移動學(xué)習(xí)中的物理實驗微課程結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬寧生，呂 軍

(同濟大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

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移動學(xué)習(xí)中的物理實驗微課程結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬寧生，呂 軍

(同濟大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

以互聯(lián)網(wǎng)時代到移動互聯(lián)網(wǎng)時代教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變?yōu)槠瘘c，結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)、智能手機等新出現(xiàn)的移動教學(xué)平臺在物理實驗教學(xué)中的實踐教學(xué)經(jīng)驗，全面分析和介紹了移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)與技術(shù)，闡述了以Web App 作為平臺開發(fā)物理實驗微課程的具體技術(shù)路線.

移動學(xué)習(xí)；互聯(lián)網(wǎng)；微課程

“教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)”明確提出了教育的發(fā)展目標(biāo)之一是“充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)獨特優(yōu)勢，信息化環(huán)境下學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力明顯增強，教學(xué)方式與教育模式創(chuàng)新不斷深入，信息化對教育變革的促進作用充分顯現(xiàn)”[1]. 因此在近年來的高等院校信息化建設(shè)中，在線學(xué)習(xí)已經(jīng)成為學(xué)生學(xué)習(xí)的一種方式. 隨著科學(xué)技術(shù)與教學(xué)資源的整合，教學(xué)方式也出現(xiàn)許多改革和創(chuàng)新. 其中，近年來移動智能設(shè)備的廣泛使用，如何將教學(xué)資源的全面推送已成為教育信息化建設(shè)的新課題[2].

大學(xué)物理實驗需要借助教育信息化的浪潮來實現(xiàn)其自身的教學(xué)改革. 將物理實驗微課程放在Web App上，融合到學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)過程中，將會促進物理實驗的教學(xué)環(huán)境、教學(xué)過程和學(xué)習(xí)方式等的變革.

1 移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與技術(shù)

1.1 移動應(yīng)用程序

目前，移動應(yīng)用程序主要有Native App，Web App和Hybrid App. Native App依賴于移動終端的操作系統(tǒng)而開發(fā)的應(yīng)用程序，它需要針對不同的操作系統(tǒng)分別進行開發(fā)，用戶可以直接在網(wǎng)上根據(jù)自己終端的操作系統(tǒng)進行下載安裝. Native App的缺點是開發(fā)周期長、成本高、維護成本高和更新緩慢，但在用戶體驗、性能的穩(wěn)定性和在對本地資源的調(diào)用等方面，Native App仍具有不可替代的優(yōu)勢. Web App是可以直接運行在移動設(shè)備瀏覽器上的應(yīng)用程序，它是利用Web技術(shù)開發(fā)的，無需下載和安裝，它可以擁有與在Native App上相似的用戶體驗，由于與操作系統(tǒng)平臺無關(guān)，且具有良好的跨平臺的特性，因此具有開發(fā)周期短、成本低和易維護等特點. Hybrid App介于Native App和Web App之間，它看上去是Native App，但只是UI WebView，內(nèi)核訪問的是Web App[3]. 考慮到Web App具有上述特點，而且大學(xué)物理實驗微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)并不涉及調(diào)用本地移動設(shè)備資源，因此在開發(fā)過程中，選擇Web App的形式.

1.2 HTML5技術(shù)

廣義上的HTML5是一系列Web技術(shù)范疇，包括HTML5，CSS3，JavaScript API、Web Application和通訊協(xié)議等多個技術(shù)領(lǐng)域[4].

在大學(xué)物理實驗微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)的開發(fā)過程中，除了運用了〈video〉支持手機端播放視頻的標(biāo)簽外，還用了CSS重置樣式文件Normalize.css，使同一元素在不同的瀏覽器中有不同的默認值，避免了由于瀏覽器的差異而導(dǎo)致相同元素顯示的差異，同時Normalize.css還幫助修復(fù)了瀏覽器上的部分漏洞. 為了讓學(xué)習(xí)系統(tǒng)具有良好的交互效果，系統(tǒng)開發(fā)采用了Zepto框架. Zepto是專門針對現(xiàn)代移動設(shè)備，瀏覽器內(nèi)核為Webkit的非常輕量級的JavaScript類庫，具有與jQuery相同的語法結(jié)構(gòu)和使用方法，開發(fā)者可以容易上手.

