方　愷　呂　軍　馬現(xiàn)超　馬寧生　倪　晨（同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

大學(xué)物理實驗課程微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)的實現(xiàn)與研究

方愷呂軍馬現(xiàn)超馬寧生倪晨
（同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

本文介紹將Web-based Application（Web App）等技術(shù)引入物理實驗課程教學(xué)，構(gòu)建大學(xué)物理實驗微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)，實現(xiàn)讓學(xué)生可以隨時開展課內(nèi)外學(xué)習(xí)的移動學(xué)習(xí)資源平臺，促進(jìn)了物理實驗系列課程的信息化建設(shè).在物理實驗課程的教學(xué)過程中，以大學(xué)物理實驗微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)為基礎(chǔ)和支撐，對物理實驗系列課程的教學(xué)模式進(jìn)行整體設(shè)計，構(gòu)建“課堂教學(xué)+實驗操作+移動學(xué)習(xí)”的混合式教學(xué)新模式，讓學(xué)生獲得豐富的學(xué)習(xí)資源，突破實驗室課堂上學(xué)習(xí)的空間與時間的局限性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量.

物理實驗；微課程；Web App；微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)

大學(xué)物理實驗課程是高等學(xué)校理工科專業(yè)對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程，是本科生接受系統(tǒng)的實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實驗?zāi)芰?、提高科學(xué)素質(zhì)的重要基礎(chǔ).物理實驗課程的教學(xué)內(nèi)容豐富，覆蓋面廣，學(xué)生人數(shù)多，在課程教學(xué)過程中存在一些亟待解決的問題，包括：（1）實驗課程教學(xué)時間有限，致使學(xué)生對實驗原理和實驗方法的理解和掌握不夠深入和透徹；（2）學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差異較大，致使部分學(xué)生對實驗有畏難情緒；（3）學(xué)生學(xué)習(xí)主動性不足，學(xué)習(xí)興趣不夠高等.對于這些長期困擾物理實驗課程教學(xué)的問題，有望通過引入現(xiàn)代信息技術(shù)，深化物理實驗課程教學(xué)模式的改革，以移動學(xué)習(xí)技術(shù)輔助大學(xué)物理實驗課程教學(xué)等方法逐步解決.

信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，高等教育信息化是促進(jìn)高等教育改革創(chuàng)新和提高質(zhì)量的有效途徑，是教育信息化發(fā)展的創(chuàng)新前沿［1］.基于移動端的教育資源和平臺的研究與開發(fā)將是教育信息化建設(shè)的新課題［2］.近年來，國家級精品資源共享課和精品開放課建設(shè)促進(jìn)了教學(xué)觀念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革，推動了高等學(xué)校優(yōu)質(zhì)課程教學(xué)資源建設(shè)，實現(xiàn)教育信息和資源的共建共享［3-5］.將“微課程”這一新的教學(xué)模式引入物理實驗課程的教學(xué)中，設(shè)計移動端的基于Web-based Application（Web App）的大學(xué)物理實驗微課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)，是將信息技術(shù)與大學(xué)課程教育緊密結(jié)合，豐富物理類課程的教學(xué)內(nèi)容，彌補課堂教學(xué)的不足，提出物理實驗教學(xué)的新方法，成為現(xiàn)代教學(xué)改革的新趨勢.相比于精品資源共享課程，大學(xué)物理實驗課程微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)基于App形式，更適合于在各個學(xué)?；蛟合颠@樣的小規(guī)模范圍內(nèi)，緊密結(jié)合一門具體課程的教學(xué)，其平臺的管理和使用更為簡單靈活，教學(xué)信息易于更新維護(hù)，教師和學(xué)生均可參與教學(xué)資源的制作，模式易于擴展到不同層次和類型的課程.

1　物理實驗微課程的設(shè)計

近年來，通過互聯(lián)網(wǎng)開展在線開放學(xué)習(xí)的MOOC課程在國內(nèi)外發(fā)展迅猛，對傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響［6，7］.在大學(xué)課程的教學(xué)中探索并應(yīng)用這些新型的教學(xué)模式，對促進(jìn)高校教學(xué)的改革具有重要的時代意義和實際價值.實驗類和實踐類課程無法照搬現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)模式.如何在大學(xué)物理實驗系列課程中引入信息技術(shù)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果，是物理實驗教學(xué)工作者必須深入思考和研究的問題.

