大学物理实验课程微课程移动学习系统的实现与研究

方　恺　吕　军　马现超　马宁生　倪　晨（同济大学物理科学与工程学院，上海 200092）

大学物理实验课程微课程移动学习系统的实现与研究

方恺吕军马现超马宁生倪晨
（同济大学物理科学与工程学院，上海 200092）

本文介绍将Web-based Application（Web App）等技术引入物理实验课程教学，构建大学物理实验微课程移动学习系统，实现让学生可以随时开展课内外学习的移动学习资源平台，促进了物理实验系列课程的信息化建设.在物理实验课程的教学过程中，以大学物理实验微课程移动学习系统为基础和支撑，对物理实验系列课程的教学模式进行整体设计，构建“课堂教学+实验操作+移动学习”的混合式教学新模式，让学生获得丰富的学习资源，突破实验室课堂上学习的空间与时间的局限性，激发学生的学习兴趣，提高教学质量.

物理实验；微课程；Web App；微课程移动学习系统

大学物理实验课程是高等学校理工科专业对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统的实验方法和实验技能训练的开端，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础.物理实验课程的教学内容丰富，覆盖面广，学生人数多，在课程教学过程中存在一些亟待解决的问题，包括：（1）实验课程教学时间有限，致使学生对实验原理和实验方法的理解和掌握不够深入和透彻；（2）学生学习基础差异较大，致使部分学生对实验有畏难情绪；（3）学生学习主动性不足，学习兴趣不够高等.对于这些长期困扰物理实验课程教学的问题，有望通过引入现代信息技术，深化物理实验课程教学模式的改革，以移动学习技术辅助大学物理实验课程教学等方法逐步解决.

信息技术对教育发展具有革命性影响，高等教育信息化是促进高等教育改革创新和提高质量的有效途径，是教育信息化发展的创新前沿［1］.基于移动端的教育资源和平台的研究与开发将是教育信息化建设的新课题［2］.近年来，国家级精品资源共享课和精品开放课建设促进了教学观念、教学内容和教学方法改革，推动了高等学校优质课程教学资源建设，实现教育信息和资源的共建共享［3-5］.将“微课程”这一新的教学模式引入物理实验课程的教学中，设计移动端的基于Web-based Application（Web App）的大学物理实验微课程学习系统，是将信息技术与大学课程教育紧密结合，丰富物理类课程的教学内容，弥补课堂教学的不足，提出物理实验教学的新方法，成为现代教学改革的新趋势.相比于精品资源共享课程，大学物理实验课程微课程移动学习系统基于App形式，更适合于在各个学校或院系这样的小规模范围内，紧密结合一门具体课程的教学，其平台的管理和使用更为简单灵活，教学信息易于更新维护，教师和学生均可参与教学资源的制作，模式易于扩展到不同层次和类型的课程.

1　物理实验微课程的设计

近年来，通过互联网开展在线开放学习的MOOC课程在国内外发展迅猛，对传统的课堂教学模式产生深远的影响［6，7］.在大学课程的教学中探索并应用这些新型的教学模式，对促进高校教学的改革具有重要的时代意义和实际价值.实验类和实践类课程无法照搬现有的网络课程的教学模式.如何在大学物理实验系列课程中引入信息技术，提高学生的学习兴趣，提升教学效果，是物理实验教学工作者必须深入思考和研究的问题.

物理实验课程的教学内容包括实验原理、仪器操作、数据测量、结果分析、误差计算和实验报告书写等多个方面.物理实验课程各部分内容的教学重、难点突出，且结构清晰，并具有较强的相关性，这些特性有益于物理实验微课程的设计和制作.“微课程”这一概念是指时间在10分钟以内，有明确的教学目标，内容短小，集中说明一个问题的视频课程［8，9］.物理实验微课程的设计目标是实现基于网络的支持移动学习的物理实验教学资源系统，其内容涉及大学物理实验的各个核心实验项目，让学生在物理实验的学习过程中突破时间和空间的局限，在课堂内外都可以获得知识和及时的实验指导与答疑等帮助，弥补传统实验课程的课堂教学模式的不足.

1.1大学物理实验微课程的体系结构

同济大学普通物理实验微课程的整体结构主要包括基础实验、力学实验、热学实验、电磁学实验、光学实验和近代物理实验等部分.各部分内容由具体的实验项目组成，例如在基础实验中包括示波器使用、长度测量、多用表和几何光学等实验.每个实验的教学内容一般都由实验原理、仪器介绍和实验内容等3个部分组成.根据物理实验课程这种结构特点，我们开发出系列的实验微课程，并在开发的Web App中将微课程的导航分成相应的三级结构，学生通过这三级导航可以快速地找到所需实验的微课程.

