圖像理解理論與方法

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圖像理解理論與方法范文第1篇

關(guān)鍵詞：科學(xué)活動觀；結(jié)構(gòu)化學(xué)；課程教學(xué)

一、問題的提出

“結(jié)構(gòu)化學(xué)”是高等院?；瘜W(xué)專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程。它從微觀視角闡明原子、分子和晶體的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用，主要包括量子力學(xué)基本原理及其在原子與分子體系中的應(yīng)用和原子、分子與晶體結(jié)構(gòu)的實驗表征兩大部分。后者又可根據(jù)被表征物質(zhì)的形態(tài)及理論基礎(chǔ)的不同，劃分為譜學(xué)和晶體學(xué)兩個不同體系[1]。

由于“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程涉及面廣、內(nèi)容抽象、理論性強，要求學(xué)生具備較強的空間思維能力，嚴密的邏輯推理能力和扎實的數(shù)理功底；同時由于“結(jié)構(gòu)化學(xué)”通常不作為考研基礎(chǔ)科目，因此許多教師對教學(xué)有效性缺乏足夠重視，大量采用灌輸式教學(xué)或簡化教學(xué)內(nèi)容。這樣看似在短時間內(nèi)完成了課程內(nèi)容的教學(xué)，但實際上產(chǎn)生了諸多問題，這些問題恰恰制約著課程目標(biāo)的達成。

（1）學(xué)生難以形成對知識的整體性認識。教師將結(jié)構(gòu)化學(xué)知識作為一種結(jié)果和定論傳授給學(xué)生，從表面上看，學(xué)生能夠機械記憶基本知識，能進行簡單的運用和拓展。但由于沒有經(jīng)歷和體驗知識獲得的過程，無法從本質(zhì)上、整體上理解結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識體系的來龍去脈、因果關(guān)系。

（2）學(xué)生關(guān)于理論與計算化學(xué)的學(xué)習(xí)和研究能力非常欠缺。由于結(jié)構(gòu)化學(xué)涉及許多微觀物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和抽象的概念，如果沒有科學(xué)的方法支撐去解決問題、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，學(xué)生難以理解理論與計算化學(xué)的核心觀念并運用理論與計算化學(xué)的核心方法。

（3）學(xué)生的情感體驗不足。由于結(jié)構(gòu)化學(xué)本身具備較高的難度，學(xué)生容易產(chǎn)生抵觸、焦慮等一系列不良情緒。僅僅將知識作為一種工具和經(jīng)驗傳授給學(xué)生，他們將無法體驗和感受在知識形成中的愉悅感和合作、會話、交流的過程，進而難以得到需要的滿足和被尊重、被接納的情感體驗。

基于以上“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)的問題，有必要探索、建立新的教學(xué)觀念以改革“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)。由于科學(xué)知識從本源來講恰恰是在科學(xué)活動中產(chǎn)生的，因此將“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的教學(xué)活動和科學(xué)活動做適當(dāng)?shù)娜诤?，通過深入探索化學(xué)科學(xué)活動的基本特點和形式，研究科學(xué)活動與“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)的相互關(guān)系，進而探索以科學(xué)活動為中心的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)途徑，不失為一種恰如其分的改革視角。

二、科學(xué)活動觀——“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)的新理念

人們對科學(xué)本質(zhì)的認識是一個不斷深化的過程。從動態(tài)的和生成性的觀點看，科學(xué)作為“系統(tǒng)化的實證知識”的觀點引起了人們高度反思。有人認為科學(xué)的本質(zhì)是獲得知識的活動，例如，保加利亞學(xué)者T. H. 伏爾科夫曾提到，科學(xué)的本質(zhì)，不在于已經(jīng)認識的真理，而在于探索真理；科學(xué)本身不是知識，而是產(chǎn)生知識的社會活動，是一種科學(xué)生產(chǎn)[2]。我國學(xué)者劉大椿曾將科學(xué)更多地看成是活動的過程，指出科學(xué)是人類特有的活動形式，是人類特定的社會活動成果；雖離不開獨特的物質(zhì)手段，但本質(zhì)上是精神的、智力的活動[3]。這種以動態(tài)的角度認識科學(xué)本質(zhì)的思想，能夠使人們對科學(xué)的理解更加豐富、深刻和全面。

對科學(xué)本質(zhì)的理解，決定著科學(xué)教育實踐價值取向。以科學(xué)活動觀指導(dǎo)“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程改革，對于提高教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生建立自己的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”乃至整個化學(xué)一級學(xué)科的知識框架體系，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)的能力，引導(dǎo)學(xué)生掌握分子模擬研究的初步技能，有著顯著的優(yōu)勢。

