力學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)構(gòu)建*

◆劉爭(zhēng)早 羊波 龔萍 吳正芳

作者：劉爭(zhēng)早，玉溪師范學(xué)院本科生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代遠(yuǎn)程教育；羊波，通訊作者，教授，玉溪師范學(xué)院理學(xué)院副院長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用；龔萍，助教，玉溪師范學(xué)院理學(xué)院教師，主要研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)基本理論；吳正芳，玉溪師范學(xué)院本科生，主要研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)教育（653100）。

1 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，教育工作者已經(jīng)逐步認(rèn)識(shí)到多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)及重要性。正因?yàn)槿绱?，多媒體教學(xué)在運(yùn)用于課堂教學(xué)的同時(shí)，也不斷滲入到實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)中，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供豐富的文字、圖像、聲音及視頻等資料，在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，最大限度地滿足學(xué)習(xí)者的需要。

力學(xué)實(shí)驗(yàn)作為眾多實(shí)驗(yàn)中的典型實(shí)驗(yàn)，在力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，為了形象直觀地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程、增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，有效的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)及其效果檢測(cè)就顯得十分重要[1]。然而，目前網(wǎng)絡(luò)上已有的若干關(guān)于力學(xué)實(shí)驗(yàn)的視頻教學(xué)資源，盡管起點(diǎn)較高，適用范圍廣，卻不能有效地結(jié)合力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，組織管理也凌亂，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)不便。另外，當(dāng)前力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以教材與實(shí)驗(yàn)講義為主，學(xué)生很難通過閱讀實(shí)驗(yàn)講義來了解實(shí)驗(yàn)儀器的基本使用方法，預(yù)習(xí)效果不佳，進(jìn)而影響教學(xué)效果。

正是基于這樣的現(xiàn)狀，為了增強(qiáng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，本研究借助網(wǎng)絡(luò)多媒體輔助學(xué)習(xí)平臺(tái)，依托玉溪師范學(xué)院校園網(wǎng)構(gòu)建了一個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)，以現(xiàn)代化的手段實(shí)現(xiàn)力學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)及預(yù)習(xí)效果檢測(cè)的系統(tǒng)性，以期更有效地達(dá)到預(yù)習(xí)效果。

2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)構(gòu)建的必要性

目前，高等教育已經(jīng)逐步大眾化，學(xué)生人數(shù)急劇增加，學(xué)生的相對(duì)質(zhì)量也有所下降，尤其體現(xiàn)在對(duì)事物的感知能力和實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力兩方面[2]。而力學(xué)實(shí)驗(yàn)作為物理學(xué)課程中的一門基礎(chǔ)課程，其中很多實(shí)驗(yàn)相對(duì)抽象，學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行一定的預(yù)習(xí)。然而目前學(xué)生主要是通過教材和實(shí)驗(yàn)講義進(jìn)行預(yù)習(xí)，所達(dá)到的預(yù)習(xí)效果不佳，教師也不能快速檢測(cè)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果?；诖?，找到一種新的方式來解決學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)需求以及加強(qiáng)學(xué)生感知和動(dòng)手能力，是非常有必要的。

隨著網(wǎng)絡(luò)信息的逐步深入發(fā)展，教學(xué)方法和手段的更新，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)很好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。校園網(wǎng)建設(shè)為力學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)的構(gòu)建提供了強(qiáng)有力的支持，依托校園網(wǎng)構(gòu)建力學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)成為可能。本設(shè)計(jì)基于在一定程度上降低學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)難度的考慮，嘗試以教材和實(shí)驗(yàn)講義為基礎(chǔ)，將典型實(shí)驗(yàn)儀器基本操作的視頻資源集合到輔助平臺(tái)中，方便學(xué)生在線觀看，然后以在線測(cè)試的形式檢測(cè)學(xué)生預(yù)習(xí)效果，學(xué)生根據(jù)測(cè)試結(jié)果有針對(duì)性地加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)，教師根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，更好地為教與學(xué)服務(wù)，以期提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)習(xí)效率。

