學(xué)院化學(xué)作為高等中學(xué)諸多理工科專業(yè)的公共基礎(chǔ)課程，除了對(duì)后續(xù)的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下了重要的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)院生的科學(xué)思維、科學(xué)方式和科學(xué)素質(zhì)起著極其重要的作用。并且，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)目前大多數(shù)院校的學(xué)院數(shù)學(xué)課程在教學(xué)方式、教學(xué)工具和教學(xué)手段上還是比較落后的。因?yàn)樵趯W(xué)院化學(xué)的教學(xué)中存在著教學(xué)方式和教學(xué)手段上的癥結(jié)，因而幾乎不能全面地發(fā)揮其挖掘中學(xué)生學(xué)習(xí)潛能、大幅提高中學(xué)生創(chuàng)新思維和科學(xué)素質(zhì)的作用。目前在學(xué)院化學(xué)的教學(xué)中，基本從板書(shū)過(guò)渡到了以PPT為主的電子講義。并且一直是填鴨式地向中學(xué)生雙向灌輸化學(xué)知識(shí)，中學(xué)生的自主參與性不足。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)工具的普及，在學(xué)院化學(xué)的教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)院生獨(dú)立使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模型建立、數(shù)值估算是計(jì)算機(jī)輔助學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)的重要的突破和嘗試，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)與學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)相結(jié)合的時(shí)代產(chǎn)物。迎合這一時(shí)尚和趨勢(shì)對(duì)院校學(xué)院數(shù)學(xué)班主任來(lái)說(shuō)是一件很急迫的事情。本文首先討論當(dāng)前學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)存在的問(wèn)題，引出應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)改建學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)的急迫性和重要性。以后簡(jiǎn)略介紹計(jì)算機(jī)技術(shù)在學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)中的歷史和現(xiàn)況。之后對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)的實(shí)踐進(jìn)行簡(jiǎn)略介紹。最后進(jìn)行總結(jié)。
1學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)存在的問(wèn)題以及應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的必要性
學(xué)院數(shù)學(xué)課程囊括的內(nèi)容較多，包括質(zhì)點(diǎn)熱學(xué)、剛體熱學(xué)、振動(dòng)和波、氣體動(dòng)理論和熱力學(xué)、電磁學(xué)、幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)、狹義相對(duì)論和量子化學(xué)基礎(chǔ)。講課的內(nèi)容多、涵蓋的范圍廣，同時(shí)課時(shí)又比較少，因此須要在短時(shí)間外向中學(xué)生灌輸大量知識(shí)。站在中學(xué)生的視角來(lái)看，學(xué)院數(shù)學(xué)課程的概念和定律既多又雜，公式具象復(fù)雜，難度大，內(nèi)容涵括力熱聲光電，內(nèi)容比較多。為此學(xué)院數(shù)學(xué)課程在大多數(shù)中學(xué)生眼里是一門(mén)比較難的課程。另外學(xué)院數(shù)學(xué)的公式用微積分的語(yǔ)言來(lái)書(shū)寫(xiě)，好多中學(xué)生微積分都沒(méi)學(xué)會(huì)，因而對(duì)于學(xué)院化學(xué)這一門(mén)課程會(huì)有一種的抵觸心理。目前在大多數(shù)院校，學(xué)院化學(xué)的教學(xué)一直采用雙向教學(xué)模式。老師在規(guī)定的時(shí)間、規(guī)定的寢室向中學(xué)生講授規(guī)定的內(nèi)容，中學(xué)生在固定的座位上聽(tīng)老師的講解。和過(guò)去惟一不一樣的地方在于講課從板書(shū)過(guò)渡到了電子講義。班主任在講課過(guò)程中播放電子講義同時(shí)伴隨語(yǔ)言講解，時(shí)常會(huì)在板書(shū)上書(shū)寫(xiě)一些內(nèi)容。課后班主任有時(shí)侯會(huì)布置一寫(xiě)作業(yè)，要求中學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間遞交作業(yè)。伴隨著智能機(jī)的發(fā)展，一些手機(jī)APP在教學(xué)中得到了應(yīng)用。而且只是把講課形式從線下轉(zhuǎn)移到了線上，紙質(zhì)作業(yè)弄成了線上作業(yè)。在整個(gè)講課過(guò)程中，中學(xué)生一直是被動(dòng)的雙向參與者。因?yàn)槭潜粍?dòng)學(xué)習(xí)，所以中學(xué)生的積極性實(shí)際上并不高。