物理實驗課程的教學(xué)內(nèi)容包括實驗原理、儀器操作、數(shù)據(jù)測量、結(jié)果分析、誤差計算和實驗報告書寫等多個方面.物理實驗課程各部分內(nèi)容的教學(xué)重、難點突出，且結(jié)構(gòu)清晰，并具有較強的相關(guān)性，這些特性有益于物理實驗微課程的設(shè)計和制作.“微課程”這一概念是指時間在10分鐘以內(nèi)，有明確的教學(xué)目標(biāo)，內(nèi)容短小，集中說明一個問題的視頻課程［8，9］.物理實驗微課程的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的支持移動學(xué)習(xí)的物理實驗教學(xué)資源系統(tǒng)，其內(nèi)容涉及大學(xué)物理實驗的各個核心實驗項目，讓學(xué)生在物理實驗的學(xué)習(xí)過程中突破時間和空間的局限，在課堂內(nèi)外都可以獲得知識和及時的實驗指導(dǎo)與答疑等幫助，彌補傳統(tǒng)實驗課程的課堂教學(xué)模式的不足.

1.1大學(xué)物理實驗微課程的體系結(jié)構(gòu)

同濟大學(xué)普通物理實驗微課程的整體結(jié)構(gòu)主要包括基礎(chǔ)實驗、力學(xué)實驗、熱學(xué)實驗、電磁學(xué)實驗、光學(xué)實驗和近代物理實驗等部分.各部分內(nèi)容由具體的實驗項目組成，例如在基礎(chǔ)實驗中包括示波器使用、長度測量、多用表和幾何光學(xué)等實驗.每個實驗的教學(xué)內(nèi)容一般都由實驗原理、儀器介紹和實驗內(nèi)容等3個部分組成.根據(jù)物理實驗課程這種結(jié)構(gòu)特點，我們開發(fā)出系列的實驗微課程，并在開發(fā)的Web App中將微課程的導(dǎo)航分成相應(yīng)的三級結(jié)構(gòu)，學(xué)生通過這三級導(dǎo)航可以快速地找到所需實驗的微課程.

1.2大學(xué)物理實驗微課程的教學(xué)設(shè)計

大學(xué)物理實驗微課程的教學(xué)設(shè)計要運用系統(tǒng)設(shè)計的方法，將學(xué)習(xí)理論與教學(xué)理論的原理轉(zhuǎn)換成對教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)條件、教學(xué)方法、教學(xué)評價等教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行具體計劃的系統(tǒng)化過程［10］.微課程的教學(xué)設(shè)計對于微課程的設(shè)計開發(fā)和教學(xué)應(yīng)用具有重要的意義，同濟大學(xué)物理實驗的各個實驗項目微課程的設(shè)計在保持整體結(jié)構(gòu)一致的基礎(chǔ)上，針對具體每個實驗項目的教學(xué)要求做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整.

（1）實驗微課程的重、難點選擇.微課程的重要意義在于對教學(xué)的重、難點做出簡明扼要，且深入淺出的闡述.因此，把握住實驗教學(xué)的重、難點是實驗微課程開發(fā)的關(guān)鍵.同濟大學(xué)微課程是以物理實驗課程教學(xué)大綱、教學(xué)要求和實驗教材等為依據(jù)，在長期的教學(xué)實踐過程中對實驗教學(xué)的重、難點有清晰地整理和歸納，并據(jù)此篩選出合適的微課程教學(xué)內(nèi)容.

（2）實驗微課程的資源設(shè)計.選擇和開發(fā)出合適的微課程資源，對學(xué)生理解課程內(nèi)容具有很大的幫助.物理實驗微課程開發(fā)重要目的是輔助學(xué)生學(xué)習(xí)實驗知識和實驗技能，因此微課程的資源設(shè)計也主要是圍繞這一點展開的，其內(nèi)容不僅包括了真實實驗中實驗操作演示過程的視頻資源，還可以包括將實驗演示動畫和教學(xué)PPT課件等進(jìn)行轉(zhuǎn)化后的視頻格式，使微課程內(nèi)容具有系統(tǒng)性.實驗課程指導(dǎo)教師可以鼓勵學(xué)生參與制作微課程視頻，作為期末教學(xué)內(nèi)容的拓展部分，既鼓勵了學(xué)生通過體驗實驗課程的制作來深化對實驗內(nèi)容的理解，又檢驗了學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握情況，同時有助于豐富課程的教學(xué)資源.

