技術(shù)的融合實踐
——以邁克耳孫干涉實驗為例

宋洪曉，徐建強，韓廣兵

(山東大學(xué) 物理學(xué)院 物理國家級實驗教學(xué)示范中心，山東 濟南 250100)

近年來，信息技術(shù)的高速發(fā)展，給大學(xué)物理實驗教學(xué)帶來了巨大的改變，既有多媒體教學(xué)方式的普及、實驗儀器的自動化等儀器設(shè)備層面的改變，也有教學(xué)方式和教學(xué)理念等的改變[1]. 在物理實驗教學(xué)中，借助現(xiàn)代信息技術(shù)，虛擬仿真、遠程教學(xué)等實驗教學(xué)方式讓學(xué)生有了接觸大型貴重儀器以及特殊實驗環(huán)境的機會[2]. 但是在面對面的實驗課堂教學(xué)及紙質(zhì)實驗教材等比較基礎(chǔ)的常規(guī)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，新技術(shù)運用較少，仍停留在多媒體教學(xué)層面，授課效率和教學(xué)效果有待進一步提高. 本文將在手機端運行的HTML5動畫技術(shù)和二維碼技術(shù)，融入到物理實驗課堂教學(xué)和實驗新形態(tài)教材建設(shè)中，在信息技術(shù)與物理實驗教學(xué)融合方面進行研究和探索.

1 新生代大學(xué)生給物理實驗教學(xué)帶來新挑戰(zhàn)

新生代大學(xué)生被稱為“互聯(lián)網(wǎng)原住民”[3]，他們從小接觸電子產(chǎn)品，使用互聯(lián)網(wǎng)，接受生動活潑、形式多樣的教育方式[4]. 接受多種教學(xué)方式的學(xué)生群體給大學(xué)物理實驗教學(xué)帶來了巨大的挑戰(zhàn). 物理實驗教學(xué)注重培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力，大量常規(guī)的實驗教學(xué)在課堂中占據(jù)主要地位，可讓學(xué)生通過反復(fù)操作達到提高動手能力的目的，但該種教學(xué)方式容易讓學(xué)生感覺枯燥. 在“注意力”資源被日益重視的背景下[5]，培養(yǎng)大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣具有重要意義. 課堂教學(xué)是物理實驗教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，常規(guī)物理實驗教學(xué)大多采用“學(xué)生課前預(yù)習(xí)、教師課堂上集中講授、學(xué)生動手操作、課后復(fù)習(xí)鞏固”的教學(xué)流程. 課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)需要增加學(xué)生的主動性和趣味性，提高自學(xué)效果；而教師集中講授環(huán)節(jié)則需要吸引學(xué)生的注意力，提高教學(xué)效率，盡量壓縮講授時間，以便給學(xué)生預(yù)留更多的時間動手操作. 學(xué)生在預(yù)習(xí)和教師集中講授這2個環(huán)節(jié)經(jīng)常提不起興趣，從優(yōu)化實驗課堂教學(xué)效果出發(fā)，增加這2個環(huán)節(jié)的信息技術(shù)含量，吸引學(xué)生的“注意力”資源，同時增加師生現(xiàn)場互動、聚焦實驗重點難點，有助于提高實驗教學(xué)效果.

2 充分利用手機作為物理實驗課堂教學(xué)的輔助學(xué)習(xí)工具

移動設(shè)備逐漸成為人們上網(wǎng)的主要方式[6]，移動學(xué)習(xí)環(huán)境也在逐漸代替以個人電腦為主的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境. 充分利用手機作為物理實驗課堂教學(xué)的輔助學(xué)習(xí)工具，發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探索的主觀能動性，便于教師在課堂上引導(dǎo)使用，而且實施成本較低，不需要引入昂貴的特殊設(shè)備，更有利于實施和推廣. 同時，在物理實驗教學(xué)中發(fā)揮手機輔助學(xué)習(xí)的功能，也是與手機端各種App及其他課程爭奪學(xué)生的“注意力”資源.