在大多數(shù)院校的學(xué)院化學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)中，盡管也使用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，并且僅限于教學(xué)媒介從板書(shū)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮又v義，點(diǎn)名、作業(yè)、提問(wèn)、互動(dòng)從線下弄成了線上。整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)依舊是以班主任為中心大學(xué)物理公式總結(jié)，雙向的從老師指向中學(xué)生。中學(xué)生一直是被動(dòng)地接受知識(shí)。班主任講解概念、定理、公式，布置作業(yè)，講解作業(yè)。中學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)院化學(xué)的療效實(shí)際上并不是太理想。目前市面上的大多數(shù)學(xué)院化學(xué)教材是以應(yīng)試教育的視角來(lái)編排內(nèi)容，列舉一系列概念、定理和公式，對(duì)化學(xué)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的討論較少，也甚少注重于建立化學(xué)模型以及模型理論預(yù)測(cè)和化學(xué)現(xiàn)象結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證過(guò)程，另外課后習(xí)題大多是一些具有解析解的理想問(wèn)題。常年以來(lái)學(xué)院化學(xué)教學(xué)過(guò)分重視概念、定理以及中學(xué)生做練習(xí)題的訓(xùn)練。在講解概念、定理以后再進(jìn)行大量的習(xí)題訓(xùn)練，所研究的課堂和課后問(wèn)題基本全是能用解析方式求解的理想情況下的精典反例。中學(xué)生并不了解科學(xué)知識(shí)的生產(chǎn)過(guò)程。從化學(xué)現(xiàn)象如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何提取信息建立理論模型，建立好的理論模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，數(shù)學(xué)知識(shí)如何應(yīng)用于工程技術(shù)中，中學(xué)生缺少在這種方面的訓(xùn)練。中學(xué)生所學(xué)會(huì)的知識(shí)、技巧大多針對(duì)一些有解析的精典理想的數(shù)學(xué)問(wèn)題，這無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)今科技時(shí)代對(duì)具有創(chuàng)新能力的理文科人才的須要。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值估算和仿真模擬有可能解決目前學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題以及改變目前學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)的現(xiàn)況。將數(shù)值估算技術(shù)應(yīng)用于學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)當(dāng)中，在學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)中深化實(shí)踐教學(xué)變革，發(fā)揮計(jì)算機(jī)的估算功能，將有助于中學(xué)生創(chuàng)新思維和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)。中學(xué)生可以主動(dòng)地參與科學(xué)知識(shí)的建立過(guò)程，對(duì)于數(shù)學(xué)問(wèn)題、構(gòu)建模型，進(jìn)行數(shù)值估算。提早參與和適應(yīng)科學(xué)研究和工程應(yīng)用的流程。
2計(jì)算機(jī)技術(shù)在學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)應(yīng)用的歷史
伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)際上早已有好多年的歷史了。自從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的比較出名的學(xué)院和計(jì)算機(jī)公司就舉辦了計(jì)算機(jī)輔助教育教學(xué)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。在20世紀(jì)70年代的后期，因?yàn)閭€(gè)人大型計(jì)算機(jī)工具的發(fā)明、生產(chǎn)和快速的普及，計(jì)算機(jī)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用步入了快速發(fā)展的全新階段。在1993年12月，國(guó)家科委高教司明晰地強(qiáng)調(diào)我們要大力推進(jìn)和舉辦計(jì)算機(jī)輔助教育教學(xué)并首先創(chuàng)立了“全國(guó)高等中學(xué)文科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)和試卷庫(kù)協(xié)作組”，自此開(kāi)始我國(guó)高等高校計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)步入了一個(gè)全新的階段。在這一階段，數(shù)值估算與計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)也開(kāi)始漸漸應(yīng)用到一些知名大學(xué)的學(xué)院數(shù)學(xué)的教育教學(xué)中[1]。將計(jì)算機(jī)工具和數(shù)值估算技術(shù)應(yīng)用于學(xué)院化學(xué)的教學(xué)當(dāng)中，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)工具的科學(xué)估算功能，將有助于中學(xué)生對(duì)于科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行獨(dú)立自主探究式學(xué)習(xí)，進(jìn)而為學(xué)院數(shù)學(xué)的教育教學(xué)內(nèi)容的變革實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。