学科工具软件及其在学科教育教学中的应用解析

学科工具软件及其在学科教育教学中的应用 该文主要以化学为例，讨论了学科工具软件的概念内涵、特点和种类，与通用工具软件、课件、积件的区别，及其在辅助学科教育教学和课件制作的应用，提出：学科工具软件是一种重要的、特殊的学科教育教学资源，它既是信息技术与课程整合的产物，同时又是实现信息技术与课程整合重要的软件基础，是信息技术与课程整合的“粘合剂、催化剂和加速剂”；它代表了学科教育教学资源的未来方向，是计算机辅助教学的发展趋势；学科教师要注意积累本学科专业的工具软件，加强自学研习，充分挖掘其教育教学潜力。

关键词：学科工具软件 学科教育教学 应用 课件制作 信息技术与课程整合

1 引言

笔者近年来，在化学研究、化学教育教学和化学课件制作（包括课件素材）的实践中，有意识地应用化学学科工具软件，积累了一些经验，形成了一定的理性认识。特别是近年来，在对高师生和在职中小学教师进行多媒体CAI和网络教学技能培训的过程中，深切感受到，高师生和在职中小学教师对学科工具软件的喜爱。然而，目前Internet上和学术界关于学科工具软件及其在学科教育教学中应用的文献并不多见。

2 学科工具软件的概念内涵和特性

什么是学科工具软件？很难给它下一个确定性定义。但笔者认为可以给它下一个描述性定义：学科工具软件是一类特殊的计算机软件，专门为解决某学科专业领域的某些问题而开发设计，它具有以下一些特性。

2.1 学科专业性和专门性

不同的学科有不同的工具软件，各自解决某些专门领域的问题。例如：化学有ChemOffice、ChemWindow、ChemDraw、ChemSketch、WebLab Viewer、 Corel ChemLab、Model ChemLab和门类众多的化学计量学工具软件，数学有MathCAD、MathLab和Mathematic，物理、几何学有“The Geometer's Sketchpad”（几何画板）等。学科工具软件区别于通用型工具软件就在于其突出的学科专业性和专门性。例如，同样是绘图工具软件，通用型的SmartDraw在绘制化学图形（化学实验装置和化学标志）和分子结构式时，就远不如ChemDraw和ChemSketch专业和功能强大。一般地，学科工具软件由于是软件设计者专门为某学科专业而量身定做的。因此，它在对付专业问题方面比通用工具软件更灵验。学科工具软件的专门性还体现在，即使是同一学科，不同的工具软件也各有专业侧重点。例如，同样是化学工具软件，ChemDraw、WebLab Viewer和ChemSketch擅长绘制化学图形和分子结构式，而Corel ChemLab和Model ChemLab则擅长解决化学实验和实验教学中的问题；Corel ChemLab较Model ChemLab功能更强大些，可模拟的实验种类和数量更多些；ChemSketch和ChemDraw在分子的立体结构图绘制和三维动画演示方面功能强大。

2.2 工具性（功能性）

体现在它可以帮助用户解决某学科专业领域的某些复杂的问题。学科工具软件为各学科的科研、教学和生产提供了极大的便利，在辅助科学研究、辅助设计、辅助教学和课件制作

等方面发挥着重要的作用。例如：Molecule Modeling, MathLab可以帮助科研人员进行复杂分子的设计和建模；Hucked Molecule Orbital Caculation可以帮助科研人员完成复杂的分子轨道的计算；ACD/Tautomers检查并生成有机结构的最常见的异构体；ACD/Dictionary包含48，000个化学和生物中常见的系统和非系统命名的化合物，覆盖200多个领域，包括超过500种不同酶的名称和结构(商业版)；ACD/pKa预测计算酸25度下的电离常数，特殊结构化合物的离子校正系数；ACD/LogP 预测计算中性分子的醇/水分配系数(LogP)预测值；ACD/沸点与蒸汽压预测计算从0.001毫米汞柱到10个大气压下任意压力下的沸点，一般情况下精确到+/-10度或更好；ACD/预测计算不同pH值下的溶解性；ACD/西格码预测、显示不同原子团的Hammett类型或相关参数。

