智慧學(xué)習(xí)環(huán)境下移動學(xué)習(xí)資源研究

摘要：高質(zhì)量的教育資源是開展智慧學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，如何在移動互聯(lián)的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境下構(gòu)建高質(zhì)量的跨平臺移動學(xué)習(xí)資源，推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合顯得至關(guān)重要。在教育改革的大潮中，依托翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)涌現(xiàn)了大量的成功案例。未來的教育和學(xué)習(xí)是什么樣子的，也許可以從中找到一些答案。將移動學(xué)習(xí)，翻轉(zhuǎn)課堂聚焦于大學(xué)物理，選擇構(gòu)建移動虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚖eb App，能夠輔助物理課程的教學(xué)和學(xué)習(xí)，為翻轉(zhuǎn)課堂提供學(xué)習(xí)支持。

關(guān)鍵詞：智慧學(xué)習(xí);翻轉(zhuǎn)課堂;移動學(xué)習(xí)資源;大學(xué)物理;WebApp

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0027-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（ OSID）：

1 引言

智慧學(xué)習(xí)是當(dāng)代教育信息化的新形態(tài)，是信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，學(xué)習(xí)不再是固定的課堂以及老師的灌輸，而是學(xué)生自己構(gòu)建知識體系的過程，構(gòu)建優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源是智慧學(xué)習(xí)的關(guān)鍵[1]。翻轉(zhuǎn)課堂將傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程翻轉(zhuǎn)過來，課前完成知識傳授，課堂完成知識的內(nèi)化，讓學(xué)生自己掌控學(xué)習(xí)，課后，學(xué)生利用學(xué)習(xí)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)探究、實(shí)現(xiàn)知識的擴(kuò)展和延伸。

移動學(xué)習(xí)在一定程度上為翻轉(zhuǎn)課堂提供了有力的技術(shù)支持，翻轉(zhuǎn)課堂將知識的傳授轉(zhuǎn)移到課外，而移動學(xué)習(xí)隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)使得無論是學(xué)生在課下學(xué)習(xí)過程中遇到了困難，或者是課堂上還有遺留的待解決的問題，都可以借助多元化的移動學(xué)習(xí)方式高效地解決問題。移動學(xué)習(xí)和翻轉(zhuǎn)課堂的融合能夠在很大程度上提高學(xué)習(xí)質(zhì)量和教學(xué)質(zhì)量[2]。

2 智慧學(xué)習(xí)環(huán)境下移動學(xué)習(xí)資源研究

2.1 移動學(xué)習(xí)資源建設(shè)的必要性

移動學(xué)習(xí)的發(fā)生需要一定條件，除了移動終端和通信網(wǎng)絡(luò)，更加重要的是學(xué)習(xí)內(nèi)容。移動學(xué)習(xí)資源是移動學(xué)習(xí)最重要的組成部分，其學(xué)習(xí)資源的優(yōu)劣在很大程度上決定了移動學(xué)習(xí)的效果[3]。學(xué)生在進(jìn)行移動學(xué)習(xí)的時(shí)候，在網(wǎng)絡(luò)上搜索需要的信息時(shí)，常常有找不到或者找到不合適的情況，所以構(gòu)建優(yōu)質(zhì)的移動學(xué)習(xí)資源就顯得至關(guān)重要。值得注意的是，移動學(xué)習(xí)不是塞進(jìn)移動設(shè)備中的E-Learning，如果把一節(jié)45分鐘的課程直接搬進(jìn)手機(jī)或者平板電腦中，學(xué)習(xí)效果將大打折扣。移動學(xué)習(xí)要做的不是具體教哪門課程，而是給這門課程的學(xué)習(xí)者提供一些必要的參考資料，有效建立用戶體驗(yàn)。

移動學(xué)習(xí)資源是在E-Learning學(xué)習(xí)資源的基礎(chǔ)上與移動學(xué)習(xí)相結(jié)合所得來的，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源相比，移動學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)一定要小而精，降低學(xué)習(xí)過程中的意志力消耗，

2.2 移動虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)原則

移動虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)從教育學(xué)，多媒體制作及課程要求方面等考慮，需要遵循一定的原則和要求[3]。

