（教育技术学专业论文）高中物理交互式网络学习系统建设.pdf

中文摘要 随着i n t e m e t 的迅速发展，互联网络技术和多媒体技术对教育领域的影响日渐明显。近 几年，以i n t e m e t 为主的现代远程教育作为新的教育模式越来越引起广泛的关注。 我们分析了目前我国网上远程教育现状之后，确定了研究目标，提出一种“交互式网 络学习环境”设计模型，该模型以高一物理为知识载体，以双主互动原则为指导，为学生在 网上建立了一个自主探究、协作学习的园地，也为教师展现了一个崭新的教学辅助平台和教 学思路。 在该系统的开发中应用了多种网络技术和多媒体技术，完成了网络学习系统所具有的功 能的技术的实现。如在线答疑、协作小组、作业管理、教学资源库的构建以及课件和动画的 制作等。最后，本文对选题背景、理论依据、总体设计思想、系统功能特点、软件实现技术 以及改进提高的设想等方面做了较详尽的阐述。 关键词：高中物理交互式网络学习系统 a b s i r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to ft h e i n t e m e t ，t h ea p p l i c a t i o no fm u l t i m e d i aa n di n t e r a c tt o i n s t r u c t i o nc a n n o tb en e g l e c t e d m o d e md i s t a n c ee d u c a t i o ni san e wt e a c h i n gm o d ec o m i n gi n t o b e i n gi nr e c e n ty e a r s i t si m p o r t a n c ea t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h ep r o b l e m si nc h i n e s ed i s t a n c ee d u c a t i o n ，w es e tu pt h es t u d yg o a l ，a n dp u t f o r w a r dt h ei n t e r a c t i v en e t w o r kl e a r n i n ge n v i r o n m e n td e s i g nm o d e l t h i sm o d e lt a k e st h ek 1 0 p h y s i c sa st h ek n o w l e d g ec a r r i e ra n db a s e do nt h ep r i n c i p l e so fp a i rh o s ti n t e r a c t i o n w e e s t a b l i s has t u d yf i e l dw h e r es t u d e n t sc a ni n q u i r ei n d e p e n d e n t l ya n dc o o p e r a t i v eo nt h ei n t e m e t a n da l s oi tc a nu n f o l dan e wp l a t f o r ma n dt e a c h i n gm e t h o dt oa s s i s tt h et e a c h e r s i nt h i ss y s t e md e v e l o p m e n t ，i ta p p l i e sm a n yk i n d so fn e t w o r k st e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i a t e c h n o l o g y nh a sc o m p l e t e dt h ef u n c t i o n so ft h ew e b - b a s e ds t u d ys y s t e mw i t ha c c o r d i n g t e c h n o l o g y ，s u c ha so nl i n eq a ，c o o p e r a t i v eg r o u p ，w o r km a n a g e m e n t ，t h ec o n s t r u c t i o no f i n s t r u c t i o nr e s o u r c e ss t o r e h o u s e ，t h ec l a s sa n dt h ea n i m a t i o nm a n u f a c t u r ea n ds oo n f i n a l l y , t h i s d i s s e r t a t i o nd e m o n s t r a t e sd e f i n i t e l yt h es e l e c t e dt o p i cb a c k g r o u n d ，t h et h e o r yb a s