2.3 教育性

学科工具软件的教育性包括软件开发设计的教育目的性和软件所能够实现的教育功能性。随着计算机辅助教学的深入，学科工具软件几乎都毫无例外地被应用于学科教育教学中，软件的设计者也有意识地考虑到如何增强其教育功能性，以满足不断增强的教育需求。学科工具软件的教育性体现在：辅助学科教育教学，辅助CAI课件制作及素材创作，实施创造教育、培养学生创新思维和创造实践能力，促进以计算机、网络为核心的信息技术的学习掌握以及外语学习等。例如，ChemSketch历经1.0，2.0，3.0，3.5，4.0和4.5多个版本的不断改进，从3.5版本起大大增强了其教育目的性和功能性，特别是其Show 3D模块，由于在分子的立体结构图绘制和三维动画教学演示方面功能强大，而深受化学教师的欢迎，被普遍地应用于多媒体教学和学术演示。中科院张景中院士主持开发的数学工具软件“数学实验室”之“平面几何”、“三角函数”等具有强大的辅教和助学功能，从图1所示的菜单命令即可见一斑。

图1

3 学科工具软件的分类

Internet上有许多站点提供学科工具软件下载服务，但决定究竟下载哪一种软件并非易事。因此，有必要进行分类，以便在下载时，对症下药，安全、合理地下载自己喜爱和有用的学科工具软件。

（1）按学科和专业划分

学科工具软件按所属学科可划分为化学工具软件、物理工具软件、数学工具软件等。某一学科的工具软件还可按专业划分。例如，化学工具软件可划分为分析化学工具软件、有机化学工具软件、无机化学工具软件等。其中，分析化学工具软件还可进一步划分为光谱分析工具软件、容量分析工具软件等。光谱分析工具软件可继续细分为红外、紫外、色谱、质谱、核磁共振（H谱、C谱）、原子吸收和发射光谱等。目前，虽然未经全面、科学地统计，但凭笔者所见，数理化等自然科学的学科工具软件，在门类、数量和质量上均远远超过其他学科的工具软件。而在数理化等自然科学中，又以化学工具软件为最。

（2）按功能划分

学科工具软件按其功能的多少或复杂难易程度，可划分单一型和综合型。单一型学科工具软件，如化学分子式和方程式编辑器（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）式量计算器 mmcalc（Softshell Molecule Mass Calculator）。这些小型、袖珍型化学工具软件功能单一，软件小巧，解决化学中相对较简单的计算和处理问题。综合型化学工具软件，如ChemOffice、ChemWindow、ChemSketch等，功能强大，软件容量也相对庞大些，解决化学中相对较复杂的计算、编辑和数据处理等问题。无论是单一型还是综合型学科工具软件，虽然各自有不同的应用场合，但都可以不同程度地帮助用户提高工作效率。

（3）按教育目的性和教育功能划分

虽然学科工具软件都具有不同程度的教育性。但仍可以依据工具软件设计时的教育目的性强弱、侧重点和它所能够实现的教育功能性进行划分。教育目的性较强、侧重于辅助学科教学的工具软件有Alkane Naming、 Aromatic Naming、Corel ChemLab、Model ChemLab和ChemSketch等。其中，Alkane Naming、 Aromatic Naming实际上就是强化训练学生熟悉烷烃、芳香化合物分子结构式及其IUPAC命名法的课件，软件随机画出某烷烃或芳香化合物的分子结构式，用户（学习者）根据结构式填写其IUPAC名称。Corel ChemLab和Model ChemLab作为模拟化学实验的工具软件，其教育目的性和教育功能性也很强。此外，综合型工具软件ChemSketch的Show 3D和Model ChemLab的Molecule Viewer可以清晰、方便地演示分子的立体结构图和三维动画。ChemSketch和Model ChemLab还专门提供小测验（quiz），方便教师和学习者进行测验。而有些化学工具软件其教育目的性和教育功能性就相对逊色了许多。

