EJS建模软件在中学物理探究式教学中的应用研究

郭欣悦，贺相春，张筱兰

(1.西北师范大学 传媒学院，甘肃 兰州 730070；2.西北师范大学 教育技术学院，甘肃 兰州 730070)

EJS建模软件在中学物理探究式教学中的应用研究

郭欣悦1，贺相春2，张筱兰2

(1.西北师范大学 传媒学院，甘肃 兰州 730070；2.西北师范大学 教育技术学院，甘肃 兰州 730070)

EJS是一种基于现代教学思想的新型教学软件，其特点是创作过程简单、自动生成代码，界面友好，使学生可以利用特定的可视化模型来学习具体、抽象的概念，并在自己探究、理解、证明的基础上记忆，最终达到灵活运用、解决问题的目的。该文以中学物理教学为例介绍该软件的使用方法及基于EJS支持下的探究式教学的设计和学生开展探究的关键点，并进行实证了分析和反思。基于EJS支持的物理探究式教学可以增强学生对知识的理解，培养学生的问题解决能力，提高学生对相关知识的学习成绩。

EJS建模软件；物理教学；探究式学习

我国基础教育改革提倡在传授知识、技能的同时，更加注重能力的培养和学习方式的变革，使学生具有独立获取知识、应用知识、解决问题的能力，而探究是形成这些能力的比较好的方式。如今，技术环境正发生着显著变化。Web技术正向支持社会计算、社群演化及关注人类自身的方向发展；数据中心、数据仓库、云计算等支持软件设施基础架构正迅猛发展；以移动技术、嵌入式技术所驱动的移动学习和普适学习正日益成为创建新型学习环境的驱动力量。其中的虚拟现实技术、移动技术、云计算技术等在解决教育问题和促进教育改革方面已经得到广泛应用。在这些技术支持下所构建的智慧教室、1:1数字学习环境、虚拟实验室、远程交互平台等可提供反映真实的、丰富多彩的、隐含问题、跨越时空的情境，带来了信息传递的富媒体化，也带来了学生交互方式和学习方式的变化。用这样的情境诱发和支持实践、协作的探究学习活动，将会促进学生21世纪技能的发展。

借助虚拟仿真环境和建模工具的支持探究便是其中的一种方式，使学习者在与模型的交互过程中可以根据假设改变变量和模型结构，构建自己想要的模拟，建立有关现实情境或理论系统的心智模型，并在交互中对这种心智模型做出有效的检验，从而实现对知识的理解和掌握[1]。通过这些建模软件呈现虚拟真实的环境，学生可以在建立假设的基础上不断调整参数、改变结构，从而多角度地感知问题，并对问题形成逐渐清晰的认识，不断寻找解决思路。这些建模软件的多媒体模拟功能可以将物体根据参数的改变而不断变化，形象直观地呈现大与小、快与慢、动与静的变化等，使学生对原本感觉深奥、抽象的物理问题找到有效的解决路径。基于建模软件的探究过程不断调动学生视、听、触等感官，使学生全方位的体验发现问题、分析问题、提出假设、检验假设的过程，充分做到思维和行为的参与，从而提升学生的问题解决能力，发展学生的高级思维。

以物理学科为例，第一个用于物理教学的计算机建模系统是DMS，其后出现了Stella、Modellus、Matlab、NetLogo、EJS(Easy Java Simulations)等建模软件[2]。本文将重点介绍EJS物理建模软件的功能及在物理探究式教学中的应用。

一、EJS的特点及应用简介

(一)EJS的特点

EJS是一款可以在任何系统下的Java环境运行的交互型模拟软件。作为一种创建动态的、交互的科学模拟过程的开源工具软件，具有创作过程简单、自动生成运行代码和界面友好等特点，对于编程基础较弱的用户也可以轻松地进行二次开发[3]。EJS具有丰富的图形绘制功能和所见即所得的操作界面。各种专用的工具箱、支架式的帮助、大量可以直接利用或修改移植的模型库可以帮助教师快速构建仿真实验。同时构建的仿真实验可以直接嵌入网页，在网络环境中稳定运行，支持基于网络的教学。EJS具有良好的用户界面，强大的交互功能和超文本结构，而且操作简便。教师可通过超链接、嵌入、内部调用等方式将图像、动画、声音、数字化电影、网页、应用程序等有效整合，形成一体化的仿真实验环境，呈现富媒化的表征[4]。EJS易用性、可移植性强。EJS采用流行的软件界面设计风格，易于用户接受，提供按钮和热交互对象的功能，便于进行程序流程的控制。同时EJS制作的仿真实验最终以.jar文件方式发布，可完全脱离EJS软件平台，在任何具有Java环境的操作系统上运行。

