移動學習中的物理實驗微課程結構設計

馬寧生，呂 軍

(同濟大學 物理科學與工程學院，上海 200092)

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移動學習中的物理實驗微課程結構設計

馬寧生，呂 軍

(同濟大學 物理科學與工程學院，上海 200092)

以互聯網時代到移動互聯網時代教學方式的轉變為起點，結合移動互聯網、智能手機等新出現的移動教學平臺在物理實驗教學中的實踐教學經驗，全面分析和介紹了移動學習系統中的結構與技術，闡述了以Web App 作為平臺開發物理實驗微課程的具體技術路線.

移動學習；互聯網；微課程

“教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)”明確提出了教育的發展目標之一是“充分發揮現代信息技術獨特優勢，信息化環境下學生自主學習能力明顯增強，教學方式與教育模式創新不斷深入，信息化對教育變革的促進作用充分顯現”[1]. 因此在近年來的高等院校信息化建設中，在線學習已經成為學生學習的一種方式. 隨著科學技術與教學資源的整合，教學方式也出現許多改革和創新. 其中，近年來移動智能設備的廣泛使用，如何將教學資源的全面推送已成為教育信息化建設的新課題[2].

大學物理實驗需要借助教育信息化的浪潮來實現其自身的教學改革. 將物理實驗微課程放在Web App上，融合到學生的實驗學習過程中，將會促進物理實驗的教學環境、教學過程和學習方式等的變革.

1 移動學習系統的結構與技術

1.1 移動應用程序

目前，移動應用程序主要有Native App，Web App和Hybrid App. Native App依賴于移動終端的操作系統而開發的應用程序，它需要針對不同的操作系統分別進行開發，用戶可以直接在網上根據自己終端的操作系統進行下載安裝. Native App的缺點是開發周期長、成本高、維護成本高和更新緩慢，但在用戶體驗、性能的穩定性和在對本地資源的調用等方面，Native App仍具有不可替代的優勢. Web App是可以直接運行在移動設備瀏覽器上的應用程序，它是利用Web技術開發的，無需下載和安裝，它可以擁有與在Native App上相似的用戶體驗，由于與操作系統平臺無關，且具有良好的跨平臺的特性，因此具有開發周期短、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，內核訪問的是Web App[3]. 考慮到Web App具有上述特點，而且大學物理實驗微課程移動學習系統并不涉及調用本地移動設備資源，因此在開發過程中，選擇Web App的形式.

1.2 HTML5技術

廣義上的HTML5是一系列Web技術范疇，包括HTML5，CSS3，JavaScript API、Web Application和通訊協議等多個技術領域[4].

在大學物理實驗微課程移動學習系統的開發過程中，除了運用了〈video〉支持手機端播放視頻的標簽外，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致相同元素顯示的差異，同時Normalize.css還幫助修復了瀏覽器上的部分漏洞. 為了讓學習系統具有良好的交互效果，系統開發采用了Zepto框架. Zepto是專門針對現代移動設備，瀏覽器內核為Webkit的非常輕量級的JavaScript類庫，具有與jQuery相同的語法結構和使用方法，開發者可以容易上手.

1.3 Ajax技術

Ajax是基于標準Web技術創建的、能夠以更少的響應時間帶來豐富用戶體驗的Web應用程序所使用的技術集合[5]. Ajax實現了瀏覽器與服務器的異步通信，在用戶不重載整個網頁的情況下，Ajax通過后臺進行數據發送與接收，并在網頁上進行顯示，不會影響用戶當前操作.

1.4 SSH2組合框架

框架使用主要目的在于減少重復開發的工作量，框架的選擇要結合實際開發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揮它們的優勢，是目前使用較多的組合框架.

1.5 Tomcat服務器

Tomcat是免費的開源的Serlvet容器，能支持最新的Servlet和JSP規范. Tomcat是免費的開放源代碼的Web 應用服務器，是一種輕量級應用服務器，具有先進的技術和穩定的性能，被廣泛應用于JSP應用程序的開發和調試. 借助Java跨平臺的特性，可被部署到不同操作系統的服務器上.

1.6 MySQL數據庫

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

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

2 移動學習系統的功能與軟件結構

本系統開發將基于Web App的大學物理實驗微課程應用于物理實驗的教學. 因此，系統開發要圍繞微課程的合理使用為核心，使微課程與實驗教學進行高效地整合. 在這一系統中，包括教師和學生2個主要的角色，系統的開發要滿足教師和學生在功能上的需求. 除此以外，還應該考慮系統本身在安全性、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生的管理者，教師端的功能需求主要包括個人信息管理、學生信息管理、觀看實驗微課程、參與課程討論和統計分析學生學習數據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. 學生信息管理功能可以讓教師批量導入和刪除學生的基本信息，包括用戶名、密碼和姓名等，教師也可對已經注冊的學生信息進行修改. 觀看實驗微課程的功能使教師可以和學生觀看視頻上的課程內容. 在課程討論部分，教師可以回答學生提出的問題，也可以提出問題引發學生對該課程的思考. 學生在微課程學習的過程中會產生很多的數據，這些數據對教師分析學生的學習情況具有重要的意義，在統計分析模塊中，教師可以看到某課程被學習的次數的統計表，教師也可以下載每個學生觀看課程的細節信息.