1.3 Ajax技術(shù)

Ajax是基于標(biāo)準(zhǔn)Web技術(shù)創(chuàng)建的、能夠以更少的響應(yīng)時間帶來豐富用戶體驗的Web應(yīng)用程序所使用的技術(shù)集合[5]. Ajax實現(xiàn)了瀏覽器與服務(wù)器的異步通信，在用戶不重載整個網(wǎng)頁的情況下，Ajax通過后臺進行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，并在網(wǎng)頁上進行顯示，不會影響用戶當(dāng)前操作.

1.4 SSH2組合框架

框架使用主要目的在于減少重復(fù)開發(fā)的工作量，框架的選擇要結(jié)合實際開發(fā)的需要和框架本身的性能. SSH2組合框架是由Struts2，Spring和Hibernate組合而成，這3種框架各有所長，其組合可以最大程度地發(fā)揮它們的優(yōu)勢，是目前使用較多的組合框架.

1.5 Tomcat服務(wù)器

Tomcat是免費的開源的Serlvet容器，能支持最新的Servlet和JSP規(guī)范. Tomcat是免費的開放源代碼的Web 應(yīng)用服務(wù)器，是一種輕量級應(yīng)用服務(wù)器，具有先進的技術(shù)和穩(wěn)定的性能，被廣泛應(yīng)用于JSP應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試. 借助Java跨平臺的特性，可被部署到不同操作系統(tǒng)的服務(wù)器上.

1.6 MySQL數(shù)據(jù)庫

MySQL具有速度快、體積小以及社區(qū)版的免費和開放源碼等特點，被很多中小型網(wǎng)站選作網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫. MySQL為C，C++和JAVA等多種編程語言提供了應(yīng)用程序接口，使其可以被廣泛應(yīng)用于繼續(xù)開發(fā)和使用，采用多線程編程的方式，充分利用寶貴的CPU資源，減少了對系統(tǒng)資源的占用. MySQL不僅可以應(yīng)用于客戶端服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，還可以以庫的形式嵌入到軟件中. MySQL通過使用專門的權(quán)限和口令系統(tǒng)，使得用戶在開發(fā)和使用過程中更安全. MySQL的優(yōu)點不僅于此，它還有支持多種語言、支持大型數(shù)據(jù)庫和多種存儲引擎等特點.

大學(xué)物理實驗微課程系統(tǒng)采取B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，其后端實現(xiàn)工具是Struts2+Spring+Hibernate組合框架，前端使用了HTML5技術(shù)，同時在生成圖表信息的網(wǎng)頁部分使用了Ajax技術(shù).

2 移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)的功能與軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)開發(fā)將基于Web App的大學(xué)物理實驗微課程應(yīng)用于物理實驗的教學(xué). 因此，系統(tǒng)開發(fā)要圍繞微課程的合理使用為核心，使微課程與實驗教學(xué)進行高效地整合. 在這一系統(tǒng)中，包括教師和學(xué)生2個主要的角色，系統(tǒng)的開發(fā)要滿足教師和學(xué)生在功能上的需求. 除此以外，還應(yīng)該考慮系統(tǒng)本身在安全性、可靠性、可維護性和實時性等非功能性的需求.

2.1 教師端功能需求

教師是課程的參與者和學(xué)生的管理者，教師端的功能需求主要包括個人信息管理、學(xué)生信息管理、觀看實驗微課程、參與課程討論和統(tǒng)計分析學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)5個部分. 個人信息管理是教師在完成注冊登錄后，可以對自己的用戶名、密碼和姓名等個人信息進行修改. 學(xué)生信息管理功能可以讓教師批量導(dǎo)入和刪除學(xué)生的基本信息，包括用戶名、密碼和姓名等，教師也可對已經(jīng)注冊的學(xué)生信息進行修改. 觀看實驗微課程的功能使教師可以和學(xué)生觀看視頻上的課程內(nèi)容. 在課程討論部分，教師可以回答學(xué)生提出的問題，也可以提出問題引發(fā)學(xué)生對該課程的思考. 學(xué)生在微課程學(xué)習(xí)的過程中會產(chǎn)生很多的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對教師分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況具有重要的意義，在統(tǒng)計分析模塊中，教師可以看到某課程被學(xué)習(xí)的次數(shù)的統(tǒng)計表，教師也可以下載每個學(xué)生觀看課程的細節(jié)信息.