同時(shí)，也將會(huì)給中學(xué)生提供一種體驗(yàn)知識(shí)從無(wú)到有的整個(gè)創(chuàng)造過(guò)程，從而提高中學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。從這個(gè)意義上說(shuō)，在學(xué)院數(shù)學(xué)的課程中進(jìn)行數(shù)值估算的訓(xùn)練實(shí)際上是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的一次進(jìn)步。舉辦數(shù)值估算和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助學(xué)院化學(xué)的教學(xué)，實(shí)際上除了是為了推動(dòng)學(xué)院生對(duì)學(xué)院數(shù)學(xué)知識(shí)更好的理解，更多的是希望能通過(guò)數(shù)值估算來(lái)培養(yǎng)中學(xué)生剖析現(xiàn)實(shí)問(wèn)題、解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力，增強(qiáng)中學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)與創(chuàng)新能力[3]。經(jīng)過(guò)10多年的實(shí)踐與發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬在學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)中開(kāi)始轉(zhuǎn)向了分析化學(xué)過(guò)程和探求數(shù)學(xué)規(guī)律的本質(zhì);開(kāi)發(fā)的工具也不再限于C、等面向過(guò)程的程序語(yǔ)言，更多的是借助面向?qū)ο蟮某绦蛘Z(yǔ)言或物理軟件[4]。計(jì)算機(jī)模擬對(duì)學(xué)院化學(xué)的教學(xué)技巧和教學(xué)內(nèi)容形成了重要的影響，“電子學(xué)案+計(jì)算機(jī)模擬”[5]日漸成為學(xué)院數(shù)學(xué)一種常見(jiàn)的教學(xué)模式[6]。目前在學(xué)院化學(xué)的教學(xué)實(shí)踐[7]中，數(shù)值估算和模擬程序主要運(yùn)行在軟件[8]上。
3應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行化學(xué)教學(xué)的簡(jiǎn)單介紹
學(xué)院數(shù)學(xué)課程的內(nèi)容實(shí)際上是比較多的，包括質(zhì)點(diǎn)熱學(xué)、剛體熱學(xué)、振動(dòng)和波、氣體動(dòng)理論和熱力學(xué)、電磁學(xué)、幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)、狹義相對(duì)論和量子化學(xué)基礎(chǔ)等知識(shí)模塊。因?yàn)橹v課的內(nèi)容較大多、涵蓋的范圍較廣，同時(shí)課時(shí)又比較少，因而為了更好的教學(xué)療效，實(shí)際上在具體的講課過(guò)程中須要對(duì)具體的知識(shí)模塊進(jìn)行必要的抉擇。針對(duì)不同的理工科專業(yè)，可以對(duì)講課內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。諸如像機(jī)器人這類專業(yè)可以著重于熱學(xué)和電磁學(xué)的內(nèi)容。對(duì)于機(jī)械工程這類專業(yè)可以著重于熱學(xué)和熱力學(xué)。在具體的應(yīng)用數(shù)值估算技術(shù)優(yōu)化學(xué)院化學(xué)的教學(xué)中，中學(xué)生將會(huì)從剖析現(xiàn)象開(kāi)始，從而構(gòu)建模型，選取算法進(jìn)行編程估算，最后作圖剖析結(jié)果。對(duì)班主任來(lái)說(shuō)，實(shí)際上班主任要做大量的工作。班主任在講課過(guò)程中要引導(dǎo)中學(xué)生把計(jì)算機(jī)作為一種重要的學(xué)習(xí)工具，讓中學(xué)生在自主探求式學(xué)習(xí)過(guò)程中充分借助計(jì)算機(jī)工具來(lái)解決學(xué)院數(shù)學(xué)中的復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題。具體做法分為以下步驟：
3.1選取學(xué)院化學(xué)的具體化學(xué)現(xiàn)象
中學(xué)生每次經(jīng)歷完整的觀察現(xiàn)象、建立模型、選定算法編程估算到最后剖析結(jié)果，實(shí)際上會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，因而在選題上要嚴(yán)把關(guān)，選擇一些具有現(xiàn)實(shí)意義的高質(zhì)量的題目，以便中學(xué)生通過(guò)一次訓(xùn)練，才能完整地把握科學(xué)研究的方式。選題是十分重要的事情，所以應(yīng)當(dāng)十分謹(jǐn)慎。在選題的時(shí)候，要選擇中學(xué)生自己可以觀察檢測(cè)到的一些現(xiàn)象，讓中學(xué)生通過(guò)自己的觀察檢測(cè)來(lái)構(gòu)建模型，對(duì)模型進(jìn)行估算，因而和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。我們可以對(duì)中學(xué)生分組，每一小組協(xié)同合作，從檢測(cè)數(shù)據(jù)，到建立模型，到編程估算，最后剖析結(jié)果。比如我們?cè)趯W(xué)習(xí)質(zhì)點(diǎn)熱學(xué)的時(shí)侯，讓中學(xué)生自己探究自由落體運(yùn)動(dòng)。中學(xué)生可以通過(guò)自己的手機(jī)秒表測(cè)時(shí)間，鋼尺測(cè)距離，探究身邊的物體的自由落體運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)的角度上中學(xué)生觀察自由落體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，之后須要檢測(cè)物體自由落體的相關(guān)數(shù)據(jù)。以后建立模型，進(jìn)行估算和剖析結(jié)果。我們?cè)趯W(xué)習(xí)質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)侯，以中學(xué)生常見(jiàn)的電電扇轉(zhuǎn)動(dòng)為反例，讓學(xué)生探究電吊扇的轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。