（4）按对网络的支持程度划分

学科工具软件按对网络的支持程度可划分单机版和网络版。例如，同样是化学绘图工具软件，ChemDraw是单机版，WebDraw和WebLab Viewer则是网络版。ChemSketch4.0以前的版本不支持网络，而最新的ChemSketch4.5则大大加强了对网络的支持。网络化已成为学科工具软件的发展趋势。

（5）按是否收费划分

①商业软件（Commercial-ware）:由于软件比较专业化或商业化，所以下载时要用户输入信用卡的号码，属于有偿下载。用户也可以到软件专卖店购买其软件光盘。例如，最新版本的ChemOffice。

②共享软件（Shareware）：用户可以从网站上免费下载，并且可以免费使用一段时间，这段时间称为试用期限，一般为30天。用户要想在超过试用期限后继续使用，必须在试用期限内进行注册、成为其合法、永久性用户。用户可以通过缴费获得注册码，也可以通过其他途径获得注册码。例如，下载某些网站提供的注册机自动生成活动注册码，或使用下载网站提供的固定注册码，或根据软件的提示获得免费注册码。

③免费软件（Freeware）：用户可以免费下载、使用，但不可作为商业用途，不可修改软件。通常是那些在网上比较流行、但版权商已经无法控制其市场的软件，以及在新版本面市后被淘汰的低版本软件，或一些专门为科技工作者或教育工作者开发的公益性软件。后者如ChemSketch。

④捐赠软件（Donateware）：用户不仅可以免费下载、使用，还可以根据软件开发者无偿提供的原代码进行修改或增加功能。Donateware又称为“明信卡”软件（Postcardware）。

⑤演示软件（Demoware）:在某些新软件正式问世前，开发者往往在网上提供软件的演示版本，向人们展示软件的画面或主要功能。用户可以在软件上体会到它的主要优点，但不能完全使用。

（6）按软件的内码和所支持的语言划分

可以划分为中文版、汉化版、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，下载时要注意区分。另外，虽然中文版、汉化版都是中文界面，都支持中文，但它们是有区别的：前者本身就是一个中文软件，后者只是对原版外文软件的汉化，即把原本英文的界面，如菜单、按钮、对话框、帮助文件或提示中文化。笔者的实践表明，部分汉化版软件存在缺陷（bug）。因此，用户在选择软件版本时，笔者的建议是：如果英文好，可选用原汁原味的英文软件。如果英文不好，应优先选择中文版，其次再考虑汉化版。如果汉化版本较多，应选择汉化质量最好、版本号最高的汉化程序。

（7）按其他属性划分

例如，按软件开发所处的阶段性和发布的目的性，将学科工具软件划分为演示版（Demo Version）、测试版（Beta Version）和正式版(Final Version)。按功能的全面性，将学科工具软件划分为迷你版（mini）、标准版（standard）和增强版、专业版（professional）。 4 学科工具软件在教育教学中的应用

学科工具软件之所以能够应用于教育教学，并发挥越来越重要的作用，一方面得益于软件设计者独特、巧妙的教学设计和功能模块设计，另一方面有赖于现代化的多媒体与网络教学媒体的广泛应用，当然最重要的还是学科教师独具匠心的教学设计，以及学习者的自主学习能力和探究精神。