（3）實驗微課程的教學(xué)過程設(shè)計.實驗微課程的教學(xué)過程包括學(xué)生在課內(nèi)外通過視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)，并且與課堂實驗教學(xué)相配合.課堂實驗教學(xué)主要是在真實的實驗室環(huán)境下進(jìn)行的，因此學(xué)生面對的學(xué)習(xí)困難除了對相關(guān)實驗原理不易理解之外，還有具體實驗情境中產(chǎn)生關(guān)于儀器操作、測量方法和數(shù)據(jù)處理等方面的疑惑.每節(jié)實驗微課程基本控制在5分鐘之內(nèi)，其內(nèi)容既有原理性知識的適當(dāng)提示，又有實驗情境中實驗操作的關(guān)鍵步驟的視頻再現(xiàn)，或數(shù)據(jù)分析方法的解說，這樣的教學(xué)過程可以幫助學(xué)生在真實的情境中找到問題的答案.

2　物理實驗微課程的技術(shù)實現(xiàn)

2.1平臺開發(fā)

HTML5是最新一代的應(yīng)用超文本標(biāo)記語言，以其為標(biāo)志的Web技術(shù)為移動智能終端的Web App開發(fā)提供了技術(shù)支持.HTML5不僅用來表示W(wǎng)eb內(nèi)容，還將Web帶入一個通用的應(yīng)用平臺，在這個平臺上，視頻、音頻、圖像、動畫，以及同更多智能設(shè)備的交互均為標(biāo)準(zhǔn)化形式［11］. HTML5中的〈video〉標(biāo)簽等相關(guān)的模塊可以實現(xiàn)在移動終端直接播放特定格式的視頻，因此不同種類的移動終端都無須下載其他的視頻播放的插件，而直接播放教學(xué)視頻.同時，常見的各種瀏覽器都在不同程度上對HTML5提供了支持，包括Chrome、Safari和Firefox等.

本實驗微課程的Web App的開發(fā)主要利用的前臺開發(fā)工具Zepto是一個專門針對現(xiàn)代移動設(shè)備的瀏覽器內(nèi)核Webkit的非常輕量級的JavaScript類庫，開發(fā)者可以非常容易開展工作［12］.作為一個創(chuàng)建移動Web App的框架，適用于各種操作系統(tǒng)的智能手機和平板電腦，可以很好地解決App在各個平臺上的兼容性問題.這種跨平臺的技術(shù)的實現(xiàn)，可以使移動智能終端直接與服務(wù)器端進(jìn)行交互，這對交互學(xué)習(xí)和移動學(xué)習(xí)具有重要的意義，拓展了微課程系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的前景.同時，在前臺還使用到了Ajax技術(shù)和ECharts框架，這可以幫助教師通過可視化的統(tǒng)計圖來觀察學(xué)生瀏覽課程的基本信息.后臺開發(fā)用SSH2（Struts2+Spring+Hibernate）組合框架，它是一種輕量級的J2EE平臺.Struts2在開發(fā)中主要用于業(yè)務(wù)邏輯處理，Spring將各層的對象以松耦合的方式組織在一起，Hibernate可以對JDBC進(jìn)行輕量級的對象封裝完成數(shù)據(jù)持久化的重任.

基于Web App微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵步驟包括：（1）設(shè)計和開發(fā)H TML頁面，在頁面代碼的第一行要使用〈！DOCTYPE html〉語句進(jìn)行聲明，使瀏覽器可以識別使用的HTML版本為HTML5.（2）編寫CSS文件使網(wǎng)頁的界面符合微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)的需要，同時調(diào)用JS框架使學(xué)生和教師可以在移動端與頁面進(jìn)行很好地交互.（3）根據(jù)所需的信息設(shè)計數(shù)據(jù)庫，這里使用的數(shù)據(jù)庫是MySQL.（4）在后臺利用SSH2框架，完成用戶請求轉(zhuǎn)發(fā)、過濾和數(shù)據(jù)的記錄等操作.