（1）科學(xué)活動觀視角下的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)是為科學(xué)知識的獲得服務(wù)的。學(xué)生獲得的系統(tǒng)性的、基礎(chǔ)性的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識大多是結(jié)構(gòu)化學(xué)已有的成果，是科學(xué)家多年來積累的理論與計算化學(xué)的經(jīng)驗、概念、理論、技能和方法。將知識的獲得過程還原于科學(xué)活動，符合結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)活動和科學(xué)活動在知識形成過程中的本質(zhì)共同性，有利于學(xué)生建立并鞏固系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識體系。

（2）科學(xué)活動觀視角下的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)為學(xué)生能力的培養(yǎng)帶來了良機。體驗結(jié)構(gòu)化學(xué)研究過程、掌握結(jié)構(gòu)化學(xué)研究方法，對學(xué)生走入結(jié)構(gòu)化學(xué)研究、形成理論與計算化學(xué)的研究能力并進而發(fā)展對整個化學(xué)一級學(xué)科的研究能力都有著重要的意義。學(xué)生在以科學(xué)活動為背景的學(xué)習(xí)中感受科學(xué)研究的全過程，習(xí)得科學(xué)研究方法，感受科研的意義和價值，在獲得結(jié)構(gòu)化學(xué)知識的同時形成與提高科研能力。

（3）科學(xué)活動觀視角下的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)給予學(xué)生體驗科研情感的平臺。科學(xué)活動創(chuàng)造了真實的結(jié)構(gòu)化學(xué)科研情境，而科學(xué)情感等隱性目標(biāo)都是在情境中通過感悟獲得的。學(xué)生在對結(jié)構(gòu)化學(xué)問題的研究過程中提高學(xué)習(xí)興趣、產(chǎn)生學(xué)習(xí)熱情、發(fā)揚團隊精神，這就有效解決了因知識灌輸式教學(xué)而帶來的學(xué)生情感體驗不足的問題。

三、“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)——“知識學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)”并重

1.以挑戰(zhàn)性問題為學(xué)習(xí)驅(qū)動，構(gòu)建“結(jié)構(gòu)化學(xué)”學(xué)習(xí)活動

基于挑戰(zhàn)性問題的探究式教學(xué)方法是為了設(shè)計合理的科學(xué)活動、有效實施“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)而設(shè)計的。所謂的挑戰(zhàn)性問題是指教師提出的一些與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的、具有探索意義和探究價值的問題，供學(xué)生小組根據(jù)自己的興趣和思維特點進行選擇，以此作為科學(xué)活動的一個驅(qū)動性引導(dǎo)。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過查找資料、相互討論、動手實踐等多種形式，采用合理的結(jié)構(gòu)化學(xué)研究方法對這個問題進行深入研究，完成研究報告。

在“量子力學(xué)基本原理及其在平動、振動、轉(zhuǎn)動、原子與分子軌道理論中的應(yīng)用”模塊的教學(xué)過程中，教師選擇了從簡單到復(fù)雜的系列自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，組織學(xué)生開展了以挑戰(zhàn)性問題為驅(qū)動的自主研究性學(xué)習(xí)。

例如，教師在過去的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對類氫原子結(jié)構(gòu)的球諧波函數(shù)和徑向波函數(shù)的圖像理解有難度，不清楚圖像的來源和圖像節(jié)點的性質(zhì)。為此，教師向?qū)W生介紹matlab軟件，并提出挑戰(zhàn)性問題：如何利用matlab軟件編寫程序語言作圖，幫助理解原子與分子軌道圖像。并根據(jù)這個問題，分別提出了一套由簡入深的系列問題：（1）利用matlab 軟件將諧振子振動波函數(shù)數(shù)字圖形化，并與教材上的圖形進行對比分析，以此為例說明表層理解信息（naming something）和深層理解信息（knowing something）的區(qū)別。（2）利用matlab軟件將粒子圍繞球面轉(zhuǎn)動的球諧波函數(shù)Y及其|Y|2數(shù)字圖形化。（3）利用matlab軟件將類氫原子的徑向函數(shù)、徑向分布函數(shù)、原子軌道（徑向函數(shù)R與球諧函數(shù)Y之積）數(shù)字圖形化并討論其節(jié)點問題。（4）利用matlab軟件將氫分子離子的分子軌道（分子軌道理論框架下的單電子波函數(shù)近似解）數(shù)字圖形化并討論其節(jié)點與成鍵與反鍵性質(zhì)。（5）設(shè)計一個程序?qū)⒕仃噷腔瑸楣曹楏w系的休克爾經(jīng)驗分子軌道理論的近似解提供一套矩陣算法（HC=SCE在休克爾近似下變?yōu)镠C=CE），并重點理解分子軌道理論的核心在于變分原理——將不可能完成的精確求解多體薛定諤方程的任務(wù)轉(zhuǎn)化為近似求解體系能量函數(shù)（嘗試波函數(shù)的線性組合系數(shù)為變量）的條件極值問題。

