移动学习中的物理实验微课程结构设计

马宁生，吕 军

(同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092)



移动学习中的物理实验微课程结构设计

马宁生，吕 军

(同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092)

以互联网时代到移动互联网时代教学方式的转变为起点，结合移动互联网、智能手机等新出现的移动教学平台在物理实验教学中的实践教学经验，全面分析和介绍了移动学习系统中的结构与技术，阐述了以Web App 作为平台开发物理实验微课程的具体技术路线.

移动学习；互联网；微课程

“教育信息化十年发展规划(2011-2020年)”明确提出了教育的发展目标之一是“充分发挥现代信息技术独特优势，信息化环境下学生自主学习能力明显增强，教学方式与教育模式创新不断深入，信息化对教育变革的促进作用充分显现”[1]. 因此在近年来的高等院校信息化建设中，在线学习已经成为学生学习的一种方式. 随着科学技术与教学资源的整合，教学方式也出现许多改革和创新. 其中，近年来移动智能设备的广泛使用，如何将教学资源的全面推送已成为教育信息化建设的新课题[2].

大学物理实验需要借助教育信息化的浪潮来实现其自身的教学改革. 将物理实验微课程放在Web App上，融合到学生的实验学习过程中，将会促进物理实验的教学环境、教学过程和学习方式等的变革.

1 移动学习系统的结构与技术

1.1 移动应用程序

目前，移动应用程序主要有Native App，Web App和Hybrid App. Native App依赖于移动终端的操作系统而开发的应用程序，它需要针对不同的操作系统分别进行开发，用户可以直接在网上根据自己终端的操作系统进行下载安装. Native App的缺点是开发周期长、成本高、维护成本高和更新缓慢，但在用户体验、性能的稳定性和在对本地资源的调用等方面，Native App仍具有不可替代的优势. Web App是可以直接运行在移动设备浏览器上的应用程序，它是利用Web技术开发的，无需下载和安装，它可以拥有与在Native App上相似的用户体验，由于与操作系统平台无关，且具有良好的跨平台的特性，因此具有开发周期短、成本低和易维护等特点. Hybrid App介于Native App和Web App之间，它看上去是Native App，但只是UI WebView，内核访问的是Web App[3]. 考虑到Web App具有上述特点，而且大学物理实验微课程移动学习系统并不涉及调用本地移动设备资源，因此在开发过程中，选择Web App的形式.

1.2 HTML5技术

广义上的HTML5是一系列Web技术范畴，包括HTML5，CSS3，JavaScript API、Web Application和通讯协议等多个技术领域[4].

在大学物理实验微课程移动学习系统的开发过程中，除了运用了〈video〉支持手机端播放视频的标签外，还用了CSS重置样式文件Normalize.css，使同一元素在不同的浏览器中有不同的默认值，避免了由于浏览器的差异而导致相同元素显示的差异，同时Normalize.css还帮助修复了浏览器上的部分漏洞. 为了让学习系统具有良好的交互效果，系统开发采用了Zepto框架. Zepto是专门针对现代移动设备，浏览器内核为Webkit的非常轻量级的JavaScript类库，具有与jQuery相同的语法结构和使用方法，开发者可以容易上手.

1.3 Ajax技术

Ajax是基于标准Web技术创建的、能够以更少的响应时间带来丰富用户体验的Web应用程序所使用的技术集合[5]. Ajax实现了浏览器与服务器的异步通信，在用户不重载整个网页的情况下，Ajax通过后台进行数据发送与接收，并在网页上进行显示，不会影响用户当前操作.

1.4 SSH2组合框架

框架使用主要目的在于减少重复开发的工作量，框架的选择要结合实际开发的需要和框架本身的性能. SSH2组合框架是由Struts2，Spring和Hibernate组合而成，这3种框架各有所长，其组合可以最大程度地发挥它们的优势，是目前使用较多的组合框架.

1.5 Tomcat服务器

Tomcat是免费的开源的Serlvet容器，能支持最新的Servlet和JSP规范. Tomcat是免费的开放源代码的Web 应用服务器，是一种轻量级应用服务器，具有先进的技术和稳定的性能，被广泛应用于JSP应用程序的开发和调试. 借助Java跨平台的特性，可被部署到不同操作系统的服务器上.