2.2實現(xiàn)效果

物理實驗微課程系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包括實驗室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)兩個部分.在設(shè)計移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)的鏈接和使用方式時，力求直觀，讓學(xué)生容易理解，并便于操作.通過將開發(fā)的Web App的文件復(fù)制到實驗室tomcat服務(wù)器的webapps文件夾下，雙擊tomcat服務(wù)器bin文件夾下的startup.bat文件（Windows環(huán)境下）啟動服務(wù)器.學(xué)生可以通過終端在瀏覽器中輸入網(wǎng)址或“掃一掃”功能掃描二維碼鏈接（如圖2（a）所示），登錄后可以進(jìn)入“物理實驗微課程”的頁面（如圖2（b）所示）.學(xué)生根據(jù)實驗課程學(xué)習(xí)的需要選擇相應(yīng)的實驗微課程條目，例如學(xué)生要學(xué)習(xí)牛頓環(huán)的實驗原理，那么學(xué)生可以先進(jìn)入首頁然后選擇“光學(xué)實驗”，在光學(xué)實驗的頁面中選擇“牛頓環(huán)”，再在下一頁面中選擇“實驗原理”項，進(jìn)入微課程的學(xué)習(xí).微課程的界面（如圖2（c）所示）.學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需要控制播放的進(jìn)度.通過單擊返回按鈕，返回到上一級導(dǎo)航重新選擇實驗微課程，實現(xiàn)“一站式”的學(xué)習(xí).

圖1　物理實驗微課程系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2　同濟大學(xué)物理實驗中心微課程二維碼鏈接、Web App首頁、視頻界面與教學(xué)應(yīng)用

3　物理實驗微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)的混合式教學(xué)設(shè)計

微課程在物理實驗教學(xué)中被廣泛應(yīng)用，它不僅可以與實際的課堂實驗操作相配合，還可以用于學(xué)生獨立的課外學(xué)習(xí).基于大學(xué)物理實驗微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)，將教師面授、網(wǎng)絡(luò)課程、課堂內(nèi)外在線學(xué)習(xí)與課外拓展知識結(jié)合起來，實現(xiàn)物理實驗課程的混合式教學(xué)模式（如圖3所示）.

3.1課堂學(xué)習(xí)輔助

物理實驗課上，學(xué)生在實驗儀器的操作和測量過程中，會遇到各種各樣的疑問.同時，在實驗室中一個教師可能要面對數(shù)十個學(xué)生，這使得每個學(xué)生不可能都能即刻獲得教師的釋疑解惑.同時，在物理實驗教學(xué)的過程中，教師的教學(xué)方法通常為講解示范與操作輔導(dǎo)，形式較為單一，而不同的學(xué)生會面臨各自的困難，因而學(xué)生迫切需要個性化的指導(dǎo).物理實驗微課程可以使學(xué)生在出現(xiàn)實驗操作上的困難時，可以直接通過移動終端的Web App獲取微課程的教學(xué)指導(dǎo)，實現(xiàn)有針對性的教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率（如圖2（d）所示）.具有微視頻的微課程還可以提供真實的情景，相對于文字寫的操作步驟，它更為直觀而具體，學(xué)生可以有針對性地學(xué)習(xí)實驗操作等內(nèi)容.

3.2課外學(xué)習(xí)指導(dǎo)

由于實驗室安全管理等原因，實驗室無法在全天任何時候都向?qū)W生開放，而且由于課堂上實驗教學(xué)的時間有限，如果學(xué)生在課前通過微課程進(jìn)行充分的實驗預(yù)習(xí)，會對學(xué)生提供學(xué)習(xí)幫助，使學(xué)生提前了解實驗室環(huán)境及實驗操作的基本過程.課堂上，學(xué)生完成實驗的操作和數(shù)據(jù)的記錄后，通常數(shù)據(jù)處理等工作要求學(xué)生在課后書寫實驗報告時完成，但在課外學(xué)生一般不易得到教師的及時幫助，而微課程可以為學(xué)生在數(shù)據(jù)處理方面提供必要的幫助.同時，Web App上的微課程還可以幫助學(xué)生復(fù)習(xí)物理實驗操作的具體過程，通過微課程獲取自己所要的信息，并用于實驗結(jié)果分析等.

