《電與磁》學(xué)習(xí)工具制作綜述

梅傳俊

● 創(chuàng)新點(diǎn)

該學(xué)習(xí)工具采用雙入口設(shè)計(jì)，分為探究室和研學(xué)堂兩部分，其中探究室用于課前自學(xué)、探究，研學(xué)堂用于課堂交流與協(xié)作；利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，立體呈現(xiàn)對(duì)象，增強(qiáng)了沉浸感、真實(shí)性。

● 特色與亮點(diǎn)

◇開(kāi)放的結(jié)構(gòu)：每節(jié)都采用XML菜單，只需用記事本打開(kāi)并對(duì)其內(nèi)容、先后順序作簡(jiǎn)單的修改，存盤(pán)退出后，該模塊的結(jié)構(gòu)就會(huì)隨之進(jìn)行修改，以適應(yīng)不同的學(xué)習(xí)策略、教學(xué)策略。

◇帶有超鏈接的立體化的學(xué)習(xí)工具：以科學(xué)直觀的圖、文、聲、像等實(shí)現(xiàn)了教材內(nèi)容的數(shù)字化、交互功能的智能化，從多角度、多維度呈現(xiàn)教材內(nèi)容，方便學(xué)生理解和掌握教材知識(shí)。同時(shí)還具備注釋、筆記等功能，并可以將結(jié)果截圖保存。

◇逼真的Flash動(dòng)畫(huà)演示：將經(jīng)過(guò)精心選擇設(shè)計(jì)的問(wèn)題、概念原理、邏輯關(guān)系等用Flash動(dòng)畫(huà)、編程來(lái)闡釋?zhuān)瑢W(xué)習(xí)者只有通過(guò)主動(dòng)感知、積極思考才能探究、梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)，逼真、準(zhǔn)確、交互性強(qiáng)（如圖1）。

◇引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)模擬產(chǎn)生的一個(gè)三維空間的虛擬環(huán)境系統(tǒng)，“身臨其境”地置身于這個(gè)虛擬環(huán)境中隨心所欲地活動(dòng)，就像在真實(shí)世界中一樣。該學(xué)習(xí)工具將諸如繼電器的結(jié)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)的原理等用二維不容易表達(dá)或表達(dá)不到位的對(duì)象用三維立體模型模擬出來(lái)，可以對(duì)對(duì)象進(jìn)行多角度、多維度查看、拖拽、縮放、控制運(yùn)動(dòng)等交互操作，提供了可視化操作與交互的一種全新方式（如圖2）。

● 開(kāi)發(fā)背景

《電和磁》選自初中物理八年級(jí)下第九章電與磁，由“磁現(xiàn)象”、“磁場(chǎng)”、“電生磁”、“電磁鐵”、“電磁繼電器 揚(yáng)聲器”、“電動(dòng)機(jī)”和“磁生電”7個(gè)節(jié)次組成。磁性、磁體、磁極、磁場(chǎng)、磁化、磁感線方向、磁效應(yīng)，通電螺線管周?chē)艌?chǎng)、電流的磁效應(yīng)等這些現(xiàn)象距離我們那么近而又那么遙遠(yuǎn)，看不見(jiàn)而又摸不著……而表現(xiàn)這類(lèi)現(xiàn)象恰恰就是數(shù)字化學(xué)習(xí)工具的特長(zhǎng)。該學(xué)習(xí)工具擬通過(guò)“重演”科學(xué)史上著名發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，讓學(xué)生“發(fā)現(xiàn)”從而認(rèn)識(shí)磁現(xiàn)象、磁場(chǎng)、電磁轉(zhuǎn)化等現(xiàn)象，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的探究性、趣味性，為后繼學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