1.6 MySQL数据库

MySQL具有速度快、体积小以及社区版的免费和开放源码等特点，被很多中小型网站选作网站数据库. MySQL为C，C++和JAVA等多种编程语言提供了应用程序接口，使其可以被广泛应用于继续开发和使用，采用多线程编程的方式，充分利用宝贵的CPU资源，减少了对系统资源的占用. MySQL不仅可以应用于客户端服务器的网络环境中，还可以以库的形式嵌入到软件中. MySQL通过使用专门的权限和口令系统，使得用户在开发和使用过程中更安全. MySQL的优点不仅于此，它还有支持多种语言、支持大型数据库和多种存储引擎等特点.

大学物理实验微课程系统采取B/S(Browser/Server，浏览器/服务器)架构，其后端实现工具是Struts2+Spring+Hibernate组合框架，前端使用了HTML5技术，同时在生成图表信息的网页部分使用了Ajax技术.

2 移动学习系统的功能与软件结构

本系统开发将基于Web App的大学物理实验微课程应用于物理实验的教学. 因此，系统开发要围绕微课程的合理使用为核心，使微课程与实验教学进行高效地整合. 在这一系统中，包括教师和学生2个主要的角色，系统的开发要满足教师和学生在功能上的需求. 除此以外，还应该考虑系统本身在安全性、可靠性、可维护性和实时性等非功能性的需求.

2.1 教师端功能需求

教师是课程的参与者和学生的管理者，教师端的功能需求主要包括个人信息管理、学生信息管理、观看实验微课程、参与课程讨论和统计分析学生学习数据5个部分. 个人信息管理是教师在完成注册登录后，可以对自己的用户名、密码和姓名等个人信息进行修改. 学生信息管理功能可以让教师批量导入和删除学生的基本信息，包括用户名、密码和姓名等，教师也可对已经注册的学生信息进行修改. 观看实验微课程的功能使教师可以和学生观看视频上的课程内容. 在课程讨论部分，教师可以回答学生提出的问题，也可以提出问题引发学生对该课程的思考. 学生在微课程学习的过程中会产生很多的数据，这些数据对教师分析学生的学习情况具有重要的意义，在统计分析模块中，教师可以看到某课程被学习的次数的统计表，教师也可以下载每个学生观看课程的细节信息.

2.2 学生端功能需求

学生是物理实验微课程学习的主体，学生端的功能需求主要包括管理个人信息、观看实验微课程、参与课程讨论和记录学习笔记4个部分. 管理个人信息是学生在完成注册登录后，可以对自己的用户名、密码和姓名等个人信息进行修改. 观看实验微课程是学生学习的核心，基于Web App的实验微课程可以使学生在实验前、实验中和实验后各个阶段完成实验学习的需要. 学生在观看微课程的过程中可能会遇到各种各样的问题，在参与课程讨论的部分，学生可以提出自己的问题，也可以讨论别人发现的问题并给出解决方案，使学生与学生及学生与教师之间互相学习，提升对实验的认识. 基于特定课程的问题的长期积累，形成问题集，将成为学生学习的宝贵文本资源. 除了讨论各种课程问题，学生也可以在记录学习笔记功能模块记录自己实验学习的心得，该心得仅由学生本人可以察看.

2.3 非功能性需求

非功能性需求，主要指开发的软件系统为满足用户业务需求而必须具有且除功能需求以外的特性，非功能性需求对软件稳定高效的运行有重要的意义，主要包括安全性、可靠性、可维护性和实时性等.

2.4 系统的软件设计

基于Web App的大学物理实验微课程系统的软件设计如表1所示.

表1 实验微课程系统软件设计表

2.4.1 教师端逻辑设计

根据教师端功能的需要，对其实现的逻辑进行设计. 教师通过首页进入登录页，在登录页输入用户名和密码. 在观看课程页，教师可以参与课程讨论，学生浏览课程的次数可形成统计图. 在信息管理页，教师可修改自己的个人信息和学生信息，并可以下载学生学习课程的数据.

2.4.2 学生端逻辑设计

学生端逻辑设计与教师端相似，但在部分细节设计上具有差异. 学生通过系统首页进入学生登录页，在登录页学生需要输入注册的用户名和密码，在选择观看课程页，学生可以参与课程的讨论和记录课程学习笔记.

