图像理解理论与方法

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图像理解理论与方法范文第1篇

关键词：科学活动观；结构化学；课程教学

一、问题的提出

“结构化学”是高等院校化学专业的主干基础课程。它从微观视角阐明原子、分子和晶体的结构、性能和应用，主要包括量子力学基本原理及其在原子与分子体系中的应用和原子、分子与晶体结构的实验表征两大部分。后者又可根据被表征物质的形态及理论基础的不同，划分为谱学和晶体学两个不同体系[1]。

由于“结构化学”课程涉及面广、内容抽象、理论性强，要求学生具备较强的空间思维能力，严密的逻辑推理能力和扎实的数理功底；同时由于“结构化学”通常不作为考研基础科目，因此许多教师对教学有效性缺乏足够重视，大量采用灌输式教学或简化教学内容。这样看似在短时间内完成了课程内容的教学，但实际上产生了诸多问题，这些问题恰恰制约着课程目标的达成。

（1）学生难以形成对知识的整体性认识。教师将结构化学知识作为一种结果和定论传授给学生，从表面上看，学生能够机械记忆基本知识，能进行简单的运用和拓展。但由于没有经历和体验知识获得的过程，无法从本质上、整体上理解结构化学的知识体系的来龙去脉、因果关系。

（2）学生关于理论与计算化学的学习和研究能力非常欠缺。由于结构化学涉及许多微观物质的结构和抽象的概念，如果没有科学的方法支撑去解决问题、发现规律，学生难以理解理论与计算化学的核心观念并运用理论与计算化学的核心方法。

（3）学生的情感体验不足。由于结构化学本身具备较高的难度，学生容易产生抵触、焦虑等一系列不良情绪。仅仅将知识作为一种工具和经验传授给学生，他们将无法体验和感受在知识形成中的愉悦感和合作、会话、交流的过程，进而难以得到需要的满足和被尊重、被接纳的情感体验。

基于以上“结构化学”教学的问题，有必要探索、建立新的教学观念以改革“结构化学”课程教学。由于科学知识从本源来讲恰恰是在科学活动中产生的，因此将“结构化学”的教学活动和科学活动做适当的融合，通过深入探索化学科学活动的基本特点和形式，研究科学活动与“结构化学”教学的相互关系，进而探索以科学活动为中心的“结构化学”课程教学途径，不失为一种恰如其分的改革视角。

二、科学活动观——“结构化学”课程教学的新理念

人们对科学本质的认识是一个不断深化的过程。从动态的和生成性的观点看，科学作为“系统化的实证知识”的观点引起了人们高度反思。有人认为科学的本质是获得知识的活动，例如，保加利亚学者T. H. 伏尔科夫曾提到，科学的本质，不在于已经认识的真理，而在于探索真理；科学本身不是知识，而是产生知识的社会活动，是一种科学生产[2]。我国学者刘大椿曾将科学更多地看成是活动的过程，指出科学是人类特有的活动形式，是人类特定的社会活动成果；虽离不开独特的物质手段，但本质上是精神的、智力的活动[3]。这种以动态的角度认识科学本质的思想，能够使人们对科学的理解更加丰富、深刻和全面。

对科学本质的理解，决定着科学教育实践价值取向。以科学活动观指导“结构化学”课程改革，对于提高教学质量，让学生建立自己的“结构化学”乃至整个化学一级学科的知识框架体系，培养学生终身学习、自主学习的能力，引导学生掌握分子模拟研究的初步技能，有着显著的优势。

（1）科学活动观视角下的“结构化学”教学是为科学知识的获得服务的。学生获得的系统性的、基础性的结构化学知识大多是结构化学已有的成果，是科学家多年来积累的理论与计算化学的经验、概念、理论、技能和方法。将知识的获得过程还原于科学活动，符合结构化学教学活动和科学活动在知识形成过程中的本质共同性，有利于学生建立并巩固系统的结构化学知识体系。

（2）科学活动观视角下的“结构化学”教学为学生能力的培养带来了良机。体验结构化学研究过程、掌握结构化学研究方法，对学生走入结构化学研究、形成理论与计算化学的研究能力并进而发展对整个化学一级学科的研究能力都有着重要的意义。学生在以科学活动为背景的学习中感受科学研究的全过程，习得科学研究方法，感受科研的意义和价值，在获得结构化学知识的同时形成与提高科研能力。