3 力學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)的可行性

本研究所構(gòu)建的力學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)遵循多媒體教學(xué)軟件的開發(fā)流程，具有實(shí)現(xiàn)的可行性，從軟件設(shè)計(jì)（課題選擇、教學(xué)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、文字稿本編寫、制作稿本編寫）和軟件制作（素材制作加工、軟件編輯合成、軟件調(diào)試打包）入手[3]，并結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)出平臺(tái)的流程圖（圖1）。該設(shè)計(jì)主要由三大部分組成。

第一部分是視頻資源的開發(fā)。根據(jù)前期調(diào)研和教材分析，撰寫文字稿本和分鏡頭稿本，基于稿本拍攝視頻，通過Adobe Premiere、Audition、Photoshop工具編輯視頻，最終形成MPEG和WMV兩種格式的視頻資源。

第二部分是框架的設(shè)計(jì)，主要由學(xué)生、教師、管理員、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊組成。

第三部分為界面的設(shè)計(jì)，主要包括素材的搜集、素材的制作加工和界面整體色調(diào)的確定。

最終將三部分集成為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)，集多媒性、集成性、交互性、超鏈性和美觀性于一體，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生在課前系統(tǒng)、有效地預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的功能。

本設(shè)計(jì)依托玉溪師范學(xué)院校園網(wǎng)而構(gòu)建。通過調(diào)研，了解到校園網(wǎng)是以PHP+MySQL+Apache為技術(shù)框架，為了開發(fā)的方便，課題組確定了PHP+MySQL+Apache作為該平臺(tái)開發(fā)的技術(shù)框架。PHP具有免費(fèi)開源、自由獲取，移植性強(qiáng)、組件豐富，語(yǔ)言簡(jiǎn)單、開發(fā)效率高，強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)和應(yīng)用范圍廣泛的特點(diǎn)[4]。MySQL是一個(gè)真正的多用戶、多線程SQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器[5]，是由一個(gè)服務(wù)器守護(hù)程序mysqld及多個(gè)不同的客戶程序和庫(kù)組成，用來存放用戶與網(wǎng)頁(yè)之間交互信息的數(shù)據(jù)，與PHP結(jié)合是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又高效的方案。Apache具有簡(jiǎn)單、速度快、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，并可做代理服務(wù)器來使用。JavaScript是當(dāng)前較為流行的一種解釋性的客戶端腳本語(yǔ)言，它使得信息和用戶之間不僅只是一種顯示和瀏覽的關(guān)系，而是實(shí)現(xiàn)一種實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的、可交互式表達(dá)的功能，從而減輕服務(wù)器的工作負(fù)荷。

基于上述這些工具和技術(shù)的特有優(yōu)勢(shì)以及其便于組合使用的特點(diǎn)，為平臺(tái)的構(gòu)建提供了強(qiáng)有力的支持，課題組成員也已達(dá)到熟練程度，具有實(shí)現(xiàn)的技術(shù)可行性。

本系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行對(duì)計(jì)算機(jī)硬件和軟件的要求都不是很高，大部分計(jì)算機(jī)都可以滿足要求，所以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可行性高。

4 力學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)構(gòu)成及功能

力學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)由學(xué)生預(yù)習(xí)子系統(tǒng)、教師管理子系統(tǒng)、管理員管理子系統(tǒng)、視頻資源管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、判斷系統(tǒng)等六部分組成，其結(jié)構(gòu)圖見圖2。

管理員登錄后可以添加教師用戶，系統(tǒng)自動(dòng)建立所添加的教師用戶檔案并存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，教師在獲得個(gè)人賬戶后即可登錄系統(tǒng)。教師登錄系統(tǒng)后可以上傳視頻資源，同時(shí)可以添加學(xué)生用戶，系統(tǒng)自動(dòng)建立學(xué)生檔案并存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中。整個(gè)系統(tǒng)形成層次化的管理結(jié)構(gòu)，方便管理員和教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)一管理。