文本、圖像、音視頻、動畫等多種表現(xiàn)形式的教學(xué)資源構(gòu)建了全方位、多維度的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境. MOOC等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的運行環(huán)境也在從電腦運行為主過渡到移動設(shè)備運行為主，在運行環(huán)境的遷移中，文本、圖像、音視頻等數(shù)據(jù)格式在計算機和手機上具有較好的兼容性. 但是由于手機功耗、性能以及安全性等問題，曾經(jīng)在計算機端廣泛使用的傳統(tǒng)交互動畫方式使用受到限制[7]，移動端的交互動畫正處于青黃不接的狀態(tài). 在只有音視頻和文字、圖像，缺少交互動畫條件下，手機端的學(xué)習(xí)環(huán)境就難以稱得上完整的解決方案. 目前手機端交互動畫解決方案是HTML5技術(shù)，課堂上或紙質(zhì)教材中分發(fā)傳播多媒體資源和HTML5動畫，可以采用掃描二維碼的形式[8].

HTML5是最新的系列網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)的統(tǒng)稱，除具備基本的網(wǎng)頁排版功能外，還包括Javascript程序語言，能完成一定規(guī)模的數(shù)學(xué)計算和邏輯運算，并具備繪制矢量圖形和觸屏響應(yīng)等功能，擁有強大的交互動畫能力[9]. HTML5除了能在電腦上運行之外，還能被智能手機廣泛支持，使用手機內(nèi)置的瀏覽器和微信、QQ等聊天軟件客戶端就能直接打開并綠色運行. 因此近幾年HTML5動畫應(yīng)用發(fā)展迅速，例如淘寶手機客戶端和微信小程序里的各種動畫都是使用HTML5技術(shù)開發(fā)[10].

智能手機訪問HTML5動畫，可以通過形成超鏈接的方式，也可以通過聊天窗口發(fā)送、群共享等方式傳播，而更迅速便捷的方式，是掃描二維碼. 將動畫的地址轉(zhuǎn)換成二維碼圖片，印刷在教材對應(yīng)的章節(jié)處，或者插入到教師授課的PPT中，學(xué)生通過手機掃碼訪問，就可以在手機上直接打開并運行. 這種掃碼訪問的方式簡單便捷，使紙質(zhì)教材和教學(xué)資源網(wǎng)站真正地融為一體. 手機掃碼不僅可以用來訪問HTML5動畫，也可以用來訪問視頻、圖像、參考資料、自測練習(xí)等，成為新形態(tài)教材的標準配置[11].

3 HTML5動畫在物理實驗課堂教學(xué)中的應(yīng)用舉例

HTML5動畫與傳統(tǒng)教學(xué)資源(如視頻等)，最大的區(qū)別在于使用操作的自主性. 視頻雖然經(jīng)過精心拍攝和剪輯，但是每次打開內(nèi)容都是教師在課堂上播放，是一對多的廣播方式，學(xué)生只是旁觀者，視頻無法根據(jù)學(xué)生的情況，做出靈活的變化. 因此講解視頻在預(yù)習(xí)等環(huán)節(jié)效果較好，而在實際課堂授課時，學(xué)生更傾向教師的現(xiàn)場講解. 智能手機的普及，為學(xué)生與動畫間一對一的交流提供了可能. 學(xué)生使用HTML5動畫時，通過在手機屏幕上點擊、拖動等方式調(diào)整參量，動畫顯示的效果根據(jù)參量實時計算得出，不同的參量組合呈現(xiàn)不同的效果. 而實驗課教師可從其他角度參與到這個交流互動中來，如教師在電腦上打開動畫，使用投影儀進行演示操作，學(xué)生在手機上打開，根據(jù)自己的想法調(diào)整參量，跟隨操作. 師生課堂上一邊操作動畫一邊交流互動，混合式的交流互動方式能夠取得較好的教學(xué)效果[12].

物理實驗教學(xué)中，存在很多教學(xué)難點，在傳統(tǒng)教學(xué)方式下學(xué)生知識點掌握情況并不理想. 例如在邁克耳孫干涉實驗中，學(xué)習(xí)難點主要有3個：a.邁克耳孫干涉實驗的原理和干涉圖案圓環(huán)的吞吐規(guī)律；b.激光器安裝擴束鏡前光斑的對正位置與安裝擴束鏡后干涉圖案的關(guān)系；c.儀器主刻度尺、觀察窗和微調(diào)手輪上3個刻度如何配合讀數(shù)和微調(diào)手輪測量時只允許單向轉(zhuǎn)動的規(guī)定[13]. 這3個學(xué)習(xí)難點實驗授課教師在課堂中會反復(fù)強調(diào)，但是學(xué)生掌握情況仍然不理想，本文將這些學(xué)生不容易掌握的學(xué)習(xí)重點、難點分別設(shè)計成3個HTML5動畫，每個動畫對應(yīng)1個知識難點，課堂教學(xué)中可以單獨使用.