圖3　物理實驗微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)支持下的混合式教學(xué)模式

3.3以學(xué)生為中心的教學(xué)理念

在理工科本科生的物理實驗教學(xué)過程中，實驗方法、實驗步驟的設(shè)計和儀器設(shè)備的組織、準(zhǔn)備等都是由實驗教師提前完成，學(xué)生常常感覺是被動地接受知識.為了改變這種狀況，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，需要突出以學(xué)生為中心的教學(xué)理念.對學(xué)生而言，隨著手持移動數(shù)碼產(chǎn)品普及和無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，移動學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)、在線學(xué)習(xí)和泛在學(xué)習(xí)等新的學(xué)習(xí)方式越來越為大家所接受.同時，通過高等院校的數(shù)字化校園建設(shè)，無線網(wǎng)絡(luò)已覆蓋實驗樓和教學(xué)樓等區(qū)域，為學(xué)生使用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)提供了支撐條件與硬件保障.

通過物理實驗微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要主動地選擇學(xué)習(xí)資源，如果學(xué)生對實驗的原理已經(jīng)非常熟悉則可以選擇跳過這部分課程，如果在實驗操作部分有困難則可以對操作部分的課程進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)，還可以控制課程的進(jìn)度.物理實驗微課程也可以使學(xué)生充分利用碎片化的時間進(jìn)行學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供了不同的學(xué)習(xí)策略和學(xué)習(xí)方式，可以充分發(fā)揮學(xué)習(xí)內(nèi)容微型化、學(xué)習(xí)終端靈活化的優(yōu)勢，實現(xiàn)高校學(xué)生按需學(xué)習(xí)、高效學(xué)習(xí)和快樂學(xué)習(xí)的理想.

4　結(jié)語

大學(xué)物理實驗微課程移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)是以現(xiàn)代教育理論為基礎(chǔ)，對物理實驗教學(xué)方式的改革和創(chuàng)新，實現(xiàn)學(xué)習(xí)資源的開放共享，提高實驗教學(xué)管理現(xiàn)代化水平，推動信息技術(shù)與高等教育深度融合.物理實驗微課程改變了原有的教師課堂授課模式和學(xué)生局限于實驗室的學(xué)習(xí)模式，建立了混合式教學(xué)新模式，使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、移動學(xué)習(xí)與課堂面授多種學(xué)習(xí)方式充分融合，實現(xiàn)了以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理的意識和能力，為構(gòu)建學(xué)習(xí)型社會打下基礎(chǔ).

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THE REALIZATION AND RESEARCH OF MOBILELEARNING MICROLECTURE SYSTEM IN COLLEGE PHYSICS EXPERIMENT COURSE

Fang KaiLv Jun Ma Xianchao Ma Ningsheng Ni Chen
（School of Physics Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092）

In this paper，the Web-based Application（Web App）and other technologies are introduced into the teaching of physics experiments；the micro-lecture mobile learning system about college physics experiment is built；mobile learning resources，which can help students to carry out learning at anytime and anywhere，are developed；promoted the information construction of physics experiment course.In the teaching process，take college physics experiment micro-lecture mobile learning system as the basis and support，take whole design for physics experiment course teaching mode，build new blending teaching mode like“classroom teaching+experimental operation+mobile learning”，let students get rich learning resources，break the limitation of space and time in the study of the lab class，stimulate students，interest in learning，improve the quality of teaching.

physics experiment；micro-lecture；Web App；microlecture mobile learning system （MMLS）

2015-11-05

教育部高等學(xué)校教學(xué)研究項目（網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制在實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究，項目編號：DWJZW201431hd）、2015年上海高校本科重點教學(xué)改革項目（用移動學(xué)習(xí)技術(shù)提高大學(xué)物理實驗課程教學(xué)質(zhì)量的研究）和同濟大學(xué)教學(xué)改革研究與建設(shè)項目（物理實驗數(shù)字化學(xué)習(xí)資源建設(shè)與教學(xué)模式研究）.

方愷，女，高級工程師，主要研究方向為物理實驗教學(xué)、教育技術(shù)學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué).fangkaitj@#edu.cn