2.2 學生端功能需求

學生是物理實驗微課程學習的主體，學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習筆記4個部分. 管理個人信息是學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生學習的核心，基于Web App的實驗微課程可以使學生在實驗前、實驗中和實驗后各個階段完成實驗學習的需要. 學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，學生可以提出自己的問題，也可以討論別人發現的問題并給出解決方案，使學生與學生及學生與教師之間互相學習，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，將成為學生學習的寶貴文本資源. 除了討論各種課程問題，學生也可以在記錄學習筆記功能模塊記錄自己實驗學習的心得，該心得僅由學生本人可以察看.

2.3 非功能性需求

非功能性需求，主要指開發的軟件系統為滿足用戶業務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 系統的軟件設計

基于Web App的大學物理實驗微課程系統的軟件設計如表1所示.

表1 實驗微課程系統軟件設計表

2.4.1 教師端邏輯設計

根據教師端功能的需要，對其實現的邏輯進行設計. 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，學生瀏覽課程的次數可形成統計圖. 在信息管理頁，教師可修改自己的個人信息和學生信息，并可以下載學生學習課程的數據.

2.4.2 學生端邏輯設計

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

2.4.3 數據庫設計

根據總體設計的需要，并結合數據庫設計的理論，設計數據庫，共有6張數據表，分別是教師信息表、學生信息表、課程信息表、評論信息表、筆記信息表和觀看課程次數信息表，其關聯主要是通過添加外鍵約束來實現.

3 微課程的結構設計

移動智能終端是微課程得以實現重要載體，結合移動智能終端和微課程的特點，從學習者使用的角度建立在移動智能終端上的微課程結構(見圖1).

圖1 微課程結構

3.1 注冊和登錄

注冊和登錄是學生可以通過為移動智能終端專門開發的Web App輸入基本信息. 當然如果是學校為在校學生開發的微課程，學校可以為學生在服務器端完成注冊. 注冊和登錄的目的是為了獲取學習者基本特征，包括年齡特征、社會文化背景和認知發展等. 這些特征可以在1次注冊中完成，其獲得有助于系統為用戶推送符合學習者特征的課程，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

選課是學習者根據自己的需要選擇相應的課程. 因為移動智能終端的屏幕較小，不利于學習者進行輸入文字檢索，所以為了讓學習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. 對于在校學生可以首先根據學生的年級進行分類，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生的年級信息，則可以在學生登錄后直接進入相應的年級課程進行選課. 為方便學生選課，課程在智能終端上開發成圖標形式，方便學生在屏幕上點擊進入課程學習.

3.3 課前自測

微課程的學習目標不同于一般意義上的課程學習目標，微課程是圍繞1個教學的重點或難點展開的，因此學習目標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習目標應該充分利用多媒體特性，學習目標可采用語音、思維導圖的形式表現出來.

3.4 診斷性評價

診斷性評價是指為了是使教學適合于學習者的需要和背景，在1門課程和1個學習單元開始前對學習者所具有的認知、情感和技能3方面的特征進行的評價[6]. 在微課程中設計診斷性評價的目的之一是幫助學生回憶即將學習的知識點的下位知識，為學習者學習做好準備工作. 就目前而言，移動智能終端對學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. 因為知識點的數量一般只有幾個，所以題目設計的數目也比較少. 如果學習者的診斷性評價的成績符合學習下一知識點需要則進入下一環節，否則建議學習者重新選擇適合于學習者的課程.

3.5 視頻教學

視頻教學是微課程的核心，是微課程短小精悍特點的具體體現. 移動智能終端的數據傳輸能力有限，在有限的數據傳輸能力的基礎上還要確保視頻的清晰度來滿足學習的需要，因此對視頻格式的選擇很重要. 如果是借助HTML5開發的App應該盡量使用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活動開展過程中，為教學活動更有效而進行的評價，它能及時了解階段教學的效果和學生學習的進展情況、存在問題等，以便及時反饋，及時調整和改進教學. 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. 學生通過形成性評價則完成了微課程的學習，如果形成性評價的成績不合格則建議學生重新學習微視頻. 形成性評價的數據也可以通過終端反映給教師，教師根據學生形成性評價反映的情況給學習者提供個別化的輔導.

