智慧学习环境下移动学习资源研究

摘要：高质量的教育资源是开展智慧学习的关键，如何在移动互联的智慧学习环境下构建高质量的跨平台移动学习资源，推进信息技术与教育教学的深度融合显得至关重要。在教育改革的大潮中，依托翻转课堂的混合式教学涌现了大量的成功案例。未来的教育和学习是什么样子的，也许可以从中找到一些答案。将移动学习，翻转课堂聚焦于大学物理，选择构建移动虚拟实验模型Web App，能够辅助物理课程的教学和学习，为翻转课堂提供学习支持。

关键词：智慧学习;翻转课堂;移动学习资源;大学物理;WebApp

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）18-0027-03

开放科学（资源服务）标识码（ OSID）：

1 引言

智慧学习是当代教育信息化的新形态，是信息技术与教育教学的深度融合，学习不再是固定的课堂以及老师的灌输，而是学生自己构建知识体系的过程，构建优质的学习资源是智慧学习的关键[1]。翻转课堂将传统的学习过程翻转过来，课前完成知识传授，课堂完成知识的内化，让学生自己掌控学习，课后，学生利用学习资源进行自主学习探究、实现知识的扩展和延伸。

移动学习在一定程度上为翻转课堂提供了有力的技术支持，翻转课堂将知识的传授转移到课外，而移动学习随时随地的学习使得无论是学生在课下学习过程中遇到了困难，或者是课堂上还有遗留的待解决的问题，都可以借助多元化的移动学习方式高效地解决问题。移动学习和翻转课堂的融合能够在很大程度上提高学习质量和教学质量[2]。

2 智慧学习环境下移动学习资源研究

2.1 移动学习资源建设的必要性

移动学习的发生需要一定条件，除了移动终端和通信网络，更加重要的是学习内容。移动学习资源是移动学习最重要的组成部分，其学习资源的优劣在很大程度上决定了移动学习的效果[3]。学生在进行移动学习的时候，在网络上搜索需要的信息时，常常有找不到或者找到不合适的情况，所以构建优质的移动学习资源就显得至关重要。值得注意的是，移动学习不是塞进移动设备中的E-Learning，如果把一节45分钟的课程直接搬进手机或者平板电脑中，学习效果将大打折扣。移动学习要做的不是具体教哪门课程，而是给这门课程的学习者提供一些必要的参考资料，有效建立用户体验。

移动学习资源是在E-Learning学习资源的基础上与移动学习相结合所得来的，与傳统的网络学习资源相比，移动学习资源的设计一定要小而精，降低学习过程中的意志力消耗，

2.2 移动虚拟实验模型设计原则

移动虚拟实验模型的设计从教育学，多媒体制作及课程要求方面等考虑，需要遵循一定的原则和要求[3]。

可行性原则。移动虚拟实验模型的运行根据使用技术的不同需要一定软硬件要求，并不是所有物理实验都适合设计成为移动虚拟实验模型，故在虚拟实验的选取时应该考虑现有的技术基础以及今后的发展趋势。

科学性原则。科学性的基本要求是不能出现知识性的错误。在物理模型的模拟过程中，要符合物理原理并将其正确表达。此外，在虚拟实验模型中出现的各种文字、公式、符号等必须力求表达无误。

交互性原则。基于移动端的Web应用交互要做到直观好用，实时反馈，以用户使用情景的思维方式来做设计，尽量减少数值的输入，即使在移动端也要保证良好的用户体验。

可移植性原则。所开发的虚拟实验模型既可以在计算机系统使用，也可以在不同操作系统的移动端运行，并且能够保证一致的用户体验。

3 移动虚拟实验模型构建

物理演示实验就是把要研究的物理现象以及物理原理展现给学生，是一种最直观有效的教学方法。利用计算机模拟演示物理现象及原理，并加以必要的互动，构建跨平台的物理虚拟实验Web App能够激发学习者的学习积极性，生动直观的达到传授知识的效果，尤其是一些现实生活中无法观察的物理实验现象，例如电场线、磁场线的分布，狭义相对论相对运动等等。

3.1 需求分析

1）确定适合移动端展现的虚拟实验或物理效应。从技术发展以及实现的角度以及上述设计原则综合考虑，本研究从二维及三维角度选取了不同模型进行构建，二维模型基于HT-ML5 Canvas画布实现[4]，根据Canvas画布的特性选择了大学物理振动与波动章节中若干问题进行研究，具体包括弹簧摆以及简谐运动相关原理。三维模型选择了磁瓶这一物理效应，磁场在现实生活中用肉眼是看不见的，该模型基于WebGL实现，将磁场线形象的绘制出来，选取该模型进行开发，可以充分体现计算机模拟虚拟实验模型的优势。本研究通过这些虚拟实验模型的构建力求对今后移动端物理虚拟实验模型的构建提供一定的指导作用。