學(xué)生是否獲得了科學(xué)探究的樂(lè)趣，參與學(xué)習(xí)活動(dòng)是否主動(dòng)積極，是否持之以恒，是否實(shí)事求是，提問(wèn)是否恰當(dāng)，設(shè)計(jì)是否合理，表達(dá)是否清晰，收集、整理信息的能力怎么樣，動(dòng)手能力怎么樣，同伴之間合作的能力怎么樣等才是物理學(xué)習(xí)成功之所在。所以，本學(xué)習(xí)工具開(kāi)發(fā)的目的就是要鼓勵(lì)他們自主地、創(chuàng)造性地完成自己的實(shí)驗(yàn)記錄，并以自己喜愛(ài)的方式完成由現(xiàn)象到結(jié)論的過(guò)程。既體現(xiàn)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，又充分給他們自由發(fā)揮的空間，進(jìn)而可以照顧到每個(gè)個(gè)體的差異。通過(guò)對(duì)現(xiàn)象的分析，培養(yǎng)學(xué)生密切聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用科學(xué)知識(shí)來(lái)解釋一些自然現(xiàn)象的習(xí)慣和能力，更重要是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高科學(xué)素養(yǎng)，讓學(xué)生從小崇尚科學(xué)，立志獻(xiàn)身科學(xué)。

● 設(shè)計(jì)思路及內(nèi)容結(jié)構(gòu)

為突出學(xué)生的主體地位，鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手、親身體驗(yàn)，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，該學(xué)習(xí)工具提供了“研學(xué)堂”和“探究室”兩個(gè)不同的入口。

首先進(jìn)入研學(xué)堂，單擊節(jié)次按鈕進(jìn)入相應(yīng)節(jié)次，如其中第七節(jié)《磁生電》，由下面7部分組成：

1.發(fā)電嘗試

首先通過(guò)觀察對(duì)“磁能夠生電”這一物理現(xiàn)象有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生探究、實(shí)驗(yàn)、交流，在自主活動(dòng)中，養(yǎng)成探究物理規(guī)律、應(yīng)用物理規(guī)律解釋物理現(xiàn)象、敢于質(zhì)疑、善于合作、樂(lè)于探索自然現(xiàn)象和日常生活中的物理學(xué)道理的習(xí)慣（如圖3）。

2.動(dòng)畫(huà)展示

通過(guò)三個(gè)動(dòng)畫(huà)模擬電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的條件與規(guī)律，歸納“導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電”這一現(xiàn)象（如圖4）。

3.視頻揭秘

作為個(gè)人實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，規(guī)范個(gè)人實(shí)驗(yàn)操作，歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論（如圖5）。

4.查看模型

由發(fā)電機(jī)模型和手搖發(fā)電機(jī)兩個(gè)3D模型展示電機(jī)結(jié)構(gòu)，可以拖拽改變模型的視角、滾輪改變大小，用空格鍵控制手搖的啟動(dòng)，使學(xué)習(xí)者對(duì)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、原理有一個(gè)精確、具體的了解（如圖6）。

5.工作原理

通過(guò)動(dòng)畫(huà)歸納發(fā)電機(jī)原理，體驗(yàn)改變磁場(chǎng)方向、動(dòng)力方向?qū)﹄娏鞣较虍a(chǎn)生的影響（如圖7）。

6.實(shí)際發(fā)電機(jī)

通過(guò)圖片、3D動(dòng)畫(huà)、視頻研究現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)電機(jī)（如圖8）。

7.挑戰(zhàn)自我

用以檢測(cè)學(xué)習(xí)效果并對(duì)本節(jié)知識(shí)進(jìn)行歸納、梳理。

再看探究室（如下頁(yè)圖9），界面共分為左右兩部分，左為立體化、數(shù)字化的電子課本，并提供與該頁(yè)面學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的圖片、動(dòng)畫(huà)、實(shí)驗(yàn)、演示、模型等鏈接熱區(qū)；右為展示、記錄區(qū)，用于展示資源和記錄學(xué)習(xí)情況。單擊保存按鈕實(shí)現(xiàn)注釋、筆記等結(jié)果的保存。

● 藝術(shù)布局

整個(gè)學(xué)習(xí)工具以藍(lán)色為主色調(diào)，凸顯科技主題。該學(xué)習(xí)工具采用左置型版面編排，將縱長(zhǎng)型一級(jí)菜單放在版面的左側(cè)，使之與橫向排列的文字、圖形、動(dòng)畫(huà)形成有力對(duì)比，分割自然、合理、雅觀，符合人們的視線流動(dòng)順序。二級(jí)菜單采用下拉式設(shè)計(jì)，用紅色圓點(diǎn)位置指示當(dāng)前選擇，簡(jiǎn)單明了（如下頁(yè)圖10、圖11）。