該系列挑戰(zhàn)性問題由若干不同難度的小問題組成，根據(jù)學(xué)生的認知特點和水平逐漸提高，既防止問題太寬泛而無從下手，又逐漸向?qū)W生發(fā)出挑戰(zhàn)以激發(fā)學(xué)生求知欲。另外，該問題的解決方法不固定，解答結(jié)果也不唯一。它允許學(xué)生運用不同的方法來解決問題，并且將分子模擬技術(shù)融入理論課程之中，通過體驗編寫程序的過程，獲得結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的思路，深化對理論知識的理解和掌握。在學(xué)習(xí)過程中，教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程進行觀察、把握和調(diào)配，當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)出現(xiàn)困難時，提供必要的指導(dǎo)和點撥。

學(xué)生通過分工合作、查找資料、熟悉軟件、編寫程序、運行程序、優(yōu)化程序，逐漸解決了每一個子問題。在這個過程中，學(xué)生在原有知識經(jīng)驗基礎(chǔ)上主動構(gòu)建對知識的理解，充分將知識內(nèi)化為自己的認知。比如對球諧函數(shù)圖像的認識，不再是機械地“記憶”每一個函數(shù)對應(yīng)的圖像，而是充分理解其本質(zhì)，將原理融入圖像的繪制過程，整體把握“數(shù)-形”關(guān)系，在理解的層面上深刻記憶圖像的性質(zhì)和形狀。不僅如此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中熟悉了結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)與研究的基本方法，充分將結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論知識與分子模擬實踐相結(jié)合，體驗了以科研的視角去分析問題、解決問題、獲得新知的過程。更加難能可貴的是，有學(xué)生通過自己繪制一維諧振子振動波函數(shù)示意圖，發(fā)現(xiàn)了教材附圖中的一處印刷錯誤[4]。

科學(xué)的發(fā)展是建立在繼承前人的研究結(jié)果，并在科學(xué)實踐過程中不斷地對已有認識形成批判而發(fā)展的。例如，原子結(jié)構(gòu)理論模型正是一代又一代科學(xué)家在繼承、借鑒、批判前人研究成果，并在孜孜不倦地分析與探索過程中逐步建立的。這種科學(xué)精神和科學(xué)意識的形成必須依賴于科學(xué)活動。如果僅僅是讀書、聆聽教師的講授，思維往往會被局限，實證意識往往會變得淡漠；相反，學(xué)生通過審慎地思考、縝密地分析、嚴謹?shù)嫩`行，不僅能夠讓學(xué)生認識到科學(xué)的學(xué)習(xí)不能唯書唯上，還需自己親歷躬行。

2.以知識框架圖為學(xué)習(xí)工具，建立“結(jié)構(gòu)化學(xué)”學(xué)科網(wǎng)絡(luò)

要具備良好的理論與計算化學(xué)的學(xué)習(xí)與研究能力，必須具備系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)知識和基本技能，從整體上、宏觀上駕馭整個學(xué)科體系。學(xué)生需要將自己在科學(xué)活動中所獲得的知識與經(jīng)驗加以總結(jié)、提煉與提升，構(gòu)建自己的知識網(wǎng)絡(luò)。在以教師講授為主的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)過程中，這一點做得很不夠，不是忽視知識的系統(tǒng)化處理過程，就是將教師自我頭腦中已經(jīng)構(gòu)建好的體系直接傳遞給學(xué)生，供學(xué)生直接借鑒、吸取，而缺乏探索和整理的過程，缺失個性。