2.4.3 数据库设计

根据总体设计的需要，并结合数据库设计的理论，设计数据库，共有6张数据表，分别是教师信息表、学生信息表、课程信息表、评论信息表、笔记信息表和观看课程次数信息表，其关联主要是通过添加外键约束来实现.

3 微课程的结构设计

移动智能终端是微课程得以实现重要载体，结合移动智能终端和微课程的特点，从学习者使用的角度建立在移动智能终端上的微课程结构(见图1).

图1 微课程结构

3.1 注册和登录

注册和登录是学生可以通过为移动智能终端专门开发的Web App输入基本信息. 当然如果是学校为在校学生开发的微课程，学校可以为学生在服务器端完成注册. 注册和登录的目的是为了获取学习者基本特征，包括年龄特征、社会文化背景和认知发展等. 这些特征可以在1次注册中完成，其获得有助于系统为用户推送符合学习者特征的课程，可以在一定程度上减少搜索微课程所花费的时间.

3.2 选课

选课是学习者根据自己的需要选择相应的课程. 因为移动智能终端的屏幕较小，不利于学习者进行输入文字检索，所以为了让学习者能够快速地选出课程，移动智能终端上的Web app要对课程进行合理的分类. 对于在校学生可以首先根据学生的年级进行分类，然后再按照各年级的课程进行分类，如果注册信息中已有学生的年级信息，则可以在学生登录后直接进入相应的年级课程进行选课. 为方便学生选课，课程在智能终端上开发成图标形式，方便学生在屏幕上点击进入课程学习.

3.3 课前自测

微课程的学习目标不同于一般意义上的课程学习目标，微课程是围绕1个教学的重点或难点展开的，因此学习目标的陈述比较简单且指向明确. 在移动智能终端上陈述微课程的学习目标应该充分利用多媒体特性，学习目标可采用语音、思维导图的形式表现出来.

3.4 诊断性评价

诊断性评价是指为了是使教学适合于学习者的需要和背景，在1门课程和1个学习单元开始前对学习者所具有的认知、情感和技能3方面的特征进行的评价[6]. 在微课程中设计诊断性评价的目的之一是帮助学生回忆即将学习的知识点的下位知识，为学习者学习做好准备工作. 就目前而言，移动智能终端对学生进行诊断性评价的能力还是比较有限的，主要采取选择题的形式. 因为知识点的数量一般只有几个，所以题目设计的数目也比较少. 如果学习者的诊断性评价的成绩符合学习下一知识点需要则进入下一环节，否则建议学习者重新选择适合于学习者的课程.

3.5 视频教学

视频教学是微课程的核心，是微课程短小精悍特点的具体体现. 移动智能终端的数据传输能力有限，在有限的数据传输能力的基础上还要确保视频的清晰度来满足学习的需要，因此对视频格式的选择很重要. 如果是借助HTML5开发的App应该尽量使用HTML5的〈video〉中支持的视频格式如Ogg,MPEG 4,WebM等.

3.6 形成性评价

形成性评价指的是在某项教学活动开展过程中，为教学活动更有效而进行的评价，它能及时了解阶段教学的效果和学生学习的进展情况、存在问题等，以便及时反馈，及时调整和改进教学. 移动智能终端对形成性评价的形式也主要是选择题的形式. 学生通过形成性评价则完成了微课程的学习，如果形成性评价的成绩不合格则建议学生重新学习微视频. 形成性评价的数据也可以通过终端反映给教师，教师根据学生形成性评价反映的情况给学习者提供个别化的辅导.

4 基于Web App的大学物理实验微课程的教学应用

信息技术与课程融合不只是信息技术在教育中的应用，更是信息技术支持下的教育理念的转变，它将有助于打破传统的学科本位和教师本位的教学体系，建立学生本位的学习体系，使学生实现基于信息化学习环境的知识建构. 将基于Web App的物理微课程引入到实验教学过程中，无疑又增加了新的交互因素，可以使学生根据自己的需要选择实验学习的资源和方式. 在混合学习和移动学习日益盛行的趋势下，微课成为当前我国教育信息化资源建设的重点和研究热点[7].