邁克耳孫干涉儀原理動畫如圖1所示(可掃描右下角二維碼打開動畫)，將干涉條紋和光路原理圖對照顯示，拖動下方的滾動條，改變移動鏡位置，光路和模擬的投影屏干涉圖案也會跟著發(fā)生改變. 教師授課時也會著重強調(diào)影響條紋吞吐的是固定鏡和移動鏡之間的距離差，提醒學(xué)生注意幾個關(guān)鍵位置：在兩鏡距離差為0時，屏上恰好沒有條紋；兩鏡距離差逐漸增大時，從中心吐出圓環(huán)，圓環(huán)密度增加；兩鏡距離差減小時，從中心吞沒圓環(huán)，圓環(huán)密度減少.

圖1 邁克耳孫干涉儀原理的動畫截圖及二維碼

邁克耳孫干涉儀對正調(diào)節(jié)動畫如圖2(a)所示(可掃描下方二維碼打開)，將激光器安裝擴束鏡前、后，投影屏上顯示的圖案在動畫上、下部分同時顯示. 學(xué)生可以直觀理解為什么實驗前期要反復(fù)調(diào)整反射鏡角度，使兩路的激光束光斑重合在投影屏中間的理想位置. 實驗后期在投影屏上調(diào)整出干涉圖案但效果不理想時，例如只有部分彎曲線條但沒有中心光斑時，理解了對正的原理，能根據(jù)曲線形態(tài)推測出圓心，并快速進行調(diào)整對正，節(jié)約了大量調(diào)整儀器的時間.

邁克耳孫干涉儀旋鈕動畫如圖2(b)所示(掃描下方二維碼打開)，模擬了粗調(diào)、細調(diào)2個調(diào)整手輪及主刻度尺、刻度盤和微調(diào)手輪上的3個刻度尺，學(xué)生通過模擬調(diào)整，可以直觀地認識到3個刻度尺之間是100倍的關(guān)系，微調(diào)手輪上1個刻度是10-4mm. 更重要的是動畫模擬了微調(diào)手輪通過蝸輪傳動給刻度盤的曠量，不管原來是順時針還是逆時針旋轉(zhuǎn)微調(diào)手輪，反向轉(zhuǎn)動時都需要空轉(zhuǎn)一段距離才會帶動刻度盤轉(zhuǎn)動，這段空轉(zhuǎn)的刻度也會帶入測量結(jié)果中造成讀數(shù)偏差. 學(xué)生根據(jù)動畫模擬更容易理解為什么在實際測量讀數(shù)時，只允許微調(diào)手輪向同一個方向轉(zhuǎn)動.

(a)對正調(diào)節(jié) (b)旋鈕調(diào)節(jié)圖2 邁克耳孫干涉儀其他動畫截圖及二維碼

在邁克耳孫干涉實驗中引入HTML5交互動畫后，學(xué)生預(yù)習(xí)效果和學(xué)習(xí)效率得到明顯提升. 在未引入動畫前，實驗課堂上大多數(shù)學(xué)生只能完成激光波長、鈉燈雙黃線波長差的測量，極少部分學(xué)生能選做白光干涉或現(xiàn)場完成實驗數(shù)據(jù)處理. 而引入動畫后，選做白光干涉學(xué)生明顯增多，也有部分學(xué)生現(xiàn)場完成實驗數(shù)據(jù)處理并和教師、同學(xué)討論誤差、精度等問題.