1.2大学物理实验微课程的教学设计

大学物理实验微课程的教学设计要运用系统设计的方法，将学习理论与教学理论的原理转换成对教学目标、教学条件、教学方法、教学评价等教学环节进行具体计划的系统化过程［10］.微课程的教学设计对于微课程的设计开发和教学应用具有重要的意义，同济大学物理实验的各个实验项目微课程的设计在保持整体结构一致的基础上，针对具体每个实验项目的教学要求做出适当的调整.

（1）实验微课程的重、难点选择.微课程的重要意义在于对教学的重、难点做出简明扼要，且深入浅出的阐述.因此，把握住实验教学的重、难点是实验微课程开发的关键.同济大学微课程是以物理实验课程教学大纲、教学要求和实验教材等为依据，在长期的教学实践过程中对实验教学的重、难点有清晰地整理和归纳，并据此筛选出合适的微课程教学内容.

（2）实验微课程的资源设计.选择和开发出合适的微课程资源，对学生理解课程内容具有很大的帮助.物理实验微课程开发重要目的是辅助学生学习实验知识和实验技能，因此微课程的资源设计也主要是围绕这一点展开的，其内容不仅包括了真实实验中实验操作演示过程的视频资源，还可以包括将实验演示动画和教学PPT课件等进行转化后的视频格式，使微课程内容具有系统性.实验课程指导教师可以鼓励学生参与制作微课程视频，作为期末教学内容的拓展部分，既鼓励了学生通过体验实验课程的制作来深化对实验内容的理解，又检验了学生对实验内容的掌握情况，同时有助于丰富课程的教学资源.

（3）实验微课程的教学过程设计.实验微课程的教学过程包括学生在课内外通过视频进行学习，并且与课堂实验教学相配合.课堂实验教学主要是在真实的实验室环境下进行的，因此学生面对的学习困难除了对相关实验原理不易理解之外，还有具体实验情境中产生关于仪器操作、测量方法和数据处理等方面的疑惑.每节实验微课程基本控制在5分钟之内，其内容既有原理性知识的适当提示，又有实验情境中实验操作的关键步骤的视频再现，或数据分析方法的解说，这样的教学过程可以帮助学生在真实的情境中找到问题的答案.

2　物理实验微课程的技术实现

2.1平台开发

HTML5是最新一代的应用超文本标记语言，以其为标志的Web技术为移动智能终端的Web App开发提供了技术支持.HTML5不仅用来表示Web内容，还将Web带入一个通用的应用平台，在这个平台上，视频、音频、图像、动画，以及同更多智能设备的交互均为标准化形式［11］. HTML5中的〈video〉标签等相关的模块可以实现在移动终端直接播放特定格式的视频，因此不同种类的移动终端都无须下载其他的视频播放的插件，而直接播放教学视频.同时，常见的各种浏览器都在不同程度上对HTML5提供了支持，包括Chrome、Safari和Firefox等.

本实验微课程的Web App的开发主要利用的前台开发工具Zepto是一个专门针对现代移动设备的浏览器内核Webkit的非常轻量级的JavaScript类库，开发者可以非常容易开展工作［12］.作为一个创建移动Web App的框架，适用于各种操作系统的智能手机和平板电脑，可以很好地解决App在各个平台上的兼容性问题.这种跨平台的技术的实现，可以使移动智能终端直接与服务器端进行交互，这对交互学习和移动学习具有重要的意义，拓展了微课程系统广泛应用的前景.同时，在前台还使用到了Ajax技术和ECharts框架，这可以帮助教师通过可视化的统计图来观察学生浏览课程的基本信息.后台开发用SSH2（Struts2+Spring+Hibernate）组合框架，它是一种轻量级的J2EE平台.Struts2在开发中主要用于业务逻辑处理，Spring将各层的对象以松耦合的方式组织在一起，Hibernate可以对JDBC进行轻量级的对象封装完成数据持久化的重任.

基于Web App微课程移动学习系统开发的关键步骤包括：（1）设计和开发H TML页面，在页面代码的第一行要使用〈！DOCTYPE html〉语句进行声明，使浏览器可以识别使用的HTML版本为HTML5.（2）编写CSS文件使网页的界面符合微课程移动学习系统的需要，同时调用JS框架使学生和教师可以在移动端与页面进行很好地交互.（3）根据所需的信息设计数据库，这里使用的数据库是MySQL.（4）在后台利用SSH2框架，完成用户请求转发、过滤和数据的记录等操作.

