基于EJS的理科網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程的構(gòu)建

摘要:該文對EJS作了概述，介紹了用EJS構(gòu)建模擬的各結(jié)構(gòu)關(guān)系。通過一個(gè)實(shí)例構(gòu)建了基于EJS的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程，最后闡述了使用EJS創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程的教育思考。由于其具有免費(fèi)使用、技術(shù)門檻較低、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布方便以及平臺通用性等特點(diǎn)，基于EJS的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程具有較強(qiáng)的可行性和良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:互動(dòng)課程;EJS;模擬

中圖分類號:G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2009)35-10032-03

Constructing of Web-based Interactive Course Based on EJS

WANG Hai-jun， ZHANG Min-rui

(School of Physics and Electronic Engineering， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing 210017， China)

Abstract: This paper introduces briefly EJS and correlative framework， presents a process to establish Web-Based interactive course， and some educational reflections are given. EJS have some generic features， for example， it is free， the lower threshold to use， and it facilitates release of network platform. Web-Based interactive course based on EJS has more feasibility and well foreground.

Key words: interactive course; EJS; simulation

互動(dòng)課程是以問題為導(dǎo)向，應(yīng)用計(jì)算機(jī)的模擬開展自主探究和學(xué)習(xí)的新型課程[1]。其具有在線、交互和多媒體的特點(diǎn)，既可用于基于項(xiàng)目的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，也可作為學(xué)習(xí)支架和工具廣泛用于日常的科學(xué)(物理、化學(xué)、生物、自然和地理)教學(xué)中?；?dòng)程序與互動(dòng)課程的設(shè)計(jì)是以建構(gòu)主義，尤其是腳手架理論作為理論基礎(chǔ)的。教師通過計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)來提供不同階段的學(xué)習(xí)腳手架，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中與計(jì)算機(jī)進(jìn)行互動(dòng)，并不斷自我反思，逐步地建構(gòu)出知識的意義與內(nèi)涵，順利完成不同階段的相應(yīng)層次的學(xué)習(xí)。當(dāng)前，互動(dòng)課程已成為改變科學(xué)學(xué)習(xí)方式的一種卓有成效的學(xué)習(xí)模式，在發(fā)達(dá)國家得到了普遍應(yīng)用。目前，我國的學(xué)者們也已經(jīng)開始給予一定的關(guān)注[1-4]。

在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程時(shí)，除了要呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容外，還需要用數(shù)學(xué)方程式描述對應(yīng)的科學(xué)現(xiàn)象或科學(xué)概念間的關(guān)系，了解對應(yīng)的數(shù)值分析方法，將對應(yīng)的科學(xué)現(xiàn)象用相關(guān)計(jì)算機(jī)語言呈現(xiàn)，甚至進(jìn)一步設(shè)計(jì)方便使用的圖形操控接口。不可否認(rèn)的是，這些制作過程對于現(xiàn)階段專業(yè)教師來說，需要花費(fèi)一些時(shí)間與努力，影響了網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程的質(zhì)量。

目前網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程來源有三種途徑:一是來源于互聯(lián)網(wǎng);二是由學(xué)科教師開發(fā);三是在教師的授意下由計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)人員開發(fā)。這些開發(fā)出來的產(chǎn)品不是技術(shù)上不能很好的呈現(xiàn)知識，就是不符合學(xué)科教學(xué)的規(guī)律，不能滿足教師教學(xué)的實(shí)際需要。因此，探討構(gòu)建有效的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)教學(xué)環(huán)境，幫助專業(yè)教師開發(fā)出簡便實(shí)用的互動(dòng)課程，優(yōu)化教學(xué)效果，具有十分重要的意義。