(二)EJS应用简介

EJS提供了一个简化的“模型—控制—显示界面”模式帮助使用者创建模拟的步骤。其设计目的是协助已经具有科学仿真的数学模型构想，但却缺乏专业程序背景的学科教师和学生，能够非常简单地产生教学动画，进行教学活动[5]。

EJS的交互界面由四部分组成。第一部分是控制区，由上到下一次是“新建”“打开工作区文件”“打开EJS网络库”“保存”“另存为”“搜索”“运行动画”“在线翻译介绍”“打包为jar文件”“EJS软件设置”“关于”。第二部分是设计区：第一选项为“介绍说明”主要是对模型的介绍和说明；第二选项为“模型”，是对模型参数的设计和参数关系，以及函数的设置；第三选项问“显示界面”，是对可视化界面的编辑，是面向对象的一种编辑模式。第三部分是主功能区，是对第二部分的一个补充，是第二部分的一个延伸，是具体设计的功能区。第四部分是执行结果，是在运行过程中，对实时信息的一个监控，如果运行出错，会在此处显示调试信息，编程者可以此查找出错位置。

二、基于EJS支持的探究式教学的基本流程

任何学习活动的开展都是建立在对学习者、学习内容等充分的基础上进行设计的，探究教学也不例外，在对学习内容、学习目标、学习者和学习环境、预设的学习活动等进行分析后设计的学习活动才能完全适应当前学习者，EJS支持的探究式教学设计和教学活动组织也不例外，在这里不再赘述。EJS支持的探究式教学的基本流程如图1所示，笔者重点关注EJS支持的探究任务的设计、探究过程的设计和探究学习评价的设计，以及学生探究方案的设计[6][7]。

(一)基于EJS支持的探究式教学设计关键点

1.探究任务的设计

探究任务不是活动的目标，是为了让学生达到预定的学习目标，学习者需要完成的相关学习内容、操作流程以及学习结果等。任务与传统教学的特点和意义不同，它与学习目标紧密联系，具有学科性、开放性、延伸性的特点，它所具备的实际意义能够引发学生主动探究的积极性和兴趣。探究任务是技术支持下的探究学习的关键要素，其设计的好坏直接影响探究学习活动的效果。基于EJS的物理探究式教学的探究任务可以包括“实际物理现象的理想化情境设计及问题研究”“抽象物理现象的具体化情境设计及问题研究”“瞬间物理现象的永久化情境设计及问题研究”等。例如，可以围绕匀加速运动规律、声波在空气中的传播、弹簧振子的简谐振动、飞机扔炸弹炸船的运动过程等设计探究任务。

图1 EJS支持的探究式教学的基本流程

探究任务的设计又包括主题的设计、问题的提出和情境的设计。整个学习活动的设计和实施都要围绕着主题来开展，主题的设计对于技术支持下的探究学习活动有着至关重要的作用，而问题的提出和情境的创设则是探究学习设计的核心内容，其中情境也是基于问题创设的。尽管探究始于问题，问题激发探究，但并不是所有的问题都能够作为任务背景引发探究，能够引发探究的问题应该具有真实性、具体性和解决的可能性的特点，是学习者真正感到困惑的，存在于特定、具体的情境中的，根据现有知识经验和能力水平不能独立解决，但可以在他人或技术的帮助下获得解决的。在问题的基础上所创设的情境应该也是真实的，与学生生活实际尽可能相关的，能够让学生充分体验和感受，从而引出具有整体性的任务并引发学生的兴趣。

2.探究过程的设计

探究过程是学生通过探究进行主动知识建构的过程。在这一过程中，学生会以个人已有的知识经验、心理结构和信念为基础来选择信息，并从中得到推论，甚至根据这些推论来建构自己对世界的认知。EJS支持的探究式教学过程主要包括明确问题或分析任务、建立假设、制定探究方案，通过实证得出结论等过程。教师需要对学生进行分组、指导学生进行探究方案的设计，探究过程的实施、探究成果的汇报等。学生向教师寻求帮助，教师对学生进行指导和评价，整个过程的设计都具有一定的自主性和开放性。学生通过彼此之间的交流与合作，使自己的见解更加深刻与完善。

