使用ＥＪＳ制作理科互動(dòng)課件

　　理科互動(dòng)課程是以問題為導(dǎo)向，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型模擬開展自主探究和學(xué)習(xí)的新型課程^[1]。在互動(dòng)課程的實(shí)施中，教師運(yùn)用這種認(rèn)知的支架來促進(jìn)學(xué)生復(fù)雜的思維的形成。互動(dòng)課程作為改變理科學(xué)習(xí)方式的一種富有成效的學(xué)習(xí)方式，必將成為中小學(xué)信息技術(shù)與課程整合的主要趨勢。互動(dòng)課程通過互動(dòng)課件為學(xué)生提供學(xué)習(xí)活動(dòng)的支架，使學(xué)習(xí)者能夠進(jìn)行比較復(fù)雜的學(xué)習(xí)活動(dòng)，投入到高級(jí)的思考和問題解決活動(dòng)中去。
　　
　　一、互動(dòng)課件及其產(chǎn)生方式
　　
　　互動(dòng)課件是指用F1ash，Java等計(jì)算機(jī)語言編制的，具有交互和多媒體特點(diǎn)的教學(xué)課件。它和普通演示課件的區(qū)別在于演示課件模擬的內(nèi)容和展現(xiàn)的時(shí)序往往在設(shè)計(jì)者開發(fā)的時(shí)候就已經(jīng)固定，學(xué)習(xí)者無法按照自身要求改變和控制其內(nèi)容和時(shí)序，信息傳輸?shù)倪^程是一種由計(jì)算機(jī)向?qū)W習(xí)者的單向傳輸。而互動(dòng)課件模擬的內(nèi)容和展現(xiàn)的時(shí)序可以出學(xué)習(xí)者通過改變課件參數(shù)來控制，通過信息雙向傳輸和課件進(jìn)行互動(dòng)。互動(dòng)課件根據(jù)學(xué)習(xí)者的思維創(chuàng)設(shè)、輸出在不同條件下的結(jié)果，學(xué)習(xí)者通過可視化的模擬來探究學(xué)習(xí)內(nèi)容的本質(zhì)，在對不同的內(nèi)容比較中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象和規(guī)律。理科互動(dòng)課件主要用來實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，它比真實(shí)實(shí)驗(yàn)更能體現(xiàn)變化，學(xué)生在多種可能的變化的探究中自主建構(gòu)，是學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的有力工
　　1．基于網(wǎng)絡(luò)提供的交互課件。課件質(zhì)量較好，但是網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)量有限，有時(shí)不能滿足教學(xué)的需要。如果是國外網(wǎng)站的課件，對廣大教師來說還存在語言的限制。
　　2．基于計(jì)算機(jī)語言編寫的課件。教師可以利用Flash或者VB等語言制作課件。這類課件比較有針對性，但是技術(shù)門檻較高，一般教師不容易實(shí)現(xiàn)。
　　3．利用一些工具性軟件制作，如“幾何畫板”，技術(shù)門檻很低，不僅教師容易掌握，一般的學(xué)生也很容易掌握。在教學(xué)生，學(xué)生可以將它作為一種學(xué)習(xí)工具，能夠在一定程度上改變現(xiàn)在的學(xué)習(xí)模式。但是界面不太漂亮，比較強(qiáng)的開放性既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)。
　　4．使用專用軟件制作，如物理軟件interactivephysics，這個(gè)軟件可以和“幾何畫板”相互結(jié)合使用，互補(bǔ)性非常強(qiáng)。它提供一個(gè)開放的環(huán)境，但是由于是國外軟件，所以有語言的制約。
　　Easy Java Simulations(EJS)是由西班牙的Francisco Esquembre開發(fā)的基于Java的交互型模擬軟件，它具有創(chuàng)作過程簡單、自動(dòng)生成運(yùn)行代碼和界面友好等特點(diǎn)，而且已經(jīng)被漢化。此款軟件特別適合那些沒有較多編程知識(shí)，沒有太多時(shí)間的大中小學(xué)教師、學(xué)生以及研究人員，適合物理學(xué)科、控制工程等理工科教學(xué)使用。
　　
　　二、Easy Java Simulations簡介
　　
　　EJS是一種用來快速簡單地創(chuàng)建基于Java的動(dòng)態(tài)的、交互的科學(xué)模擬過程的免費(fèi)的工具軟件^[2]。EJS提供了一個(gè)簡化的“模型—控制—顯示界面”模式幫助使用者創(chuàng)建模擬的步驟。具體步驟包括：
　　1．模型Model。用來描述研究的現(xiàn)象，可以定義不同的變量來保存現(xiàn)象的不同狀態(tài)，用計(jì)算機(jī)運(yùn)算規(guī)則來定義各個(gè)變量之間的關(guān)系。