3.2深入剖析選取的化學(xué)現(xiàn)象
對(duì)于選取的化學(xué)現(xiàn)象，須要進(jìn)行仔細(xì)的剖析。通過(guò)剖析和查資料，進(jìn)行構(gòu)建模型的過(guò)程。所謂構(gòu)建模型，實(shí)際上就是找到就能描述這一現(xiàn)象的公式。找到對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)公式以后，實(shí)際上我們就可以進(jìn)行估算。對(duì)于能進(jìn)行解析估算的問(wèn)題，我們直接進(jìn)行解析估算，對(duì)于未能進(jìn)行解析估算的問(wèn)題，實(shí)際上須要我們進(jìn)行數(shù)值估算。比如對(duì)于自由落體運(yùn)動(dòng)，我們須要進(jìn)行深入剖析，對(duì)于空氣中的自由落體運(yùn)動(dòng)，須要考慮到空氣阻力的影響。對(duì)于空氣阻力，實(shí)際上我們須要一個(gè)空氣阻力的公式，這時(shí)侯我們可以查找一些資料，找到空氣阻力的經(jīng)驗(yàn)公式。之后我們考慮重力和空氣阻力，應(yīng)用牛頓第二定理可以得到一個(gè)非線性偏微分等式。對(duì)于這一方程求解，實(shí)際上我們就可以得到增長(zhǎng)距離和時(shí)間的公式。
3.3編撰程序，數(shù)值估算
依據(jù)上一步的剖析，我們得到的相關(guān)的多項(xiàng)式或則公式。之后我們進(jìn)行編程估算。數(shù)值估算和模擬程序通常運(yùn)行在軟件上，而且一方面正版軟件較貴，另一方面軟件有隨時(shí)斷供的風(fēng)險(xiǎn)。為此用其他語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)值估算更合適。作為一種免費(fèi)、易學(xué)易用的中級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，并且具有大量的第三方庫(kù)，特別適宜拿來(lái)做科學(xué)估算、數(shù)值模擬等工作。因?yàn)槠鋵W(xué)習(xí)成本極低大學(xué)物理公式總結(jié)，所以它也十分適宜學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)以及大專生使用。為此我們使用語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行數(shù)值估算以及開(kāi)發(fā)適宜學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)的模擬程序。
3.4剖析討論
通過(guò)上一步的編程，我們可以對(duì)相關(guān)的數(shù)學(xué)量進(jìn)行估算，得到估算結(jié)果以后，我們對(duì)結(jié)果畫(huà)出直觀的圖形。把理論結(jié)果和實(shí)際檢測(cè)到的結(jié)果畫(huà)在同一張圖形中進(jìn)行對(duì)比，之后讓中學(xué)生剖析結(jié)果。中學(xué)生經(jīng)過(guò)這樣一系列的從觀察檢測(cè)現(xiàn)象、構(gòu)建模型、數(shù)值估算和剖析結(jié)果的完整流程，實(shí)際上相當(dāng)于提早訓(xùn)練和熟悉了真實(shí)的科研過(guò)程。結(jié)語(yǔ)隨著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)學(xué)院化學(xué)的教學(xué)形成了深刻影響。將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)中能使中學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象，提升中學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力，為中學(xué)生將來(lái)進(jìn)行科學(xué)研究和工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式和思路，才能把具象的數(shù)學(xué)概念和知識(shí)顯得直觀、生動(dòng)和有趣，從而達(dá)到最佳的教學(xué)療效。在學(xué)院數(shù)學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程中引入計(jì)算機(jī)技術(shù)，既豐富和推進(jìn)了計(jì)算機(jī)輔助學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)的內(nèi)涵，又迎合了信息化技術(shù)和數(shù)學(xué)教學(xué)相結(jié)合的時(shí)代要求。我們首先討論了當(dāng)前學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)存在的問(wèn)題，引出應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)改建學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)的急迫性和重要性。以后簡(jiǎn)略介紹計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)的歷史和現(xiàn)況。之后對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)的實(shí)踐進(jìn)行了簡(jiǎn)略介紹。
