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TEAL-簡介

十二月 14, 2012 作者: adm314

簡介

一、TEAL完善的教學設施:

首先,TEAL/Studio課程安排不同之處也是它的第一個特色就是教室空間的規劃設施需要一個與眾不同的教室空間與設備。如圖1的3D立體視覺動畫模擬圖所示,這是MIT於2001年秋天啟用的空間,教室內共有13張直徑七英呎桌子,每張桌子可以坐九位學生,教室的設計總共可容納117位學生。老師的講台則位於教室的中央處,這樣的設計是為了使學生看到老師在課堂的種種教學操作與示範活動,尤其是一些不適合於桌上型實驗的大型實驗活動(老師的一切示範都將投射於位於教室課角落的八個螢幕上)。在老師周圍也配有各式直交流電源和控制器以供特殊的實驗使用。環繞在教室周圍的許多白板可做為師生討論或教室裡的每一成員的即席意見發表,而每一白板都可以藉由不同角度所設置的攝影機投射到大螢幕上讓教室內全體人員看到。在白板之間又放置許多螢幕並有投影設施,將授課內容投射其上。當全班同學們共同討論時,亦可將正在答問或報告中的同學予以攝影投影在螢幕上,藉由此一視訊設施使整個教室互動的更好。從圖2中我們也看到每3位同學為一組配置一台電腦,作為小組報告或教師教學之用,在講台上的教師可在講桌上示範較複雜不易由學生操作的實驗,並且將影像投影給全班同學觀看。整個設施的主要目的,是建立一個完整的視訊與討論環境,以使下面即將描述的教學法,沒有阻礙。

二、TEAL教學法:

TEAL/Studio的基礎構想就是結合授課、問答、實驗三種活動,融入主題式教學與實驗課程。每一主題都採用三人一組合作學習的方式來進行桌上型實驗及小組討論。Piaget ( 1973 )在心理的成長發展過程的著作,影響了人們對學習的觀點。這種觀點是現象的建構,被定義為心理發展觀點有其中心意義,乃介於學生的特質和學生的環境間的互動,這些互動有其關連性和引導學生建構更高層次知識。學生必須自行發現和構築對這宇宙的意義和理解。老師無法替學生構築更高階層的知識;老師僅能提供機會、經驗和情境來引導學生知識發展和建構。TEAL/Studio教學法賦予使用者自身提供看法的教學環境,這使得學生能夠在問題解決和主要科學知識上展現意見。Piaget指出社會化是學習者發展心智的必備條件,而合作學習環境( Cooperative Learning Contexts ) 幫助學生發展社會化的機會,進而開發學生的認知成長。此外,也利用了網路自動化系統來作為教學的輔助工具(WebAssign 軟體,見網頁: http://www.webassign.net) ,做為學生課前以及課後的作業預習以及練習,這樣的裝備解決了學生在學習上的困難,老師也可以藉由這樣的系統來對較複雜的觀念來作有效的澄清並且對學生理解課本的程度也可以提高。還有另一個值得一提的特色,這套系統可讓教師指定學生的學習時間,並依據學生回答的正確與否,有彈性的在限時內依程度更新教材,真正做到及時教學的目的。

在MIT TEAL 所設計的教學形式中有幾個主要特色:

1.精緻3D立體視覺模擬圖形:

受惠於許多其它大學或機關作相關研究的先驅們的經驗與靈感,TEAL最大的挑戰是如何為符合MIT學生的能力來量身訂做的教材,這也是TEAL 的研究重心,這個重心的原則是開發出新而有效的物理教學方法與技術。舉電磁學為例,就是將焦點放在利用圖像模擬讓學生理解電磁場及力的交互作用。電磁學算是對入門學生中一門較有學習障礙的一科,但是藉由動畫模擬可以將抽象化的電磁場觀念以實際圖形表示出來,學生也可以自由操作調整不同參數數值獲得不同的數值結果來瞭解場與力的變化。 
目前TEAL 已經完成電磁學以及部分力學的教材。在電磁學方面,針對傳統的電磁學教學形式中如何使學生能夠對抽象的電場與磁場,以及兩者之間的相互作用行為,有完整的理解。教學過程中圖像的呈現是相當重要的一環,在每個概念上TEAL 除了用足夠的文字說明之外,也配合許多的3D圖形,穿插在教材中,有些3D立體圖案甚至可以做360度旋轉的動態呈現,讀者可藉由滑鼠控制圖案旋轉或停止,藉此在學習者的腦海中建立正確的圖像,值得一提的是這些立體圖案都是經過MIT教授與助理研究員,結合其他電腦科技相關科系人員合力完成,正確度相當高,非坊間一般憑個人想像的示意圖所能相比。

例如,在微波實驗的教學中,圖3是模擬一個正負電偶極天線所產生的電磁波發射圖案的一個畫面,其中所呈現的電力線分佈可看出平行天線的直線上方向有較弱的電場。學生聽教師講課的同時觀看正確的圖像對抽象概念圖像的建立有很大的幫助。這個技巧的另外一個例子是一個磁鐵掉落通過一個非磁行性導電圓形的線圈所產生的磁場分佈情形,圖是4所展示的是其中視覺模擬的一個畫面。 

2.電腦的實驗動態模擬與影片: 

除了以上較為被動式的影像模擬外,教材隨著上課進度,TEAL還開發了許多與教材內容相關的Java Applet的動態模擬互動教材,可以應用在許多電磁學的內容描述上。學生藉由控制畫面中的物體,移動或旋轉以便可觀察到該物體與電磁場交互作用的行為,這些模擬實驗也允許學員輸入起使數據來觀看該現象後來的發展,使學生對隨著時間演化的物理行為產生正確的概念,而不光靠方程式本身來想像動態的物理現象。

圖5所顯示的是一個運動電荷在磁偶極所形成的磁場中,電流與磁場交互作用行為的電腦實驗模擬,為的是使學生不只是被動的觀看3D圖案,藉由互動式的電腦模擬實影,使學習者建立許多的物理概念。除了可作為測試當今筆記興型電腦的計算速度,圖5的applet計算並描繪電子的移動所造成的總磁力線分布(使用四階的Runge-Kutta數值技術) ,圖形上的參數可以來控制3D圖形的運動曲線,由於速度快,彷彿是真實的模擬。

3.新穎的桌上型實驗設施:

MIT物理教學更設計了桌上型實驗,這些實驗的設備都可以在上述教室中的圓桌上,每三位同學一組,在助教的協助下完成。這些實驗強調在同一個講課的教室即可實行,不像傳統物理實驗課程需到專屬的實驗室操作。該物理課程強調實驗內容與講演教材進度的配合,使實驗與教學課程緊密結合,並且避免學生上完後,過了許久才操作相關概念實驗的情形。在課程設計上選修此一物理課程的學生,無需另外上實驗課程,也因此該物理課程每學期是5個學分。值得一提的是在學生操作桌上型實驗的同時,TEAL 還以動畫呈現與該實驗相同的模擬畫面,除了動手以外,更可藉由動畫看到實驗中無法看到的現象,如電場、磁場或力量的變化等。如圖6所示是一個真實的錄影畫面,實驗者將磁鐵在線圈中移動產生變化的磁通量,使線圈產生感應電動勢,此感應電動勢藉由右下角的儀器顯示出來。圖7則是一個和此實驗的相關動畫,學生可藉由動畫中所呈現的磁力線在線圈中的變化情形,體會到手中操作的磁鐵和線圈所產生的交互作用,並瞭解到磁通量的變化是產生電動勢的主因。將實驗與動畫結合,藉由動畫顯示實驗所無法呈現的抽象概念,是此一教材的特色之一。

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