（3）科学活动观视角下的“结构化学”教学给予学生体验科研情感的平台。科学活动创造了真实的结构化学科研情境，而科学情感等隐性目标都是在情境中通过感悟获得的。学生在对结构化学问题的研究过程中提高学习兴趣、产生学习热情、发扬团队精神，这就有效解决了因知识灌输式教学而带来的学生情感体验不足的问题。

三、“结构化学”课程教学——“知识学习与能力培养”并重

1.以挑战性问题为学习驱动，构建“结构化学”学习活动

基于挑战性问题的探究式教学方法是为了设计合理的科学活动、有效实施“结构化学”教学而设计的。所谓的挑战性问题是指教师提出的一些与教学内容相关的、具有探索意义和探究价值的问题，供学生小组根据自己的兴趣和思维特点进行选择，以此作为科学活动的一个驱动性引导。在学习过程中，学生通过查找资料、相互讨论、动手实践等多种形式，采用合理的结构化学研究方法对这个问题进行深入研究，完成研究报告。

在“量子力学基本原理及其在平动、振动、转动、原子与分子轨道理论中的应用”模块的教学过程中，教师选择了从简单到复杂的系列自主学习内容，组织学生开展了以挑战性问题为驱动的自主研究性学习。

例如，教师在过去的教学过程中发现，学生对类氢原子结构的球谐波函数和径向波函数的图像理解有难度，不清楚图像的来源和图像节点的性质。为此，教师向学生介绍matlab软件，并提出挑战性问题：如何利用matlab软件编写程序语言作图，帮助理解原子与分子轨道图像。并根据这个问题，分别提出了一套由简入深的系列问题：（1）利用matlab 软件将谐振子振动波函数数字图形化，并与教材上的图形进行对比分析，以此为例说明表层理解信息（naming something）和深层理解信息（knowing something）的区别。（2）利用matlab软件将粒子围绕球面转动的球谐波函数Y及其|Y|2数字图形化。（3）利用matlab软件将类氢原子的径向函数、径向分布函数、原子轨道（径向函数R与球谐函数Y之积）数字图形化并讨论其节点问题。（4）利用matlab软件将氢分子离子的分子轨道（分子轨道理论框架下的单电子波函数近似解）数字图形化并讨论其节点与成键与反键性质。（5）设计一个程序将矩阵对角化，为共轭体系的休克尔经验分子轨道理论的近似解提供一套矩阵算法（HC=SCE在休克尔近似下变为HC=CE），并重点理解分子轨道理论的核心在于变分原理——将不可能完成的精确求解多体薛定谔方程的任务转化为近似求解体系能量函数（尝试波函数的线性组合系数为变量）的条件极值问题。

该系列挑战性问题由若干不同难度的小问题组成，根据学生的认知特点和水平逐渐提高，既防止问题太宽泛而无从下手，又逐渐向学生发出挑战以激发学生求知欲。另外，该问题的解决方法不固定，解答结果也不唯一。它允许学生运用不同的方法来解决问题，并且将分子模拟技术融入理论课程之中，通过体验编写程序的过程，获得结构化学研究的思路，深化对理论知识的理解和掌握。在学习过程中，教师作为学生学习的主导者，对学生学习过程进行观察、把握和调配，当学生学习出现困难时，提供必要的指导和点拨。

学生通过分工合作、查找资料、熟悉软件、编写程序、运行程序、优化程序，逐渐解决了每一个子问题。在这个过程中，学生在原有知识经验基础上主动构建对知识的理解，充分将知识内化为自己的认知。比如对球谐函数图像的认识，不再是机械地“记忆”每一个函数对应的图像，而是充分理解其本质，将原理融入图像的绘制过程，整体把握“数-形”关系，在理解的层面上深刻记忆图像的性质和形状。不仅如此，学生在学习过程中熟悉了结构化学学习与研究的基本方法，充分将结构化学的理论知识与分子模拟实践相结合，体验了以科研的视角去分析问题、解决问题、获得新知的过程。更加难能可贵的是，有学生通过自己绘制一维谐振子振动波函数示意图，发现了教材附图中的一处印刷错误[4]。

科学的发展是建立在继承前人的研究结果，并在科学实践过程中不断地对已有认识形成批判而发展的。例如，原子结构理论模型正是一代又一代科学家在继承、借鉴、批判前人研究成果，并在孜孜不倦地分析与探索过程中逐步建立的。这种科学精神和科学意识的形成必须依赖于科学活动。如果仅仅是读书、聆听教师的讲授，思维往往会被局限，实证意识往往会变得淡漠；相反，学生通过审慎地思考、缜密地分析、严谨的践行，不仅能够让学生认识到科学的学习不能唯书唯上，还需自己亲历躬行。

