基于EJS的理科網絡互動課程的構建

摘要:該文對EJS作了概述，介紹了用EJS構建模擬的各結構關系。通過一個實例構建了基于EJS的網絡互動課程，最后闡述了使用EJS創建網絡互動課程的教育思考。由于其具有免費使用、技術門檻較低、網絡發布方便以及平臺通用性等特點，基于EJS的網絡互動課程具有較強的可行性和良好的應用前景。

關鍵詞:互動課程;EJS;模擬

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)35-10032-03

Constructing of Web-based Interactive Course Based on EJS

WANG Hai-jun， ZHANG Min-rui

(School of Physics and Electronic Engineering， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing 210017， China)

Abstract: This paper introduces briefly EJS and correlative framework， presents a process to establish Web-Based interactive course， and some educational reflections are given. EJS have some generic features， for example， it is free， the lower threshold to use， and it facilitates release of network platform. Web-Based interactive course based on EJS has more feasibility and well foreground.

Key words: interactive course; EJS; simulation

互動課程是以問題為導向，應用計算機的模擬開展自主探究和學習的新型課程[1]。其具有在線、交互和多媒體的特點，既可用于基于項目的研究性學習活動，也可作為學習支架和工具廣泛用于日常的科學(物理、化學、生物、自然和地理)教學中。互動程序與互動課程的設計是以建構主義，尤其是腳手架理論作為理論基礎的。教師通過計算機與網絡來提供不同階段的學習腳手架，讓學生在學習中與計算機進行互動，并不斷自我反思，逐步地建構出知識的意義與內涵，順利完成不同階段的相應層次的學習。當前，互動課程已成為改變科學學習方式的一種卓有成效的學習模式，在發達國家得到了普遍應用。目前，我國的學者們也已經開始給予一定的關注[1-4]。

在構建網絡互動課程時，除了要呈現教學內容外，還需要用數學方程式描述對應的科學現象或科學概念間的關系，了解對應的數值分析方法，將對應的科學現象用相關計算機語言呈現，甚至進一步設計方便使用的圖形操控接口。不可否認的是，這些制作過程對于現階段專業教師來說，需要花費一些時間與努力，影響了網絡互動課程的質量。

目前網絡互動課程來源有三種途徑:一是來源于互聯網;二是由學科教師開發;三是在教師的授意下由計算機專業技術人員開發。這些開發出來的產品不是技術上不能很好的呈現知識，就是不符合學科教學的規律，不能滿足教師教學的實際需要。因此，探討構建有效的網絡互動教學環境，幫助專業教師開發出簡便實用的互動課程，優化教學效果，具有十分重要的意義。

1 EJS概述

Easy Java Simulations(簡稱EJS)，直譯為簡易動畫模擬環境，是由西班牙的Francisco Esquembre 開發的基于Java的交互型模擬軟件，它具有創作過程簡單、自動生成運行代碼和界面友好等特點，而且已經被漢化。它作為一種創建動態的、交互的科學模擬過程的免費的工具軟件，適合于數學、物理、控制工程等理工科教學使用[5]。

EJS的設計目的是協助已經具有科學仿真的數學模型構想，但卻缺乏專業程序背景的學科教師和學生，能夠非常簡單的產生教學動畫，進行教學活動。EJS提供了一個簡化的“創建模型-控制模擬-顯示界面”模式幫助使用者創建模擬的步驟。它使得教師能夠集中精力于構建科學模型的運算規則(自身專業的應用)，而不是花費大量的時間在編程上。教師只需書寫控制模擬的運算規則，構建模擬的界面，EJS便能自動產生代碼、編譯代碼來創設交互式模擬環境。更重要的是EJS所產生的模擬動畫具有跨平臺的特性，可以在支持Java的瀏覽器中以網頁的形式呈現。用戶可以通過網絡讀取相關仿真數據，也可以運用JavaScript語法控制所設計動畫的執行與參數變化。當然，運用EJS設計模擬教學過程本身也具有一定的學習效果，學生可以在參與修改或設計動畫的過程中獲得提高。因此，EJS是一個有效的科學教學與學習工具。

2 基于EJS的理科網絡互動課程的構建

使用EJS構建理科網絡互動課程由三個模塊構成的:教學內容和模擬教學說明模塊;模擬模型模塊;模擬界面模塊。下面筆者通過實例“簡諧振動”逐一介紹各模塊的使用和創建過程。

2.1 教學內容和模擬教學說明模塊

EJS鼓勵創作者提供教學內容幫助閱讀者了解和掌握模擬動畫的原理和相關理論知識;提供操作指令和敘述性說明來幫助閱讀者控制和操作模擬動畫。EJS提供了“所見及所得”的網頁編輯器，通過點擊“簡介/說明”選項，就可以創建多個網頁來提供教學內容，如簡諧振動的定義、運動學方程、特點，描述簡諧振動的特征量等內容，幫助學生對理論知識的理解。通過操作指令和解釋性的敘述，讓學生能夠方便的控制模擬動畫，觀察實驗現象。教師可以將這些教學內容和模擬說明與模擬動畫一起在網絡上發布，生成網絡互動課程。

2.2 模型模塊

交互性模擬動畫作為網絡互動課程的主要部分，在學科教學中占有重要地位。要實現模擬模型的動態運動，需要聲明一些描述模型的狀態變量，寫出模型運行所需的特定的運算規則。此過程的操作通過“模型”界面實現。如圖1所示，在變量/參數窗口中定義了模擬動畫所需的變量，如小球的質量m、彈簧的彈性變量k，小球的位移x，小球垂直方向運動的速度v，模擬的時間變量t，模擬中每一步的時間增量dt等。同時設置了這些變量的初始值以及變量的類型。

