1、學科工具軟件及其在學科 教育教學中的應用Subject-Tool-Software And Its Applications In Subject-Education & Subject-Instruction鄭小軍廣西師范學院化學系E-mail:zxj6812 che該文主要以化學為例，討論了學科工具軟件的概念內涵、特點和種類，與通用工具軟件、課件、積件的區別，及其在輔助學科教育教學和課件制作的應用，提出：學科工具軟件是一種重要的、特殊的學科教育教學資源，它既是信息技術與課程整合的產物，同時又是實現信息技術與課程整合重要的軟件基礎，是信息技術與課程整合的“粘合劑、催化劑和加速劑”；它

2、代表了學科教育教學資源的未來方向，是計算機輔助教學的發展趨勢；學科教師要注意積累本學科專業的工具軟件，加強自學研習，充分挖掘其教育教學潛力。關鍵詞：學科工具軟件 學科教育教學 應用 課件制作 信息技術與課程整合1 引言筆者近年來，在化學研究、化學教育教學和化學課件制作（包括課件素材）的實踐中，有意識地應用化學學科工具軟件，積累了一些經驗，形成了一定的理性認識。特別是近年來，在對高師生和在職中小學教師進行多媒體CAI和網絡教學技能培訓的過程中，深切感受到，高師生和在職中小學教師對學科工具軟件的喜愛。然而，目前Internet上和學術界關于學科工具軟件及其在學科教育教學中應用的文獻并不多見。2 學

3、科工具軟件的概念內涵和特性什么是學科工具軟件？很難給它下一個確定性定義。但筆者認為可以給它下一個描述性定義：學科工具軟件是一類特殊的計算機軟件，專門為解決某學科專業領域的某些問題而開發設計，它具有以下一些特性。2.1 學科專業性和專門性不同的學科有不同的工具軟件，各自解決某些專門領域的問題。例如：化學有ChemOffice、ChemWindow、ChemDraw、ChemSketch、WebLab Viewer、 Corel ChemLab、Model ChemLab和門類眾多的化學計量學工具軟件，數學有MathCAD、MathLab和Mathematic，物理、幾何學有“The Geomet

4、er's Sketchpad”（幾何畫板）等。學科工具軟件區別于通用型工具軟件就在于其突出的學科專業性和專門性。例如，同樣是繪圖工具軟件，通用型的SmartDraw在繪制化學圖形（化學實驗裝置和化學標志）和分子結構式時，就遠不如ChemDraw和ChemSketch專業和功能強大。一般地，學科工具軟件由于是軟件設計者專門為某學科專業而量身定做的。因此，它在對付專業問題方面比通用工具軟件更靈驗。學科工具軟件的專門性還體現在，即使是同一學科，不同的工具軟件也各有專業側重點。例如，同樣是化學工具軟件，ChemDraw、WebLab Viewer和ChemSketch擅長繪制化學圖形和分子結構

5、式，而Corel ChemLab和Model ChemLab則擅長解決化學實驗和實驗教學中的問題；Corel ChemLab較Model ChemLab功能更強大些，可模擬的實驗種類和數量更多些；ChemSketch和ChemDraw在分子的立體結構圖繪制和三維動畫演示方面功能強大。2.2 工具性（功能性）體現在它可以幫助用戶解決某學科專業領域的某些復雜的問題。學科工具軟件為各學科的科研、教學和生產提供了極大的便利，在輔助科學研究、輔助設計、輔助教學和課件制作等方面發揮著重要的作用。例如：Molecule Modeling, MathLab可以幫助科研人員進行復雜分子的設計和建模；Hucked

6、 Molecule Orbital Caculation可以幫助科研人員完成復雜的分子軌道的計算；ACD/Tautomers檢查并生成有機結構的最常見的異構體；ACD/Dictionary包含48，000個化學和生物中常見的系統和非系統命名的化合物，覆蓋200多個領域，包括超過500種不同酶的名稱和結構(商業版)；ACD/pKa預測計算酸25度下的電離常數，特殊結構化合物的離子校正系數；ACD/LogP 預測計算中性分子的醇/水分配系數(LogP)預測值；ACD/沸點與蒸汽壓預測計算從0.001毫米汞柱到10個大氣壓下任意壓力下的沸點，一般情況下精確到+/-10度或更好；ACD/預測計算不同p