2.2 學(xué)生端功能需求

學(xué)生是物理實驗微課程學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生端的功能需求主要包括管理個人信息、觀看實驗微課程、參與課程討論和記錄學(xué)習(xí)筆記4個部分. 管理個人信息是學(xué)生在完成注冊登錄后，可以對自己的用戶名、密碼和姓名等個人信息進行修改. 觀看實驗微課程是學(xué)生學(xué)習(xí)的核心，基于Web App的實驗微課程可以使學(xué)生在實驗前、實驗中和實驗后各個階段完成實驗學(xué)習(xí)的需要. 學(xué)生在觀看微課程的過程中可能會遇到各種各樣的問題，在參與課程討論的部分，學(xué)生可以提出自己的問題，也可以討論別人發(fā)現(xiàn)的問題并給出解決方案，使學(xué)生與學(xué)生及學(xué)生與教師之間互相學(xué)習(xí)，提升對實驗的認識. 基于特定課程的問題的長期積累，形成問題集，將成為學(xué)生學(xué)習(xí)的寶貴文本資源. 除了討論各種課程問題，學(xué)生也可以在記錄學(xué)習(xí)筆記功能模塊記錄自己實驗學(xué)習(xí)的心得，該心得僅由學(xué)生本人可以察看.

2.3 非功能性需求

非功能性需求，主要指開發(fā)的軟件系統(tǒng)為滿足用戶業(yè)務(wù)需求而必須具有且除功能需求以外的特性，非功能性需求對軟件穩(wěn)定高效的運行有重要的意義，主要包括安全性、可靠性、可維護性和實時性等.

2.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

基于Web App的大學(xué)物理實驗微課程系統(tǒng)的軟件設(shè)計如表1所示.

表1 實驗微課程系統(tǒng)軟件設(shè)計表

2.4.1 教師端邏輯設(shè)計

根據(jù)教師端功能的需要，對其實現(xiàn)的邏輯進行設(shè)計. 教師通過首頁進入登錄頁，在登錄頁輸入用戶名和密碼. 在觀看課程頁，教師可以參與課程討論，學(xué)生瀏覽課程的次數(shù)可形成統(tǒng)計圖. 在信息管理頁，教師可修改自己的個人信息和學(xué)生信息，并可以下載學(xué)生學(xué)習(xí)課程的數(shù)據(jù).

2.4.2 學(xué)生端邏輯設(shè)計

學(xué)生端邏輯設(shè)計與教師端相似，但在部分細節(jié)設(shè)計上具有差異. 學(xué)生通過系統(tǒng)首頁進入學(xué)生登錄頁，在登錄頁學(xué)生需要輸入注冊的用戶名和密碼，在選擇觀看課程頁，學(xué)生可以參與課程的討論和記錄課程學(xué)習(xí)筆記.

2.4.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)總體設(shè)計的需要，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫設(shè)計的理論，設(shè)計數(shù)據(jù)庫，共有6張數(shù)據(jù)表，分別是教師信息表、學(xué)生信息表、課程信息表、評論信息表、筆記信息表和觀看課程次數(shù)信息表，其關(guān)聯(lián)主要是通過添加外鍵約束來實現(xiàn).

3 微課程的結(jié)構(gòu)設(shè)計

移動智能終端是微課程得以實現(xiàn)重要載體，結(jié)合移動智能終端和微課程的特點，從學(xué)習(xí)者使用的角度建立在移動智能終端上的微課程結(jié)構(gòu)(見圖1).

圖1 微課程結(jié)構(gòu)

3.1 注冊和登錄

注冊和登錄是學(xué)生可以通過為移動智能終端專門開發(fā)的Web App輸入基本信息. 當(dāng)然如果是學(xué)校為在校學(xué)生開發(fā)的微課程，學(xué)校可以為學(xué)生在服務(wù)器端完成注冊. 注冊和登錄的目的是為了獲取學(xué)習(xí)者基本特征，包括年齡特征、社會文化背景和認知發(fā)展等. 這些特征可以在1次注冊中完成，其獲得有助于系統(tǒng)為用戶推送符合學(xué)習(xí)者特征的課程，可以在一定程度上減少搜索微課程所花費的時間.

