大學物理實驗自主學習平臺的設計與實現*

李昆霖，趙 顏

（廣西民族大學網絡與信息化管理中心，廣西　南寧　530006）

大學物理實驗自主學習平臺的設計與實現*

李昆霖，趙 顏

（廣西民族大學網絡與信息化管理中心，廣西南寧530006）

針對現有的大學物理網絡學習資源存在的問題和不足，以PHP動態網頁腳本語言、Mysql網絡數據庫和Flash動畫技術為平臺，設計了大學物理實驗自主學習平臺.平臺運行穩定，較好地滿足學生自主學習大學物理實驗的需求.

PHP；Mysql；Flash；大學物理實驗；學習平臺

《大學物理實驗》課程是高等院校理工科各專業的必修課程，通過大學物理實驗，能加深學生對理論知識的理解認識，培養學生進行科學實驗的基本技能，提高學生運用知識分析問題、解決問題的能力，還能培養學生嚴謹的科學態度，實事求是的科學作風.然而，在網絡高速發展，網絡學習逐漸融入每個人生活的時代，關于大學物理實驗學習的網絡平臺相對較少.據文獻分析，主要存在以下幾點問題：1）該課程屬于實驗類課程，重在實驗的演示，然而純粹的拍攝視頻和簡單的動畫難以滿足學習者的需求；2）實驗的模擬過于簡單或缺乏良好可操作性；3）數據處理是實驗類課程不可或缺的一部分，但往往由于計算繁雜，容易被忽略.為此，筆者基于PHP、Mysql和Flash程序語言設計和實現大學物理實驗自主學習平臺.

1　平臺的需求分析

平臺主要針對學生對大學物理實驗的網絡自主學習，其主要功能應涵蓋：

1）每位學生應擁有一套獨立的數據信息以便記錄學習進度以及其他一些擴展.

2）通過觀看完整的高仿真的實驗演示，學生能夠了解每個實驗的各個操作要點.

3）具備良好模擬環境，方便學生在線模擬實驗.

4）針對每個實驗配有對應的數據處理環節，方便學生校驗數據.

5）學生在學習過程中需要答疑解惑和分享個人心得，因此優良的在線交流環境也是十分重要的.

平臺的性能主要體現在安全性與正確性兩個方面.安全性是指學生的個人信息以及實驗數據信息的安全性，防止他人篡改.正確性指的是實驗的演示和模擬科學、正確，數據處理過程須嚴格地按照理論誤差和有效數字的正確方法進行.

2　平臺設計

2.1平臺功能結構

根據平臺的需求，該平臺主要劃分為4個模塊：注冊和登錄模塊、實驗學習模塊、學習交流模塊以及個人管理模塊，如圖1所示.學生須通過注冊并登錄后獲得該平臺的使用權限，才能從事實驗學習以及其他活動.實驗學習包含大學物理實驗各個實驗的實驗演示、實驗模擬、數據處理以及實驗報告的填寫.交流中心主要用于學生之間的學習交流.個人管理中心則便于學生管理個人基本信息、學習進度、實驗數據、實驗報告以及交流過程中一些提問與回答.

圖1　平臺功能結構Fig.1　The structure and function of platform

2.2數據庫結構

該平臺涉及的數據類型多、數量大，在設計過程中將數據庫主要分為以下幾張表：用戶信息表，實驗信息表，各個實驗數據表，實驗報告數據表，課程學習信息表，交流信息表.

2.3技術支持

在網頁腳本語言中，PHP擁有支持跨平臺，性能優越，支持目前主流技術等優勢.在數據庫類型中，Mysql具有體積小、速度快、總體擁有成本低等特點. Flash動畫受網絡帶寬限制小，失真度低，具有優良的交互性，便于實現實驗的演示和模擬.因此，該平臺采用PHP＋Mysql為主Flash相結合的模式開發.

3　功能實現

3.1注冊和登錄

該平臺的注冊和登錄模塊在常規的基礎上，針對安全性增加了相應的機制和措施.在注冊安全方面，設置了圖片漢字驗證碼，關鍵字段判斷是否重復出現、IP判斷以及注冊時間間隔判斷.在登錄安全方面，除了加強cookie的加密強度以及控制cookie的有效時間和范圍之外，還通過使用salt來混淆加密后的值，達到加強存儲安全的目的.

3.2實驗學習模塊

3.2.1實驗演示

實驗演示先根據每個實驗的步驟分割成多個獨立的Flash動畫，再把實驗步驟和Flash動畫結合，構成一個完整的實驗，如此學生既可以按流線式學習整個實驗，也可以選擇其中任意一個步驟進行學習.與此同時，為了增強實驗演示的趣味性和學生的自主意識，幫助學生記憶實驗過程，利用Flash的按鈕功能制作實驗關鍵點開關和提示.例如在“楊氏模量的測量”實驗中需要調節三腳架的氣泡水平儀，實驗的界面就會提示學生點擊水平儀的所在的位置，進而完成該步驟.

