大学物理实验自主学习平台的设计与实现*

李昆霖，赵 颜

（广西民族大学网络与信息化管理中心，广西　南宁　530006）

大学物理实验自主学习平台的设计与实现*

李昆霖，赵 颜

（广西民族大学网络与信息化管理中心，广西南宁530006）

针对现有的大学物理网络学习资源存在的问题和不足，以PHP动态网页脚本语言、Mysql网络数据库和Flash动画技术为平台，设计了大学物理实验自主学习平台.平台运行稳定，较好地满足学生自主学习大学物理实验的需求.

PHP；Mysql；Flash；大学物理实验；学习平台

《大学物理实验》课程是高等院校理工科各专业的必修课程，通过大学物理实验，能加深学生对理论知识的理解认识，培养学生进行科学实验的基本技能，提高学生运用知识分析问题、解决问题的能力，还能培养学生严谨的科学态度，实事求是的科学作风.然而，在网络高速发展，网络学习逐渐融入每个人生活的时代，关于大学物理实验学习的网络平台相对较少.据文献分析，主要存在以下几点问题：1）该课程属于实验类课程，重在实验的演示，然而纯粹的拍摄视频和简单的动画难以满足学习者的需求；2）实验的模拟过于简单或缺乏良好可操作性；3）数据处理是实验类课程不可或缺的一部分，但往往由于计算繁杂，容易被忽略.为此，笔者基于PHP、Mysql和Flash程序语言设计和实现大学物理实验自主学习平台.

1　平台的需求分析

平台主要针对学生对大学物理实验的网络自主学习，其主要功能应涵盖：

1）每位学生应拥有一套独立的数据信息以便记录学习进度以及其他一些扩展.

2）通过观看完整的高仿真的实验演示，学生能够了解每个实验的各个操作要点.

3）具备良好模拟环境，方便学生在线模拟实验.

4）针对每个实验配有对应的数据处理环节，方便学生校验数据.

5）学生在学习过程中需要答疑解惑和分享个人心得，因此优良的在线交流环境也是十分重要的.

平台的性能主要体现在安全性与正确性两个方面.安全性是指学生的个人信息以及实验数据信息的安全性，防止他人篡改.正确性指的是实验的演示和模拟科学、正确，数据处理过程须严格地按照理论误差和有效数字的正确方法进行.

2　平台设计

2.1平台功能结构

根据平台的需求，该平台主要划分为4个模块：注册和登录模块、实验学习模块、学习交流模块以及个人管理模块，如图1所示.学生须通过注册并登录后获得该平台的使用权限，才能从事实验学习以及其他活动.实验学习包含大学物理实验各个实验的实验演示、实验模拟、数据处理以及实验报告的填写.交流中心主要用于学生之间的学习交流.个人管理中心则便于学生管理个人基本信息、学习进度、实验数据、实验报告以及交流过程中一些提问与回答.

图1　平台功能结构Fig.1　The structure and function of platform

2.2数据库结构

该平台涉及的数据类型多、数量大，在设计过程中将数据库主要分为以下几张表：用户信息表，实验信息表，各个实验数据表，实验报告数据表，课程学习信息表，交流信息表.

2.3技术支持

在网页脚本语言中，PHP拥有支持跨平台，性能优越，支持目前主流技术等优势.在数据库类型中，Mysql具有体积小、速度快、总体拥有成本低等特点. Flash动画受网络带宽限制小，失真度低，具有优良的交互性，便于实现实验的演示和模拟.因此，该平台采用PHP＋Mysql为主Flash相结合的模式开发.

3　功能实现

3.1注册和登录

该平台的注册和登录模块在常规的基础上，针对安全性增加了相应的机制和措施.在注册安全方面，设置了图片汉字验证码，关键字段判断是否重复出现、IP判断以及注册时间间隔判断.在登录安全方面，除了加强cookie的加密强度以及控制cookie的有效时间和范围之外，还通过使用salt来混淆加密后的值，达到加强存储安全的目的.

3.2实验学习模块

3.2.1实验演示

实验演示先根据每个实验的步骤分割成多个独立的Flash动画，再把实验步骤和Flash动画结合，构成一个完整的实验，如此学生既可以按流线式学习整个实验，也可以选择其中任意一个步骤进行学习.与此同时，为了增强实验演示的趣味性和学生的自主意识，帮助学生记忆实验过程，利用Flash的按钮功能制作实验关键点开关和提示.例如在“杨氏模量的测量”实验中需要调节三脚架的气泡水平仪，实验的界面就会提示学生点击水平仪的所在的位置，进而完成该步骤.