可行性原則。移動虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)行根據(jù)使用技術(shù)的不同需要一定軟硬件要求，并不是所有物理實(shí)驗(yàn)都適合設(shè)計(jì)成為移動虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，故在虛擬實(shí)驗(yàn)的選取時(shí)應(yīng)該考慮現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)以及今后的發(fā)展趨勢。

科學(xué)性原則?？茖W(xué)性的基本要求是不能出現(xiàn)知識性的錯誤。在物理模型的模擬過程中，要符合物理原理并將其正確表達(dá)。此外，在虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谐霈F(xiàn)的各種文字、公式、符號等必須力求表達(dá)無誤。

交互性原則?；谝苿佣说腤eb應(yīng)用交互要做到直觀好用，實(shí)時(shí)反饋，以用戶使用情景的思維方式來做設(shè)計(jì)，盡量減少數(shù)值的輸入，即使在移動端也要保證良好的用戶體驗(yàn)。

可移植性原則。所開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图瓤梢栽谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)使用，也可以在不同操作系統(tǒng)的移動端運(yùn)行，并且能夠保證一致的用戶體驗(yàn)。

3 移動虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

物理演示實(shí)驗(yàn)就是把要研究的物理現(xiàn)象以及物理原理展現(xiàn)給學(xué)生，是一種最直觀有效的教學(xué)方法。利用計(jì)算機(jī)模擬演示物理現(xiàn)象及原理，并加以必要的互動，構(gòu)建跨平臺的物理虛擬實(shí)驗(yàn)Web App能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性，生動直觀的達(dá)到傳授知識的效果，尤其是一些現(xiàn)實(shí)生活中無法觀察的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，例如電場線、磁場線的分布，狹義相對論相對運(yùn)動等等。

3.1 需求分析

1）確定適合移動端展現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)或物理效應(yīng)。從技術(shù)發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)的角度以及上述設(shè)計(jì)原則綜合考慮，本研究從二維及三維角度選取了不同模型進(jìn)行構(gòu)建，二維模型基于HT-ML5 Canvas畫布實(shí)現(xiàn)[4]，根據(jù)Canvas畫布的特性選擇了大學(xué)物理振動與波動章節(jié)中若干問題進(jìn)行研究，具體包括彈簧擺以及簡諧運(yùn)動相關(guān)原理。三維模型選擇了磁瓶這一物理效應(yīng)，磁場在現(xiàn)實(shí)生活中用肉眼是看不見的，該模型基于WebGL實(shí)現(xiàn)，將磁場線形象的繪制出來，選取該模型進(jìn)行開發(fā)，可以充分體現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)勢。本研究通過這些虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建力求對今后移動端物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建提供一定的指導(dǎo)作用。

2）確定使用者及使用場景。模型的使用者包括大學(xué)物理教師與學(xué)生，根據(jù)適用對象可以輕易地推斷出其使用場景，一方面教師可以在教學(xué)過程中使用，在講解相關(guān)原理幫助學(xué)生理解;另一方面也可以作為學(xué)生在課上課下學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容的輔助工具使用，使用時(shí)間可以是任意碎片化的時(shí)間，使用的地點(diǎn)可以是各種學(xué)習(xí)生活的地方。

3）確定模型的細(xì)節(jié)。首先要明確已選擇的物理效應(yīng)的具體含義，以此確定模型的呈現(xiàn)方式是二維還是三維，所有的后續(xù)設(shè)計(jì)都是在此基礎(chǔ)上所進(jìn)行的。其次是所構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰_(dá)到一個什么樣的教學(xué)目的或是學(xué)習(xí)目的，根據(jù)目的確定需要模型演示過程中需要重點(diǎn)演示的物理現(xiàn)象是什么，進(jìn)而確定哪些參數(shù)是需要調(diào)節(jié)的，哪些參數(shù)設(shè)為常量，參數(shù)的調(diào)節(jié)選取哪種方式呈現(xiàn)，模型的交互設(shè)計(jì)等等。

3.2 設(shè)計(jì)與模型實(shí)現(xiàn)

通過對于模型內(nèi)容，使用者，使用場景以及模型表現(xiàn)方式，交互方式分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)習(xí)者使用流程（學(xué)生首先要了解已構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀心男?，然后根?jù)需要選擇相關(guān)模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，具體包括了解該虛擬實(shí)驗(yàn)的基本原理，在此基礎(chǔ)上通過模型的演示和交互對該原理進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，加深理解），基于上述兩方面，編寫各個物理效應(yīng)模型演示內(nèi)容的制作腳本。每個模型由模型介紹頁，模型演示頁組成，模型演示頁（演示區(qū)、交互區(qū)）組成。