3.2 選課

選課是學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)的課程. 因為移動智能終端的屏幕較小，不利于學(xué)習(xí)者進行輸入文字檢索，所以為了讓學(xué)習(xí)者能夠快速地選出課程，移動智能終端上的Web app要對課程進行合理的分類. 對于在校學(xué)生可以首先根據(jù)學(xué)生的年級進行分類，然后再按照各年級的課程進行分類，如果注冊信息中已有學(xué)生的年級信息，則可以在學(xué)生登錄后直接進入相應(yīng)的年級課程進行選課. 為方便學(xué)生選課，課程在智能終端上開發(fā)成圖標(biāo)形式，方便學(xué)生在屏幕上點擊進入課程學(xué)習(xí).

3.3 課前自測

微課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)不同于一般意義上的課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，微課程是圍繞1個教學(xué)的重點或難點展開的，因此學(xué)習(xí)目標(biāo)的陳述比較簡單且指向明確. 在移動智能終端上陳述微課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)應(yīng)該充分利用多媒體特性，學(xué)習(xí)目標(biāo)可采用語音、思維導(dǎo)圖的形式表現(xiàn)出來.

3.4 診斷性評價

診斷性評價是指為了是使教學(xué)適合于學(xué)習(xí)者的需要和背景，在1門課程和1個學(xué)習(xí)單元開始前對學(xué)習(xí)者所具有的認知、情感和技能3方面的特征進行的評價[6]. 在微課程中設(shè)計診斷性評價的目的之一是幫助學(xué)生回憶即將學(xué)習(xí)的知識點的下位知識，為學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備工作. 就目前而言，移動智能終端對學(xué)生進行診斷性評價的能力還是比較有限的，主要采取選擇題的形式. 因為知識點的數(shù)量一般只有幾個，所以題目設(shè)計的數(shù)目也比較少. 如果學(xué)習(xí)者的診斷性評價的成績符合學(xué)習(xí)下一知識點需要則進入下一環(huán)節(jié)，否則建議學(xué)習(xí)者重新選擇適合于學(xué)習(xí)者的課程.

3.5 視頻教學(xué)

視頻教學(xué)是微課程的核心，是微課程短小精悍特點的具體體現(xiàn). 移動智能終端的數(shù)據(jù)傳輸能力有限，在有限的數(shù)據(jù)傳輸能力的基礎(chǔ)上還要確保視頻的清晰度來滿足學(xué)習(xí)的需要，因此對視頻格式的選擇很重要. 如果是借助HTML5開發(fā)的App應(yīng)該盡量使用HTML5的〈video〉中支持的視頻格式如Ogg,MPEG 4,WebM等.

3.6 形成性評價

形成性評價指的是在某項教學(xué)活動開展過程中，為教學(xué)活動更有效而進行的評價，它能及時了解階段教學(xué)的效果和學(xué)生學(xué)習(xí)的進展情況、存在問題等，以便及時反饋，及時調(diào)整和改進教學(xué). 移動智能終端對形成性評價的形式也主要是選擇題的形式. 學(xué)生通過形成性評價則完成了微課程的學(xué)習(xí)，如果形成性評價的成績不合格則建議學(xué)生重新學(xué)習(xí)微視頻. 形成性評價的數(shù)據(jù)也可以通過終端反映給教師，教師根據(jù)學(xué)生形成性評價反映的情況給學(xué)習(xí)者提供個別化的輔導(dǎo).

4 基于Web App的大學(xué)物理實驗微課程的教學(xué)應(yīng)用

信息技術(shù)與課程融合不只是信息技術(shù)在教育中的應(yīng)用，更是信息技術(shù)支持下的教育理念的轉(zhuǎn)變，它將有助于打破傳統(tǒng)的學(xué)科本位和教師本位的教學(xué)體系，建立學(xué)生本位的學(xué)習(xí)體系，使學(xué)生實現(xiàn)基于信息化學(xué)習(xí)環(huán)境的知識建構(gòu). 將基于Web App的物理微課程引入到實驗教學(xué)過程中，無疑又增加了新的交互因素，可以使學(xué)生根據(jù)自己的需要選擇實驗學(xué)習(xí)的資源和方式. 在混合學(xué)習(xí)和移動學(xué)習(xí)日益盛行的趨勢下，微課成為當(dāng)前我國教育信息化資源建設(shè)的重點和研究熱點[7].