7、H值下的溶解性；ACD/西格碼預測、顯示不同原子團的Hammett類型或相關參數。2.3 教育性學科工具軟件的教育性包括軟件開發設計的教育目的性和軟件所能夠實現的教育功能性。隨著計算機輔助教學的深入，學科工具軟件幾乎都毫無例外地被應用于學科教育教學中，軟件的設計者也有意識地考慮到如何增強其教育功能性，以滿足不斷增強的教育需求。學科工具軟件的教育性體現在：輔助學科教育教學，輔助CAI課件制作及素材創作，實施創造教育、培養學生創新思維和創造實踐能力，促進以計算機、網絡為核心的信息技術的學習掌握以及外語學習等。例如，ChemSketch歷經1.0，2.0，3.0，3.5，4.0和4.5多個版本的不斷

8、改進，從3.5版本起大大增強了其教育目的性和功能性，特別是其Show 3D模塊，由于在分子的立體結構圖繪制和三維動畫教學演示方面功能強大，而深受化學教師的歡迎，被普遍地應用于多媒體教學和學術演示。中科院張景中院士主持開發的數學工具軟件“數學實驗室”之“平面幾何”、“三角函數”等具有強大的輔教和助學功能，從圖1所示的菜單命令即可見一斑。圖13 學科工具軟件的分類Internet上有許多站點提供學科工具軟件下載服務，但決定究竟下載哪一種軟件并非易事。因此，有必要進行分類，以便在下載時，對癥下藥，安全、合理地下載自己喜愛和有用的學科工具軟件。（1）按學科和專業劃分學科工具軟件按所屬學科可劃分為化學工

9、具軟件、物理工具軟件、數學工具軟件等。某一學科的工具軟件還可按專業劃分。例如，化學工具軟件可劃分為分析化學工具軟件、有機化學工具軟件、無機化學工具軟件等。其中，分析化學工具軟件還可進一步劃分為光譜分析工具軟件、容量分析工具軟件等。光譜分析工具軟件可繼續細分為紅外、紫外、色譜、質譜、核磁共振（H譜、C譜）、原子吸收和發射光譜等。目前，雖然未經全面、科學地統計，但憑筆者所見，數理化等自然科學的學科工具軟件，在門類、數量和質量上均遠遠超過其他學科的工具軟件。而在數理化等自然科學中，又以化學工具軟件為最。（2）按功能劃分學科工具軟件按其功能的多少或復雜難易程度，可劃分單一型和綜合型。單一型學科工具軟件

10、，如化學分子式和方程式編輯器（Molecular Formula and Equation Editor）1.0,元素周期表查看器periodic(Periodic Table) 1.0，元素屋（Elementary House），分子（化合物）式量計算器 mmcalc（Softshell Molecule Mass Calculator）。這些小型、袖珍型化學工具軟件功能單一，軟件小巧，解決化學中相對較簡單的計算和處理問題。綜合型化學工具軟件，如ChemOffice、ChemWindow、ChemSketch等，功能強大，軟件容量也相對龐大些，解決化學中相對較復雜的計算、編輯和數據處理等問題

11、。無論是單一型還是綜合型學科工具軟件，雖然各自有不同的應用場合，但都可以不同程度地幫助用戶提高工作效率。（3）按教育目的性和教育功能劃分雖然學科工具軟件都具有不同程度的教育性。但仍可以依據工具軟件設計時的教育目的性強弱、側重點和它所能夠實現的教育功能性進行劃分。教育目的性較強、側重于輔助學科教學的工具軟件有Alkane Naming、 Aromatic Naming、Corel ChemLab、Model ChemLab和ChemSketch等。其中，Alkane Naming、 Aromatic Naming實際上就是強化訓練學生熟悉烷烴、芳香化合物分子結構式及其IUPAC命名法的課件，軟件

