理論力學虛擬實驗與課程管理平臺的實現
2015-05-05 08:49:37李凌云
實驗技術與管理 2015年12期
李凌云
(南京曉莊學院 教師教育學院, 江蘇 南京 211171)
理論力學虛擬實驗與課程管理平臺的實現
李凌云
(南京曉莊學院 教師教育學院, 江蘇 南京 211171)
根據理論力學教學中存在的問題,提出了基于網絡的理論力學虛擬實驗與課程管理平臺的設計目標,設計了網絡平臺的功能模塊,選擇了平臺開發的技術,并著重闡述了平臺中虛擬實驗的動態化管理、教師用戶端課程管理、學生用戶端學習任務管理等主要功能的實現。由于平臺采用了動態化的內容管理,內容發布和更新簡單,在理論力學課程學習中有一定的應用價值。
理論力學； 虛擬實驗； 課程管理平臺
1 問題的提出
理論力學是研究物體機械運動基本規律的一門學科,是師范院校物理專業的一門基礎理論課程,也是后續的熱力學與統計物理、電動力學、量子力學等課程的基礎課程。通過該課程的學習,能夠培養學生的抽象思維能力。但是由于理論力學理論性較強,研究方法比較抽象,需要運用高等數學推導復雜的物理問題,這些使學生在學習理論力學課程時感到困難[1]。
此外,傳統的理論力學教學通常采用“一塊黑板+一只粉筆”的方式,教師在黑板上演算復雜的數學公式,或者通過PPT呈現數學推導過程。學生在學習的過程中,由于很難理解物體運動過程,通常會覺得學習過程比較枯燥。
隨著信息技術的發展,如何更好地借助信息技術促進理論力學課程的改革,成為廣大高校教師關注的焦點[2-5]。筆者開發了一套適合于理論力學教學的虛擬實驗與課程管理平臺,嘗試通過虛擬實驗及課程管理平臺進行理論力學可視化教學,培養學生自主探究學習的能力。
2 理論力學虛擬實驗平臺的設計與開發
2.1 系統設計目標
開發理論力學虛擬實驗與課程管理平臺的總體目標是實現一個動態化管理的理論力學網絡虛擬實驗及課程管理環境,該環境具有理論力學虛擬實驗資源共享、教師教學任務管理和學生學習管理等課程管理功能,也具有動態化的前臺模塊生成與管理的功能。利用該平臺,教師可以方便地實現課程任務管理、課堂演示,學生可以進行基于虛擬實驗的自主探究學習。
2.2 功能模塊
理論力學虛擬實驗與課程管理平臺包含課程資源模塊、虛擬實驗模塊、課程管理模塊和個人知識管理模塊等4個模塊,其功能結構圖如圖1所示。
課程資源模塊包含理論力學的教學內容、與理論力學相關的科普知識、趣味物理以及其他電子資源；虛擬實驗模塊包含實驗原理、實驗要求、數據設置、實驗過程以及實驗結果；課程管理模塊主要提供給教師用戶進行學習任務的發布、編輯,作業的批閱以及教學資源的發布與編輯。平臺首頁的各個模塊以及相應的內容都是由教師在課程管理模塊中進行設置與編輯而動態產生的；個人知識管理模塊用于學生用戶查閱學習任務和教師評閱作業的意見、提交作業和進行個人信息管理。
平臺可以根據用戶登錄的類別提供不同的模塊,例如為教師用戶提供課程管理模塊,為學生用戶提供個人知識管理模塊。
圖1 理論力學虛擬實驗平臺功能模塊圖
2.3 實現技術的選擇
本平臺采用了PHP+Apache+MySQL進行開發。PHP是一種HTML內嵌式的、由服務器解釋的腳本語言,它具有開放源碼、免費使用、基于服務器端、跨平臺、支持面向對象等特點[6]。Apache是一種Web服務器平臺,它免費、高效,是運行PHP程序的最好的服務器系統。MySQL是PHP最早支持和支持最好的數據庫之一,具有免費獲取、性能高、開放源碼等特點。PHP提供了可視化的MySQL數據管理工具phpMyAdmin,能更加簡便地進行數據庫管理。
虛擬實驗采用Java語言開發。Java Applet程序是在WWW瀏覽器這個特定的環境下運行的,是Java技術在Internet上的主要應用形式[7]。它并不是完整、獨立的程序,而是嵌入在WWW的頁面,作為頁面的組成部分被下載,并運行在支持Java虛擬器的web瀏覽器中。Java Applet不能獨立運行,而必須由支持Java的瀏覽器解釋執行,它通過
本研究中部分虛擬實驗的開發使用了Ejs軟件。Ejs是一種用來快速、簡單地創建基于Java的動態、交互的科學模擬過程的免費工具軟件[8],其產生的模擬動畫具有跨平臺特性,可以在支持Java的瀏覽器中以網頁的形式呈現。Ejs提供了一個簡化的“模型-控制-顯示界面”模式和工具來幫助使用者創建模擬的步驟[9]。用Ejs模擬各結構關系如圖2所示,Ejs能方便地建立與Matlab/Simulink的聯系,允許用戶使用專業數值計算工具來構建模型。目前,Ejs已經在大學物理和數字通信課程及實驗教學中得到應用[10-12]。在理論力學虛擬實驗平臺中嵌入Ejs構建的模擬動畫,在支持Java的瀏覽器中運行,將使平臺的開發比較簡單、可擴展性好。
3 平臺主要功能實現
3.1 虛擬實驗的動態化管理與呈現
以雙鉸鏈擺實驗為例,其實驗頁面如圖3所示。
圖3 雙鉸鏈擺虛擬實驗頁面
為了實現虛擬實驗資源的動態化管理,教師用戶可以在“教學資源”頁面發布虛擬實驗JAR文件包,在虛擬實驗頁面中通過下述語句來獲取JAR文件的文件名。
$simu_name=$row[′fujian1′];//獲取發布的虛擬實驗包的文件名,文件名存儲在fujian1字段中 $name=explode(′.′,$simu_name);//截取虛擬實驗包文件中前面的文件主名,即去掉后面的擴展名 $name_before=$name[0]; 通過下面語句中fujian2這個標識,來判斷上傳的文件名是否需要首字母大寫。 if(empty($row[′fujian2′])){ $name_daxie=ucfirst($name_before);} else{ $name_daxie=$name_before;}
獲取文件名之后,使用下述語句完成Java Applet文件的嵌入,并通過JavaScript 按鈕,實現模擬動畫的控制功能。
動畫將顯示在下面.