4 引入HTML5實驗動畫的實驗教學(xué)設(shè)計

4.1 保持原有實驗體系，逐漸融入HTML5交互動畫教學(xué)

在物理實驗課堂教學(xué)中使用HTML5交互動畫是對原有物理實驗課堂教學(xué)的有益補充，并且開發(fā)和使用過程可以逐漸融入[14]. 做好HTML5交互動畫并在教學(xué)中應(yīng)用，師生應(yīng)用后反饋的結(jié)果能進一步促進動畫的優(yōu)化和迭代. 每個動畫的制作和優(yōu)化都是解教學(xué)之所需，在實際實驗教學(xué)中更實用. 經(jīng)過一段時間的積累，目前已經(jīng)有約20個HTML5交互動畫投入物理實驗課堂教學(xué)中.

開發(fā)HTML5實驗動畫，最重要的一步是動畫的選題，在保持原有實驗體系的基礎(chǔ)上，梳理實驗知識體系中的重點和難點，并將引入交互性能夠提高教學(xué)效果的知識點篩選出來，設(shè)計HTML5交互動畫. 在過程較復(fù)雜或者操作繁瑣的實驗動畫時，可以將實驗過程進行合理的簡化與拆分，降低設(shè)計、開發(fā)的復(fù)雜度. 例如在邁克耳孫干涉實驗相關(guān)的動畫選題時，根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)出學(xué)生掌握難度較大的3個知識點，并對其分別開發(fā)相應(yīng)動畫. 把較復(fù)雜的實驗化繁為簡，不僅易于動畫開發(fā)，也便于教師將動畫機動、靈活地穿插在課堂授課過程中.

4.2 保證HTML5物理實驗動畫的科學(xué)性

互聯(lián)網(wǎng)公司開發(fā)HTML5游戲、廣告動畫效果時，更多是從視覺效果出發(fā)，追求可玩性和感官刺激，并不需要嚴格遵循實際物理規(guī)律[15]. 但是物理實驗動畫必須保證模擬顯示效果的科學(xué)性，因此動畫的設(shè)計和開發(fā)都需要建立在對物理原理、現(xiàn)象準確描述和數(shù)學(xué)定量計算的基礎(chǔ)上. HTML5物理實驗動畫的設(shè)計開發(fā)流程可以分成動畫選題、物理與數(shù)學(xué)建模、顯示效果設(shè)計、交互和界面設(shè)計、程序編碼5個階段[16]. 本文主要從物理與數(shù)學(xué)建模和顯示效果設(shè)計方面入手，保證HTML5物理實驗動畫的科學(xué)性.

1)在物理與數(shù)學(xué)建模上，設(shè)計者需要深刻理解實驗相關(guān)的物理原理和理論公式，將實驗現(xiàn)象背后的物理原理抽象出來，并將其變化規(guī)律用易于程序?qū)崿F(xiàn)的數(shù)學(xué)表達式進行描述，這一步需要設(shè)計者有較好的物理學(xué)功底. 在為較復(fù)雜的實驗建模時，要注意簡化和抽象物理模型，著重表現(xiàn)實驗背后的物理思想. 例如在邁克耳孫干涉實驗相關(guān)的動畫中，主要模擬了等傾干涉效果，數(shù)學(xué)上可以直接使用等傾干涉條紋公式對條紋的亮暗位置進行計算.

2)在顯示效果設(shè)計上，HTML5繪圖是矢量繪圖，不同于數(shù)碼相機逐點記錄的方式，矢量繪圖的特點是用公式描述曲線和漸變繪圖，圖形越復(fù)雜，描述越繁瑣. 因此在屏幕上再現(xiàn)物理現(xiàn)象時需要考慮將復(fù)雜的實驗現(xiàn)象進行適當(dāng)?shù)睾喕?，設(shè)計逼真又易于程序?qū)崿F(xiàn)的顯示效果. 例如邁克耳孫干涉實驗顯示的關(guān)鍵點是模擬亮暗交替的干涉條紋，等傾干涉條紋是中心對稱的圓環(huán)圖案，可以使用HTML5繪圖中提供的“放射狀填充”方法繪制.

4.3 HTML5動畫與其他形式教學(xué)資源相互配合，發(fā)揮最大效果

HTML5動畫使用矢量圖方式在電腦或者手機瀏覽器屏幕上繪制，細節(jié)表現(xiàn)能力有限，只能起到簡單示意的效果，需要結(jié)合視頻、高分辨率圖像顯示實際實驗儀器、實驗現(xiàn)象的高清效果. 但是其模擬儀器參量改變，即時顯示出對應(yīng)效果的交互性卻是視頻、圖像等格式無法做到的.