　　2．控制Simulation。定義了某些用戶執(zhí)行模擬的行為。
　　3．顯示界面View。用來顯示模擬現(xiàn)象的不同狀態(tài)的圖形。
　　這三個(gè)部分相互影響。當(dāng)模型中的一個(gè)或多個(gè)變量改變時(shí)，這種變化被傳遞到顯示界面以至于能夠立即顯示模型的新狀態(tài)。控制影響模型，由于其擰制行為能夠修改模型中變量的值，進(jìn)而會(huì)修改了顯示界面最終顯示的狀態(tài)。顯示界面影響模型和控制，因?yàn)轱@示界面中的元素提供了交互功能，用戶與界面的一些交互能夠立即影響與之相連的模型中的變量。用EJs構(gòu)建模擬的各結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如圖1所示。
　　具體說來，開發(fā)互動(dòng)課件中的一個(gè)交互型模擬過程需要三步：描述模型、使用顯示界面中的元素創(chuàng)建用戶界面、界面元素屬性與模型變量相鏈接。最后一步是將模擬轉(zhuǎn)化為互動(dòng)課件的關(guān)鍵。
　　
　　
　　三、創(chuàng)建互動(dòng)課件實(shí)例
　　
　　系統(tǒng)推薦使用EJS控制臺(tái)來制作互動(dòng)課件。只要你在安裝EJS時(shí)安裝了Java 2 Standard edi—tion Developent Kit(JDK)，并告知EJS JDK的安裝目錄，你就叫可以在安裝目錄下雙擊EJSConsole．jar打開控制臺(tái)。點(diǎn)擊“Launch Easy JavaSimulations”按鈕，就打開了EJS界面。點(diǎn)擊后側(cè)的“打開”按鈕，找到一example／manual／firstcontact下的spring．xml，我們以EJS自帶的彈簧實(shí)驗(yàn)為例說明EJS的使用。
　　如圖2所示，EJS提供了創(chuàng)建“所見及所得”的網(wǎng)頁編輯器，用戶通過點(diǎn)擊“簡介／說明”選項(xiàng)，就可以提供互動(dòng)課件中完整的模擬過程的操作指令和解釋性的敘述。用戶可以編輯與課件內(nèi)容相關(guān)的教學(xué)信息。
　　
　　
　　2．創(chuàng)建模型
　　用戶需要聲明一些描述模型狀態(tài)的變量，寫出模型運(yùn)行所需的特定的運(yùn)算規(guī)則。物理現(xiàn)象通常可以用數(shù)學(xué)方程式來描述，教師將這些方程轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)語言的運(yùn)算規(guī)則，也可以通過調(diào)用Mat lab／Simulink米建立模型。在EJS中，用戶可以根據(jù)以下步驟定義模型：
　　(1)定義描述模擬系統(tǒng)的變量
　　(2)初始化變量
　　(3)寫出運(yùn)算規(guī)則，顯示變量的值是如何隨著時(shí)間以及用戶的交互的變化而變化的。事實(shí)上，執(zhí)行運(yùn)算規(guī)則是件復(fù)雜的工作，但是使用EJS卻很容易實(shí)現(xiàn)。首先，EJS提供非常簡單的常微分方程的編輯器和解法器。用戶寫常微分方程與在黑板上寫方程相似， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)提供的規(guī)則產(chǎn)生解此方程的代碼。其次，能連接Matlab／Simulink，使用戶可以很方便地使用這些工具來解模型。
　　spring．xml的模型界面圖如圖2所示，在變量／ 參數(shù)窗口中定義了課件中模擬系統(tǒng)所需的變景，如小球的質(zhì)量m、彈簧的彈性變量k，彈簧靜態(tài)時(shí)的長度1，彈簧末端的水平坐標(biāo)x，垂直坐標(biāo)y，小球水平方向運(yùn)動(dòng)的速度Vx，模擬的時(shí)間變量t，模擬中每一步的時(shí)間增量dt。同時(shí)設(shè)置了這些變量的初始值以及變量的類型。
　　此課件中模擬過程的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可以由常微分方程表示，在參數(shù)演化關(guān)系的窗口，定義了常微分方程組(1)，界面如圖3所示。
　　
　　窗口左側(cè)的滑條可以用來控制課件中模擬的速度，即每秒執(zhí)行演化方程的次數(shù)。
　　當(dāng)然，如果課件的模擬系統(tǒng)比較復(fù)雜的話，可以在參數(shù)關(guān)系窗口寫出模擬過程所需的約束變量的方程，也可以在自定義函數(shù)窗口創(chuàng)建自己的函數(shù)，高級(jí)用戶還可以調(diào)用自定義的JAVA類庫。
　　
　　3．創(chuàng)建顯示界面