1 EJS概述

Easy Java Simulations(簡稱EJS)，直譯為簡易動(dòng)畫模擬環(huán)境，是由西班牙的Francisco Esquembre 開發(fā)的基于Java的交互型模擬軟件，它具有創(chuàng)作過程簡單、自動(dòng)生成運(yùn)行代碼和界面友好等特點(diǎn)，而且已經(jīng)被漢化。它作為一種創(chuàng)建動(dòng)態(tài)的、交互的科學(xué)模擬過程的免費(fèi)的工具軟件，適合于數(shù)學(xué)、物理、控制工程等理工科教學(xué)使用[5]。

EJS的設(shè)計(jì)目的是協(xié)助已經(jīng)具有科學(xué)仿真的數(shù)學(xué)模型構(gòu)想，但卻缺乏專業(yè)程序背景的學(xué)科教師和學(xué)生，能夠非常簡單的產(chǎn)生教學(xué)動(dòng)畫，進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。EJS提供了一個(gè)簡化的“創(chuàng)建模型-控制模擬-顯示界面”模式幫助使用者創(chuàng)建模擬的步驟。它使得教師能夠集中精力于構(gòu)建科學(xué)模型的運(yùn)算規(guī)則(自身專業(yè)的應(yīng)用)，而不是花費(fèi)大量的時(shí)間在編程上。教師只需書寫控制模擬的運(yùn)算規(guī)則，構(gòu)建模擬的界面，EJS便能自動(dòng)產(chǎn)生代碼、編譯代碼來創(chuàng)設(shè)交互式模擬環(huán)境。更重要的是EJS所產(chǎn)生的模擬動(dòng)畫具有跨平臺的特性，可以在支持Java的瀏覽器中以網(wǎng)頁的形式呈現(xiàn)。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)讀取相關(guān)仿真數(shù)據(jù)，也可以運(yùn)用JavaScript語法控制所設(shè)計(jì)動(dòng)畫的執(zhí)行與參數(shù)變化。當(dāng)然，運(yùn)用EJS設(shè)計(jì)模擬教學(xué)過程本身也具有一定的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生可以在參與修改或設(shè)計(jì)動(dòng)畫的過程中獲得提高。因此，EJS是一個(gè)有效的科學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)工具。

2 基于EJS的理科網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程的構(gòu)建

使用EJS構(gòu)建理科網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程由三個(gè)模塊構(gòu)成的:教學(xué)內(nèi)容和模擬教學(xué)說明模塊;模擬模型模塊;模擬界面模塊。下面筆者通過實(shí)例“簡諧振動(dòng)”逐一介紹各模塊的使用和創(chuàng)建過程。

2.1 教學(xué)內(nèi)容和模擬教學(xué)說明模塊

EJS鼓勵(lì)創(chuàng)作者提供教學(xué)內(nèi)容幫助閱讀者了解和掌握模擬動(dòng)畫的原理和相關(guān)理論知識;提供操作指令和敘述性說明來幫助閱讀者控制和操作模擬動(dòng)畫。EJS提供了“所見及所得”的網(wǎng)頁編輯器，通過點(diǎn)擊“簡介/說明”選項(xiàng)，就可以創(chuàng)建多個(gè)網(wǎng)頁來提供教學(xué)內(nèi)容，如簡諧振動(dòng)的定義、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、特點(diǎn)，描述簡諧振動(dòng)的特征量等內(nèi)容，幫助學(xué)生對理論知識的理解。通過操作指令和解釋性的敘述，讓學(xué)生能夠方便的控制模擬動(dòng)畫，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。教師可以將這些教學(xué)內(nèi)容和模擬說明與模擬動(dòng)畫一起在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布，生成網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程。

2.2 模型模塊

交互性模擬動(dòng)畫作為網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程的主要部分，在學(xué)科教學(xué)中占有重要地位。要實(shí)現(xiàn)模擬模型的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，需要聲明一些描述模型的狀態(tài)變量，寫出模型運(yùn)行所需的特定的運(yùn)算規(guī)則。此過程的操作通過“模型”界面實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，在變量/參數(shù)窗口中定義了模擬動(dòng)畫所需的變量，如小球的質(zhì)量m、彈簧的彈性變量k，小球的位移x，小球垂直方向運(yùn)動(dòng)的速度v，模擬的時(shí)間變量t，模擬中每一步的時(shí)間增量dt等。同時(shí)設(shè)置了這些變量的初始值以及變量的類型。