3.探究评价的设计

基于EJS支持的探究学习评价是探究学习设计中的一个重要环节，它侧重于对学生学习过程和学习绩效的评价。探究学习评价的设计重点是关注学生运用知识解决问题的能力，一般在活动的最开始就要明确评价方式，可以告知学生评价方式或评价内容，使其明确活动的预期结果和努力的方向。在EJS支持下的探究教学中，主要考虑学生探究方案的制定，探究实施中的模型定义、构建图形界面、建立图形界面与模型之间关系，探究成果展示等维度的表现。通过评价使学生的各种能力获得提升、思维获得发展并能够自主构建知识体系，其作为一个激励机制，是探究学习设计中不可忽视的。

(二)基于EJS支持的学生探究

与传统的教学方法相比，基于EJS建模软件的中学物理探究式教学，让学生以活动的形式，借助EJS建模软件、网络等通过合作探究去建构知识，让学生不仅仅是学到了书本上的知识，更重要的是它教会了学生如何学习物理知识。利用EJS建模软件进行探究只需要完成四个步骤(依次是定义模型；构建呈现客观现象的图形界面；建立图形界面与模型之间的联系；增加关于模拟的文本信息)，便能自动产生代码、编译代码来创设交互式模拟环境，从而支持学生开展探究学习[8]。

1.定义模型

定义模型，包括定义描述系统所需的变量、初始化变量、描述数学方程。初学者首先阅读信息界面的各个主题，从而了解模型设计的原理和使用方法，然后根据选取的模型，进行构思，定义描述系统的变量和数学方程。笔者以子弹大木块模型为例，首先定义m1、v1、m2、v2等初始变量，如图2所示。

在这一过程中教师可指导学生按照自己的猜想和假设来确定实验变量。但是班级众多的猜想与假设难免出现重复和偏离现象，所以有必要引导学生对所有的猜想和假设进行整合。同时，教师需对实验所要涉及到的物理量以及实验条件有充分的准备，引导学生追溯其产生的根源和观测的方法，进而明确实验原理。使学生明白对怎样产生相应的条件、怎样改变和观测自变量以及怎样观测因变量进行初步的设计。

图2 定义模型界面

2.构建一个能够呈现客观现象的图形界面

进入显示界面，根据需要设置窗体内容，首先建立窗体“Frame”，然后根据自己的需要选取“显示界面元件”构建物理模型。笔者仍以子弹大木块模型为例，如图3所示：

图3 图形界面构建

学生为了完成探究任务，验证猜想，进行建模。在这里教师可根据具体情况设计指导，不可将步骤告知学生，而应进行指导启发学生进行模型构建。

3.建立图形界面与模型之间的联系

在模型下面，为设计的图形界面建立函数关系和参数演化关系。笔者仍以子弹大木块模型为例，如图4所示。

图4 建立图形界面与模型之间的联系

我们知道，实验表格可以简单而又明确地表达出各个实验物理量之间的关系。因此可以要求学生分清楚直接测量的物理量和待求物理量。

4.增加一些关于模拟的文本信息，以便于学习者理解模拟

在介绍和说明当中附带一些自己的说明，以便学习者能理解模型含义。

(三)EJS在中学物理探究式教学中的应用实例

这里以“动量守恒定律探究”为例来呈现基于EJS开展探究式教学的整个过程，如表1所示。首先教师利用EJS创设子弹打入木块的情境，并提出小球打入木块这个过程机械能是否守恒以及子弹打入前后的动量有何变化等问题引起学生思考。学生带着这些问题建立假设，形成探究方案。接下来学生利用EJS设立变量v1、m1、m2，并建立三个变量之间的关系模型，然后构建呈现动量守恒定律客观现象的图形界面，在此基础上不断调整变量，建立图形界面与模型之间的联系，记录数据，在分析多组数据的基础上发现动量守恒定律。

表1 基于EJS的“动量守恒定律探究”案例

续表1

针对这一部分的内容，教师通常采用带领学生分析动量守恒的条件，利用化一维矢量运算等方法证明动量守恒定律，并要求学生应用动量守恒定律解决碰撞、爆炸等物体相互作用的问题。由于缺少形象的表征，学生通常在确定动量守恒定律中的速度时违反惯性系的同一性，难以搞清楚各速度之间的关系，也容易将不同时刻的动量相加，违反相对速度的时刻同一性。基于EJS开展动量守恒定律的探究，学生通过构建呈现动量守恒定律客观现象的图形界面，建立图形界面与模型之间的联系等过程直观得理解什么是系统，什么是内力和外力，通过不断修改参数和观察感受小球打入木块时除了它们相互间的作用力外，还受到哪些力的作用，使它们彼此平衡。通过对修改参数后数据的分析，学生很容易发现每一时刻小球的水平速度与木块的速度，以及速度之比与它们的质量成反比等规律。