目前物理實驗的學(xué)習(xí)過程，以具體的實驗項目為中心，經(jīng)過實驗前的預(yù)習(xí)、實驗課堂上的操作和實驗后的復(fù)習(xí)3個階段. 融合實驗微課程后的學(xué)習(xí)過程中，在課前，學(xué)生可以通過微課程熟悉實驗室環(huán)境、理解實驗原理以及實驗操作的過程. 通過上述步驟的自主學(xué)習(xí)，教師在課堂教學(xué)過程中只需要對實驗做簡單講解，將更多的時間用來幫助盡可能多的學(xué)生. 在實驗課堂上，當(dāng)學(xué)生在實驗操作過程中遇到困難時，也可以隨時利用移動設(shè)備查看微課程，減少教師對簡單問題的重復(fù)回答，將寶貴的課堂時間用來解決學(xué)生個別難以解決的問題. 在課后，學(xué)生仍然可以通過微課程回顧整個實驗的細節(jié)，鞏固對實驗的理解. 學(xué)生在實驗課程的各個環(huán)節(jié)，還可以觀看和發(fā)表關(guān)于該課程的評論，獲取來自其他學(xué)生的幫助. 將移動端實驗微課程融入到實驗學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以隨時隨地學(xué)習(xí)，也可以實現(xiàn)實驗學(xué)習(xí)的課堂翻轉(zhuǎn)[8].

教學(xué)要依據(jù)學(xué)生個性的差異，使具有不同特質(zhì)和傾向的學(xué)生，實現(xiàn)不同類型和層次的成長[9]. 物理實驗的教學(xué)也應(yīng)該考慮到學(xué)生的個性差異，根據(jù)不同學(xué)生的需要提供不同的幫助，而不是給所有的學(xué)生灌輸統(tǒng)一的知識體系. 在有微課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)支持下的物理實驗學(xué)習(xí)環(huán)境中，個別化教學(xué)主要有2個方面：首先是學(xué)生可以根據(jù)自己的需要選擇微課程. 每個實驗的微課程主要有實驗原理、儀器介紹和實驗操作3個部分組成，學(xué)生可以根據(jù)自己在學(xué)習(xí)過程中遇到的困難的類型，選擇觀看哪一部分的微課程，同時學(xué)生也可以操作微課程視頻，跳過已經(jīng)理解部分，選擇自己薄弱的部分觀看，實現(xiàn)學(xué)生按需選擇課程；其次是教師給有需要的學(xué)生提供個別化的指導(dǎo). 這種個別化的教學(xué)不僅可在實驗室中進行，還可通過微課程系統(tǒng)在線上完成. 微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)的首頁、實驗微課程、微課程內(nèi)容及課程學(xué)習(xí)統(tǒng)計如圖2所示.

圖2 微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)

5 結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)被引入教育領(lǐng)域，已經(jīng)對教育界產(chǎn)生了深遠的影響，并且通過多年的教學(xué)實踐，傳統(tǒng)的教育方式已經(jīng)發(fā)生巨大改變. 借助于互聯(lián)網(wǎng)平臺的教學(xué)新模式不斷地涌現(xiàn)，隨著科技發(fā)展進步，智能移動設(shè)備平臺下的移動學(xué)習(xí)開始受到人們廣泛的關(guān)注. 近年來出現(xiàn)的移動學(xué)習(xí)教學(xué)形式再一次推進傳統(tǒng)教學(xué)方式的改革和創(chuàng)新，在移動端新技術(shù)、新設(shè)備被引入后的移動教學(xué)方式與早期的移動學(xué)習(xí)方式相比呈現(xiàn)出了許多新特點. 近年來移動智能設(shè)備在學(xué)生群體中的廣泛使用和教學(xué)資源的全面覆蓋使高等院校的教學(xué)方式邁入新的研究階段[10].

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[責(zé)任編輯：郭 偉]

Structural design of physics experiment micro-course for mobile learning

(School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The transition from internet to mobile internet era was a starting point for the change of learning modes. Combined with the emerging mobile teaching platform and the experiences in practical experiment teaching, the structure and technology of mobile learning system were analyzed and introduced comprehensively, and the specific technical route of the physics experiment micro-course based on the Web App was explained.

mobile learning; mobile internet; micro-course

2016-05-21；修改日期：2016-08-10

教育部高等學(xué)校教學(xué)研究項目(No.DWJZW201431hd)；2016年上海高校實驗物理教學(xué)研究會項目(No.01-201610-47)

馬寧生(1960-)，男，湖北沔陽人，同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院副教授，碩士，研究方向為教育技術(shù)學(xué).

互聯(lián)網(wǎng)+物理

G642.423;TP393

A

1005-4642(2016)11-0023-05

“第9屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文