學(xué)生預(yù)習(xí)子系統(tǒng) 學(xué)生子系統(tǒng)主要由首頁(yè)、信息修改、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、自我檢測(cè)、在線交流、退出六部分組成。學(xué)生在獲得個(gè)人登錄賬號(hào)后即可登錄，通過信息修改可修改信息，通過實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，通過自我檢測(cè)在完成每部分知識(shí)內(nèi)容后進(jìn)行自我檢測(cè)，提交后系統(tǒng)自動(dòng)給出檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)將結(jié)果存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)然在整個(gè)預(yù)習(xí)過程中，學(xué)生可以通過在線交流平臺(tái)和教師或同學(xué)交流所遇到的問題，以便即時(shí)解決預(yù)習(xí)困惑。學(xué)生在預(yù)習(xí)結(jié)束后，可退出系統(tǒng)。

教師管理子系統(tǒng) 教師管理子系統(tǒng)主要由首頁(yè)、信息修改、實(shí)驗(yàn)管理、學(xué)生管理、在線交流、退出六部分組成。教師可以通過信息修改完善個(gè)人資料信息，通過實(shí)驗(yàn)管理上傳視頻資源和測(cè)試題目，同時(shí)可以查看測(cè)試題目和學(xué)生成績(jī)，以方便教師了解學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。在學(xué)生管理中，教師可以對(duì)學(xué)生用戶進(jìn)行管理，對(duì)其以班級(jí)形式進(jìn)行批量添加或刪除，和管理員形成一個(gè)層次化的管理模式，方便整個(gè)系統(tǒng)的管理。教師可以通過在線交流與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流，不僅可以拉近師生關(guān)系，也可即時(shí)了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。首頁(yè)和退出的設(shè)計(jì)主要是為了使系統(tǒng)的交互性更好。

管理員管理子系統(tǒng) 管理員管理子系統(tǒng)主要由首頁(yè)、信息修改、教師管理、在線交流、退出五部分組成。在信息修改中管理員可以對(duì)登錄密碼、郵箱和聯(lián)系電話進(jìn)行修改，從而完善管理員信息。在教師管理中，管理員主要可以對(duì)教師用戶進(jìn)行添加和刪除，實(shí)現(xiàn)管理員的最高管理權(quán)限。此外，管理員可以通過在線交流平臺(tái)和學(xué)生、教師進(jìn)行交流，即時(shí)了解實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)完善改進(jìn)，從而增強(qiáng)平臺(tái)的靈活性。在此系統(tǒng)中，首頁(yè)是返回到登錄時(shí)的頁(yè)面，退出則是退出管理員平臺(tái)，返回到整個(gè)系統(tǒng)的首頁(yè)，以便下次登錄，從而提高網(wǎng)站的安全性。

視頻資源管理系統(tǒng) 視頻資源主要是通過前期調(diào)研、教材分析、稿本撰寫、視頻制作幾個(gè)步驟開發(fā)的。前期調(diào)研主要是通過學(xué)生填寫問卷表，得到學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中的難度較大、興趣不高以及實(shí)驗(yàn)手冊(cè)中不便理解部分的實(shí)驗(yàn)知識(shí)數(shù)據(jù)；通過對(duì)任課教師進(jìn)行實(shí)際訪談，總結(jié)出學(xué)生預(yù)習(xí)效果比較差的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以及影響學(xué)生預(yù)習(xí)效果的原因。在此基礎(chǔ)上，以當(dāng)前使用的實(shí)驗(yàn)講義為基礎(chǔ)，分析各個(gè)實(shí)驗(yàn)，確定出視頻資源開發(fā)中涉及的實(shí)驗(yàn)基本儀器。