2.2实现效果

物理实验微课程系统网络拓扑结构如图1所示，包括实验室内部网络和外部网络两个部分.在设计移动学习系统的链接和使用方式时，力求直观，让学生容易理解，并便于操作.通过将开发的Web App的文件复制到实验室tomcat服务器的webapps文件夹下，双击tomcat服务器bin文件夹下的startup.bat文件（Windows环境下）启动服务器.学生可以通过终端在浏览器中输入网址或“扫一扫”功能扫描二维码链接（如图2（a）所示），登录后可以进入“物理实验微课程”的页面（如图2（b）所示）.学生根据实验课程学习的需要选择相应的实验微课程条目，例如学生要学习牛顿环的实验原理，那么学生可以先进入首页然后选择“光学实验”，在光学实验的页面中选择“牛顿环”，再在下一页面中选择“实验原理”项，进入微课程的学习.微课程的界面（如图2（c）所示）.学生可以根据自己的学习需要控制播放的进度.通过单击返回按钮，返回到上一级导航重新选择实验微课程，实现“一站式”的学习.

图1　物理实验微课程系统网络拓扑结构

图2　同济大学物理实验中心微课程二维码链接、Web App首页、视频界面与教学应用

3　物理实验微课程移动学习系统的混合式教学设计

微课程在物理实验教学中被广泛应用，它不仅可以与实际的课堂实验操作相配合，还可以用于学生独立的课外学习.基于大学物理实验微课程移动学习系统，将教师面授、网络课程、课堂内外在线学习与课外拓展知识结合起来，实现物理实验课程的混合式教学模式（如图3所示）.

3.1课堂学习辅助

物理实验课上，学生在实验仪器的操作和测量过程中，会遇到各种各样的疑问.同时，在实验室中一个教师可能要面对数十个学生，这使得每个学生不可能都能即刻获得教师的释疑解惑.同时，在物理实验教学的过程中，教师的教学方法通常为讲解示范与操作辅导，形式较为单一，而不同的学生会面临各自的困难，因而学生迫切需要个性化的指导.物理实验微课程可以使学生在出现实验操作上的困难时，可以直接通过移动终端的Web App获取微课程的教学指导，实现有针对性的教学，提高学生的学习效率（如图2（d）所示）.具有微视频的微课程还可以提供真实的情景，相对于文字写的操作步骤，它更为直观而具体，学生可以有针对性地学习实验操作等内容.

3.2课外学习指导

由于实验室安全管理等原因，实验室无法在全天任何时候都向学生开放，而且由于课堂上实验教学的时间有限，如果学生在课前通过微课程进行充分的实验预习，会对学生提供学习帮助，使学生提前了解实验室环境及实验操作的基本过程.课堂上，学生完成实验的操作和数据的记录后，通常数据处理等工作要求学生在课后书写实验报告时完成，但在课外学生一般不易得到教师的及时帮助，而微课程可以为学生在数据处理方面提供必要的帮助.同时，Web App上的微课程还可以帮助学生复习物理实验操作的具体过程，通过微课程获取自己所要的信息，并用于实验结果分析等.

图3　物理实验微课程移动学习系统支持下的混合式教学模式

3.3以学生为中心的教学理念

在理工科本科生的物理实验教学过程中，实验方法、实验步骤的设计和仪器设备的组织、准备等都是由实验教师提前完成，学生常常感觉是被动地接受知识.为了改变这种状况，激发学生学习的主动性，需要突出以学生为中心的教学理念.对学生而言，随着手持移动数码产品普及和无线网络的覆盖，移动学习、远程学习、在线学习和泛在学习等新的学习方式越来越为大家所接受.同时，通过高等院校的数字化校园建设，无线网络已覆盖实验楼和教学楼等区域，为学生使用无线网络进行学习提供了支撑条件与硬件保障.

通过物理实验微课程移动学习系统，学生可以根据自己的需要主动地选择学习资源，如果学生对实验的原理已经非常熟悉则可以选择跳过这部分课程，如果在实验操作部分有困难则可以对操作部分的课程进行反复学习，还可以控制课程的进度.物理实验微课程也可以使学生充分利用碎片化的时间进行学习，为学生提供了不同的学习策略和学习方式，可以充分发挥学习内容微型化、学习终端灵活化的优势，实现高校学生按需学习、高效学习和快乐学习的理想.

4　结语

大学物理实验微课程移动学习系统是以现代教育理论为基础，对物理实验教学方式的改革和创新，实现学习资源的开放共享，提高实验教学管理现代化水平，推动信息技术与高等教育深度融合.物理实验微课程改变了原有的教师课堂授课模式和学生局限于实验室的学习模式，建立了混合式教学新模式，使网络学习、移动学习与课堂面授多种学习方式充分融合，实现了以学生为中心的学习模式，激发学生学习积极性，培养学生自主学习、自主管理的意识和能力，为构建学习型社会打下基础.

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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

教育部高等学校教学研究项目（网络远程控制在实验教学中的应用研究，项目编号：DWJZW201431hd）、2015年上海高校本科重点教学改革项目（用移动学习技术提高大学物理实验课程教学质量的研究）和同济大学教学改革研究与建设项目（物理实验数字化学习资源建设与教学模式研究）.

方恺，女，高级工程师，主要研究方向为物理实验教学、教育技术学和凝聚态物理学.fangkaitj@tongji.edu.cn