模擬過程的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可以由常微分方程表示，在參數(shù)演化關(guān)系窗口，定義了常微分方程組，界面如圖2所示。

窗口左側(cè)的滑條可以用來控制模擬動(dòng)畫運(yùn)行的速度，即每秒執(zhí)行演化方程的次數(shù)。

當(dāng)然，如果課件的模擬系統(tǒng)比較復(fù)雜的話，可以在參數(shù)關(guān)系窗口寫出模擬過程所需的約束變量方程，也可以在自定義函數(shù)窗口創(chuàng)建自己的函數(shù)，高級用戶還可以調(diào)用自定義的Java類庫。

圖1 Ejs模型界面圖圖2 參數(shù)演化關(guān)系圖 圖3 顯示界面圖

2.3 顯示界面模塊

點(diǎn)擊“顯示界面”項(xiàng)，可以創(chuàng)建模擬動(dòng)畫的顯示界面。如圖3所示，此例的整個(gè)界面由mainFrame和dialog窗口組成。主窗口由兩個(gè)Panel和畫圖面板DrawingPanel組成。第一個(gè)面板包含三個(gè)按鈕和一個(gè)畫圖單選框按鈕，分別用來控制模擬動(dòng)畫的運(yùn)行過程和顯示小球隨時(shí)間變化的位移與速度演化圖。第二個(gè)面板由兩個(gè)滑動(dòng)條構(gòu)成，分別用來控制小球的質(zhì)量和彈簧的彈性系數(shù)。畫圖面板DrawingPanel用來顯示模擬界面的彈簧和小球。對話窗口使用plottingPanel面板來顯示小球隨時(shí)間變化的位移與速度演化圖。

2.4 運(yùn)行并發(fā)布網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程

點(diǎn)擊EJS界面右側(cè)的“運(yùn)行”按鈕，彈出動(dòng)態(tài)窗口，便可以運(yùn)行模擬動(dòng)畫。用戶可以根據(jù)界面左上側(cè)的運(yùn)行、暫停、復(fù)位按鈕來控制課件的模擬過程，同時(shí)也可以對下側(cè)中的質(zhì)量和彈簧的彈性系數(shù)進(jìn)行修改，以符合自身的實(shí)際需求。

使用EJS創(chuàng)建的互動(dòng)課程能作為獨(dú)立的應(yīng)用程序的形式在不同的操作系統(tǒng)下使用。EJS的發(fā)布形式有兩種，一種使用EJS發(fā)射臺發(fā)布課件，另一種以Java Applet形式運(yùn)行在Web瀏覽器上。網(wǎng)頁發(fā)布的界面如圖4所示。圖5為網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程中模擬動(dòng)畫頁面，用戶可以根據(jù)Java Applet中的“play”、“pause”等按鈕控制模擬的運(yùn)行過程，也可以通過下方的JavaScript腳本控制模擬運(yùn)行過程以及模擬的快慢。運(yùn)行模擬動(dòng)畫的同時(shí)顯示出小球隨時(shí)間變化的位移與速度演化圖。

由此可見，利用EJS能很方便地生成包含教學(xué)內(nèi)容和模擬動(dòng)畫網(wǎng)頁。用戶將這些網(wǎng)頁按照教學(xué)的要求嵌入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)課程中，從而就能創(chuàng)設(shè)一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)教學(xué)環(huán)境。

圖4 簡諧振動(dòng)互動(dòng)課程發(fā)布頁面圖5 網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程中模擬動(dòng)畫發(fā)布頁面