12、隨機畫出某烷烴或芳香化合物的分子結構式，用戶（學習者）根據結構式填寫其IUPAC名稱。Corel ChemLab和Model ChemLab作為模擬化學實驗的工具軟件，其教育目的性和教育功能性也很強。此外，綜合型工具軟件ChemSketch的Show 3D和Model ChemLab的Molecule Viewer可以清晰、方便地演示分子的立體結構圖和三維動畫。ChemSketch和Model ChemLab還專門提供小測驗（quiz），方便教師和學習者進行測驗。而有些化學工具軟件其教育目的性和教育功能性就相對遜色了許多。（4）按對網絡的支持程度劃分學科工具軟件按對網絡的支持程度可劃分單機版和

13、網絡版。例如，同樣是化學繪圖工具軟件，ChemDraw是單機版，WebDraw和WebLab Viewer則是網絡版。ChemSketch4.0以前的版本不支持網絡，而最新的ChemSketch4.5則大大加強了對網絡的支持。網絡化已成為學科工具軟件的發展趨勢。（5）按是否收費劃分商業軟件（Commercial-ware）:由于軟件比較專業化或商業化，所以下載時要用戶輸入信用卡的號碼，屬于有償下載。用戶也可以到軟件專賣店購買其軟件光盤。例如，最新版本的ChemOffice。共享軟件（Shareware）：用戶可以從網站上免費下載，并且可以免費使用一段時間，這段時間稱為試用期限，一般為30天。用

14、戶要想在超過試用期限后繼續使用，必須在試用期限內進行注冊、成為其合法、永久性用戶。用戶可以通過繳費獲得注冊碼，也可以通過其他途徑獲得注冊碼。例如，下載某些網站提供的注冊機自動生成活動注冊碼，或使用下載網站提供的固定注冊碼，或根據軟件的提示獲得免費注冊碼。免費軟件（Freeware）：用戶可以免費下載、使用，但不可作為商業用途，不可修改軟件。通常是那些在網上比較流行、但版權商已經無法控制其市場的軟件，以及在新版本面市后被淘汰的低版本軟件，或一些專門為科技工作者或教育工作者開發的公益性軟件。后者如ChemSketch。捐贈軟件（Donateware）：用戶不僅可以免費下載、使用，還可以根據軟件開發

15、者無償提供的原代碼進行修改或增加功能。Donateware又稱為“明信卡”軟件（Postcardware）。演示軟件（Demoware）:在某些新軟件正式問世前，開發者往往在網上提供軟件的演示版本，向人們展示軟件的畫面或主要功能。用戶可以在軟件上體會到它的主要優點，但不能完全使用。（6）按軟件的內碼和所支持的語言劃分可以劃分為中文版、漢化版、英文版和其他外文版。例如，chemwindow3就有中文版、英文版和其他外文版之分，下載時要注意區分。另外，雖然中文版、漢化版都是中文界面，都支持中文，但它們是有區別的：前者本身就是一個中文軟件，后者只是對原版外文軟件的漢化，即把原本英文的界面，如菜單、按

16、鈕、對話框、幫助文件或提示中文化。筆者的實踐表明，部分漢化版軟件存在缺陷（bug）。因此，用戶在選擇軟件版本時，筆者的建議是：如果英文好，可選用原汁原味的英文軟件。如果英文不好，應優先選擇中文版，其次再考慮漢化版。如果漢化版本較多，應選擇漢化質量最好、版本號最高的漢化程序。（7）按其他屬性劃分例如，按軟件開發所處的階段性和發布的目的性，將學科工具軟件劃分為演示版（Demo Version）、測試版（Beta Version）和正式版(Final Version)。按功能的全面性，將學科工具軟件劃分為迷你版（mini）、標準版（standard）和增強版、專業版（professional）。4

