大學物理實驗課程微課程移動學習系統(tǒng)的實現與研究

方　愷　呂　軍　馬現超　馬寧生　倪　晨（同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092）

大學物理實驗課程微課程移動學習系統(tǒng)的實現與研究

方愷呂軍馬現超馬寧生倪晨
（同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092）

本文介紹將Web-based Application（Web App）等技術引入物理實驗課程教學，構建大學物理實驗微課程移動學習系統(tǒng)，實現讓學生可以隨時開展課內外學習的移動學習資源平臺，促進了物理實驗系列課程的信息化建設.在物理實驗課程的教學過程中，以大學物理實驗微課程移動學習系統(tǒng)為基礎和支撐，對物理實驗系列課程的教學模式進行整體設計，構建“課堂教學+實驗操作+移動學習”的混合式教學新模式，讓學生獲得豐富的學習資源，突破實驗室課堂上學習的空間與時間的局限性，激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質量.

物理實驗；微課程；Web App；微課程移動學習系統(tǒng)

大學物理實驗課程是高等學校理工科專業(yè)對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程，是本科生接受系統(tǒng)的實驗方法和實驗技能訓練的開端，是培養(yǎng)學生科學實驗能力、提高科學素質的重要基礎.物理實驗課程的教學內容豐富，覆蓋面廣，學生人數多，在課程教學過程中存在一些亟待解決的問題，包括：（1）實驗課程教學時間有限，致使學生對實驗原理和實驗方法的理解和掌握不夠深入和透徹；（2）學生學習基礎差異較大，致使部分學生對實驗有畏難情緒；（3）學生學習主動性不足，學習興趣不夠高等.對于這些長期困擾物理實驗課程教學的問題，有望通過引入現代信息技術，深化物理實驗課程教學模式的改革，以移動學習技術輔助大學物理實驗課程教學等方法逐步解決.

信息技術對教育發(fā)展具有革命性影響，高等教育信息化是促進高等教育改革創(chuàng)新和提高質量的有效途徑，是教育信息化發(fā)展的創(chuàng)新前沿［1］.基于移動端的教育資源和平臺的研究與開發(fā)將是教育信息化建設的新課題［2］.近年來，國家級精品資源共享課和精品開放課建設促進了教學觀念、教學內容和教學方法改革，推動了高等學校優(yōu)質課程教學資源建設，實現教育信息和資源的共建共享［3-5］.將“微課程”這一新的教學模式引入物理實驗課程的教學中，設計移動端的基于Web-based Application（Web App）的大學物理實驗微課程學習系統(tǒng)，是將信息技術與大學課程教育緊密結合，豐富物理類課程的教學內容，彌補課堂教學的不足，提出物理實驗教學的新方法，成為現代教學改革的新趨勢.相比于精品資源共享課程，大學物理實驗課程微課程移動學習系統(tǒng)基于App形式，更適合于在各個學?；蛟合颠@樣的小規(guī)模范圍內，緊密結合一門具體課程的教學，其平臺的管理和使用更為簡單靈活，教學信息易于更新維護，教師和學生均可參與教學資源的制作，模式易于擴展到不同層次和類型的課程.

1　物理實驗微課程的設計

近年來，通過互聯網開展在線開放學習的MOOC課程在國內外發(fā)展迅猛，對傳統(tǒng)的課堂教學模式產生深遠的影響［6，7］.在大學課程的教學中探索并應用這些新型的教學模式，對促進高校教學的改革具有重要的時代意義和實際價值.實驗類和實踐類課程無法照搬現有的網絡課程的教學模式.如何在大學物理實驗系列課程中引入信息技術，提高學生的學習興趣，提升教學效果，是物理實驗教學工作者必須深入思考和研究的問題.

物理實驗課程的教學內容包括實驗原理、儀器操作、數據測量、結果分析、誤差計算和實驗報告書寫等多個方面.物理實驗課程各部分內容的教學重、難點突出，且結構清晰，并具有較強的相關性，這些特性有益于物理實驗微課程的設計和制作.“微課程”這一概念是指時間在10分鐘以內，有明確的教學目標，內容短小，集中說明一個問題的視頻課程［8，9］.物理實驗微課程的設計目標是實現基于網絡的支持移動學習的物理實驗教學資源系統(tǒng)，其內容涉及大學物理實驗的各個核心實驗項目，讓學生在物理實驗的學習過程中突破時間和空間的局限，在課堂內外都可以獲得知識和及時的實驗指導與答疑等幫助，彌補傳統(tǒng)實驗課程的課堂教學模式的不足.

