基于Moodle环境的在线物理实验教学平台的设计与实现

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(上海理工大学 理学院,上海 200093)

Moodle (modular object-oriented dynamic learning environment),即模块化面向对象的动态学习环境,是一个用来建设基于Internet的课程网站的软件包.Moodle作为一个LMS (学习管理系统,learning management system)平台,用于在研究项目中共享有用的信息、文档和知识管理,给研究人员提供了有益的帮助[1].从商业LMS到开源系统(如Moodle)的转变是一个日益增长的趋势.这些在线技术已经在教师层面上得到了广泛的传播,例如旧金山州立大学(SFSU) 70%的课程都在使用在线技术[2].Moodle技术正在不断发展,越来越多地被用来提高学生的认知模式,帮助他们建构自己的知识,促进学生积极地与同伴进行讨论和合作[3-4].

计算机在物理上的应用始于20世纪70年代[5].从那时起,有许多研究分析了新技术应用于教授物理的有效性[6].一些学者甚至认为使用互联网教授物理学是一个比使用传统方法教授物理学更有效的途径[7].本文基于Moodle技术,设计了一个在线物理实验教学平台,并遴选了3个大学物理实验进行了理论与虚拟实验的对比研究,最后对该平台的使用效果进行了效用验证.

1 基于Moodle环境的在线物理实验教学平台(PTP)的设计

本文设计的基于Moodle环境的在线物理实验教学平台简称为PTP (physics-experiment teaching platform).

1.1 PTP的结构

如何让使用者高效、快乐地使用本文介绍的平台是设计过程所面临的一个主要问题,包括如何进行用户界面设计,如何在Web上发布以及如何将其集成到学习管理系统中等.很多学者都曾讨论过这些问题[8-10],本文拟在前人的基础上进一步提出一个可有效实施的PTP解决方案.

本文设计的PTP是基于将如下3个主要部分进行衔接而考虑的:

a. Moodle平台——用于学习内容管理;

b. NI ELVIS平台——美国国家仪器NI公司的教学实验室虚拟仪器套件,用于硬件支持;

c. NI LabVIEW软件——(一种程序开发环境,由美国国家仪器NI公司研制开发)作为硬件控制应用程序的环境,也作为用户界面Web发布者.

本文提出的PTP的结构如图1所示.它由主服务器、应用服务器和客户端构成.

主服务器由Moodle平台、MySQL数据库服务器和LabVIEW软件组成.Moodle是一个开源的课程管理系统,可以用来创建在线学习网站,已被大家广泛接受.而且它是开放源代码,可以用于开发新的模块,比如实验室的在线预订系统等.主服务器上的LabVIEW为在线发布提供支持,通过LabVIEW客户端可以发送命令并从物理实验教学平台接收结果.MySQL数据库服务器既服务于Moodle平台,也服务于主服务器与应用服务器之间的通信.

应用服务器可以有多个(根据客户端需求),它的作用是通过很多协议来为应用程序提供商业逻辑(business logic),每个应用服务器也都配有LabVIEW.应用程序服务器可以放在任何地方,只需有数据库连接到主服务器上即可.

客户端配有LabVIEW,客户通过在线用户界面应用程序(online user interface application,UIA)链接到所设计的PTP平台上,UIA与数据库服务器进行通信,通过LabVIEW的远程面板中的Web发布工具进行在线发布.

图1 PTP结构Fig.1 Structure of PTP

1.2 Moodle平台

a. Moodle环境.

本文设计的PTP的Moodle环境总体配置为:Windows10+32GRAM+Apache+MySQL+PHP.在这个环境下的PTP平台可以同时支持1 500个在线用户.

b. 基于Moodle环境的PTP平台.

基于Moodle环境的PTP平台主要由实验教学模块、实验设计模块和实验管理模块组成.整个PTP平台的功能结构如图2所示(见下页).

c. 基于Moodle环境的PTP平台的教师监控——对学生学习动态的了解.