目前物理实验的学习过程，以具体的实验项目为中心，经过实验前的预习、实验课堂上的操作和实验后的复习3个阶段. 融合实验微课程后的学习过程中，在课前，学生可以通过微课程熟悉实验室环境、理解实验原理以及实验操作的过程. 通过上述步骤的自主学习，教师在课堂教学过程中只需要对实验做简单讲解，将更多的时间用来帮助尽可能多的学生. 在实验课堂上，当学生在实验操作过程中遇到困难时，也可以随时利用移动设备查看微课程，减少教师对简单问题的重复回答，将宝贵的课堂时间用来解决学生个别难以解决的问题. 在课后，学生仍然可以通过微课程回顾整个实验的细节，巩固对实验的理解. 学生在实验课程的各个环节，还可以观看和发表关于该课程的评论，获取来自其他学生的帮助. 将移动端实验微课程融入到实验学习过程中，学生可以随时随地学习，也可以实现实验学习的课堂翻转[8].

教学要依据学生个性的差异，使具有不同特质和倾向的学生，实现不同类型和层次的成长[9]. 物理实验的教学也应该考虑到学生的个性差异，根据不同学生的需要提供不同的帮助，而不是给所有的学生灌输统一的知识体系. 在有微课程学习系统支持下的物理实验学习环境中，个别化教学主要有2个方面：首先是学生可以根据自己的需要选择微课程. 每个实验的微课程主要有实验原理、仪器介绍和实验操作3个部分组成，学生可以根据自己在学习过程中遇到的困难的类型，选择观看哪一部分的微课程，同时学生也可以操作微课程视频，跳过已经理解部分，选择自己薄弱的部分观看，实现学生按需选择课程；其次是教师给有需要的学生提供个别化的指导. 这种个别化的教学不仅可在实验室中进行，还可通过微课程系统在线上完成. 微课程移动学习系统的首页、实验微课程、微课程内容及课程学习统计如图2所示.

图2 微课程移动学习系统

5 结束语

互联网被引入教育领域，已经对教育界产生了深远的影响，并且通过多年的教学实践，传统的教育方式已经发生巨大改变. 借助于互联网平台的教学新模式不断地涌现，随着科技发展进步，智能移动设备平台下的移动学习开始受到人们广泛的关注. 近年来出现的移动学习教学形式再一次推进传统教学方式的改革和创新，在移动端新技术、新设备被引入后的移动教学方式与早期的移动学习方式相比呈现出了许多新特点. 近年来移动智能设备在学生群体中的广泛使用和教学资源的全面覆盖使高等院校的教学方式迈入新的研究阶段[10].

[1] 中华人民共和国教育部. 教育信息化十年发展规划(2011～2020年)(教技(2012)5号)[R]. 2012.

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

[3] 刘扬. 移动Web App：未来发展更需要抓住的新趋势[J]. 中国传媒科技，2015(7):58-60.

[4] 优视公司. HTML5助力Web 应用发展实践[J]. 信息技术与标准化,2012(11):14-17.

[5] 武宝珠,梁声灼,牛德雄. 基于Struts2+Spring+Hibernate架构构建Web应用系统[J]. 计算机与现代化,2009(8):43-46.

[6] 何克抗，李文光.教育计划学 [M]. 2版. 北京：北京师范大学出版社，2009:342.

[7] 胡铁生，黄明燕，李民. 我国微课发展的三个阶段及其启示[J]. 远程教育杂志，2013(4)：36-42.

[8] 刘玲. 翻转课堂与小组合作学习带给物理实验教学的新活力 ——以“力的分解”为例[J]. 物理实验, 2016,36(3):37-41.

[9] 郅庭瑾，马云. 个别化教学的公平含蕴与其实现路径[J]. 教育发展研究,2013(12):36-40.

[10] 宋金潘，郭新峰，王生钊，等. 微课在大学物理实验教学中的应用[J]. 物理实验,2015,35(2):12-17.

[责任编辑：郭 伟]

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

教育部高等学校教学研究项目(No.DWJZW201431hd)；2016年上海高校实验物理教学研究会项目(No.01-201610-47)

马宁生(1960-)，男，湖北沔阳人，同济大学物理科学与工程学院副教授，硕士，研究方向为教育技术学.

互联网+物理

G642.423;TP393

A

1005-4642(2016)11-0023-05

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文