模擬過程的運動關系可以由常微分方程表示，在參數演化關系窗口，定義了常微分方程組，界面如圖2所示。

窗口左側的滑條可以用來控制模擬動畫運行的速度，即每秒執行演化方程的次數。

當然，如果課件的模擬系統比較復雜的話，可以在參數關系窗口寫出模擬過程所需的約束變量方程，也可以在自定義函數窗口創建自己的函數，高級用戶還可以調用自定義的Java類庫。

圖1 Ejs模型界面圖圖2 參數演化關系圖 圖3 顯示界面圖

2.3 顯示界面模塊

點擊“顯示界面”項，可以創建模擬動畫的顯示界面。如圖3所示，此例的整個界面由mainFrame和dialog窗口組成。主窗口由兩個Panel和畫圖面板DrawingPanel組成。第一個面板包含三個按鈕和一個畫圖單選框按鈕，分別用來控制模擬動畫的運行過程和顯示小球隨時間變化的位移與速度演化圖。第二個面板由兩個滑動條構成，分別用來控制小球的質量和彈簧的彈性系數。畫圖面板DrawingPanel用來顯示模擬界面的彈簧和小球。對話窗口使用plottingPanel面板來顯示小球隨時間變化的位移與速度演化圖。

2.4 運行并發布網絡互動課程

點擊EJS界面右側的“運行”按鈕，彈出動態窗口，便可以運行模擬動畫。用戶可以根據界面左上側的運行、暫停、復位按鈕來控制課件的模擬過程，同時也可以對下側中的質量和彈簧的彈性系數進行修改，以符合自身的實際需求。

使用EJS創建的互動課程能作為獨立的應用程序的形式在不同的操作系統下使用。EJS的發布形式有兩種，一種使用EJS發射臺發布課件，另一種以Java Applet形式運行在Web瀏覽器上。網頁發布的界面如圖4所示。圖5為網絡互動課程中模擬動畫頁面，用戶可以根據Java Applet中的“play”、“pause”等按鈕控制模擬的運行過程，也可以通過下方的JavaScript腳本控制模擬運行過程以及模擬的快慢。運行模擬動畫的同時顯示出小球隨時間變化的位移與速度演化圖。

由此可見，利用EJS能很方便地生成包含教學內容和模擬動畫網頁。用戶將這些網頁按照教學的要求嵌入相應的網絡課程中，從而就能創設一個完整的網絡互動教學環境。

圖4 簡諧振動互動課程發布頁面圖5 網絡互動課程中模擬動畫發布頁面

3 使用EJS創建理科網絡互動課程的教育思考

使用EJS創建網絡互動課程與傳統的方式相比較，具有很多的優勢，主要體現在:

1) 順應了網絡教學的時代趨勢

近幾年來，網絡的飛速發展使得網絡已經進入到學校教育教學之中，網絡教學不僅能作為學校教學的有益補充，而且也為遠程教育的發展提供了活力。與傳統單機版課件以及其他網絡課程相比，EJS開發的網絡互動課程制作簡便、發布簡單，加快和深化了教學改革的進程。

2) 簡化了教學內容開發過程，提高了效率

談及網絡教學和e-Learning，很多教師會望而卻步，認為那是專業技術人員的事情。由于EJS是一個簡化的制作工具，對于學科教師而言，EJS讓他們可以更專注于教學內容的設計與教學流程的安排，減少程序設計方面的負擔。教師可以根據不同的教學對象與教學內容進行課程設計，制作滿足實際教學需要的互動環境。由于課堂活動存在許多不確定因素，教師可以根據課堂的變化及時修改互動課程內容。

3) 有利于學生探究學習，增強了學習自主性

使用EJS創建的網絡互動課程，可激發學習者的學習動機及提供認知發展過程的支持，，有助于學習者進行有意義的思考和問題解決。通過計算機模擬，學習者不僅可以實時觀看模擬現象的動態變化，還可以根據模擬結果圖表同步顯示過程中參數的變化趨勢，協助學習者進行高層次的思考。更重要的是計算機模擬提供的互動性操作，讓學習者可以親自調控相關參數，對于所學習概念或相關現象建立假設并進行測試驗證。學習者經歷主動思維和模擬實際科學探索的歷程，來建構個人化的科學知識模型，從而培養自己主動探究的能力。若能結合小組合作學習的模式，讓學生彼此探討所學習的科學概念與模擬現象， 可達到主動學習的更高層次。

4) 推動網絡課程的發展

隨著網絡技術的不斷發展和人才培養對網絡教學的要求，學習者對網絡課程學習的需求顯得越來越迫切。使用EJS創建的網絡互動課程內容生動形象，將其納入網絡課程，無疑豐富了網絡課程的教學資源，能增加學生學習的主動性。同時，EJS創建的網絡互動課程能促進人機交互，學生能充分利用網絡環境自主學習、自主探究，為網絡課程的推廣和發展起到積極作用。

4 結束語

基于EJS的理科網絡互動課程能促進學生的自主學習、自主探索，不但能輔助課堂教學，而且在實驗教學中也發揮很大的作用。EJS是現階段理工科教學有效的工具，能夠真正滿足教師教學的需要，為教師方便地運用信息技術改革傳統教學模式打下良好的基礎。因此，我們有理由相信，EJS作為網絡互動課程的一種簡便的開發平臺，必能促進學科教學的質量和水平。

參考文獻:

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