大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李昆霖，趙 顏

（廣西民族大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息化管理中心，廣西　南寧　530006）

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李昆霖，趙 顏

（廣西民族大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息化管理中心，廣西南寧530006）

針對(duì)現(xiàn)有的大學(xué)物理網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源存在的問題和不足，以PHP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)腳本語(yǔ)言、Mysql網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)和Flash動(dòng)畫技術(shù)為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)自主學(xué)習(xí)平臺(tái).平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，較好地滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的需求.

PHP；Mysql；Flash；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；學(xué)習(xí)平臺(tái)

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程是高等院校理工科各專業(yè)的必修課程，通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本技能，提高學(xué)生運(yùn)用知識(shí)分析問題、解決問題的能力，還能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng).然而，在網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)逐漸融入每個(gè)人生活的時(shí)代，關(guān)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)相對(duì)較少.據(jù)文獻(xiàn)分析，主要存在以下幾點(diǎn)問題：1）該課程屬于實(shí)驗(yàn)類課程，重在實(shí)驗(yàn)的演示，然而純粹的拍攝視頻和簡(jiǎn)單的動(dòng)畫難以滿足學(xué)習(xí)者的需求；2）實(shí)驗(yàn)的模擬過于簡(jiǎn)單或缺乏良好可操作性；3）數(shù)據(jù)處理是實(shí)驗(yàn)類課程不可或缺的一部分，但往往由于計(jì)算繁雜，容易被忽略.為此，筆者基于PHP、Mysql和Flash程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)自主學(xué)習(xí)平臺(tái).

1　平臺(tái)的需求分析

平臺(tái)主要針對(duì)學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)，其主要功能應(yīng)涵蓋：

1）每位學(xué)生應(yīng)擁有一套獨(dú)立的數(shù)據(jù)信息以便記錄學(xué)習(xí)進(jìn)度以及其他一些擴(kuò)展.

2）通過觀看完整的高仿真的實(shí)驗(yàn)演示，學(xué)生能夠了解每個(gè)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)操作要點(diǎn).

3）具備良好模擬環(huán)境，方便學(xué)生在線模擬實(shí)驗(yàn).

4）針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)配有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，方便學(xué)生校驗(yàn)數(shù)據(jù).

5）學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要答疑解惑和分享個(gè)人心得，因此優(yōu)良的在線交流環(huán)境也是十分重要的.

平臺(tái)的性能主要體現(xiàn)在安全性與正確性兩個(gè)方面.安全性是指學(xué)生的個(gè)人信息以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息的安全性，防止他人篡改.正確性指的是實(shí)驗(yàn)的演示和模擬科學(xué)、正確，數(shù)據(jù)處理過程須嚴(yán)格地按照理論誤差和有效數(shù)字的正確方法進(jìn)行.

2　平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)平臺(tái)的需求，該平臺(tái)主要?jiǎng)澐譃?個(gè)模塊：注冊(cè)和登錄模塊、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模塊、學(xué)習(xí)交流模塊以及個(gè)人管理模塊，如圖1所示.學(xué)生須通過注冊(cè)并登錄后獲得該平臺(tái)的使用權(quán)限，才能從事實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)以及其他活動(dòng).實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)包含大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)各個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、數(shù)據(jù)處理以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的填寫.交流中心主要用于學(xué)生之間的學(xué)習(xí)交流.個(gè)人管理中心則便于學(xué)生管理個(gè)人基本信息、學(xué)習(xí)進(jìn)度、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及交流過程中一些提問與回答.

圖1　平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)Fig.1　The structure and function of platform

2.2數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

該平臺(tái)涉及的數(shù)據(jù)類型多、數(shù)量大，在設(shè)計(jì)過程中將數(shù)據(jù)庫(kù)主要分為以下幾張表：用戶信息表，實(shí)驗(yàn)信息表，各個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)表，課程學(xué)習(xí)信息表，交流信息表.

2.3技術(shù)支持

在網(wǎng)頁(yè)腳本語(yǔ)言中，PHP擁有支持跨平臺(tái)，性能優(yōu)越，支持目前主流技術(shù)等優(yōu)勢(shì).在數(shù)據(jù)庫(kù)類型中，Mysql具有體積小、速度快、總體擁有成本低等特點(diǎn). Flash動(dòng)畫受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制小，失真度低，具有優(yōu)良的交互性，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的演示和模擬.因此，該平臺(tái)采用PHP＋Mysql為主Flash相結(jié)合的模式開發(fā).