大狗熊在睡覺 記一次有趣的實驗 刷新生活的頁面 堅持理論創新 神秘的混沌理論 理論創新 引領百年 相關于撓理論的Baer模 做個怪怪長實驗 NO與NO2相互轉化實驗的改進 實踐十號上的19項實驗
你可以使用JavaScript腳本控制動畫. 例如使用按鈕:
._play();″;>
._pause();″;>
._reset();″;>
._step();″;>
._setFPS(10);″;>
._setFPS(100);″;>
._setFPS(1000);″;>
3.2 教師用戶端課程管理模塊的實現
為了方便教師用戶動態化的管理,在該虛擬實驗與課程管理平臺中,教學資源發布頁面允許教師添加不同類別的資源。例如在“公告”類別下發布課程公告；在“科普知識”類別下添加內容；在“虛擬實驗”類別下上傳虛擬實驗包；在“電子資源”類別下上傳電子資源。教師在課程管理模塊中發布的內容能夠直接呈現在平臺的首頁中,并且可以修改、更新或刪除這些課程資源。
教師可在“學習任務發布”頁面發布學習任務,如發布滑動擺實驗探究任務:“通過改變滑塊和擺的質量以及他們的初始位置,觀察擺和滑塊的運動軌跡,探究滑塊和擺的質量大小對軌跡有什么樣的影響,觀察擺的頻率有何變化”,并在學習任務發布頁面設置是否需要提交作業。系統通過SESSION將教師的昵稱傳值,獲取教師的信息。在作業評閱頁面,系統通過SESSION傳遞過來的教師的昵稱獲取教師ID,并根據教師ID從學習任務表中檢索出該教師發布的學習任務,列出已經提交該作業的學生信息。教師可以在平臺中進行作業查看并評閱。如果已經評閱,則可以查看評閱,并可以編輯。部分代碼如下:
session_start(); if(!isset($_SESSION[′name′])){ echo ″″;
exit();
}else
{
$name = $_SESSION[′name′];
……………………………………………
$q=mysql_query(″SELECT * FROM members WHERE nick=′$name′″);
$row=mysql_fetch_array($q);
$uid=$row[′uid′];
$gid=$row[′gid′];
$q1=mysql_query(″SELECT * FROM renwu WHERE fabuzhe_id=′$uid′″);
while($row1=mysql_fetch_array($q1)){
……………………………………………}
……………………………………………}
3.3 學生用戶端學習任務管理模塊的實現
在學習任務管理頁面(見圖4),自動顯示了學習者需完成的所有學習任務,并根據發布時間倒序排列。學生可以通過點擊學習任務名稱來瀏覽學習任務。在學習任務管理頁面中,也顯示了該學習任務是否需要提交作業的信息,如果學習任務中需要完成作業,則在學習任務查閱頁面,出現“上傳作業”鏈接。作業完成狀態中顯示了作業是否提交,作業評閱狀態顯示了教師對該作業的評閱狀況,如果已經評閱,則可以查看評閱結果。
圖4 學生學習任務管理頁面
4 結束語
理論力學虛擬實驗與課程管理平臺采用了動態化的內容管理,方便了教師對于課程內容的發布與編輯；將Ejs軟件開發的虛擬實驗整合到實驗平臺,使得虛擬實驗的開發過程更簡便、可擴展性更強。系統中記錄的各類作業和評閱意見也形成了“學習檔案袋”,通過“檔案袋”評價，更能有效地反映學生的學習過程和學習效果。
該平臺可以作為學生課前預習和課后復習的平臺,也可以在課上進行理論力學的虛擬實驗,使得復雜的運動關系形象化。此外,還可以利用該平臺進行探究性學習,通過網絡完成實驗的理論設計、多層次和多角度的實驗設計，并對實驗結果進行分析,更好地激發學生高層次思維能力,促進學習者的知識遷移。
References)
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Realization of virtual experiment and curriculum management platofrm of Theoretical Mechanics
Li Lingyun
(School of Teacher Education, Nanjing Xiaozhuang Institute, Nanjing 211171,China)
This paper has introduced the design principles, function modules and the choice of implementation technology of Web-based virtual experiment and curriculum management platform of Theoretical Mechanics. Some implementation techniques are given. Finally, this paper has introduced the platform role in learning the course of Theoretical Mechanics.
theoretical mechanics; virtual experiment; curriculum management platform
2015- 05- 13 修改日期：2015- 07- 02
南京曉莊學院教改立項項目“理論力學網絡課程開發及其教學效果分析”資助
李凌云(1979—),女,江蘇如皋,碩士,副教授,主要研究方向為數字資源設計與開發、信息化教學和教師專業發展.
TP311
A
1002-4956(2015)12- 0127- 04
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