PTP提供了许多关于学生使用平台的信息以及他们的表现.这一信息可以被某个人、某个群体,甚至全球的学生所获得.在个人的基础上,教师可以了解单个学生在平台上进行的所有活动:访问次数、完成每项任务所花费的时间、分数等.访客对PTP进行访问的次数,根据访客浏览器和网站服务器之间的互动情况判定,以下3种情况会记为新的访问:访客关闭浏览器后重新进入网站;访客不关闭浏览器,但是在网站上不活动超过30 min,30 min后访客再次点击网站上的链接;访客任何时候从其他网站到达该网站.这些信息可以通过数字或图形方式进行检索,如图3所示.

图2 PTP平台的功能结构图Fig.2 Functional structure diagram of PTP platform

图3 单个学生访问次数统计Fig.3 Statistics of the number of visitsfor one single student

同时,教师还可以从宏观上了解全部学生每天访问物理在线实验课程的总次数(频率),参见图4.用蓝色箭头标记的高峰表示考试前几天的访问次数.

数字信息既可以在平台本身中检索,也可以下载到适合与电子表格一起使用的文件中应用.此功能允许教师提取有关课程的有用信息.例如,可以为不同类型的数据生成直方图,如学生在特定测验中获得的分数,参见图5.

图4 访问PTP频率统计 Fig.4 Frequency statistics for accessing PTP

图5 学生考试分数与访问PTP次数关系图Fig.5 Histogram of students’ test scores tothe number of PTP accesses

PTP也会自动计算出一些指标,以了解不同活动的情况.这些指标之一是所谓的“难度指数”,定义为用户在一次测验的特定项目中获得的平均分数除以一个学生获得的最高分.这些信息可以用来提高PTP实施不同活动的质量.

1.3 PTP的硬件

从硬件角度来看,本文使用NI ELVIS(美国国家仪器NI公司的教学实验室虚拟仪器套件)平台来实现物理实验教学平台工作.NI ELVIS平台提供所有需要的物理实验教学平台设备,如:函数发生器、数字万用表、示波器、双极可变电源、阻抗分析仪和频谱分析仪等.选择NI ELVIS的另一个原因是可以使用LabVIEW开发的应用程序进行控制,使应用程序的在线发布变得更加容易.

1.4 PTP的用户页面

基于Moodle环境的PTP用户页面如图6所示.

图6 PTP的用户页面Fig.6 User interface of PTP

2 基于Moodle环境的在线物理实验教学平台(PTP)的实现

实验遴选了3个大学物理实验进行研究,这3个实验工作分别选自机械振动、气体动理论和热学,具有一定的涵盖性.这3个实验为:

a. 两个垂直振动的合成-李萨如图形;

b. 玻尔兹曼分布;

c. 温度对电阻率的影响.

2.1 两个垂直振动的合成-李萨如图形

2.1.1理论阐述

两个同频率的相互垂直的分运动位移表达式为

x=A1cos(ωt+φ10)

(1)

y=A2cos(ωt+φ20)

(2)

式中:x,y为两个分运动的位移;ω为两个分运动的角频率;A1,A2为两个分运动的振幅;φ10,φ20为两个分运动的初相.消时间参数,得

(3)

合运动一般是在2A1(x方向)、2A2(y方向)范围内的一个椭圆.椭圆的性质(方位、长短轴、左右旋)在A1,A2确定之后,主要决定于

Δφ=φ20-φ10

(4)

对于方向垂直的不同频率的简谐振动的合成,两分振动频率差(ω2-ω1)很小.

Δφ=(ω2-ω1)t

(5)

可看作两频率相等,而Δφ随t缓慢变化,如果两振动的频率成整数比,则其轨迹称为李萨如图形.如,ωx∶ωy=3∶2,φ20=π/4,φ10=0,此时的李萨如图形见图7.

图7 李萨如图形Fig.7 Lissajous curves

2.1.2虚拟实验的实现

这项工作致力于研究两个垂直方向的振荡的合成.通过搭建的在线实验平台,成功获得了李萨如图形.垂直方向上的两个振荡通过连接到主电网(PNT)的变压器和由NI ELVIS平台(NI ELVISFG)提供的函数发生器获得,如图8所示.已知一个振荡的频率(由NI ELVIS FG生成的振荡频率),另一个振荡的频率可以根据式(6)计算得到.