3　功能實(shí)現(xiàn)

3.1注冊(cè)和登錄

該平臺(tái)的注冊(cè)和登錄模塊在常規(guī)的基礎(chǔ)上，針對(duì)安全性增加了相應(yīng)的機(jī)制和措施.在注冊(cè)安全方面，設(shè)置了圖片漢字驗(yàn)證碼，關(guān)鍵字段判斷是否重復(fù)出現(xiàn)、IP判斷以及注冊(cè)時(shí)間間隔判斷.在登錄安全方面，除了加強(qiáng)cookie的加密強(qiáng)度以及控制cookie的有效時(shí)間和范圍之外，還通過使用salt來混淆加密后的值，達(dá)到加強(qiáng)存儲(chǔ)安全的目的.

3.2實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模塊

3.2.1實(shí)驗(yàn)演示

實(shí)驗(yàn)演示先根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的步驟分割成多個(gè)獨(dú)立的Flash動(dòng)畫，再把實(shí)驗(yàn)步驟和Flash動(dòng)畫結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)，如此學(xué)生既可以按流線式學(xué)習(xí)整個(gè)實(shí)驗(yàn)，也可以選擇其中任意一個(gè)步驟進(jìn)行學(xué)習(xí).與此同時(shí)，為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)演示的趣味性和學(xué)生的自主意識(shí)，幫助學(xué)生記憶實(shí)驗(yàn)過程，利用Flash的按鈕功能制作實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)開關(guān)和提示.例如在“楊氏模量的測(cè)量”實(shí)驗(yàn)中需要調(diào)節(jié)三腳架的氣泡水平儀，實(shí)驗(yàn)的界面就會(huì)提示學(xué)生點(diǎn)擊水平儀的所在的位置，進(jìn)而完成該步驟.

圖2　“楊氏模量的測(cè)量”實(shí)驗(yàn)操作提示Fig.2　Operation tips about the measurement of“Young's modulus”

為了提高實(shí)驗(yàn)演示的真實(shí)性和形象性，實(shí)驗(yàn)演示所使用的所有實(shí)驗(yàn)儀器模型和素材通過拍攝真實(shí)儀器并用Photoshop處理后獲得.例如，“用麥克爾遜干涉儀測(cè)鈉光波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)的麥克爾遜干涉儀3D模型的實(shí)現(xiàn)過程是：首先用相機(jī)繞儀器軸心多角度拍攝麥克爾遜干涉儀，再用Photoshop將儀器圖形摳出、調(diào)整色調(diào)等，最后在Flash中用Action script腳本實(shí)現(xiàn)3D效果.

3.2.2實(shí)驗(yàn)?zāi)M

實(shí)驗(yàn)?zāi)M的步驟以Flash的幀作為基本單元，以stop（）命令讓學(xué)生的操作界面停留在當(dāng)前幀，學(xué)生可以點(diǎn)擊“上一步”按鈕觸發(fā)prevFrame（）命令返回前一幀重新模擬上一步驟.為了規(guī)范操作，學(xué)生必須按照規(guī)定完成模擬該步驟操作，即對(duì)應(yīng)的全局變量賦予“true”值后，操作界面才顯示“下一步”按鈕.

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟和使用的儀器，實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程大致歸納為五種類型：旋鈕型、拖拽型、接線型、示數(shù)型、特殊儀器型.

旋鈕類：主要適用于包含旋鈕的儀器，例如電流表、電壓表、讀數(shù)顯微鏡、電阻箱.實(shí)現(xiàn)的主要方法是將旋鈕圖形摳出作為熱點(diǎn)，利用onClipEvent事件偵聽鼠標(biāo)操作產(chǎn)生的坐標(biāo)差計(jì)算出角度，進(jìn)而改變相應(yīng)的數(shù)據(jù).

拖拽型：主要適用于包含滑塊的儀器，例如游標(biāo)卡尺、滑動(dòng)電阻器、天平.實(shí)現(xiàn)的主要方法是將滑塊圖形做成熱點(diǎn)并記錄滑塊的坐標(biāo)初始值、最大值和最小值，使用Drag函數(shù)控制滑塊的拖拽并計(jì)算坐標(biāo)差從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能.

接線型：主要適用于需要接線的儀器，例如示波器、低頻信號(hào)發(fā)生器、電容器.實(shí)現(xiàn)的主要方法是將導(dǎo)線圖形兩端以及儀器的接口圖形作為熱點(diǎn)，通過hitTest命令判斷熱點(diǎn)是否接觸，然后判斷連接是否合理，最后顯示連接形式.