圖2　“楊氏模量的測量”實驗操作提示Fig.2　Operation tips about the measurement of“Young's modulus”

為了提高實驗演示的真實性和形象性，實驗演示所使用的所有實驗儀器模型和素材通過拍攝真實儀器并用Photoshop處理后獲得.例如，“用麥克爾遜干涉儀測鈉光波長”實驗的麥克爾遜干涉儀3D模型的實現過程是：首先用相機繞儀器軸心多角度拍攝麥克爾遜干涉儀，再用Photoshop將儀器圖形摳出、調整色調等，最后在Flash中用Action script腳本實現3D效果.

3.2.2實驗模擬

實驗模擬的步驟以Flash的幀作為基本單元，以stop（）命令讓學生的操作界面停留在當前幀，學生可以點擊“上一步”按鈕觸發prevFrame（）命令返回前一幀重新模擬上一步驟.為了規范操作，學生必須按照規定完成模擬該步驟操作，即對應的全局變量賦予“true”值后，操作界面才顯示“下一步”按鈕.

根據統計分析大學物理實驗的實驗步驟和使用的儀器，實驗模擬過程大致歸納為五種類型：旋鈕型、拖拽型、接線型、示數型、特殊儀器型.

旋鈕類：主要適用于包含旋鈕的儀器，例如電流表、電壓表、讀數顯微鏡、電阻箱.實現的主要方法是將旋鈕圖形摳出作為熱點，利用onClipEvent事件偵聽鼠標操作產生的坐標差計算出角度，進而改變相應的數據.

拖拽型：主要適用于包含滑塊的儀器，例如游標卡尺、滑動電阻器、天平.實現的主要方法是將滑塊圖形做成熱點并記錄滑塊的坐標初始值、最大值和最小值，使用Drag函數控制滑塊的拖拽并計算坐標差從而實現相應的功能.

接線型：主要適用于需要接線的儀器，例如示波器、低頻信號發生器、電容器.實現的主要方法是將導線圖形兩端以及儀器的接口圖形作為熱點，通過hitTest命令判斷熱點是否接觸，然后判斷連接是否合理，最后顯示連接形式.

示數型：主要適用于具備電子示數的儀器，例如秒表、周期測定儀、電子萬用表.實現的主要方法是將顯示區域的數字以動態文本的形式輸出.

特殊儀器型：主要針對一些特殊的高集成電子儀器，例如：雙蹤示波器、惠斯通電橋、低頻信號發生器.針對此類型的模擬則需要結合其具體原理特點并配合Action script才能實現.

3.2.3數據處理

實驗的數據類型和計算方法因實驗的內容而異，所以每個實驗都使用一套獨立的數據錄入、計算和輸出的頁面.

在此以“用牛頓環測透鏡曲率半徑”為例進行說明.該實驗要求學生測量若干組相鄰牛頓環的左右位移并通過公式計算得出透鏡曲率半徑和不確定度.該實驗的處理過程可以分為錄入原始數據、計算數據和輸出數據3個步驟.

1）錄入原始數據：由于牛頓環的起始環數與結束環數由學生實際實驗過程決定，所以為起始環數和結束環數設立Text類型的Input標簽并賦予ID，學生輸入對應的數值并點擊確定后，平臺就會通過ID獲取表單中對應的值，然后生成兩組與環數相符的數組并在頁面下方生成賦予對應ID的Input標簽.學生在Input標簽輸入對應的環數半徑值并點擊提交后，所有的數據將傳遞到數據計算頁面.

2）數據計算：結合實驗教材給出的計算公式，將所求的未知量用f（χ）表示，再利用PHP的number＿format（）、sprintf（）、pow（）等函數實現公式在計算過程的表達，最后將傳遞過來的變量代入表達式中即得到計算結果.

3）輸出數據：從數據安全的角度出發，計算頁與結果顯示頁分離.平臺將前兩步的原始數據和計算所得結果加密后輸出到該頁面，以便學生檢查對照.