(6)

式中:nx和ny为图形与坐标轴x和y的交点;υx和υy为两个振动的频率.此应用程序的Moodle页面如图9所示.在线实验获得的李萨如图形和理论计算结果完全一致.

图8 垂直方向上振荡的合成示意图Fig.8 Composite diagram of the oscillationin vertical direction

图9 李萨如应用程序的PTP页面Fig.9 PTP page for Lissajous application

2.2 玻尔兹曼分布的研究

2.2.1理论阐述

早在1859年,麦克斯韦应用统计概念和力学原理导出在平衡态下气体分子速率分布函数的具体形式为

(7)

式中:f(v)为气体分子速率分布函数;k为玻尔兹曼常数;T为温度;m0为气体分子质量;v为气体分子速率.该式被称为麦克斯韦速率分布函数.

玻耳兹曼把麦克斯韦速率分布律推广到气体分子在任意力场中运动的情形.当气体处于平衡状态时,在一定温度下,在速度分布间隔vx～vx+Δvx,vy～vy+Δvy,vz～vz+Δvz和坐标分布间隔x～x+Δx,y～y+Δy,z～z+Δz内的分子数为

(8)

式中:Ek代表动能;Ep代表势能;no代表在Ep=0处单位体积内具有各种速度值的总分子数.该式被称为麦克斯韦-玻耳兹曼分布律.

将上式对速度积分,并考虑到分布函数的归一化,则玻尔兹曼分布率也可以写成如下形式为

ΔNB=noe-Ep/kTΔxΔyΔz

(9)

2.2.2虚拟实验的实现

这项物理实验教学平台工作致力于根据势能研究气体分子的分布.本文研究的是分子数密度,该分布由式(10)给出:

N=Noe-Ep/kT

(10)

式中,N为分子总数.

为了简单起见,本文的研究对象是在真空二极管(VTD)中获得的电子气体.在这种情况下,玻尔兹曼分布可以写成为

(11)

式中:U为制动电压;e为电子带电量.

在VTD中获得电子气体过程如下:使电流通过二极管的灯丝,这会使阴极变热,从而通过热电子发射产生电子气体.

由于热电子发射产生的阳极电流强度很小,因此采用了基于仪器放大器的放大电路.为了研究电子的分布,在阳极和阴极之间施加了制动电压.

阳极电流的强度由势能高于制动能量eU的电子数量给出.

实验在基于Moodle的NI ELVIS平台上进行.该应用程序的Moodle页面如图10所示.在线实验获得的玻尔兹曼分布曲线和理论计算结果完全一致.

图10 玻尔兹曼分布的PTP页面Fig.10 PTP page for Boltzman distribution

2.3 温度对电阻率的影响

2.3.1理论阐述

在温度变化范围不大时,纯金属的电阻率随温度线性增大,如式(12)所示.

ρ=ρ0(1+αt)

(12)

式中:ρ,ρ0分别为t℃和0 ℃时的电阻率;α称为电阻的温度系数(材料的热系数),多数金属的α≈0.4%.

2.3.2虚拟实验的实现

该应用致力于研究温度对铜线电阻率的影响.电阻率取决于热混沌运动,也取决于与杂质原子电子相关的波的传播.在物理实验教学平台可实现的温度范围内,电阻率与温度成线性关系,同式(12).

电阻率通过使用数字万用表测量导线电阻R来决定,如式(13)所示.

(13)

式中:L是长度;S是铜导线的横截面积.

被研究的电阻是具有以下几何尺寸的铜线,长度为 3.5 m,直径为 0.24 mm.为了提高铜线的温度,将铜线缠绕在功率电阻上,利用功率电阻作为加热器.该系统封装,以便获得一个较小的温度梯度.

利用与铜线相连的温度传感器LM35来测量线的温度,用硅膏进行接触连接.采用PID算法对温度进行调节,从而获得预期的温度.

该应用程序的Moodle页面如图11所示.在线实验获得的温度与电阻率关系的曲线和理论计算结果完全一致.

图11 温度对电阻率影响的PTP页面Fig.11 PTP page for the effect of temperatureon the resistivity

3 在线物理实验教学平台使用效果的验证研究

为了验证PTP平台的使用效果,实验邀请了56名学生(志愿者)参加这项研究,4人由于技术问题和身体原因被排除在外,实际参与者为52人.