根據(jù)調(diào)研及分析結(jié)果，詳細(xì)了解各個(gè)實(shí)驗(yàn)基本儀器的外觀、性能特征等，撰寫實(shí)驗(yàn)儀器的文字稿本初本，并通過多次修改，確定最終的文字稿本；根據(jù)文字稿本撰寫出分鏡頭稿本，然后以分鏡頭稿本為指南，進(jìn)行第一次視頻拍攝，通過Adobe Premiere、Audition、Photoshop工具對(duì)視頻進(jìn)行編輯，最終形成MPEG和MWV兩種格式的視頻資源。將制作好的視頻給部分學(xué)生和教師觀看，根據(jù)其意見進(jìn)行分鏡頭稿本的修改，進(jìn)行相應(yīng)的第二次鏡頭的重拍和補(bǔ)拍，最后編輯處理、渲染形成實(shí)驗(yàn)基本儀器使用的視頻資源。最終把視頻資源集合到平臺(tái)中，以便視頻的統(tǒng)一管理和學(xué)生的整體性預(yù)習(xí)，從而增強(qiáng)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 該平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)是基于MySQL創(chuàng)建的，MySQL是一種開放源代碼，因此，任何人都可以在General Public License的許可下下載并根據(jù)個(gè)性化的需要對(duì)其進(jìn)行修改使用[6]。MySQL具有速度快、可靠性和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠快捷地創(chuàng)建自我檢測(cè)題庫(kù)、學(xué)生信息庫(kù)、視頻資源上傳信息庫(kù)、測(cè)試成績(jī)信息庫(kù)、教師信息庫(kù)和管理員信息庫(kù)，為管理員和教師在管理和教學(xué)中提供安全的數(shù)據(jù)。

判斷系統(tǒng) 判斷系統(tǒng)簡(jiǎn)單來說是一個(gè)系統(tǒng)的自我判斷，即針對(duì)學(xué)生是否預(yù)習(xí)及是否測(cè)試的判斷，其判斷流程圖如圖3所示。學(xué)生登錄后，選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備預(yù)習(xí)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷學(xué)生是否已經(jīng)預(yù)習(xí)過相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如果預(yù)習(xí)過其可以選擇繼續(xù)預(yù)習(xí)，也可以進(jìn)行下一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，反之必須預(yù)習(xí)之后才能進(jìn)行下一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在測(cè)試結(jié)束時(shí)提交相關(guān)的測(cè)試答案，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中；判斷機(jī)向數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送請(qǐng)求獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)接到請(qǐng)求后做出相應(yīng)的判斷，然后為判斷機(jī)提供數(shù)據(jù)，以此作為判斷依據(jù)。在學(xué)生進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷上一個(gè)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)是否合格，如果合格，可以進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)；如果不合格，將強(qiáng)制要求其重新對(duì)不合格的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，直到合格才能進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)。在預(yù)習(xí)之后，學(xué)生將進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，同樣在自我測(cè)試部分系統(tǒng)也會(huì)對(duì)其進(jìn)行自我判斷，如果沒有測(cè)試則將進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，反之可以進(jìn)行下一部分。在測(cè)試后學(xué)生提交測(cè)試答案，并將其存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的提取和教師了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，從而根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況安排教學(xué)。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)所構(gòu)建的力學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)輔助平臺(tái)，首先為學(xué)生提供了力學(xué)實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)和預(yù)習(xí)檢測(cè)功能，這將在一定程度上提高學(xué)生的預(yù)習(xí)效率，也能夠有效解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的疑點(diǎn)和難點(diǎn)，降低實(shí)驗(yàn)的抽象程度，從而減少學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的出錯(cuò)率，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度；其次，平臺(tái)為教師提供了可靠的數(shù)據(jù)信息，從而為教師的教學(xué)安排提供依據(jù)，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷深入發(fā)展，技術(shù)將為平臺(tái)提供更多的支持，平臺(tái)將不斷完善，更大程度上增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的預(yù)習(xí)效果。

本研究所構(gòu)建的平臺(tái)僅是以力學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，在該平臺(tái)不斷優(yōu)化的同時(shí)，也有望應(yīng)用于其他類型課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以期促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。

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