2）确定使用者及使用场景。模型的使用者包括大学物理教师与学生，根据适用对象可以轻易地推断出其使用场景，一方面教师可以在教学过程中使用，在讲解相关原理帮助学生理解;另一方面也可以作为学生在课上课下学习相关内容的辅助工具使用，使用时间可以是任意碎片化的时间，使用的地点可以是各种学习生活的地方。

3）确定模型的细节。首先要明确已选择的物理效应的具体含义，以此确定模型的呈现方式是二维还是三维，所有的后续设计都是在此基础上所进行的。其次是所构建的虚拟实验模型需要达到一个什么样的教学目的或是学习目的，根据目的确定需要模型演示过程中需要重点演示的物理现象是什么，进而确定哪些参数是需要调节的，哪些参数设为常量，参数的调节选取哪种方式呈现，模型的交互设计等等。

3.2 设计与模型实现

通过对于模型内容，使用者，使用场景以及模型表现方式，交互方式分析的基础上，结合学习者使用流程（学生首先要了解已构建的虚拟实验模型有哪些，然后根据需要选择相关模型进行学习，具体包括了解该虚拟实验的基本原理，在此基础上通过模型的演示和交互对该原理进行进一步的学习，加深理解），基于上述两方面，编写各个物理效应模型演示内容的制作脚本。每个模型由模型介绍页，模型演示页组成，模型演示页（演示区、交互区）组成。

在模型的构建过程中，在科学性原则的基础上，为了更加明显地将所要表达的实验现象和原理解释清楚，允许一定程度上的夸张。选用合理的技术，构建物理数字化演示实验教学资源。

根据各个物理效应模型演示内容的制作脚本，使用HT-ML5，JavaScript，Jquery等程序语言对模型进行构建实现[4]。以下为部分模型演示效果图，图l为二维模型演示效果，图2为三维模型演示效果。

4 移动虚拟实验模型教学应用模式探讨

4.1 当前大学物理教学模式分析

目前高校的大学物理大多作为基础课程设置，目的是要为学习后续的专业课打下扎实的学习基础，同时也是培养学生实验能力，科学态度，科学素质的重要环节。随着技术的发展以及专业的发展，大学课程不断增多，大学物理的课时被压缩和减少，所以授课内容多而授课时间少成为大学物理教学的主要矛盾之一，且由于其主要授课方式为大班授课，面对众多的学生和繁重的授课任务，教师只能加快讲课速度，不同的教师根据自己的经验对于重难点的处理方式也不同，加之学生的提问机会减少，其课堂学习效果不甚理想。

在已有教学模式下，对于如何提高学习效果，可以从教师和学生两个方面来进行分析。

教师层面，将物理原理和现象变得更易理解和学习，借助实物模型或者数字模型都可以起到增强学生对物理过程的认识和理解，是提高教学效果的方法之一。 学生层面，学生在课上很难将教师所讲内容全部消化，课下时间对物理问题进行研究和探索时需要有力的支撑和辅助学习工具，借助这些辅助学习工具进行学习课以很好的提高学习效果。基于此，接下来将对移动虚拟实验模型的教学功能进行分析，具体阐述其在教学中的功能和作用[5]。

4.2 移动虚拟实验模型的教学功能分析

物理模型作为物理教学中必不可少的教学方式，通过将物理现象和过程直观生动的展示，将多方面的感性信息传递给学生，把抽象的物理原理和概念变得容易理解，对于物理知识的学习和迁移应用起到了重要作用。从移动虚拟实验模型的实际使用场景和效果分析，其教学功能体现在以下几方面[6]：

教师在课堂教学中利用虚拟实验模型激发学生学习兴趣，活跃课堂氛围，提高教学效率和质量，在有限的课时内更高质量地完成授课。

虚拟实验模型为学生学习物理知识提供感性认识，帮助学生突破重难点。学生在学习物理知识时，能做到将物理符号和公式与自己的经验相结合进而理解所学符号和公式的具体意义是不太容易的，虚拟实验模型可以把物理现象和过程，各物理量之间的相互变化影响直观、真实、动态化的呈现，刺激学生多种感官，为学生的理解提供了必要的感性素材，理解所学内容含义。