1.1大學物理實驗微課程的體系結構

同濟大學普通物理實驗微課程的整體結構主要包括基礎實驗、力學實驗、熱學實驗、電磁學實驗、光學實驗和近代物理實驗等部分.各部分內容由具體的實驗項目組成，例如在基礎實驗中包括示波器使用、長度測量、多用表和幾何光學等實驗.每個實驗的教學內容一般都由實驗原理、儀器介紹和實驗內容等3個部分組成.根據物理實驗課程這種結構特點，我們開發(fā)出系列的實驗微課程，并在開發(fā)的Web App中將微課程的導航分成相應的三級結構，學生通過這三級導航可以快速地找到所需實驗的微課程.

1.2大學物理實驗微課程的教學設計

大學物理實驗微課程的教學設計要運用系統(tǒng)設計的方法，將學習理論與教學理論的原理轉換成對教學目標、教學條件、教學方法、教學評價等教學環(huán)節(jié)進行具體計劃的系統(tǒng)化過程［10］.微課程的教學設計對于微課程的設計開發(fā)和教學應用具有重要的意義，同濟大學物理實驗的各個實驗項目微課程的設計在保持整體結構一致的基礎上，針對具體每個實驗項目的教學要求做出適當的調整.

（1）實驗微課程的重、難點選擇.微課程的重要意義在于對教學的重、難點做出簡明扼要，且深入淺出的闡述.因此，把握住實驗教學的重、難點是實驗微課程開發(fā)的關鍵.同濟大學微課程是以物理實驗課程教學大綱、教學要求和實驗教材等為依據，在長期的教學實踐過程中對實驗教學的重、難點有清晰地整理和歸納，并據此篩選出合適的微課程教學內容.

（2）實驗微課程的資源設計.選擇和開發(fā)出合適的微課程資源，對學生理解課程內容具有很大的幫助.物理實驗微課程開發(fā)重要目的是輔助學生學習實驗知識和實驗技能，因此微課程的資源設計也主要是圍繞這一點展開的，其內容不僅包括了真實實驗中實驗操作演示過程的視頻資源，還可以包括將實驗演示動畫和教學PPT課件等進行轉化后的視頻格式，使微課程內容具有系統(tǒng)性.實驗課程指導教師可以鼓勵學生參與制作微課程視頻，作為期末教學內容的拓展部分，既鼓勵了學生通過體驗實驗課程的制作來深化對實驗內容的理解，又檢驗了學生對實驗內容的掌握情況，同時有助于豐富課程的教學資源.

（3）實驗微課程的教學過程設計.實驗微課程的教學過程包括學生在課內外通過視頻進行學習，并且與課堂實驗教學相配合.課堂實驗教學主要是在真實的實驗室環(huán)境下進行的，因此學生面對的學習困難除了對相關實驗原理不易理解之外，還有具體實驗情境中產生關于儀器操作、測量方法和數據處理等方面的疑惑.每節(jié)實驗微課程基本控制在5分鐘之內，其內容既有原理性知識的適當提示，又有實驗情境中實驗操作的關鍵步驟的視頻再現，或數據分析方法的解說，這樣的教學過程可以幫助學生在真實的情境中找到問題的答案.

2　物理實驗微課程的技術實現

2.1平臺開發(fā)

HTML5是最新一代的應用超文本標記語言，以其為標志的Web技術為移動智能終端的Web App開發(fā)提供了技術支持.HTML5不僅用來表示Web內容，還將Web帶入一個通用的應用平臺，在這個平臺上，視頻、音頻、圖像、動畫，以及同更多智能設備的交互均為標準化形式［11］. HTML5中的〈video〉標簽等相關的模塊可以實現在移動終端直接播放特定格式的視頻，因此不同種類的移動終端都無須下載其他的視頻播放的插件，而直接播放教學視頻.同時，常見的各種瀏覽器都在不同程度上對HTML5提供了支持，包括Chrome、Safari和Firefox等.