3.1 相关统计

a. 访问PTP人次数.

图12为某学期每日访问PTP的人次数统计,这些人次数变化的数据为教师有效实施监控提供了依据.图中黄色横线为每日访问总次数的平均值,即38±3.该图表明占全部实验者73%±5.8%的人每日都会访问本文所设计的PTP平台.

图12 每日访问PTP的人次数统计Fig.12 Daily visits to PTP

b. 访问PTP人次数的移动平均值.

图13为以周为单位的访问人次数统计,从图可看出,访问人次数呈总体上升趋势.为了更清晰地体现这一趋势,本文绘制了以周为单位的移动平均值曲线,见图13中的黄色曲线.

图13 访问人次数的移动平均值(以周为单位)Fig.13 Moving average (for one-week periods) of the total number of visits

c. 讲义下载统计.

图14为讲义下载统计图,从图可看出讲义下载量随时间的变化情况.最值得关注的是,在某些日期有一些峰值.这些峰值与上传到PTP平台的讲义的日期有关.由于教师在哪个时间上传什么部分的物理知识是有记载的,故通过图14教师可以了解到学生喜欢的和不喜欢的章节.另一方面,通过图14教师可以了解到哪个时间段学生最喜欢下载讲义,比如在学期开学和临近期中考试时.图14还表明了理论知识和实验操作的讲义下载量随时间的变化情况,如学期开学学生下载理论知识的讲义多,而期中附近学生下载的实验操作讲义多.统计表明,课堂讲义是在线课程中访问最多的资源.

图14 讲义下载统计Fig.14 Downloads of the lecture notes asa function of time

3.2 验证

参与实验的52名学生均参加了期末测试.考试由两部分组成:第一个是理论部分,包括一些概念问题,这通常是学生感到最难的部分.第二部分由3个实验操作组成.

本文分析了两组PTP的访问次数:通过考试的小组1和没有通过考试的小组2.表1总结了所得结果.

表1 所有参加考试学生的分数和访问PTP的人次数Tab.1 Scores and number of visits to PTP for all thestudents attending the semester exam

从表1可以看出,参加考试的学生人数为52人,其中通过考试的人数为26人,未通过考试的人数也为26人.值得关注的是,通过考试的26人中24人是PTP用户,而未通过考试的26人中只有12人(不到该小组人数的一半)是PTP用户.另外,对于平均访问量,第1组也明显高于第2组.PTP的使用和考试成绩间的关系是明显的:PTP用户在考试中获得了更高的分数.

本实验观察到的一个显著事实是,跟随PTP的学生(即那些做了理论知识测验和实验操作练习的学生)在考试的理论部分比前几年获得了更高的分数.虽然这些学生将来不一定会成为最好的专业人士,但至少可以说,他们已经很好地掌握了相应的学习工具.

很难判断对于心理因素的“承认效应”是否会影响本文的测试结果.换句话说,当学生知道他们的老师在任何时候都可以在线支持他们,从而有助于他们的分数提高时,他们可能倾向于更努力地学习.

4 结 论

本文提出了一个基于Moodle软件平台和NI ELVIS硬件平台实现在线物理实验教学平台工作的解决方案,其中的Moodle平台被用作内容管理系统.

在线发布的用户界面基于NI LabVIEW提供的网络发布工具.因此,没有必要具有网络编程知识.所有应用程序是在同一个NI ELVIS平台上开发的,减少了所用设备的空间和成本.所采用的解决方案为非网络编程专家提供了一个实现在线物理实验教学的有效方法.

本文所设计的PTP平台使用多媒体工具来创造有吸引力的活动,使学生的学习过程更加愉悦,增加了学生对物理研究的兴趣.可以注意到,随着时间的推移,访问该平台的次数不断增加,这表明学生对这种电子学习技术很感兴趣.

作为一个学习型社区,PTP平台使教师与学生的互动更加容易,也可以使平台使用双方更方便地相互提出建议并进行改善.

本文评估了利用这一电子学习平台所取得的学习效果.经常使用平台的学生获得的分数比不使用平台的学生高.学生传达的普遍感受是平台帮助他们提高了他们的能力和知识.

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