2.以知识框架图为学习工具，建立“结构化学”学科网络

要具备良好的理论与计算化学的学习与研究能力，必须具备系统化的结构化学基础知识和基本技能，从整体上、宏观上驾驭整个学科体系。学生需要将自己在科学活动中所获得的知识与经验加以总结、提炼与提升，构建自己的知识网络。在以教师讲授为主的“结构化学”教学过程中，这一点做得很不够，不是忽视知识的系统化处理过程，就是将教师自我头脑中已经构建好的体系直接传递给学生，供学生直接借鉴、吸取，而缺乏探索和整理的过程，缺失个性。

在“结构化学”的课程教学过程中，通过学生自主根据自己的知识理解状况绘制知识框架图（Schema），以图形而非文字的形式将结构化学知识加以梳理。在具体的实施过程中，教师要求学生将结构化学知识进行梳理、归类，根据具体的内容绘制相应的知识框架图，不仅仅要全面涵盖该内容内所有的知识点，同时要呈现出各知识点之间的逻辑关系，清晰地表明知识的结构属性和形成方式，使知识逐渐从“点”向“线、面”过渡。学生在绘制知识框架图的时候，不需要根据课本上的章节顺序来设计，也没有固定的思路，更希望学生能够呈现出自己对知识结构的理解。

以量子力学基本原理一章为例，学生绘制了该章的知识框架图，展现出了量子力学基本原理所包括五方面内容。这种教学方式不仅有助于帮助学生梳理结构化学知识的来龙去脉，建立科学的结构化学知识体系，形成全面的关于结构化学基本学科逻辑结构和基本学习与研究思路的认识；更有助于学生反思科学研究活动过程和结果，总结开展科学学习与研究的视角和途径，探索有待进一步学习和研究的盲点和解决策略，最终建立起清晰的化学学科体系框架，并在具体知识基础上形成化学观念。

3.以多种形式呈现学习结果，提升能力同时以评促学

所谓“研而不发则囿”，在科学活动中，通过书面报告（论文）和口头汇报（学术报告）等形式，科学生动地、多样化地展示科学活动成果，是科学工作者必须具备的能力和素质。学生在实践中解决了挑战性问题，绘制了知识框架图之后，需要完成关于学习与研究过程与结果的书面报告，同时在课堂中将自己的学习与研究过程与结果通过口头汇报的形式向教师和同学展示。这样能够让教师了解学生的学习研究过程，让同学学习与借鉴研究方法和研究结果，同时也能够接受教师与同学的批评指正，认识到自己的研究不足之处，为今后开展深入的结构化学学习与研究工作启迪思维、创设条件、打好基础。

利用书面报告和口头汇报等形式表达学习和研究过程与结果，在提高学生的基本科学研究素养的同时，也有助于从过程的角度、从个性化的角度、从个人全面发展的角度来开展并落实过程评价、全员评价，将过程评价与终结性评价相结合。传统的以平时成绩和期末考试成绩为唯一评价指标的评价方式，过多地局限于知识点的掌握，却不能很好地考查学生的个性化学习能力和学习方式，更难以评价学生的科学研究基本素养。利用书面报告和口头汇报则有效地弥补了单一评价方式的不足之处，最终达到以评促学的根本目的。这种以多个评价者从多个角度对学习者进行评价的机制，关注学习者学习过程中所表现出来的各方面能力和素质而并非简单的学习结果，有效促进了学习者学习的积极性，体现了过程评价与终结性评价相结合的现代教育评价理念。

通过“活动-提炼-总结”方式的“结构化学”课程学习，学生能够在科学活动中找到自己的长处，发现自己的潜能，体验到相互合作的乐趣以及自己的想法被他人肯定和接纳时的成功愉悦感。学生在自主学习过程中收获的不仅仅是知识和能力，还有对自我的肯定，对他人的赞许，以及对学习、对科学研究的积极态度。同时，最难能可贵的是学生的学习能力普遍得到了提高，自主学习意识明显增强，为他们今后更好地开展分子模拟研究乃至从事化学理论与实验相结合的研究打下了良好的基础。

参考文献：

[1] 万坚等. “结构化学”课程内容体系与教学方法的研究与实践[A]//大学化学化工基础课程报告论坛论文集[C]. 北京：高等教育出版社，2007：264-267.

[2] 夏禹龙. 科学学基础[M]. 北京：科学出版社，1983：45.