在不影響精美的前提下，采用異色、異質(zhì)、異形擴(kuò)大需要強(qiáng)調(diào)部分的反差，并且將重要內(nèi)容放置在顯示區(qū)的明顯位置，讓主體引人注目。整個(gè)學(xué)習(xí)工具雖內(nèi)容繁雜，但各節(jié)次風(fēng)格、界面布局協(xié)調(diào)一致而又富有變化，在“大同”中求“小異”，遵循“單一時(shí)找變化，變化時(shí)求統(tǒng)一”的藝術(shù)規(guī)則。

● 關(guān)鍵技術(shù)處理

本學(xué)習(xí)工具的技術(shù)難點(diǎn)在于交互的智能處理與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之3D展示功能的實(shí)現(xiàn)。

1.該工具使用Flash cs6開(kāi)發(fā)，腳本語(yǔ)言采用AS3.0

AS3.0是一種強(qiáng)大的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，它標(biāo)志著Flash Player Runtime演化過(guò)程中的一個(gè)重要階段。AS3.0對(duì)XML提供了全方位的支持，它功能強(qiáng)大而靈活，符合E4X標(biāo)準(zhǔn)，便于與其他程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

本學(xué)習(xí)工具的三維呈現(xiàn)是使用3D Max 2010建模、在Quest3D里建構(gòu)出實(shí)時(shí)3D互動(dòng)世界。3D Max是由Autodesk公司開(kāi)發(fā)的最流行的三維動(dòng)畫(huà)制作軟件，提供了強(qiáng)大的基于Windows平臺(tái)的實(shí)時(shí)三維建模、渲染和動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)功能，可以在虛擬的三維場(chǎng)景中創(chuàng)建出精美的模型，并輸出圖像和視頻動(dòng)畫(huà)文件。但其實(shí)時(shí)交互性并不強(qiáng)，不利于數(shù)字化學(xué)習(xí)工具的開(kāi)發(fā)。本學(xué)習(xí)工具利用3D Max 2010建模，利用PandaDirectXMaxExporter插件將模型導(dǎo)出為.x格式備用。

Quest3D軟件是由荷蘭的Act 3D公司研發(fā)的專(zhuān)門(mén)從事虛擬現(xiàn)實(shí)方面的應(yīng)用軟件，軟件有豐富的功能模塊，實(shí)現(xiàn)了模塊化、圖像化編程，真正實(shí)現(xiàn)了所見(jiàn)即所得與實(shí)時(shí)作品預(yù)覽，其穩(wěn)定、先進(jìn)的工作流程，處理所有數(shù)字內(nèi)容的2D/3D圖形、聲音、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、互動(dòng)邏輯等都是我們夢(mèng)想中的設(shè)計(jì)軟件巨擘。我們不需要去書(shū)寫(xiě)代碼、只需要簡(jiǎn)單的拖拖拽拽就能夠制作功能強(qiáng)大、畫(huà)面效果絢麗的VR項(xiàng)目。本學(xué)習(xí)工具將3D Max完成的場(chǎng)景導(dǎo)出的.x文件導(dǎo)入后進(jìn)行編輯、貼圖、構(gòu)建交互并發(fā)布格式為.exe文件供Flash調(diào)用，圖12為羅盤(pán)的Quest3D編程結(jié)構(gòu)圖。

● 評(píng)價(jià)與反思

本學(xué)習(xí)工具在開(kāi)放式設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面作了一些有益的探索，演示逼真、沉浸感強(qiáng)。學(xué)習(xí)工具搭建了一個(gè)基于信息技術(shù)的研究性學(xué)習(xí)平臺(tái)，從關(guān)注學(xué)入手，強(qiáng)化“學(xué)生為本、數(shù)字化學(xué)習(xí)工具”的制作理念，實(shí)現(xiàn)了智能化的人機(jī)互動(dòng)，能夠很好地輔助完成數(shù)字化學(xué)習(xí)及教學(xué)任務(wù)。