　　如圖4所示，EJS提供了一系列圖形元素來創(chuàng)建顯示界面，通過拖拉這些元素可以建立如按鈕、滑動(dòng)條、文本框，復(fù)合框等元件，還能建立二維和三維的可視化的類，如質(zhì)點(diǎn)、向量、圖形等。用戶可以設(shè)置E J S中的每個(gè)圖形元素的屬性項(xiàng)來定義元素的外形和行為，如可以定義他們的顯示值、位置、尺寸等。用戶p／以將顯示界面中圖形元素的屬性與模型中變量的值相連接。當(dāng)用戶與這些元素交互時(shí)，通過調(diào)用這些元素的屬性來引發(fā)用戶定義的行為。
　　
　　此例的整個(gè)界面由mainwindow和dialog窗口組成。主窗口由左側(cè)面板LeftPanel和畫圖面板DrawingPanel組成。左側(cè)而板包含兩個(gè)面板，ButtonsPancl顯示控制模擬執(zhí)行的按鈕，用LowerPanel來調(diào)節(jié)小球質(zhì)量和彈簧彈性變量。畫圖面板DrawingPanel顯示模擬生成界面的墻、彈簧和小球等圖形。對話窗口使用Time DisplayPanel面板來顯示小球隨時(shí)間變化的位移與速度演化圖。
　　
　　4、使用EJs發(fā)布課件
　　在打開生成的spring．xml時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)窗口，一個(gè)顯示模擬過程，一個(gè)顯示與彈簧相連的小球隨時(shí)間變化的位移與速度的演化圖。記住，此時(shí)出現(xiàn)的窗口是靜態(tài)窗口，不能點(diǎn)擊窗口的按鈕進(jìn)行模擬。要運(yùn)行此課件的模擬過程，仍然點(diǎn)擊EJS界面右側(cè)的“運(yùn)行”按鈕，此時(shí)彈出的與之前彈出的一模一樣的兩個(gè)窗口才是動(dòng)態(tài)的，如圖5所示。用戶可以通過點(diǎn)擊5中課件界面左上側(cè)的運(yùn)暫停，復(fù)位鍵來控制課件的模擬過程，也可以對下側(cè)中的質(zhì)量和彈簧的彈性系數(shù)進(jìn)行修改，以符合自身的實(shí)際需求。
　　由上述可知，EJS提供了一個(gè)簡單的結(jié)構(gòu)和簡化的可以創(chuàng)建互動(dòng)課件，使用EJS創(chuàng)建的萬動(dòng)課件能作為獨(dú)立的應(yīng)用程序的形式在不同的操作系統(tǒng)下使用。EJS的發(fā)布形式有兩種，一種使用EJS發(fā)射臺(tái)發(fā)布課件。運(yùn)用此方式發(fā)布課件，生成．jar文件，只需雙擊．jar文件，就可以直接運(yùn)行課件了。另一種是在能運(yùn)行JAVA程序的網(wǎng)頁上發(fā)布。EJS包括了一個(gè)簡單的HTML編輯器，可以幫助教師在網(wǎng)頁上發(fā)布課件中的教學(xué)信息和模擬過程。EJ S生成的互動(dòng)課件以HTML文件直接在支持JAVA程序的運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，而不需要教師了解網(wǎng)頁編輯知識(shí)。
　　
　　
　　四、使用EJS創(chuàng)建的互動(dòng)課件的優(yōu)勢
　　
　　使用EJS創(chuàng)建的互動(dòng)課件，教師通過課件界面的文本框和滑動(dòng)條可以設(shè)置實(shí)驗(yàn)的不同參數(shù)，生成不同的模擬過程。由于EJS是一個(gè)簡化的制作課件的工具，教師可以根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，只需花費(fèi)很少的時(shí)間就可以生成實(shí)際教學(xué)所需的互動(dòng)課件。由于課堂活動(dòng)還存在很多不確定因素，教師可以根據(jù)課堂的變化及時(shí)修改課件。
　　使用EJS創(chuàng)建的互動(dòng)課件，學(xué)生可以在教師的幫助和指導(dǎo)下進(jìn)行自主學(xué)習(xí)活動(dòng)，可以運(yùn)用有效的模式進(jìn)行學(xué)習(xí)，促進(jìn)概念的理解。學(xué)生通過閱讀互動(dòng)課件的代碼了解教師創(chuàng)建模擬的過程，修改和提高互動(dòng)課件中模擬的過程，創(chuàng)建包含他們自己所要表達(dá)的模擬過程的課件，從而培養(yǎng)自己主動(dòng)探究的能力。
　　因此，在現(xiàn)階段的理科教學(xué)中使用EJS，不但能促進(jìn)課堂教學(xué)，而且在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也發(fā)揮很大的作用，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主探索實(shí)驗(yàn)過程。同時(shí)能夠減輕教師工作量，為教師方便地運(yùn)用信息技術(shù)改革傳統(tǒng)教學(xué)模式打下良好的基礎(chǔ)。
　　
　　參考文獻(xiàn)
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