17、學科工具軟件在教育教學中的應用學科工具軟件之所以能夠應用于教育教學，并發揮越來越重要的作用，一方面得益于軟件設計者獨特、巧妙的教學設計和功能模塊設計，另一方面有賴于現代化的多媒體與網絡教學媒體的廣泛應用，當然最重要的還是學科教師獨具匠心的教學設計，以及學習者的自主學習能力和探究精神。4.1 輔助學科教學化學教師可以充分挖掘和利用化學工具軟件的教育功能，通過網絡或投影儀動態演示有關化學教學內容以傳授知識，動態演示如何利用工具軟件解決化學問題以培養學生分析問題和解決問題的能力，演示化學（實驗）現象、化學過程，揭示化學原理，加深對抽象的化學概念的理解，完成復習舊課、講授新課、鞏固新課、課堂測驗（練習

18、）、布置作業等教學環節。例如，利用Corel ChemLab和Model ChemLab模擬化學實驗，利用ChemSketch動態繪制復雜的化合物分子結構和化學方程式，歸納總結分子結構、化學反應與價鍵結合的規律，動態地組裝化學實驗裝置等。利用ChemSketch的Show 3D和Model ChemLab的Molecule Viewer清晰、方便地演示分子的立體結構圖和三維動畫。這樣的動態演示可以調動學生的學習興趣，緊緊抓住學習的注意力，有利于培養學生形象思維和邏輯思維。除了應用于課堂教學外，化學教師也可指導學生利用化學工具軟件進行自主學習、獨立探究和嘗試解決化學問題，或對某些復雜問題，進行合

19、作學習和協同探究。數學（幾何）、物理教師利用幾何畫板進行課堂教學，指導學習利用幾何畫板進行數學、物理問題的探討，已經是非常普遍的現象了。4.2 輔助課件及其素材制作層出不窮、功能強大的學科工具軟件使得非計算機專業的學科教師制作出優秀的、實用的多媒體課件成為輕松愉快、富有成就感的工作。以化學為例，現在越來越多的化學教師體會到利用化學工具軟件輔助教學、制作課件和素材的優越性。筆者曾多次指導化學教師利用ChemSketch制作課件和動畫，優化教學設計，上多媒體CAI公開課、優質課及說課，取得了很好的教學效果。利用ChemSketch豐富的模板，強大的繪圖功能和導入、導出功能，可以制作出豐富多彩的圖形

20、、圖像素材，還可以配合微軟的Camcorder或Lotus的ScreenCam或Snag it捕獲屏幕動畫，作為多媒體課件的素材。4.3 培養學生創新思維和創造實踐能力幾何畫板被譽為21世紀的動態幾何，數學（幾何）和物理教師利用幾何畫板培養學生的創新思維和創造實踐能力，國內外已有許多研究成果和典型教學案例。李克東教授提出，“利用各種工具、平臺，讓學生利用平臺創造作品”“培養學生的藝術創作能力”“培養學生的信息組織能力”。并且提出了創造思維和創造能力的兩個層次，“一是科學創造層次，如科學家提出新的學說，發明家發明新的產品等；二是個體自身潛能的開發和發展層次。對于中小學生，其創造性并不是要像科學家

21、、發明家那樣要完成一項具有特殊意義的產品（一種理論、思想或一種成品），而是指對學習者個體自我潛在智能有意義的開發和發展。這種層次的創造思維能力是第一層次的基礎。”3。隨著化學工具軟件的普及，利用化學工具軟件培養學生基礎層次的創新思維和創造實踐能力將成為化學教師進行教學研究與實踐探討的熱點。例如，利用ChemSketch總結化學價鍵的規律，化合物（如同系物、同分異構體）分子結構的規律；利用Molecule Modeling, MathLab嘗試進行復雜分子的設計和建模等。4.4 促進計算機學習和外語學習學科教師利用學科工具軟件進行課堂教學演示、教師指導學生利用化學工具軟件自主學習、獨立探究和嘗試