視頻、交互動畫、圖形圖像、文字等多種形式的學(xué)習(xí)資源各有所長，對物理實驗教學(xué)需要進行分析，抽象物理原理適合使用交互動畫，展示實驗過程適合使用視頻，實驗關(guān)鍵節(jié)點適合使用圖形圖像，重要注意事項適合使用文字，HTML5動畫也可以實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)處理和評價反饋. 各種形式的教學(xué)資源相互組合，相互配合，從多個角度將需要學(xué)生掌握的要點清楚、準確、生動地傳授給學(xué)生，學(xué)生在操作實驗儀器時，可以起到事半功倍的效果，有效提高實驗的效率和質(zhì)量. HTML5作為手機端的新技術(shù)，在實驗教學(xué)資源的建設(shè)完善中起到了畫龍點睛的作用，從教學(xué)過程和知識覆蓋上實現(xiàn)了完美的閉環(huán).

4.4 對使用HTML5交互動畫的實驗教學(xué)模式的探索

以讓學(xué)生喜歡物理實驗課為目的，充分利用手機作為物理實驗課堂教學(xué)輔助學(xué)習(xí)工具，提高實驗課程的興趣度. 引入高質(zhì)量的HTML5交互動畫部分改變了難點實驗的教學(xué)模式，教師講授實驗原理不再用枯燥的理論和公式作為開始，而是先使用交互動畫幫助學(xué)生理解公式背后的物理過程，再配合實驗過程的小視頻和實驗細節(jié)的照片特寫. 學(xué)生容易懂、樂意學(xué)、興趣高，提高了預(yù)習(xí)和集中講授環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果. 學(xué)生節(jié)省下的課堂時間，可以用來探索更深入的實驗拓展內(nèi)容. 隨著HTML5交互動畫的進一步建設(shè)，實驗數(shù)量的增加，也必將對實驗教學(xué)方法、模式、實驗安排等方面帶來更深遠的影響.

5 使用效果

使用HTML5開發(fā)的物理實驗動畫在山東大學(xué)物理學(xué)院、微電子學(xué)院等的物理實驗課堂教學(xué)中取得了良好的效果. HTML5動畫帶來的交互性讓學(xué)生對物理實驗課程的興趣度和關(guān)注度更高，學(xué)生使用后的反饋非常好.

在《大學(xué)物理實驗》教材改版時，HTML5動畫也和其他教學(xué)資源一起，成為新版新形態(tài)教材的配套資源，使用二維碼印刷在紙質(zhì)教材中，供學(xué)生學(xué)習(xí)時掃碼訪問[17]. 根據(jù)配套教學(xué)資源網(wǎng)站后臺統(tǒng)計，2020年秋季學(xué)期，教材中嵌入的19個HTML5交互動畫的訪問量最高達到600多次，訪問量最少也有200多次，遠超過上一版教材需要利用電腦登陸網(wǎng)站訪問教學(xué)資源的訪問量.

因受多方面因素制約，本文采取個人設(shè)計、開發(fā)，邊開發(fā)邊投入使用、逐漸融入式的開發(fā)方式. 經(jīng)過2年多建設(shè)，完成了約20個HTML5物理實驗交互動畫，覆蓋了約1/3的實驗項目，覆蓋面還不夠廣；同時主要在學(xué)校內(nèi)部配合教材使用，應(yīng)用范圍還有待進一步推廣；已完成的HTML5交互動畫的通用性和趣味度還需要進一步優(yōu)化，這些都是下一步努力提升的方向.

6 結(jié)束語

隨著手機等移動設(shè)備性能越來越好，功能越來越強大，移動設(shè)備替代電腦成為主流上網(wǎng)方式的趨勢不可避免[18]. 《中國教育現(xiàn)代化2035》提出要“充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，豐富并創(chuàng)新課程形式”，《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案(2018-2022 年)》也提出了“以互聯(lián)網(wǎng)等信息化手段服務(wù)教育教學(xué)全過程”的要求. 物理實驗的課堂教學(xué)、新形態(tài)教材的建設(shè)等方面也需要順應(yīng)信息時代的發(fā)展[19]，讓移動設(shè)備成為提高實驗課堂教學(xué)效果的助推器.