示數(shù)型：主要適用于具備電子示數(shù)的儀器，例如秒表、周期測(cè)定儀、電子萬(wàn)用表.實(shí)現(xiàn)的主要方法是將顯示區(qū)域的數(shù)字以動(dòng)態(tài)文本的形式輸出.

特殊儀器型：主要針對(duì)一些特殊的高集成電子儀器，例如：雙蹤示波器、惠斯通電橋、低頻信號(hào)發(fā)生器.針對(duì)此類型的模擬則需要結(jié)合其具體原理特點(diǎn)并配合Action script才能實(shí)現(xiàn).

3.2.3數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)類型和計(jì)算方法因?qū)嶒?yàn)的內(nèi)容而異，所以每個(gè)實(shí)驗(yàn)都使用一套獨(dú)立的數(shù)據(jù)錄入、計(jì)算和輸出的頁(yè)面.

在此以“用牛頓環(huán)測(cè)透鏡曲率半徑”為例進(jìn)行說明.該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生測(cè)量若干組相鄰牛頓環(huán)的左右位移并通過公式計(jì)算得出透鏡曲率半徑和不確定度.該實(shí)驗(yàn)的處理過程可以分為錄入原始數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)3個(gè)步驟.

1）錄入原始數(shù)據(jù)：由于牛頓環(huán)的起始環(huán)數(shù)與結(jié)束環(huán)數(shù)由學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程決定，所以為起始環(huán)數(shù)和結(jié)束環(huán)數(shù)設(shè)立Text類型的Input標(biāo)簽并賦予ID，學(xué)生輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)值并點(diǎn)擊確定后，平臺(tái)就會(huì)通過ID獲取表單中對(duì)應(yīng)的值，然后生成兩組與環(huán)數(shù)相符的數(shù)組并在頁(yè)面下方生成賦予對(duì)應(yīng)ID的Input標(biāo)簽.學(xué)生在Input標(biāo)簽輸入對(duì)應(yīng)的環(huán)數(shù)半徑值并點(diǎn)擊提交后，所有的數(shù)據(jù)將傳遞到數(shù)據(jù)計(jì)算頁(yè)面.

2）數(shù)據(jù)計(jì)算：結(jié)合實(shí)驗(yàn)教材給出的計(jì)算公式，將所求的未知量用f（χ）表示，再利用PHP的number＿format（）、sprintf（）、pow（）等函數(shù)實(shí)現(xiàn)公式在計(jì)算過程的表達(dá)，最后將傳遞過來的變量代入表達(dá)式中即得到計(jì)算結(jié)果.

3）輸出數(shù)據(jù)：從數(shù)據(jù)安全的角度出發(fā)，計(jì)算頁(yè)與結(jié)果顯示頁(yè)分離.平臺(tái)將前兩步的原始數(shù)據(jù)和計(jì)算所得結(jié)果加密后輸出到該頁(yè)面，以便學(xué)生檢查對(duì)照.

3.2.4實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告用于學(xué)生填寫和生成電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告并可根據(jù)需求打印.實(shí)驗(yàn)報(bào)告分為三部分：個(gè)人信息、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、報(bào)告內(nèi)容.個(gè)人信息在注冊(cè)時(shí)已經(jīng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，所以該部分通過cookie直接調(diào)用無(wú)須再次填寫.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的是學(xué)生進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)，此處可以重新填寫或從數(shù)據(jù)處理中調(diào)用.報(bào)告內(nèi)容由學(xué)生填寫，填寫所用編輯器是Webeditor在線HTML編輯，該編輯器支持文字、圖像、視頻和公式混排并將文件上傳至站點(diǎn)，解決了學(xué)生在線填寫報(bào)告的難題.實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫的過程會(huì)涉及數(shù)據(jù)的處理，學(xué)生可根據(jù)需求選擇引用已經(jīng)處理過的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).由于填寫報(bào)告所花時(shí)間較長(zhǎng)，為了避免意外，平臺(tái)每5分鐘為學(xué)生自動(dòng)保存一次.待所有內(nèi)容填寫完畢并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，學(xué)生可以通過個(gè)人管理模塊的實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理功能管理和打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告.