图2　“杨氏模量的测量”实验操作提示Fig.2　Operation tips about the measurement of“Young's modulus”

为了提高实验演示的真实性和形象性，实验演示所使用的所有实验仪器模型和素材通过拍摄真实仪器并用Photoshop处理后获得.例如，“用麦克尔逊干涉仪测钠光波长”实验的麦克尔逊干涉仪3D模型的实现过程是：首先用相机绕仪器轴心多角度拍摄麦克尔逊干涉仪，再用Photoshop将仪器图形抠出、调整色调等，最后在Flash中用Action script脚本实现3D效果.

3.2.2实验模拟

实验模拟的步骤以Flash的帧作为基本单元，以stop（）命令让学生的操作界面停留在当前帧，学生可以点击“上一步”按钮触发prevFrame（）命令返回前一帧重新模拟上一步骤.为了规范操作，学生必须按照规定完成模拟该步骤操作，即对应的全局变量赋予“true”值后，操作界面才显示“下一步”按钮.

根据统计分析大学物理实验的实验步骤和使用的仪器，实验模拟过程大致归纳为五种类型：旋钮型、拖拽型、接线型、示数型、特殊仪器型.

旋钮类：主要适用于包含旋钮的仪器，例如电流表、电压表、读数显微镜、电阻箱.实现的主要方法是将旋钮图形抠出作为热点，利用onClipEvent事件侦听鼠标操作产生的坐标差计算出角度，进而改变相应的数据.

拖拽型：主要适用于包含滑块的仪器，例如游标卡尺、滑动电阻器、天平.实现的主要方法是将滑块图形做成热点并记录滑块的坐标初始值、最大值和最小值，使用Drag函数控制滑块的拖拽并计算坐标差从而实现相应的功能.

接线型：主要适用于需要接线的仪器，例如示波器、低频信号发生器、电容器.实现的主要方法是将导线图形两端以及仪器的接口图形作为热点，通过hitTest命令判断热点是否接触，然后判断连接是否合理，最后显示连接形式.

示数型：主要适用于具备电子示数的仪器，例如秒表、周期测定仪、电子万用表.实现的主要方法是将显示区域的数字以动态文本的形式输出.

特殊仪器型：主要针对一些特殊的高集成电子仪器，例如：双踪示波器、惠斯通电桥、低频信号发生器.针对此类型的模拟则需要结合其具体原理特点并配合Action script才能实现.

3.2.3数据处理

实验的数据类型和计算方法因实验的内容而异，所以每个实验都使用一套独立的数据录入、计算和输出的页面.

在此以“用牛顿环测透镜曲率半径”为例进行说明.该实验要求学生测量若干组相邻牛顿环的左右位移并通过公式计算得出透镜曲率半径和不确定度.该实验的处理过程可以分为录入原始数据、计算数据和输出数据3个步骤.

1）录入原始数据：由于牛顿环的起始环数与结束环数由学生实际实验过程决定，所以为起始环数和结束环数设立Text类型的Input标签并赋予ID，学生输入对应的数值并点击确定后，平台就会通过ID获取表单中对应的值，然后生成两组与环数相符的数组并在页面下方生成赋予对应ID的Input标签.学生在Input标签输入对应的环数半径值并点击提交后，所有的数据将传递到数据计算页面.

2）数据计算：结合实验教材给出的计算公式，将所求的未知量用f（χ）表示，再利用PHP的number＿format（）、sprintf（）、pow（）等函数实现公式在计算过程的表达，最后将传递过来的变量代入表达式中即得到计算结果.

3）输出数据：从数据安全的角度出发，计算页与结果显示页分离.平台将前两步的原始数据和计算所得结果加密后输出到该页面，以便学生检查对照.

3.2.4实验报告

实验报告用于学生填写和生成电子实验报告并可根据需求打印.实验报告分为三部分：个人信息、实验数据、报告内容.个人信息在注册时已经存入数据库，所以该部分通过cookie直接调用无须再次填写.实验数据存储的是学生进行真实实验时记录的数据，此处可以重新填写或从数据处理中调用.报告内容由学生填写，填写所用编辑器是Webeditor在线HTML编辑，该编辑器支持文字、图像、视频和公式混排并将文件上传至站点，解决了学生在线填写报告的难题.实验报告填写的过程会涉及数据的处理，学生可根据需求选择引用已经处理过的实验数据.由于填写报告所花时间较长，为了避免意外，平台每5分钟为学生自动保存一次.待所有内容填写完毕并提交实验报告后，学生可以通过个人管理模块的实验报告管理功能管理和打印实验报告.