4.1 辅助学科教学

化学教师可以充分挖掘和利用化学工具软件的教育功能，通过网络或投影仪动态演示有关化学教学内容以传授知识，动态演示如何利用工具软件解决化学问题以培养学生分析问题和解决问题的能力，演示化学（实验）现象、化学过程，揭示化学原理，加深对抽象的化学概念的理解，完成复习旧课、讲授新课、巩固新课、课堂测验（练习）、布置作业等教学环节。例如，利用Corel ChemLab和Model ChemLab模拟化学实验，利用ChemSketch动态绘制复杂的化合物分子结构和化学方程式，归纳总结分子结构、化学反应与价键结合的规律，动态地组装化学实验装置等。利用ChemSketch的Show 3D和Model ChemLab的Molecule Viewer清晰、方便地演示分子的立体结构图和三维动画。这样的动态演示可以调动学生的学习兴趣，紧紧抓住学习的注意力，有利于培养学生形象思维和逻辑思维。除了应用于课堂教学外，化学教师也可指导学生利用化学工具软件进行自主学习、独立探究和尝试解决化学问题，或对某些复杂问题，进行合作学习和协同探究。

数学（几何）、物理教师利用几何画板进行课堂教学，指导学习利用几何画板进行数学、物理问题的探讨，已经是非常普遍的现象了。

4.2 辅助课件及其素材制作

层出不穷、功能强大的学科工具软件使得非计算机专业的学科教师制作出优秀的、实用的多媒体课件成为轻松愉快、富有成就感的工作。以化学为例，现在越来越多的化学教师体会到利用化学工具软件辅助教学、制作课件和素材的优越性。笔者曾多次指导化学教师利用ChemSketch制作课件和动画，优化教学设计，上多媒体CAI公开课、优质课及说课，取

得了很好的教学效果。利用ChemSketch丰富的模板，强大的绘图功能和导入、导出功能，可以制作出丰富多彩的图形、图像素材，还可以配合微软的Camcorder或Lotus的ScreenCam或Snag it捕获屏幕动画，作为多媒体课件的素材。

4.3 培养学生创新思维和创造实践能力

几何画板被誉为21世纪的动态几何，数学（几何）和物理教师利用几何画板培养学生的创新思维和创造实践能力，国内外已有许多研究成果和典型教学案例。李克东教授提出，“利用各种工具、平台，让学生利用平台创造作品”“培养学生的艺术创作能力”“培养学生的信息组织能力”。并且提出了创造思维和创造能力的两个层次，“一是科学创造层次，如科学家提出新的学说，发明家发明新的产品等；二是个体自身潜能的开发和发展层次。对于中小学生，其创造性并不是要像科学家、发明家那样要完成一项具有特殊意义的产品（一种理论、思想或一种成品），而是指对学习者个体自我潜在智能有意义的开发和发展。这种层次的创造思维能力是第一层次的基础。”[3]。

随着化学工具软件的普及，利用化学工具软件培养学生基础层次的创新思维和创造实践能力将成为化学教师进行教学研究与实践探讨的热点。例如，利用ChemSketch总结化学价键的规律，化合物（如同系物、同分异构体）分子结构的规律；利用Molecule Modeling, MathLab尝试进行复杂分子的设计和建模等。

4.4 促进计算机学习和外语学习

学科教师利用学科工具软件进行课堂教学演示、教师指导学生利用化学工具软件自主学习、独立探究和尝试解决化学问题的教学实践本身就具有很强的示范作用，学生看到并体念了计算机和网络的强大功能，从而激发起学习计算机和网络的兴趣和热情。这实际上是计算机和网络教育的扩展和延伸。此外，由于目前的学科工具软件，特别是化学工具软件，多数是外文软件，其菜单命令（Menu Command）、工具按钮（Tool Button）、对话框（Dialogue Box）、即时帮助（Instant Help）、帮助文档（Help Documents）、软件使用教程（Software using Tutorials）和教学电影（Teaching Movies）都使用纯正、地道的外语（包括计算机外语和学科专业外语）。这一方面增加了学生使用学科工具软件的难度，同时也为学生提供了学好计算机、网络和外语的契机。学生在学科教师的指导下学习使用学科工具软件和利用学科工具软件解决学科专业问题的过程，实际上也就是他们学习和熟悉纯正、地道外语的过程。而计算机、网络和外语正是21世纪的学生必须具备的现代信息技术素养的核心组成部分。目前，作为加入WTO的应对措施，我国教育界正在努力实践在学科教学中实行双语教学。笔者认为，对化学教师来说，外文版的化学工具软件就是理想的双语教学材料。 5 学科工具软件与通用工具软件、课件、积件的区别

