到哪個時期則展示哪個時期的內容，如板書信息、口語講解、各時期典型照片；“同步曲線”若干圖像的變化與動畫完全同步。這體現了知識內部的關聯，有利于學生的意義建構過程。三條曲線都有各自的開關，可以打開和關閉。
③其他媒體的組織。
“圖片”按鈕導致在展示區（圖3中座標系及圖像區域）展示圖片，并提供翻頁結構導航欄，同時提供彈出菜單方式的直接跳轉操作。
“圖例”按鈕導致進入以一個染色體為例的專題研究，是一個進退自如的動畫控制及一組相關交互。
電影，由屏幕下方的一排“小攝像機”圖標啟動相應的電影，單擊帶禁止符號的圖標中斷播放。圖標位置和細胞分裂的相應階段對應。
④課堂練習、輔助文獻、幫助文件等，則不在此界面下出現，而進入子程序操作。
所有操作都可使用鍵盤和鼠標兩種方式。
本軟件較集中地體現了超越具體課堂教學過程的開發思想，較好地覆蓋了相關的教學需求，交互性良好，界面趨于Windows風格，相關要素、功能和特性取舍自如，操作靈活。在單一界面上的豐富媒體的功能的合理組織，程序內部對象間的互動設計體現了事物的運動規律。
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