三、基于EJS支持的探究式教学效果分析

笔者与A校物理老师合作开展基于EJS支持的探究式教学的实验研究。选取高中二年级一班为实验班，二班为控制班，一班47人，二班46人，共93人参加了实验。选取的两个班级物理学习成绩处于该校同年级中等程度, 担任物理课教学的老师是具有丰富教学经验的优秀教师。实验班主要采用EJS支持探究式教学，而控制班是一般的课堂教学。通过一个学期的实验，实验班和控制班在对知识的理解、问题解决能力、期末考试成绩等方面表现出一定的差异性。

(一)基于EJS支持的物理探究式教学可以增强学生对知识的理解

高二年级物理教学中理解功率、动量、电流、磁场等概念，是正确分析解决电场、磁场、动量守恒等相关问题的基础，这就要求学生深刻把握知识的内涵和本质。实验班教师在教学中通过利用EJS创设问题情境，学生利用EJS良好的交互功能进行自主实验，在实验过程中获得感性知识，然后在教师引导下开展探究活动，将感性知识转化为理性知识。学期末实验班的学生对概念、定律等的理解明显优于控制班的学生，这说明EJS支持的探究式教学可以增强学生对知识的理解。

(二)培养学生的问题解决能力

在物理教学中，很大一部分内容要求学生在具体的物理过程情境中求解问题或完成学习任务，这就要求为学生创设良好的物理过程情境，学生在情境中进行自主探究，探索问题解决的策略，从而培训学生的问题解决能力。授课教师在实验班教学时，常常由学生自主创设问题情境，或由教师创建问题情境，学生实际操作物理实验并观察统计实验结果，发现结果中的规律后应用已学习过的理论证明发现的规律，总结规律的使用条件和适用范围。通过实验发现实验班的学生能更有意识地发现问题并寻求问题的解决办法，能更好地将实际问题转化为物理模型并运用所学知识解决问题，在问题解决后也能更主动地总结解决策略，表明将EJS应用于探究教学能有效培养学生问题解决能力。

(三)提高学生对相关知识的学习成绩

对控制组实验组的前测成绩进行独立样本t检验，结果表明，实验组(74.85±10.14)与控制组(74.15±9.95)成绩差异不显著(t(91)=0.33，p＞0.05)。分别对比高分、中分及低分组，结果也表明两个班级不同成绩段学生前测成绩不显著(p＞0.05)(如表2所示)，两个班级的成绩起点一致。经过一学期的教学实验后，对两个班级的后测成绩进行独立样本t检验，结果发现，实验组(79.02±11.21)与控制组(74.78±10.94)成绩差异边缘显著(t(91)=1.84，p=0.06)。进一步对比高分、中分及低分组，结果也表明，两个班级在高分组和低分组之间的后测成绩差异不显著(p＞0.05)，而对于中分组，实验组成绩(82.24±3.13)显著高于控制组(74.89±2.21)，(t(46)=9.41，p＜0.01)。为进一步对比EJS对物理教学的作用，对两个班级的前后测成绩分别进行相关样本t检验，结果发现，实验组前后测成绩差异显著(t(46)=-5.81，p＜0.01)，后测成绩显著高于前测成绩；控制组前后测成绩差异不显著(t(45)=-1.74，p＞0.05)，表明EJS支持的探究教学能显著提高学生成绩。

表2 实验班与控制班前后测成绩分层比较

四、基于EJS支持的探究式教学的实践体会

类似E J S建模软件的技术可以作为“探究”“沟通交流”“成果展示“等工具，它所关注的是如何应用，而不是技术功能本身。这些功能如何有效应用于教学是信息技术支持教学的关键。

(一)EJS帮助学生发展对知识和抽象思想的理解

EJS建模软件的可视化功能能够帮助学生加深对知识的理解、以及知识的应用，实现基于多重表征的问题解决过程。物理的学习活动比其它学科的学习有更高的复杂性，物理中建模思维的重要性是不言而喻的，而EJS提供的一个可视化的模型动画，能很好地促进学生理解模型，同时，EJS的简易操作也使教师更为简单的对动画进行定义和设计。在EJS的支持下，学生在建立假设、不断试误、反复判断的过程中利用概念推理的方法形成结论，而不是一味地利用对书本公式的记忆来解决问题。