3.2.4實驗報告

實驗報告用于學生填寫和生成電子實驗報告并可根據需求打印.實驗報告分為三部分：個人信息、實驗數據、報告內容.個人信息在注冊時已經存入數據庫，所以該部分通過cookie直接調用無須再次填寫.實驗數據存儲的是學生進行真實實驗時記錄的數據，此處可以重新填寫或從數據處理中調用.報告內容由學生填寫，填寫所用編輯器是Webeditor在線HTML編輯，該編輯器支持文字、圖像、視頻和公式混排并將文件上傳至站點，解決了學生在線填寫報告的難題.實驗報告填寫的過程會涉及數據的處理，學生可根據需求選擇引用已經處理過的實驗數據.由于填寫報告所花時間較長，為了避免意外，平臺每5分鐘為學生自動保存一次.待所有內容填寫完畢并提交實驗報告后，學生可以通過個人管理模塊的實驗報告管理功能管理和打印實驗報告.

3.3學習交流模塊

學習交流的展示形式是學習心得、發表評論、提出問題、回答問題，其下設欄目分為經驗分享、重難點討論、問答、專題討論.其中經驗分享、重難點討論和專題討論使用的是同一種模型：發起人提出主題，其他人可在主題下展開討論并且不受時間限定.展開討論的同時任何人都可以任意引用已發表過的討論再深入討論.問答則采用的是另外一種模型：提問者提出問題，其他人可在限定的時間回答該問題，時間截止后提問者可根據回答情況挑選較為滿意的答案.此模塊還提供了搜索功能，當學生有問題時并不必急著提問，可以通過嘗試搜索已解決的類似問題獲取幫助，若無幫助可再發起提問.此模塊提交的數據信息將存儲到對應的表，可在個人管理模塊進行管理.為了防止惡意發言并營造一個良好的交流環境，平臺增設了漢字驗證碼和限制重復發言間隔時間.

3.4個人管理模塊

個人管理模塊主要用于集中管理學生的個人信息，如基本信息管理、學習進度管理、實驗數據管理、實驗報告管理、提問和回答管理.

基本信息管理：管理個人的基本信息如姓名、性別、出生日期、自定義頭像等，基本信息的初始值為注冊時所填的數據.

學習進度管理：學生在學習的過程中，平臺會定時記錄學生學習的進度.學生可查看自己的學習進度，安排剩余的學習或者根據記錄情況跳轉到對應的頁面繼續學習.

實驗數據管理：已完成處理的實驗數據或者暫存的實驗數據都存在此欄，學生可查看、編輯和刪除對應的實驗數據，但已經被實驗報告所調用的數據必須取消調用后才能刪除.

實驗報告管理：學生可以查看、編輯、刪除和打印已完成和暫存的實驗報告.

提問和回答管理：學生不僅可以查看自己提出的問題和回答問題，還可以追問他人回答的問題，進而評價回答.

4　結語

該平臺以PHP＋Mysql為框架，Flash相結合編寫而成，具有處理速度快，數據存儲和傳輸安全，界面直觀清晰等特點.實驗演示和模擬仿真度高，可操作性強，能較好地還原真實實驗.數據處理為學生提供檢驗實驗數據的便利，交流中心為學生提供了良好的學習拓展環境.實際運行結果表明，該平臺能較好滿足學生自主學習大學物理實驗的需求.

[1]張廣斌，高思峰.大學物理實驗教學中的技巧及應用[J].中國科技信息，2009（8）：270－271.

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[3]張海強，潘林峰.基于Flash的虛擬物理實驗研究[J].實驗科學與技術，2012（1），184－186.

[4]岑鉻鋒，胡君輝，李丹，等.大學物理實驗虛擬系統設計與交互式教學的實現[J].實驗科學與技術，2011（5）：186－189.

[5]劉云志.SQL注入攻擊技術及防范措施研究[A].中國科學技術協會、天津市人民政府.第十三屆中國科協年會第10分會場－節能減排戰略與測控技術發展學術研討會論文集[C].中國科學技術協會、天津市人民政府，2011：5.

[責任編輯 蘇 琴]

[責任校對 黃招揚]

Autonomous Learning Platform of College Physics Experiments'Design ＆Implementation

LI Kun－lin，ZHAO Yan
（Network and Informatization Management Center，Guangχi University for Nationalities，Nanning530006，China）

Aiming at the existing problems and insufficiencies in College Physics network learning resources，the author designed an autonomous learning platform of College Physics experiments.This platform consists of PHP，Mysql and Flash.The testing showed that the platform running is stable，meeting the needs of students'autonomous learning in College Physics experiments.

PHP；Mysql；Flash；College Physics experiments；learning platform

TP311

A

1673－8462（2015）02－0069－04

2014－12－20.

廣西民族大學2013年校級科研項目：云計算環境下的高校數字資源共享模式研究.

李昆霖（1987－），男，廣西北流人，廣西民族大學網絡與信息化管理中心教師，研究方向：網絡教育技術、教學系統設計.趙顏（1963－），男，湖南邵東人，廣西民族大學網絡與信息化管理中心主任、研究員，研究方向：教育信息技術、計算機網絡與教育應用.