在“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的課程教學(xué)過程中，通過學(xué)生自主根據(jù)自己的知識理解狀況繪制知識框架圖（Schema），以圖形而非文字的形式將結(jié)構(gòu)化學(xué)知識加以梳理。在具體的實施過程中，教師要求學(xué)生將結(jié)構(gòu)化學(xué)知識進行梳理、歸類，根據(jù)具體的內(nèi)容繪制相應(yīng)的知識框架圖，不僅僅要全面涵蓋該內(nèi)容內(nèi)所有的知識點，同時要呈現(xiàn)出各知識點之間的邏輯關(guān)系，清晰地表明知識的結(jié)構(gòu)屬性和形成方式，使知識逐漸從“點”向“線、面”過渡。學(xué)生在繪制知識框架圖的時候，不需要根據(jù)課本上的章節(jié)順序來設(shè)計，也沒有固定的思路，更希望學(xué)生能夠呈現(xiàn)出自己對知識結(jié)構(gòu)的理解。

以量子力學(xué)基本原理一章為例，學(xué)生繪制了該章的知識框架圖，展現(xiàn)出了量子力學(xué)基本原理所包括五方面內(nèi)容。這種教學(xué)方式不僅有助于幫助學(xué)生梳理結(jié)構(gòu)化學(xué)知識的來龍去脈，建立科學(xué)的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識體系，形成全面的關(guān)于結(jié)構(gòu)化學(xué)基本學(xué)科邏輯結(jié)構(gòu)和基本學(xué)習(xí)與研究思路的認識；更有助于學(xué)生反思科學(xué)研究活動過程和結(jié)果，總結(jié)開展科學(xué)學(xué)習(xí)與研究的視角和途徑，探索有待進一步學(xué)習(xí)和研究的盲點和解決策略，最終建立起清晰的化學(xué)學(xué)科體系框架，并在具體知識基礎(chǔ)上形成化學(xué)觀念。

3.以多種形式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)結(jié)果，提升能力同時以評促學(xué)

所謂“研而不發(fā)則囿”，在科學(xué)活動中，通過書面報告（論文）和口頭匯報（學(xué)術(shù)報告）等形式，科學(xué)生動地、多樣化地展示科學(xué)活動成果，是科學(xué)工作者必須具備的能力和素質(zhì)。學(xué)生在實踐中解決了挑戰(zhàn)性問題，繪制了知識框架圖之后，需要完成關(guān)于學(xué)習(xí)與研究過程與結(jié)果的書面報告，同時在課堂中將自己的學(xué)習(xí)與研究過程與結(jié)果通過口頭匯報的形式向教師和同學(xué)展示。這樣能夠讓教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)研究過程，讓同學(xué)學(xué)習(xí)與借鑒研究方法和研究結(jié)果，同時也能夠接受教師與同學(xué)的批評指正，認識到自己的研究不足之處，為今后開展深入的結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)與研究工作啟迪思維、創(chuàng)設(shè)條件、打好基礎(chǔ)。

利用書面報告和口頭匯報等形式表達學(xué)習(xí)和研究過程與結(jié)果，在提高學(xué)生的基本科學(xué)研究素養(yǎng)的同時，也有助于從過程的角度、從個性化的角度、從個人全面發(fā)展的角度來開展并落實過程評價、全員評價，將過程評價與終結(jié)性評價相結(jié)合。傳統(tǒng)的以平時成績和期末考試成績?yōu)槲ㄒ辉u價指標(biāo)的評價方式，過多地局限于知識點的掌握，卻不能很好地考查學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)方式，更難以評價學(xué)生的科學(xué)研究基本素養(yǎng)。利用書面報告和口頭匯報則有效地彌補了單一評價方式的不足之處，最終達到以評促學(xué)的根本目的。這種以多個評價者從多個角度對學(xué)習(xí)者進行評價的機制，關(guān)注學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中所表現(xiàn)出來的各方面能力和素質(zhì)而并非簡單的學(xué)習(xí)結(jié)果，有效促進了學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的積極性，體現(xiàn)了過程評價與終結(jié)性評價相結(jié)合的現(xiàn)代教育評價理念。

通過“活動-提煉-總結(jié)”方式的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠在科學(xué)活動中找到自己的長處，發(fā)現(xiàn)自己的潛能，體驗到相互合作的樂趣以及自己的想法被他人肯定和接納時的成功愉悅感。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中收獲的不僅僅是知識和能力，還有對自我的肯定，對他人的贊許，以及對學(xué)習(xí)、對科學(xué)研究的積極態(tài)度。同時，最難能可貴的是學(xué)生的學(xué)習(xí)能力普遍得到了提高，自主學(xué)習(xí)意識明顯增強，為他們今后更好地開展分子模擬研究乃至從事化學(xué)理論與實驗相結(jié)合的研究打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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