(二)EJS支持构建探究的学习环境

EJS的突出功能之一便是探究环境的创建，允许学生围绕探究任务中的问题建立假设，然后通过不断调整参数设置(如初始速度、质量等)，观察变化，并在给出即时反馈和验证的基础上形成结论或建立新的假设继续开展探究，直到问题得以解决。在这种活动中，学生自由地进行猜想-验证，在人机交互中充分体验探究的乐趣，有利于物理问题的解决及创造力的培养[9]。

(三)EJS为建模教学提供工具与环境

建构模型比应用模型对于学生问题解决能力的培养能够发挥更大的效果。完成探究任务时一个解决问题的过程，在这个过程中，学生首先建立起一个假设模型，并以该模型作为探究的基础。探究过程的实质是将学生的思维过程具体、可视化的过程[10]。

五、结束语

使用EJS建立物理模型进行教学，是一种基于探究式学习的教学活动。EJS可以给学生营造一个主动学习的环境，并使得学生不再只依赖教师讲授或教科书来获取知识。学生在确定问题空间、建立假设、验证假设、及时反馈、形成结论的过程中主体性得到充分的发挥，探索、分析、研究、解决问题的能力得到提升。通过该软件的使用，学生以往依靠死记硬背的物理公式和概念，可以得到有意义的理解，依靠机械训练获得的知识可以转化成为有效的逻辑思维。而且基于EJS的物理探究式教学更倾向于小组合作学习这种方式。学生在沟通交流、冲突解决过程中合作能力得到提升[11][12]。

[1]李凌云.交互式多媒体学习环境研究现状回顾与比较分析[J].电化教育研究,2009,(6):85-88.

[2]王全，母小勇.模型与建构:国际物理教育新视点[J].外国中小学教育,2009,(3):55-58．

[3][5]王海军，李凌云. Ejs在高校物理实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2010,(5):93-97.

[4]戴海源. 应用Ejs开发中学物理力学仿真实验[J].中国教育技术装备,2012,(17):110-112.

[6]马发辉,李献业,钟永江.初中物理虚拟实验教学模式研究[J].中国信息技术育,2010,(9):48-50.

[7]王润兰,白然,黄金辉.信息技术环境下初中物理实验探究教学模式研究[J].中国电化教育, 2007,(3):84-88.

[8]李凌云，王海军，陈维维.物理教学中常用计算机建模软件的比较与分析[J].电化教育研究, 2011,(9):94-98.

[9][10][11]陈凯，陈博，周宏.基于Netlogo的化学建模教学案例评析及反思[J].中国电化教育,2010,(1):94-97.

[12]张亚娟.信息技术环境下问题探究式教学模式的应用与研究[D].北京：首都师范大学, 2010.

郭欣悦：在读学士，研究方向为网络传播(275205824@qq.com)。

贺相春：讲师，在读博士，研究方向为信息技术与教育应用(11169457@qq.com)。

张筱兰：教授，研究方向为教学设计，技术支持的教师专业发展(zhangxl1963@163.com)。

2015年4月17日

责任编辑：宋灵青

The Research on the Application of EJS Model in Physics Inquiry Teaching in the High School

Guo Xinyue1, He Xiangchun2, Zhang Youlan2
(1.College of Media and Communication, Northwest Normal University, Lanzhou Gansu 730070; 2.College of Education Technology, Northwest Normal University, Lanzhou Gansu 730070)

EJS is a kind of new teaching software based on modern teaching ideas, of which the characteristics include simple creating process, automatic code generation and friendly interface, so that students can make use of a particular visual model to study concrete and abstract concepts, and memorize them on the basis of exploring, understanding and proving these concepts,consequently achieving the goal of using concepts flexibly and solving problems. Take the physics teaching in high schools as an example, and we’ll introduce the methods of using this software and make analysis and reflection according to the design of inquiry teaching under the support of EJS and the key points of students’ exploring research. The author thinks if teaching is based on physics inquiry teaching in support of EJS, it can enhance students’ understanding of knowledge, cultivate students’ problem solving ability,and improve students’ grades in relevant knowledge.

EJS Model; Physical Teaching; Inquiry Learning

G434

A

1006—9860(2015)07—0116—06