本實驗微課程的Web App的開發(fā)主要利用的前臺開發(fā)工具Zepto是一個專門針對現代移動設備的瀏覽器內核Webkit的非常輕量級的JavaScript類庫，開發(fā)者可以非常容易開展工作［12］.作為一個創(chuàng)建移動Web App的框架，適用于各種操作系統(tǒng)的智能手機和平板電腦，可以很好地解決App在各個平臺上的兼容性問題.這種跨平臺的技術的實現，可以使移動智能終端直接與服務器端進行交互，這對交互學習和移動學習具有重要的意義，拓展了微課程系統(tǒng)廣泛應用的前景.同時，在前臺還使用到了Ajax技術和ECharts框架，這可以幫助教師通過可視化的統(tǒng)計圖來觀察學生瀏覽課程的基本信息.后臺開發(fā)用SSH2（Struts2+Spring+Hibernate）組合框架，它是一種輕量級的J2EE平臺.Struts2在開發(fā)中主要用于業(yè)務邏輯處理，Spring將各層的對象以松耦合的方式組織在一起，Hibernate可以對JDBC進行輕量級的對象封裝完成數據持久化的重任.

基于Web App微課程移動學習系統(tǒng)開發(fā)的關鍵步驟包括：（1）設計和開發(fā)H TML頁面，在頁面代碼的第一行要使用〈！DOCTYPE html〉語句進行聲明，使瀏覽器可以識別使用的HTML版本為HTML5.（2）編寫CSS文件使網頁的界面符合微課程移動學習系統(tǒng)的需要，同時調用JS框架使學生和教師可以在移動端與頁面進行很好地交互.（3）根據所需的信息設計數據庫，這里使用的數據庫是MySQL.（4）在后臺利用SSH2框架，完成用戶請求轉發(fā)、過濾和數據的記錄等操作.

2.2實現效果

物理實驗微課程系統(tǒng)網絡拓撲結構如圖1所示，包括實驗室內部網絡和外部網絡兩個部分.在設計移動學習系統(tǒng)的鏈接和使用方式時，力求直觀，讓學生容易理解，并便于操作.通過將開發(fā)的Web App的文件復制到實驗室tomcat服務器的webapps文件夾下，雙擊tomcat服務器bin文件夾下的startup.bat文件（Windows環(huán)境下）啟動服務器.學生可以通過終端在瀏覽器中輸入網址或“掃一掃”功能掃描二維碼鏈接（如圖2（a）所示），登錄后可以進入“物理實驗微課程”的頁面（如圖2（b）所示）.學生根據實驗課程學習的需要選擇相應的實驗微課程條目，例如學生要學習牛頓環(huán)的實驗原理，那么學生可以先進入首頁然后選擇“光學實驗”，在光學實驗的頁面中選擇“牛頓環(huán)”，再在下一頁面中選擇“實驗原理”項，進入微課程的學習.微課程的界面（如圖2（c）所示）.學生可以根據自己的學習需要控制播放的進度.通過單擊返回按鈕，返回到上一級導航重新選擇實驗微課程，實現“一站式”的學習.

圖1　物理實驗微課程系統(tǒng)網絡拓撲結構

圖2　同濟大學物理實驗中心微課程二維碼鏈接、Web App首頁、視頻界面與教學應用

3　物理實驗微課程移動學習系統(tǒng)的混合式教學設計

微課程在物理實驗教學中被廣泛應用，它不僅可以與實際的課堂實驗操作相配合，還可以用于學生獨立的課外學習.基于大學物理實驗微課程移動學習系統(tǒng)，將教師面授、網絡課程、課堂內外在線學習與課外拓展知識結合起來，實現物理實驗課程的混合式教學模式（如圖3所示）.

3.1課堂學習輔助

物理實驗課上，學生在實驗儀器的操作和測量過程中，會遇到各種各樣的疑問.同時，在實驗室中一個教師可能要面對數十個學生，這使得每個學生不可能都能即刻獲得教師的釋疑解惑.同時，在物理實驗教學的過程中，教師的教學方法通常為講解示范與操作輔導，形式較為單一，而不同的學生會面臨各自的困難，因而學生迫切需要個性化的指導.物理實驗微課程可以使學生在出現實驗操作上的困難時，可以直接通過移動終端的Web App獲取微課程的教學指導，實現有針對性的教學，提高學生的學習效率（如圖2（d）所示）.具有微視頻的微課程還可以提供真實的情景，相對于文字寫的操作步驟，它更為直觀而具體，學生可以有針對性地學習實驗操作等內容.