在模型的構(gòu)建過程中，在科學(xué)性原則的基礎(chǔ)上，為了更加明顯地將所要表達(dá)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和原理解釋清楚，允許一定程度上的夸張。選用合理的技術(shù)，構(gòu)建物理數(shù)字化演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

根據(jù)各個物理效應(yīng)模型演示內(nèi)容的制作腳本，使用HT-ML5，JavaScript，Jquery等程序語言對模型進(jìn)行構(gòu)建實(shí)現(xiàn)[4]。以下為部分模型演示效果圖，圖l為二維模型演示效果，圖2為三維模型演示效果。

4 移動虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒虒W(xué)應(yīng)用模式探討

4.1 當(dāng)前大學(xué)物理教學(xué)模式分析

目前高校的大學(xué)物理大多作為基礎(chǔ)課程設(shè)置，目的是要為學(xué)習(xí)后續(xù)的專業(yè)課打下扎實(shí)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，科學(xué)態(tài)度，科學(xué)素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)的發(fā)展以及專業(yè)的發(fā)展，大學(xué)課程不斷增多，大學(xué)物理的課時(shí)被壓縮和減少，所以授課內(nèi)容多而授課時(shí)間少成為大學(xué)物理教學(xué)的主要矛盾之一，且由于其主要授課方式為大班授課，面對眾多的學(xué)生和繁重的授課任務(wù)，教師只能加快講課速度，不同的教師根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對于重難點(diǎn)的處理方式也不同，加之學(xué)生的提問機(jī)會減少，其課堂學(xué)習(xí)效果不甚理想。

在已有教學(xué)模式下，對于如何提高學(xué)習(xí)效果，可以從教師和學(xué)生兩個方面來進(jìn)行分析。

教師層面，將物理原理和現(xiàn)象變得更易理解和學(xué)習(xí)，借助實(shí)物模型或者數(shù)字模型都可以起到增強(qiáng)學(xué)生對物理過程的認(rèn)識和理解，是提高教學(xué)效果的方法之一。 學(xué)生層面，學(xué)生在課上很難將教師所講內(nèi)容全部消化，課下時(shí)間對物理問題進(jìn)行研究和探索時(shí)需要有力的支撐和輔助學(xué)習(xí)工具，借助這些輔助學(xué)習(xí)工具進(jìn)行學(xué)習(xí)課以很好的提高學(xué)習(xí)效果?；诖?，接下來將對移動虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕虒W(xué)功能進(jìn)行分析，具體闡述其在教學(xué)中的功能和作用[5]。

4.2 移動虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕虒W(xué)功能分析

物理模型作為物理教學(xué)中必不可少的教學(xué)方式，通過將物理現(xiàn)象和過程直觀生動的展示，將多方面的感性信息傳遞給學(xué)生，把抽象的物理原理和概念變得容易理解，對于物理知識的學(xué)習(xí)和遷移應(yīng)用起到了重要作用。從移動虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)際使用場景和效果分析，其教學(xué)功能體現(xiàn)在以下幾方面[6]：

教師在課堂教學(xué)中利用虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氛圍，提高教學(xué)效率和質(zhì)量，在有限的課時(shí)內(nèi)更高質(zhì)量地完成授課。

虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閷W(xué)生學(xué)習(xí)物理知識提供感性認(rèn)識，幫助學(xué)生突破重難點(diǎn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識時(shí)，能做到將物理符號和公式與自己的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)而理解所學(xué)符號和公式的具體意義是不太容易的，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢园盐锢憩F(xiàn)象和過程，各物理量之間的相互變化影響直觀、真實(shí)、動態(tài)化的呈現(xiàn)，刺激學(xué)生多種感官，為學(xué)生的理解提供了必要的感性素材，理解所學(xué)內(nèi)容含義。