4 基于Web App的大學物理實驗微課程的教學應用

信息技術與課程融合不只是信息技術在教育中的應用，更是信息技術支持下的教育理念的轉變，它將有助于打破傳統的學科本位和教師本位的教學體系，建立學生本位的學習體系，使學生實現基于信息化學習環境的知識建構. 將基于Web App的物理微課程引入到實驗教學過程中，無疑又增加了新的交互因素，可以使學生根據自己的需要選擇實驗學習的資源和方式. 在混合學習和移動學習日益盛行的趨勢下，微課成為當前我國教育信息化資源建設的重點和研究熱點[7].

目前物理實驗的學習過程，以具體的實驗項目為中心，經過實驗前的預習、實驗課堂上的操作和實驗后的復習3個階段. 融合實驗微課程后的學習過程中，在課前，學生可以通過微課程熟悉實驗室環境、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習，教師在課堂教學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生. 在實驗課堂上，當學生在實驗操作過程中遇到困難時，也可以隨時利用移動設備查看微課程，減少教師對簡單問題的重復回答，將寶貴的課堂時間用來解決學生個別難以解決的問題. 在課后，學生仍然可以通過微課程回顧整個實驗的細節，鞏固對實驗的理解. 學生在實驗課程的各個環節，還可以觀看和發表關于該課程的評論，獲取來自其他學生的幫助. 將移動端實驗微課程融入到實驗學習過程中，學生可以隨時隨地學習，也可以實現實驗學習的課堂翻轉[8].

教學要依據學生個性的差異，使具有不同特質和傾向的學生，實現不同類型和層次的成長[9]. 物理實驗的教學也應該考慮到學生的個性差異，根據不同學生的需要提供不同的幫助，而不是給所有的學生灌輸統一的知識體系. 在有微課程學習系統支持下的物理實驗學習環境中，個別化教學主要有2個方面：首先是學生可以根據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，學生可以根據自己在學習過程中遇到的困難的類型，選擇觀看哪一部分的微課程，同時學生也可以操作微課程視頻，跳過已經理解部分，選擇自己薄弱的部分觀看，實現學生按需選擇課程；其次是教師給有需要的學生提供個別化的指導. 這種個別化的教學不僅可在實驗室中進行，還可通過微課程系統在線上完成. 微課程移動學習系統的首頁、實驗微課程、微課程內容及課程學習統計如圖2所示.

圖2 微課程移動學習系統

5 結束語

互聯網被引入教育領域，已經對教育界產生了深遠的影響，并且通過多年的教學實踐，傳統的教育方式已經發生巨大改變. 借助于互聯網平臺的教學新模式不斷地涌現，隨著科技發展進步，智能移動設備平臺下的移動學習開始受到人們廣泛的關注. 近年來出現的移動學習教學形式再一次推進傳統教學方式的改革和創新，在移動端新技術、新設備被引入后的移動教學方式與早期的移動學習方式相比呈現出了許多新特點. 近年來移動智能設備在學生群體中的廣泛使用和教學資源的全面覆蓋使高等院校的教學方式邁入新的研究階段[10].

[1] 中華人民共和國教育部. 教育信息化十年發展規劃(2011～2020年)(教技(2012)5號)[R]. 2012.

[2] Dan M. iOS physics learning apps (for Apple products iPhone, iPod Touch, iPad)[J]. Physics Teacher, 2012,50(1)：61.

[3] 劉揚. 移動Web App：未來發展更需要抓住的新趨勢[J]. 中國傳媒科技，2015(7):58-60.

[4] 優視公司. HTML5助力Web 應用發展實踐[J]. 信息技術與標準化,2012(11):14-17.

[5] 武寶珠,梁聲灼,牛德雄. 基于Struts2+Spring+Hibernate架構構建Web應用系統[J]. 計算機與現代化,2009(8):43-46.

[6] 何克抗，李文光.教育計劃學 [M]. 2版. 北京：北京師范大學出版社，2009:342.

[7] 胡鐵生，黃明燕，李民. 我國微課發展的三個階段及其啟示[J]. 遠程教育雜志，2013(4)：36-42.

[8] 劉玲. 翻轉課堂與小組合作學習帶給物理實驗教學的新活力 ——以“力的分解”為例[J]. 物理實驗, 2016,36(3):37-41.

[9] 郅庭瑾，馬云. 個別化教學的公平含蘊與其實現路徑[J]. 教育發展研究,2013(12):36-40.

[10] 宋金潘，郭新峰，王生釗，等. 微課在大學物理實驗教學中的應用[J]. 物理實驗,2015,35(2):12-17.

[責任編輯：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

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

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

互聯網+物理

G642.423;TP393

A

1005-4642(2016)11-0023-05

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文