在学习磁瓶这一物理概念时，大学物理学第3版（同济大学出版社）这样介绍：如果在一个圆柱形真空室的两端采用两个电流方向相同的圆线圈，使在真空中产生两端强中间弱的磁场分布，这好似在这一磁场区的两端形成两个磁镜，常称为磁瓶。此时带负电的粒子将被约束在两个磁镜之间往返运动而无法逃脱。由于磁瓶这一物理概念在现实生活中不存在，学生没有相关感性经验认识，通过阅读这段文字描述，学生对于磁瓶这种磁场以及带电粒子在该磁场中的运动一知半解，教师也很难通过单纯的讲解让学生明白其中含义。借助磁瓶虚拟实验模型来进行学习，学生不仅可以观察到磁瓶的三维立体分布，还可以通过调节各种参数，直观的学习磁场的分布与线圈距离，半径等之间的变化关系，以及带电粒子在磁场内的运动轨迹、速度变化等等，对于掌握磁瓶这一概念以及物理量之间联系有着重大意义。

培养学生自主学习，协作探究能力。学生在观察虚拟实验模型所呈现的物理现象和过程时，会在不断地交互和观察过程中发现很多有趣的现象和问题，例如弹簧摆在满足一定条件时可以形成混沌摆，这些问题可以引发学生对物理问题的研究欲望和好奇心，成为自主学习，协作探究的起点。

4.3 翻转课堂一物理课堂教学改革

随着移动学习和翻转课堂的不断发展，大学物理课堂教学模式也发生变化，翻转课堂已经走进了大学物理课堂。目前，同济大学，上海交通大学等大学物理的授课已经开始试点翻转课堂教学模式，并取得了不错的反响和效果。学生在课下观看教师提前已经录制好的微视频，对相关内容进行学习，课堂上，教师对学生提出的问题进行引导探究，解决问题，课后学生对所学知识进行巩固，有兴趣的同学可以进行进一步的探究学习。根据翻转课堂的学习流程，提出移动Web App在翻转课堂教学中的应用模式[7][8]，如图3。

整个翻转课堂教学模式中，学生的学习主要发生在课下，这就需要提供足够的优秀的学习资源供学生预习及学习用，其中最重要的教学资源是教师录制的微课程视频，但是仅仅只有这一种资源是远远不够的，学生需要更多可供使用的优秀学习资源。

而随着移动设备的日益普及和性能提高，未来翻转课堂和大学MOOCS使用的学习设备更加趋向于无线便携，移动端无插件的物理虚拟实验模型在学生的学习过程中就显得尤为重要。移动虚拟实验模型Web App为学生的课前学习理解新知识，课后的知识巩固与教师的教学活动全方面提供支撑，贯穿于整个翻转课堂的教学组织与学习过程中，是支持翻转课堂的优秀教学资源。

有研究者估计，目前在全国尝试翻转课堂教学的学校已有上千所，从大学到中学，各个层级都有，科目也不尽相同，包含语文，数学，英语，信息技术等等。目前翻转课堂的教学模式还未完全成熟，大學物理翻转课堂的探究也才刚开始，本研究所提出的理念以及移动物理模型Web App的构建正是一种小小的探索。

参考文献：

[1]祝智庭.智慧教育新发展：从翻转课堂到智慧课堂及智慧学习空间[J].开放教育研究，2016，22（1）：18-26，49.

[2]祝智庭，张浩，顾小清.微型学习——非正式学习的实用模式[J[-中国电化教育，2008（2）：10-13.

[3]侯志鑫.移动学习环境下学习资源建设模式的研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[4]唐俊开.HTML5移动Web开发指南[Ml.北京：电子工业出版社，2012.

[5]魏燕，陈海平，许乐.移动学习在高校翻转课堂中的应用研究[Jl.中国教育技术装备，2015（12）：56-58.

[6]Aaron Sams，Jonathan Bergmann.Flip Your Students' Leaming[Jl.Educational Leadership，2013.

[7]张金磊，王颖，张宝辉，翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志，2012，30（4）：46-51.

[8]刘敏，郑明月.智慧教育视野中的学习分析与个性化资源推荐[J].中国电化教育，2019（9）：38-47.

【通联编辑：王力】

作者简介：闫慧仙（1989-），女，山西太原人，上海海事大学助理工程师硕士研究生，主要研究方向：混合式学习，智慧学习空间建设，学习资源建设等方面。