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决策模拟型地理教学软件的构成与应用
出处: 作者:- 湘西教育教学信息网 2006年10月13日
决策模拟型地理教学软件的构成与应用

林培英等

本文以《工业区位》软件为例,讨论了决策模拟型地理教学软件的特点、结构和教学应用等问题。认为:决策模拟型教学软件是以关注学生内在学习过程为中心的教学软件,主要由活动模块、判断-反馈模块、资料模块和导航模块构成,具有可控性、探究性、智能性、仿真性和创造性等特点。使用该软件进行教学,可以将教师的指导与学生有选择的自主学习很好的结合起来。模拟教学情境也使某些地理知识的难度降低,为地理教学的改革提供了一个思路。

关键词:计算机、模拟教学、地理软件、自主学习

1 引言

计算机及网络技术在中学地理教学中的应用目前还是以教师操作计算机进行大屏幕演示为主。作为一种高级的演示手段,计算机可以解决传统教学手段难以解决的地理教学动画演示问题,也可以帮助教师解决地理图像和板书的管理和快速调用问题。在计算机辅助教学应用的初期或者在我国传统课堂教学模式的背景下,这是一种切合实际的应用方式。但是,计算机及网络技术作为一种信息技术所具有的优势远远不止这一点,随着地理课堂教学模式改革的深入,至少有两个方面的功能可以进一步开发,一个是把计算机及网络技术直接作为学生学习的工具,用于他们处理学习中需要的地理数据、查询相关地理信息等。二是开发基于计算机及网络技术的地理课程,包括课程媒介从纸质向电子化的发展这种外在的课程形式的变化和模拟教学平台这种课程内部结构的变化。在中国大陆中学计算机辅助地理教学实践中,作为学习工具的尝试相对多一些,而有目的地开发基于计算机及网络技术的地理课程的实验还很少。1995年,本文作者出版《计算机辅助地理学习》(林培英)一书,将通过控制某些影响因素来模拟地理事物的发生发展过程专门作为一种计算机辅助地理教学的软件类型,并在此之前设计了“承压水”、“流水沉积”、“褶皱与地形”、“地图上的方向”、“大气降水”等一组地理教学研究用模拟软件。1997年,与计算机公司合作,开发出模拟教学软件《工业区位》(刘荣青)。该软件于1998年,在北京两所中学试用(王小丽、郑启霞)。1999年,收入由中国教育学会地理教学研究会编辑的《中学地理教学软件集》正式出版,是目前为止大陆唯一正式出版的中学地理教学模拟软件。本文以《工业区位》软件为案例,尝试讨论模拟教学软件的结构与应用。

2 地理决策模拟型教学软件的特点

模拟教学软件有广义和狭义之分。广义的地理模拟教学软件包括所有利用计算机技术对地理事物进行仿真演示的过程,例如,模拟锋面的形成过程、模拟地震的产生和火山爆发,模拟人类在处理地理问题时的决策过程等。这里的模拟仅针对软件内容和表现形式来说,并不涉及学生在使用软件进行学习活动中的角色。狭义地理模拟教学软件特指学生通过承担一定角色可以控制模拟过程的一类软件。为了研究方便,我们把这类模拟教学软件称为决策模拟型教学软件。

决策模拟型教学软件是以关注学生内在学习过程为中心的教学软件。软件提供给学生的,不仅仅是一个完整的地理事物动态模拟过程的演示,而是一个相对开放的模拟学习环境。在这个学习环境中,学生可以承担一定的角色,改变影响地理事物发展过程的因素,观察地理事物的变化,从而理解影响地理事物发生发展的主要因素,形成一定的地理思想。决策模拟型地理教学软件包括对自然地理事物的模拟过程,也包括对人文地理事物的模拟过程。后者还具有游戏软件的某些性质,是游戏软件和教学软件"嫁接"的结果。决策模拟型教学软件具有一系列鲜明的特点,这些特点对学生积极主动的学习又有重要意义。

2.1 可控性

从一般意义上讲,计算机软件都是可控的。但目前中国大陆学校使用较多的地理教学软件都只具有外部可控性,即可以控制内容出现与否,控制显示的先后顺序等,能够深入到学习内部,让使用者"控制"地理事物发展变化的影响因素,从而改变模拟结果的还很少。这里的可控性是指学生可以通过控制所模拟的地理事物的内在发展过程实现控制自己内在学习过程的目的。