22、解決化學問題的教學實踐本身就具有很強的示范作用，學生看到并體念了計算機和網絡的強大功能，從而激發起學習計算機和網絡的興趣和熱情。這實際上是計算機和網絡教育的擴展和延伸。此外，由于目前的學科工具軟件，特別是化學工具軟件，多數是外文軟件，其菜單命令（Menu Command）、工具按鈕（Tool Button）、對話框（Dialogue Box）、即時幫助（Instant Help）、幫助文檔（Help Documents）、軟件使用教程（Software using Tutorials）和教學電影（Teaching Movies）都使用純正、地道的外語（包括計算機外語和學科專業外語）。這一方面增

23、加了學生使用學科工具軟件的難度，同時也為學生提供了學好計算機、網絡和外語的契機。學生在學科教師的指導下學習使用學科工具軟件和利用學科工具軟件解決學科專業問題的過程，實際上也就是他們學習和熟悉純正、地道外語的過程。而計算機、網絡和外語正是21世紀的學生必須具備的現代信息技術素養的核心組成部分。目前，作為加入WTO的應對措施，我國教育界正在努力實踐在學科教學中實行雙語教學。筆者認為，對化學教師來說，外文版的化學工具軟件就是理想的雙語教學材料。5 學科工具軟件與通用工具軟件、課件、積件的區別學科工具軟件不同于通用工具軟件，因其具有學科專業性和教育性。它也不同于普通課件即第一代教學軟件，因為常規課件事

24、先由教學設計確定，有固定程序，情節定型，模式化，封閉，不能再編輯修改，而學科工具軟件則是為教師和學生提供可以對學科教學內容進行創作和信息加工處理的工具平臺教師恰當地運用它，可以創造性進行學科教學；學生恰當地運用它，可以創造性地學習探究、解決原本相當棘手的學科專業問題。因此，用學科工具軟件創作的課件、素材和課例（教學設計）是“活”的、開放性的，可以隨時隨地再編輯、修改，進行有創造性地、深層次的“二次開發”。這與第二代教學軟件即積件系統有相似之處，但兩者各有特色學科工具軟件是解決學科專業問題、創作或輔助創作課件、積件的原創性工具平臺，同時也是對它們進行創造性地、深層次加工處理的“二次開發”工具平臺

25、。而積件系統則主要是積件的組合平臺，在組合功能和方便易用性方面比較突出，但目前的積件系統大多數本身并不提供原創工具平臺。由于優秀的學科工具軟件是“活”的教學平臺和創作平臺，較之于課件和積件，更有利于發揮師生的創造性和個性，更能夠適應千變萬化的現實課堂教學，因而更受廣大師生喜愛。6 結論學科工具軟件是一種重要的、特殊的學科教育教學資源。學科工具軟件、信息技術與課程整合兩者之間有著密切的聯系從學科工具軟件的產生、發展的邏輯上看，我們可以把它歸結為信息技術與課程整合的必然產物，而從學科工具軟件在學科教育教學中的作用上來說，學科工具軟件是實現信息技術與課程整合重要的軟件基礎，它可以稱得上是信息技術與課

26、程整合的“粘合劑、催化劑和加速劑”。學科工具軟件代表了學科教育教學資源的未來方向，是計算機輔助教學的發展趨勢。學科教師充分發揮各學科工具軟件在教育教學中的積極作用，有利于充分挖掘計算機和網絡教育資源的利用率和潛力，有利于把學生從網上聊天、網上游戲、網上視聽娛樂、網戀導向到學科專業學習以及以計算機、網絡和外語為核心的信息技術的學習與掌握這樣正確的方向上來，有利于學校和教師實施創造教育，把培養學生的創新意識、創新思維和創新實踐能力落實到課堂教學和實踐教學環節中去。而這一方面要求我們加強師資培訓，另一方面也要求學科教師平時注意積累本專業領域和相關領域的學科工具軟件，加強自學研習，做到既要創造性地挖掘學科工具軟件的教育教學潛力，同時又要注意引導，避免學生對學科工具軟件的過分依賴而帶來的負面影響。參考文獻1 2 3 李克東.知識經濟與