学科工具软件不同于通用工具软件，因其具有学科专业性和教育性。它也不同于普通课件即第一代教学软件，因为常规课件事先由教学设计确定，有固定程序，情节定型，模式化，封闭，不能再编辑修改，而学科工具软件则是为教师和学生提供可以对学科教学内容进行创作和信息加工处理的工具平台——教师恰当地运用它，可以创造性进行学科教学；学生恰当地运用它，可以创造性地学习探究、解决原本相当棘手的学科专业问题。因此，用学科工具软件创作的课件、素材和课例（教学设计）是“活”的、开放性的，可以随时随地再编辑、修改，进行有创造性地、深层次的“二次开发”。这与第二代教学软件即积件系统有相似之处，但两者各有特色——学科工具软件是解决学科专业问题、创作或辅助创作课件、积件的原创

性工具平台，同时也是对它们进行创造性地、深层次加工处理的“二次开发”工具平台。而积件系统则主要是积件的组合平台，在组合功能和方便易用性方面比较突出，但目前的积件系统大多数本身并不提供原创工具平台。由于优秀的学科工具软件是“活”的教学平台和创作平台，较之于课件和积件，更有利于发挥师生的创造性和个性，更能够适应千变万化的现实课堂教学，因而更受广大师生喜爱。

6 结论

学科工具软件是一种重要的、特殊的学科教育教学资源。学科工具软件、信息技术与课程整合两者之间有着密切的联系——从学科工具软件的产生、发展的逻辑上看，我们可以把它归结为信息技术与课程整合的必然产物，而从学科工具软件在学科教育教学中的作用上来说，学科工具软件是实现信息技术与课程整合重要的软件基础，它可以称得上是信息技术与课程整合的“粘合剂、催化剂和加速剂”。学科工具软件代表了学科教育教学资源的未来方向，是计算机辅助教学的发展趋势。学科教师充分发挥各学科工具软件在教育教学中的积极作用，有利于充分挖掘计算机和网络教育资源的利用率和潜力，有利于把学生从网上聊天、网上游戏、网上视听娱乐、网恋导向到学科专业学习以及以计算机、网络和外语为核心的信息技术的学习与掌握这样正确的方向上来，有利于学校和教师实施创造教育，把培养学生的创新意识、创新思维和创新实践能力落实到课堂教学和实践教学环节中去。而这一方面要求我们加强师资培训，另一方面也要求学科教师平时注意积累本专业领域和相关领域的学科工具软件，加强自学研习，做到既要创造性地挖掘学科工具软件的教育教学潜力，同时又要注意引导，避免学生对学科工具软件的过分依赖而带来的负面影响。

参考文献

[1] http://www.acdlabs.com

[2] http://chin.icm.ac.cn

[3] 李克东.知识经济与现代教育技术的发展.电化教育研究. 1999.（11）：14.

The article discussions the concept meaning, characteristics and classifications of subject-tool-software, and its applications in subject-education, subject-instruction, courseware making, and point out: Subject tool-software is a kind of important and special resource for subject-education & subject-instruction; It is not only the result of integration of information technology and courses, but also the bond, the catalyzer, and the accelerator for integration of information technology and courses; It is one of the future directions of subject-educational & subject-instructional resource, and one of the developing trends of CAI; Subject-teachers should pay more attention to accumulating subject-tool-software and its studying, in order to make full use of subject-tool-software in subject-education & subject-instruction.