地理事物内在发展过程的控制,是通过学生选择进行的,因此,可控性也就是指学生可以作决策,而决策的主要内容是自主控制影响地理事物发展的诸多因素,如地理位置、自然条件、人文环境等,计算机根据学生的选择结果进行模拟,使学生可以即时看到自己的选择会产生什么样的结果,因而产生“为什么”的探索欲望。

2.2 探究性

决策是人在遇到问题时进行的认识问题的本质、寻求解决问题途径和方法的过程。因此,决策模拟型教学软件所展现的是以问题为中心,引导学生进行探究解疑的学习过程。这与一般的以解释或验证某些地理概念为目的的计算机演示软件有根本的不同。所以,选择适当的有深入探究可能的课题作为决策模拟的背景就非常重要。

2.3 智能性

决策模拟型教学软件可以充分发挥计算机人工智能的优势。人工智能主要体现在计算机可以快速、准确地对学生的操作结果进行评价,及时作出反馈,并能提高对学生学习状况的诊断和个性化的指导。学生模拟作出决策的过程是比较复杂的,其中重要一环是根据模拟的结果决定下一步的操作。为了保证学习的连贯性和学生学习的兴趣,计算机不仅需要给出正确的判断,而且需要迅速反馈。当然,在目前的发展水平下,计算机教学软件真正做到智能化还有很长的路要走。

2.4 仿真性

决策型模拟教学软件以逼真的虚拟现实,创设一个传统教学无法提供的学习环境。地理学习内容需要学生接触和了解自然环境和人文环境,在特定环境中学习提高学习质量的有效途径。但是,自然与人文环境的特点又决定在大部分情况下,学生不可能做到“在环境中学习环境”,因而能够创造接近现实的虚拟情境对地理教学的意义就尤为明显。本文所讨论的软件案例在这方面做了一些尝试,还没能够真正做到虚拟现实。

2.5 创造性

决策模拟型教学软件为学生提供知识产生的过程及背景,而不只是知识本身,这就为学生了解科学知识的产生过程,训练创造性的思维方式提供了条件和环境。

3 决策模拟型地理教学软件的结构分析

下面以《工业区位》为例,分析决策模拟型教学软件的构成。

决策模拟型教学软件,是以计算机及网络技术为基础的教学环境和教学过程的统一体。计算机软件是它的软载体。《工业区位》软件是一个决策模拟型教学软件的雏形,其组成大致可以分为:学生的学习活动结构、软件的技术结构和反馈调节结构。

3.1 学生活动结构分析

该软件设计的学生活动主要由两部分组成,一是查询资料,二是模拟实验。

查询资料部分提供了三个可查询部门,其中“气象局”提供本地区平均气温、降水、风向资料;“工业局”提供本地区主要工厂所需原材料、交通状况、市场需求资料;“环保局”提供本地区主要工厂对环境会产生哪些影响及主要污染的资料。使用方法是:在点选所要查询的部门后,先出现测试题,回答过关后方可具备查询资格。在这三个部门中,除“气象局”只有一道测试题外,“工业局”与“环保局’各有三道题(三次回答机会),若三次回答均错误将直接进入模拟实验。

模拟实践部分的使用方法是:操作者点按鼠标,将给出的代表不同类型工厂的图标拖到地图上的某一位置则完成工厂的一次布局,同时计算机显示对本次布局的评价指标。如果学生不满意自己选择的布局结果,可以重新开始。如果满意,则可以进行新工厂的布局。

在使用软件学习的过程中学生可以选择自己的学习方式,或者先查询资料,了解了各个工厂的特点再有针对性地进行工厂布局,或者先尝试布局工厂,再去查询资料,以思考自己的选择是否恰当。学生在学习中可以进行合作,也可以进行竞赛。学习结束后可以与教师一起讨论计算机记录下的布局结果,从而理解有关工厂生产和工业布局的概念原理,形成初步的地理思想和环境意识。

学生活动过程结构如下图所示:

图1 软件的学习活动构成

3.2 软件的技术构成分析

决策型模拟教学软件的技术构成是由几个大的模块组成。见图2。

图2 软件的技术构成

3.2.1 活动模块

活动模块是模拟课程构建的外显层次。一切教学活动都是在活动模块中展开的。活动模块应该提供适宜的学习情境、学习内容的展示、学生选择功能。

在《工业区位》软件中,根据地理教学的特殊要求,活动模块由以下内容构成:

虚拟的地理区域。软件提供了一张地图,见图3。其中包括一个虚拟的城市、一条穿城而过的河流、一条主要公路、一条铁路、一个码头、山脉等自然背景、一个煤矿。这个简化的地图及其要素包容了影响工业布局的主要因素。

可以选择活动内容。学生可以在查询资料和模拟实践中进行选择或切换。

可以选择的工厂类型。由学生而不是教师选择需要定位的工厂,是这种软件的主要特点。因此,活动模块中提供了一些工厂的标志,用于学生在屏幕上进行操作。操作的方式是用鼠标将选定的“工厂”拖拽到自己认为合适的地方,如果感觉不满意,可以重新拖拽。

图3 虚拟的地理区域图

3.2.2 判断-反馈模块

判断-反馈模块是所有类型软件都具备的模块。但判断的内容依据软件类型不同而不同。简单的判断是根据用户输入的信息决定程序运行的方向,例如,用户输入一个信息表示“继续”,计算机就转换到下一个画面。比较复杂的判断常用于对学生学习内容正误的判断,例如,学生回答计算机提出的一个问题,计算机判断正误,根据结果或是继续下一题,或是结束练习,或是重新回答,或是转向计算机提供的补充知识。更高级的判断是开放型的,当学生输入自己的选择后,计算机判断该选择与“真实”情况的相关度,并列出计算机对相关因素的判断,再由学生决定下一步操作。例如,当我们把一个“城市”建在地图上的某一点时,计算机马上显示城市的自然条件、水资源、外部的交通条件等,学生可以根据计算机的判断结果,决定是否把“城市”建在这里。因此,决策型模拟教学软件的判断-反馈模块,不仅要包括简单的程序顺序的判断,而且要有对学习内部过程的高级判断。模拟教学的反馈结构很大一部分是内部反馈,即学生活动产生了结果,这个结果本身即是对学生活动的反馈,而不需要教师再做外部反馈。

在《工业区位》软件中,高级判断是通过显示一系列指数实现的。见下表:

表1 指数汇总表

例如,学生在为啤酒厂选址时可能会出现下列环境综合指数与经济效益指数:

环境综合指数 16  经济效益 16

这两个指数就是计算机高级判断的结果。学生可以根据这些数据决定自己的下一步学习:对这个结果是否满意?为什么会产生这个结果?是否要改变这个指数?如何改变?他可以继续操作,直到在程序限定的范围内取得满意的结果为止。

作为决策模拟型教学软件,良好的判断-反馈系统是十分重要的。它既是学生活动能够按既定目标持续开展的保证,也是计算机软件优势的体现。从软件试用中,我们认识到,好的判断-反馈系统应该具备以下特点:

●评价指标的含义和构成要明确。有了明确的评价指标,学生就可能在学习活动中随时了解自己活动结果的意义,从而更有效地促进学习活动的开展,也会使学习更有效。

●反馈的信息量要足够大。计算机快速处理信息的能力是计算机的优势,我们可以利用这种优势,适当增大评价指标的数量,例如,将某个工厂的各项污染指标都尽可能地列出,使学生有更多的选择余地,也有利于锻炼学生的综合分析能力。

●有必要的资料。对地理、环境、历史、社会等学科来说,有一定的信息量对有效完成教学任务是十分重要的。在学生使用决策型教学软件学习时,学生需要根据资料作出决策,因此,强有利的资料背景更是不可缺少。这是与一般教学课件不同的地方。

《工业区位》软件的资料模块由两大类组成,一类是信息源,一类是信息形式。信息源根据学习内容分为“气象局”、“工业局”和“环保局”;信息形式主要是图片和文字。资料的内容主要是各个工厂的生产场面图片、所需自然和社会条件、造成的环境污染等。下图是资料模块中的一个内容。

图4 纺织厂资料库中的一幅图片

3.2.3 导航模块

导航模块是一智能型检索系统,主要功能有两个,一个是方便的识别和检索软件中各个部分在软件整体中的位置,二是识别软件内容在学科知识系统中的位置。在决策模拟型教学软件中,第一个功能的作用不是很明显,所以《工业区位》软件的导航模块主要实现了后一个功能,下图是其中的一个画面:

从右图中,可以清楚地识别软件涉及的工业区位问题在整个高中地理教学内容系统中的位置。

图5 软件的导航系统

4 决策模拟型教学软件的课堂教学应用

决策型模拟教学软件的使用本质上是一个个性化程度较高的学习过程。但是目前中国大陆的教学仍是课堂集体授课模式,因此,如何在课堂集体授课教学模式下应用这种软件,需要进行尝试。我们在北京市区和郊区各一所学校试用软件,使用者是初中二年级学生,人数不限。教学过程由执教的教师设计。最初的目的是检测软件,但通过总结软件的试用情况,我们也对使用决策模拟型教学软件进行教学的特点有所体会。

4.1教师指导与学生自主学习相结合的方式

虽然模拟教学软件是以学生自主学习为核心的学习软件,但在软件研制和使用都处于刚刚开始尝试的阶段,教师的集体指导作用仍十分重要。在《工业区位》软件的试用中,不同教师都采用了以下类似的集体指导方式:

●集体导入,解决背景知识问题。

就地理教学过程来说,使用决策模拟型软件是嵌入式的,而不是连续的,即只是在以传统讲授式为主的教学过程中插入使用模拟软件学习,所以,需要教师在指导学生学习时要关注学生的知识背景状况。传统的讲授式教学也需要教师掌握学生已有知识情况,但总体来说,是一线性关系。我们一般假设,学生掌握了前面教学学过的知识,就可以理解新课知识。而模拟式学习过程更接近网状关系,涉及的知识及知识之间的联系往往要超出教师讲授的内容,因此,确定学生已有的知识背景,并对需要的背景知识进行补充,是模拟学习成功的一个必要措施。《工业区位》软件是针对国家课程大纲中高中一年级教学内容设计的,而软件的试用在初中二年级进行,知识背景的确定就更加重要。 教师在试教中主要是解决对工业区位概念理解的问题,通过探讨工业分布的有关学说,使学生明白什么是工业区位,什么是工业分布,为学生进行模拟学习打好基础。

集体导入的另一个方式是使用生活中的实际问题引发学生思考。讲课前,教师先提出问题:我们生活在北京这个大城市中,我们的日常生活以及北京的经济发展均离不开电力供应,有没有发现对城市发展其关键作用的火电厂并不是建在市区内,这是为什么?这个问题的提出是为了帮助学生了解工厂的布局是受诸多因素影响的,为下一步使用软件进行模拟学习做一过渡。

●出示学习目标。

用简短的话语向学生展示学习目标,可以帮助学生尽快地确定问题和学习要达到的目的。例如,有的教师为学生出示了如下学习目标:第一,了解工业布局概念;第二,了解工厂布局与环境的关系。

●利用练习题对学生进行学习过程的引导。

教师为了使学生更充分地利用软件,拟定了一些练习思考题,供学生使用。

●对学习过程进行总结,帮助学生梳理所学知识。

学生第一次使用模拟教学软件学习,不一定会对自己的学习活动进行概括,也就容易忽略一些应该掌握的重要内容,因此,教师在学习结束时进行了简单扼要的小结。

●对学生进行外部评测。为了了解学生使用软件的学习效果,教师在学习结束后使用测试题对学生进行了外部测试。

4.2 提高学生参与学习的程度

尽管我们的试教仍受现行教学模式的限制,但学生的参与程度已经明显不同。学生普遍喜欢这种上课形式,认为寓教于乐,气氛活泼,能较好地通过自己动手掌握这些知识,学习效率较高。虽然有些学生因计算机操作不熟练速度较慢,但总体来说涉及到的计算机知识不多,不影响对地理知识的掌握,不能熟练使用计算机的学生也没有心理负担。

4.3 对今后地理教学的改革提供了新思路

由于软件内容属于高一地理课程,初中学生能否接受是我们很关心的问题。教学试用结果表明,初中学生使用该软件可以掌握原本高中学生学习的某些知识,这使我们会在今后的地理课程研究中重新思考在现代教育技术的支持下,中学地理课程应该有哪些变化。

5 结 语

该软件的制作和使用都只是在小范围内的一次尝试。由于地理学科内容的综合性和广泛性,决策模拟型教学软件的开发和使用在地理教学中有着广阔的前景。我们进一步的工作是完善此类软件,建立更广泛的资料库的链接,增加软件的信息含量,增强软件中学生的选择性,使软件更吸引人。同时,在完善软件的基础上,研究与此相关的地理教学模式的改革问题。

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