反思整個(gè)學(xué)習(xí)工具，某些元件制作還不夠精美，對(duì)象建模、貼圖還不夠精密，藝術(shù)效果還不盡人意，學(xué)習(xí)工具結(jié)構(gòu)編輯模塊兒智能度還不夠高，操作也還略顯笨拙。

● 幕前幕后

轉(zhuǎn)眼間，我已連續(xù)追隨NOC活動(dòng)四年之久，順利完成了從做課件到研發(fā)“數(shù)字化學(xué)習(xí)工具”的蛻變，完成了從新手到老兵的升華。

一路走來(lái)，大賽賦予了我—— 一個(gè)普通教師太多的榮耀和收獲，讓我一步步成長(zhǎng)為一名教育信息化的先行者、探索者、實(shí)驗(yàn)者，我兩次榮獲恩歐希教育信息化發(fā)明創(chuàng)新獎(jiǎng)、兩次榮獲一等獎(jiǎng)，并多次應(yīng)邀到兄弟地市做培訓(xùn)、講課。

一路走來(lái)，我苦過(guò)、累過(guò)，但更重要的是我始終在快樂(lè)著、享受著，在一個(gè)一個(gè)動(dòng)畫(huà)效果的創(chuàng)作中，在一個(gè)一個(gè)智能交互的實(shí)現(xiàn)中，我忘記了學(xué)習(xí)的艱辛，陶醉在創(chuàng)新的喜悅中。我徜徉在小橋流水、落花飄零的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景里，綻放著發(fā)自內(nèi)心的微笑，在小船悠悠，夕陽(yáng)西下的虛擬現(xiàn)實(shí)中，感受現(xiàn)代科技賦予的美好。當(dāng)同學(xué)們輕點(diǎn)鼠標(biāo)就能“看到”聲音時(shí)，他們笑了！當(dāng)教師們輕點(diǎn)鼠標(biāo)三兩分鐘就能做出屬于他本人的個(gè)性化課件時(shí)，他們樂(lè)了！當(dāng)有更多的教師聚集在我的周?chē)?，切磋的是技術(shù)，討論的是創(chuàng)作，那一刻，所有的辛苦都匯成了一首首動(dòng)人的歌謠，悠揚(yáng)而迷人，我在這如歌的行板中陶醉了。

一路走來(lái)，我也迷茫過(guò)、失落過(guò)、猶豫過(guò)。2011年，我以《聲現(xiàn)象》榮獲恩歐希教育信息化發(fā)明創(chuàng)新獎(jiǎng)，但2012年作品《光的折射》卻僅獲得了一等獎(jiǎng)，是我退步了嗎？但僅僅幾天的失落后，我立即投入到下一作品的構(gòu)思中，因?yàn)槲抑绤①惒恢皇菫榱双@得榮譽(yù)，更在于享受過(guò)程、學(xué)習(xí)技術(shù)、增長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)、尋找創(chuàng)意。回來(lái)后我苦心鉆研虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，精心選題，邊學(xué)邊做，邊做邊改，三個(gè)月后初稿全部完成，在此我要感謝我的團(tuán)隊(duì)，是他們?cè)趧?chuàng)意上、美工上、技術(shù)上給予我很大的支持，在細(xì)節(jié)上幫我不斷地挖掘，我感謝我團(tuán)隊(duì)的開(kāi)誠(chéng)布公與深度合作。盡管作品仍有很多不足，能夠得到評(píng)委老師與裁判長(zhǎng)的青睞我心里充滿了感激和許多的惴惴與不安。

我喜歡NOC這塊創(chuàng)新、超越、激人奮進(jìn)的熱土，我將繼續(xù)耕耘在教育信息化的最前沿，只要我還有新的創(chuàng)意要實(shí)現(xiàn)，只要還有新的技術(shù)要學(xué)習(xí)，只要周?chē)慕處熯€需要我，我將不停地探索、創(chuàng)作，愿所有的教學(xué)更輕松，愿所有的學(xué)習(xí)更快樂(lè)！