在學(xué)習(xí)磁瓶這一物理概念時(shí)，大學(xué)物理學(xué)第3版（同濟(jì)大學(xué)出版社）這樣介紹：如果在一個圓柱形真空室的兩端采用兩個電流方向相同的圓線圈，使在真空中產(chǎn)生兩端強(qiáng)中間弱的磁場分布，這好似在這一磁場區(qū)的兩端形成兩個磁鏡，常稱為磁瓶。此時(shí)帶負(fù)電的粒子將被約束在兩個磁鏡之間往返運(yùn)動而無法逃脫。由于磁瓶這一物理概念在現(xiàn)實(shí)生活中不存在，學(xué)生沒有相關(guān)感性經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識，通過閱讀這段文字描述，學(xué)生對于磁瓶這種磁場以及帶電粒子在該磁場中的運(yùn)動一知半解，教師也很難通過單純的講解讓學(xué)生明白其中含義。借助磁瓶虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠磉M(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以觀察到磁瓶的三維立體分布，還可以通過調(diào)節(jié)各種參數(shù)，直觀的學(xué)習(xí)磁場的分布與線圈距離，半徑等之間的變化關(guān)系，以及帶電粒子在磁場內(nèi)的運(yùn)動軌跡、速度變化等等，對于掌握磁瓶這一概念以及物理量之間聯(lián)系有著重大意義。

培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，協(xié)作探究能力。學(xué)生在觀察虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退尸F(xiàn)的物理現(xiàn)象和過程時(shí)，會在不斷地交互和觀察過程中發(fā)現(xiàn)很多有趣的現(xiàn)象和問題，例如彈簧擺在滿足一定條件時(shí)可以形成混沌擺，這些問題可以引發(fā)學(xué)生對物理問題的研究欲望和好奇心，成為自主學(xué)習(xí)，協(xié)作探究的起點(diǎn)。

4.3 翻轉(zhuǎn)課堂一物理課堂教學(xué)改革

隨著移動學(xué)習(xí)和翻轉(zhuǎn)課堂的不斷發(fā)展，大學(xué)物理課堂教學(xué)模式也發(fā)生變化，翻轉(zhuǎn)課堂已經(jīng)走進(jìn)了大學(xué)物理課堂。目前，同濟(jì)大學(xué)，上海交通大學(xué)等大學(xué)物理的授課已經(jīng)開始試點(diǎn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，并取得了不錯的反響和效果。學(xué)生在課下觀看教師提前已經(jīng)錄制好的微視頻，對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，課堂上，教師對學(xué)生提出的問題進(jìn)行引導(dǎo)探究，解決問題，課后學(xué)生對所學(xué)知識進(jìn)行鞏固，有興趣的同學(xué)可以進(jìn)行進(jìn)一步的探究學(xué)習(xí)。根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂的學(xué)習(xí)流程，提出移動Web App在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式[7][8]，如圖3。

整個翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中，學(xué)生的學(xué)習(xí)主要發(fā)生在課下，這就需要提供足夠的優(yōu)秀的學(xué)習(xí)資源供學(xué)生預(yù)習(xí)及學(xué)習(xí)用，其中最重要的教學(xué)資源是教師錄制的微課程視頻，但是僅僅只有這一種資源是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，學(xué)生需要更多可供使用的優(yōu)秀學(xué)習(xí)資源。

而隨著移動設(shè)備的日益普及和性能提高，未來翻轉(zhuǎn)課堂和大學(xué)MOOCS使用的學(xué)習(xí)設(shè)備更加趨向于無線便攜，移動端無插件的物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趯W(xué)生的學(xué)習(xí)過程中就顯得尤為重要。移動虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚖eb App為學(xué)生的課前學(xué)習(xí)理解新知識，課后的知識鞏固與教師的教學(xué)活動全方面提供支撐，貫穿于整個翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)組織與學(xué)習(xí)過程中，是支持翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)秀教學(xué)資源。

有研究者估計(jì)，目前在全國嘗試翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的學(xué)校已有上千所，從大學(xué)到中學(xué)，各個層級都有，科目也不盡相同，包含語文，數(shù)學(xué)，英語，信息技術(shù)等等。目前翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式還未完全成熟，大學(xué)物理翻轉(zhuǎn)課堂的探究也才剛開始，本研究所提出的理念以及移動物理模型Web App的構(gòu)建正是一種小小的探索。

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【通聯(lián)編輯：王力】

作者簡介：閆慧仙（1989-），女，山西太原人，上海海事大學(xué)助理工程師碩士研究生，主要研究方向：混合式學(xué)習(xí)，智慧學(xué)習(xí)空間建設(shè)，學(xué)習(xí)資源建設(shè)等方面。