3.3学习交流模块

学习交流的展示形式是学习心得、发表评论、提出问题、回答问题，其下设栏目分为经验分享、重难点讨论、问答、专题讨论.其中经验分享、重难点讨论和专题讨论使用的是同一种模型：发起人提出主题，其他人可在主题下展开讨论并且不受时间限定.展开讨论的同时任何人都可以任意引用已发表过的讨论再深入讨论.问答则采用的是另外一种模型：提问者提出问题，其他人可在限定的时间回答该问题，时间截止后提问者可根据回答情况挑选较为满意的答案.此模块还提供了搜索功能，当学生有问题时并不必急着提问，可以通过尝试搜索已解决的类似问题获取帮助，若无帮助可再发起提问.此模块提交的数据信息将存储到对应的表，可在个人管理模块进行管理.为了防止恶意发言并营造一个良好的交流环境，平台增设了汉字验证码和限制重复发言间隔时间.

3.4个人管理模块

个人管理模块主要用于集中管理学生的个人信息，如基本信息管理、学习进度管理、实验数据管理、实验报告管理、提问和回答管理.

基本信息管理：管理个人的基本信息如姓名、性别、出生日期、自定义头像等，基本信息的初始值为注册时所填的数据.

学习进度管理：学生在学习的过程中，平台会定时记录学生学习的进度.学生可查看自己的学习进度，安排剩余的学习或者根据记录情况跳转到对应的页面继续学习.

实验数据管理：已完成处理的实验数据或者暂存的实验数据都存在此栏，学生可查看、编辑和删除对应的实验数据，但已经被实验报告所调用的数据必须取消调用后才能删除.

实验报告管理：学生可以查看、编辑、删除和打印已完成和暂存的实验报告.

提问和回答管理：学生不仅可以查看自己提出的问题和回答问题，还可以追问他人回答的问题，进而评价回答.

4　结语

该平台以PHP＋Mysql为框架，Flash相结合编写而成，具有处理速度快，数据存储和传输安全，界面直观清晰等特点.实验演示和模拟仿真度高，可操作性强，能较好地还原真实实验.数据处理为学生提供检验实验数据的便利，交流中心为学生提供了良好的学习拓展环境.实际运行结果表明，该平台能较好满足学生自主学习大学物理实验的需求.

[1]张广斌，高思峰.大学物理实验教学中的技巧及应用[J].中国科技信息，2009（8）：270－271.

[2]王晓东.基于PHP技术的教学互动系统的设计与实现[D].天津大学，2007.

[3]张海强，潘林峰.基于Flash的虚拟物理实验研究[J].实验科学与技术，2012（1），184－186.

[4]岑铬锋，胡君辉，李丹，等.大学物理实验虚拟系统设计与交互式教学的实现[J].实验科学与技术，2011（5）：186－189.

[5]刘云志.SQL注入攻击技术及防范措施研究[A].中国科学技术协会、天津市人民政府.第十三届中国科协年会第10分会场－节能减排战略与测控技术发展学术研讨会论文集[C].中国科学技术协会、天津市人民政府，2011：5.

[责任编辑 苏 琴]

[责任校对 黄招扬]

Autonomous Learning Platform of College Physics Experiments'Design ＆Implementation

LI Kun－lin，ZHAO Yan
（Network and Informatization Management Center，Guangχi University for Nationalities，Nanning530006，China）

Aiming at the existing problems and insufficiencies in College Physics network learning resources，the author designed an autonomous learning platform of College Physics experiments.This platform consists of PHP，Mysql and Flash.The testing showed that the platform running is stable，meeting the needs of students'autonomous learning in College Physics experiments.

PHP；Mysql；Flash；College Physics experiments；learning platform

TP311

A

1673－8462（2015）02－0069－04

2014－12－20.

广西民族大学2013年校级科研项目：云计算环境下的高校数字资源共享模式研究.

李昆霖（1987－），男，广西北流人，广西民族大学网络与信息化管理中心教师，研究方向：网络教育技术、教学系统设计.赵颜（1963－），男，湖南邵东人，广西民族大学网络与信息化管理中心主任、研究员，研究方向：教育信息技术、计算机网络与教育应用.