3.3學(xué)習(xí)交流模塊

學(xué)習(xí)交流的展示形式是學(xué)習(xí)心得、發(fā)表評(píng)論、提出問題、回答問題，其下設(shè)欄目分為經(jīng)驗(yàn)分享、重難點(diǎn)討論、問答、專題討論.其中經(jīng)驗(yàn)分享、重難點(diǎn)討論和專題討論使用的是同一種模型：發(fā)起人提出主題，其他人可在主題下展開討論并且不受時(shí)間限定.展開討論的同時(shí)任何人都可以任意引用已發(fā)表過的討論再深入討論.問答則采用的是另外一種模型：提問者提出問題，其他人可在限定的時(shí)間回答該問題，時(shí)間截止后提問者可根據(jù)回答情況挑選較為滿意的答案.此模塊還提供了搜索功能，當(dāng)學(xué)生有問題時(shí)并不必急著提問，可以通過嘗試搜索已解決的類似問題獲取幫助，若無(wú)幫助可再發(fā)起提問.此模塊提交的數(shù)據(jù)信息將存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的表，可在個(gè)人管理模塊進(jìn)行管理.為了防止惡意發(fā)言并營(yíng)造一個(gè)良好的交流環(huán)境，平臺(tái)增設(shè)了漢字驗(yàn)證碼和限制重復(fù)發(fā)言間隔時(shí)間.

3.4個(gè)人管理模塊

個(gè)人管理模塊主要用于集中管理學(xué)生的個(gè)人信息，如基本信息管理、學(xué)習(xí)進(jìn)度管理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、提問和回答管理.

基本信息管理：管理個(gè)人的基本信息如姓名、性別、出生日期、自定義頭像等，基本信息的初始值為注冊(cè)時(shí)所填的數(shù)據(jù).

學(xué)習(xí)進(jìn)度管理：學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，平臺(tái)會(huì)定時(shí)記錄學(xué)生學(xué)習(xí)的進(jìn)度.學(xué)生可查看自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，安排剩余的學(xué)習(xí)或者根據(jù)記錄情況跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的頁(yè)面繼續(xù)學(xué)習(xí).

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理：已完成處理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者暫存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都存在此欄，學(xué)生可查看、編輯和刪除對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)報(bào)告所調(diào)用的數(shù)據(jù)必須取消調(diào)用后才能刪除.

實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理：學(xué)生可以查看、編輯、刪除和打印已完成和暫存的實(shí)驗(yàn)報(bào)告.

提問和回答管理：學(xué)生不僅可以查看自己提出的問題和回答問題，還可以追問他人回答的問題，進(jìn)而評(píng)價(jià)回答.

4　結(jié)語(yǔ)

該平臺(tái)以PHP＋Mysql為框架，F(xiàn)lash相結(jié)合編寫而成，具有處理速度快，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸安全，界面直觀清晰等特點(diǎn).實(shí)驗(yàn)演示和模擬仿真度高，可操作性強(qiáng)，能較好地還原真實(shí)實(shí)驗(yàn).數(shù)據(jù)處理為學(xué)生提供檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的便利，交流中心為學(xué)生提供了良好的學(xué)習(xí)拓展環(huán)境.實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該平臺(tái)能較好滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的需求.

[1]張廣斌，高思峰.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的技巧及應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2009（8）：270－271.

[2]王曉東.基于PHP技術(shù)的教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津大學(xué)，2007.

[3]張海強(qiáng)，潘林峰.基于Flash的虛擬物理實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012（1），184－186.

[4]岑鉻鋒，胡君輝，李丹，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與交互式教學(xué)的實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011（5）：186－189.

[5]劉云志.SQL注入攻擊技術(shù)及防范措施研究[A].中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、天津市人民政府.第十三屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第10分會(huì)場(chǎng)－節(jié)能減排戰(zhàn)略與測(cè)控技術(shù)發(fā)展學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、天津市人民政府，2011：5.

[責(zé)任編輯 蘇 琴]

[責(zé)任校對(duì) 黃招揚(yáng)]

Autonomous Learning Platform of College Physics Experiments'Design ＆Implementation

LI Kun－lin，ZHAO Yan
（Network and Informatization Management Center，Guangχi University for Nationalities，Nanning530006，China）

Aiming at the existing problems and insufficiencies in College Physics network learning resources，the author designed an autonomous learning platform of College Physics experiments.This platform consists of PHP，Mysql and Flash.The testing showed that the platform running is stable，meeting the needs of students'autonomous learning in College Physics experiments.

PHP；Mysql；Flash；College Physics experiments；learning platform

TP311

A

1673－8462（2015）02－0069－04

2014－12－20.

廣西民族大學(xué)2013年校級(jí)科研項(xiàng)目：云計(jì)算環(huán)境下的高校數(shù)字資源共享模式研究.

李昆霖（1987－），男，廣西北流人，廣西民族大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息化管理中心教師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)教育技術(shù)、教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì).趙顏（1963－），男，湖南邵東人，廣西民族大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息化管理中心主任、研究員，研究方向：教育信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與教育應(yīng)用.