3.2課外學習指導

由于實驗室安全管理等原因，實驗室無法在全天任何時候都向學生開放，而且由于課堂上實驗教學的時間有限，如果學生在課前通過微課程進行充分的實驗預習，會對學生提供學習幫助，使學生提前了解實驗室環(huán)境及實驗操作的基本過程.課堂上，學生完成實驗的操作和數據的記錄后，通常數據處理等工作要求學生在課后書寫實驗報告時完成，但在課外學生一般不易得到教師的及時幫助，而微課程可以為學生在數據處理方面提供必要的幫助.同時，Web App上的微課程還可以幫助學生復習物理實驗操作的具體過程，通過微課程獲取自己所要的信息，并用于實驗結果分析等.

圖3　物理實驗微課程移動學習系統(tǒng)支持下的混合式教學模式

3.3以學生為中心的教學理念

在理工科本科生的物理實驗教學過程中，實驗方法、實驗步驟的設計和儀器設備的組織、準備等都是由實驗教師提前完成，學生常常感覺是被動地接受知識.為了改變這種狀況，激發(fā)學生學習的主動性，需要突出以學生為中心的教學理念.對學生而言，隨著手持移動數碼產品普及和無線網絡的覆蓋，移動學習、遠程學習、在線學習和泛在學習等新的學習方式越來越為大家所接受.同時，通過高等院校的數字化校園建設，無線網絡已覆蓋實驗樓和教學樓等區(qū)域，為學生使用無線網絡進行學習提供了支撐條件與硬件保障.

通過物理實驗微課程移動學習系統(tǒng)，學生可以根據自己的需要主動地選擇學習資源，如果學生對實驗的原理已經非常熟悉則可以選擇跳過這部分課程，如果在實驗操作部分有困難則可以對操作部分的課程進行反復學習，還可以控制課程的進度.物理實驗微課程也可以使學生充分利用碎片化的時間進行學習，為學生提供了不同的學習策略和學習方式，可以充分發(fā)揮學習內容微型化、學習終端靈活化的優(yōu)勢，實現高校學生按需學習、高效學習和快樂學習的理想.

4　結語

大學物理實驗微課程移動學習系統(tǒng)是以現代教育理論為基礎，對物理實驗教學方式的改革和創(chuàng)新，實現學習資源的開放共享，提高實驗教學管理現代化水平，推動信息技術與高等教育深度融合.物理實驗微課程改變了原有的教師課堂授課模式和學生局限于實驗室的學習模式，建立了混合式教學新模式，使網絡學習、移動學習與課堂面授多種學習方式充分融合，實現了以學生為中心的學習模式，激發(fā)學生學習積極性，培養(yǎng)學生自主學習、自主管理的意識和能力，為構建學習型社會打下基礎.

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THE REALIZATION AND RESEARCH OF MOBILELEARNING MICROLECTURE SYSTEM IN COLLEGE PHYSICS EXPERIMENT COURSE

Fang KaiLv Jun Ma Xianchao Ma Ningsheng Ni Chen
（School of Physics Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092）

In this paper，the Web-based Application（Web App）and other technologies are introduced into the teaching of physics experiments；the micro-lecture mobile learning system about college physics experiment is built；mobile learning resources，which can help students to carry out learning at anytime and anywhere，are developed；promoted the information construction of physics experiment course.In the teaching process，take college physics experiment micro-lecture mobile learning system as the basis and support，take whole design for physics experiment course teaching mode，build new blending teaching mode like“classroom teaching+experimental operation+mobile learning”，let students get rich learning resources，break the limitation of space and time in the study of the lab class，stimulate students，interest in learning，improve the quality of teaching.

physics experiment；micro-lecture；Web App；microlecture mobile learning system （MMLS）

2015-11-05

教育部高等學校教學研究項目（網絡遠程控制在實驗教學中的應用研究，項目編號：DWJZW201431hd）、2015年上海高校本科重點教學改革項目（用移動學習技術提高大學物理實驗課程教學質量的研究）和同濟大學教學改革研究與建設項目（物理實驗數字化學習資源建設與教學模式研究）.

方愷，女，高級工程師，主要研究方向為物理實驗教學、教育技術學和凝聚態(tài)物理學.fangkaitj@#edu.cn