3 使用EJS創(chuàng)建理科網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程的教育思考

使用EJS創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程與傳統(tǒng)的方式相比較，具有很多的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在:

1) 順應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的時(shí)代趨勢

近幾年來，網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進(jìn)入到學(xué)校教育教學(xué)之中，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)不僅能作為學(xué)校教學(xué)的有益補(bǔ)充，而且也為遠(yuǎn)程教育的發(fā)展提供了活力。與傳統(tǒng)單機(jī)版課件以及其他網(wǎng)絡(luò)課程相比，EJS開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程制作簡便、發(fā)布簡單，加快和深化了教學(xué)改革的進(jìn)程。

2) 簡化了教學(xué)內(nèi)容開發(fā)過程，提高了效率

談及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和e-Learning，很多教師會望而卻步，認(rèn)為那是專業(yè)技術(shù)人員的事情。由于EJS是一個(gè)簡化的制作工具，對于學(xué)科教師而言，EJS讓他們可以更專注于教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與教學(xué)流程的安排，減少程序設(shè)計(jì)方面的負(fù)擔(dān)。教師可以根據(jù)不同的教學(xué)對象與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，制作滿足實(shí)際教學(xué)需要的互動(dòng)環(huán)境。由于課堂活動(dòng)存在許多不確定因素，教師可以根據(jù)課堂的變化及時(shí)修改互動(dòng)課程內(nèi)容。

3) 有利于學(xué)生探究學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)自主性

使用EJS創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程，可激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)及提供認(rèn)知發(fā)展過程的支持，，有助于學(xué)習(xí)者進(jìn)行有意義的思考和問題解決。通過計(jì)算機(jī)模擬，學(xué)習(xí)者不僅可以實(shí)時(shí)觀看模擬現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)變化，還可以根據(jù)模擬結(jié)果圖表同步顯示過程中參數(shù)的變化趨勢，協(xié)助學(xué)習(xí)者進(jìn)行高層次的思考。更重要的是計(jì)算機(jī)模擬提供的互動(dòng)性操作，讓學(xué)習(xí)者可以親自調(diào)控相關(guān)參數(shù)，對于所學(xué)習(xí)概念或相關(guān)現(xiàn)象建立假設(shè)并進(jìn)行測試驗(yàn)證。學(xué)習(xí)者經(jīng)歷主動(dòng)思維和模擬實(shí)際科學(xué)探索的歷程，來建構(gòu)個(gè)人化的科學(xué)知識模型，從而培養(yǎng)自己主動(dòng)探究的能力。若能結(jié)合小組合作學(xué)習(xí)的模式，讓學(xué)生彼此探討所學(xué)習(xí)的科學(xué)概念與模擬現(xiàn)象， 可達(dá)到主動(dòng)學(xué)習(xí)的更高層次。

4) 推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)課程的發(fā)展

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和人才培養(yǎng)對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的要求，學(xué)習(xí)者對網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)的需求顯得越來越迫切。使用EJS創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程內(nèi)容生動(dòng)形象，將其納入網(wǎng)絡(luò)課程，無疑豐富了網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)資源，能增加學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。同時(shí)，EJS創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程能促進(jìn)人機(jī)交互，學(xué)生能充分利用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自主學(xué)習(xí)、自主探究，為網(wǎng)絡(luò)課程的推廣和發(fā)展起到積極作用。

4 結(jié)束語

基于EJS的理科網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程能促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主探索，不但能輔助課堂教學(xué)，而且在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也發(fā)揮很大的作用。EJS是現(xiàn)階段理工科教學(xué)有效的工具，能夠真正滿足教師教學(xué)的需要，為教師方便地運(yùn)用信息技術(shù)改革傳統(tǒng)教學(xué)模式打下良好的基礎(chǔ)。因此，我們有理由相信，EJS作為網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課程的一種簡便的開發(fā)平臺，必能促進(jìn)學(xué)科教學(xué)的質(zhì)量和水平。

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