i s ，t h es y s t e m d e s i g nt h o u g h t ，t h es y s t e mf u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h es o f t w a r er e a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya sw e l la s t h ei m p r o v e m e n tt h o u g h t s k e y w o r d s ：s e n i o rp h y s i c s i n t e r a c t i v en e t w o r k l e a r n i n gs y s t e m 1 1 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、木论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名笠! ! ! 坐茔 日期： 建! ! ：皇：2 一刖舌 ( 一) 研究的背景、意义与目的 面向2 l 世纪教育改革的一个重要课题是如何培养创新人才，如何培养学生探索知识、 发现知识的能力。基础教育课程改革纲要( 试行) 提出了转变学生学习任务，促进学生在 教师指导下主动地、富有个性地学习，因此，学校教育不仅要让学生学到一定的知识，更 重要的是让学生能够自己去探索知识、发现知识、具有自我教育的能力，具有分析问题、解 决问题的能力，让他们在不断尝试、不断产生错误和不断修正错误的过程中进行知识的探索。 布鲁纳认为：“学习者自己发现的东西才是最重要的和最具有个人特色的知识”。 在传统的教学模式中，教师是知识的源泉，学生通过接受教师所提供的信息进行学习， 作为接受者的学生，在教学过程中，只是处于被动接受知识的地位，其主动性和能动性未得 到充分地调动。在传统教学过程中，教学质量的好坏通常是用学生的学习成绩来评比的，因 而造成了过分看重分数，只注意少数成绩拔尖的学生的教育而伤害了大多数学生的自尊心， 忽视了对大多数学生能力的开发和培养，形成明显的教育不平等，是教育资源的极大浪费。 同时，传统教育的最大弊端是扼杀学生的个性和创造性。 多媒体网络教学，推动了教育的现代化，促进了教学改革。他强调学生在学习过程中的 主体地位，最大限度地发展学生的个性，培养学习者发现问题、解决问题的能力1 2 j 。 多媒体系统突破了信息表现方式的单一化，利用信息技术建立了优化的学习环境， 它具有声画并茂、视听结合、动静相宜、感染力强的特点，使往日呆板的教学形式变得丰富 多彩，增加了学习的趣味性，能有效激发学生的学习兴趣和情绪，极大地调动学生学习的积 极性，强化感性知识，加深对所学知识的理解。 多媒体网络教学有很大灵活性和可选择性，有利于个别化教学，使教学真正做到尊 重学生的个性差异，因材旆教。学习者可以根据自己的不同情况进行学习，而且能方便查阅 与正在学习的内容相关的知识，因此可以极大地提高学习效率和学习效果。 多媒体网络教学包含的媒体数量多，信息量大，覆盖面广，能面向全体学生，使媒 体资料得到充分共享，从而扩展了教学空间，使教学摆脱了以学校为中心、课本为中心和教 师为中心的束缚，让学生倘佯在知识的海洋里，拥有自由遨游的空间。 在传统教学中，教师是教学的中心，是教学信息的携带者，他们主要作用是传授知 识。而传统的“满堂灌”的教学方式是教师的“独角戏”，学生只能被动的接受知识。而多 媒体网络教学使教育的中心由教师转向了学生，学生是教学的主体，教师的任务是以学生为 中心，激发学生获取知识的兴趣，增进学习者的求知欲。促使学习者的动力从外部转向内部， 被动学习为主动学习，真正做到由“要我学”向“我要学”的转变。从而充分调动学习者的 积极性和创造性，培养学习者探索问题、分析问题和解决问题的能力。在学习过程中，学习 者不仅学到了一定的知识，而且更重要的是，他们在学习的过程中学到了探索知识的方法， 提高了自我教育的能力。有利于高素质、创新人才的培养，适应未来信息社会的需要。 人们普遍认为网络教学应具有实时性、交互性、虚拟性、趣味性和个别性等特点，但是 实际体验时却感觉不是很理想。难道这些特点夸大其词了吗? 当然不是，其实前面所说的网 上教学的特点是指网上教学具有的潜在优势。之所以是潜在的，是因为目前我国网上教学尚 不成熟，由于资金、技术等方面的限制，未能充分发挥和利用网上教学的潜力。所以我们只 能明显感受网上教学不受时间和空间限制的特点，其他体会就不深了。那么在现有条件下， “如何充分网上教学的优势? ”，成为广大教育技术工作者要研究和解决的迫切问题。 通过对国内外部分高中物理教学网站的调查分析，基本上没有摆脱教案加题库的教学模 式，仅仅把课堂搬到网上。许多网上教学系统都是采用学生异步的学习模式，其中部分也尝 试的进行一些以学生为中心的学习模式的探索，这当然比传统的以教师为中心的教学模式更 符合学生学习的认知规律。但从实践效果上来看，一部分学生参加远程教育自主学习，由于 自身意志力稍差，客观上，学习效果反馈慢或有了问题不能得到及时解答等原因，没能长期 坚持学习或没有达到预期的学习目标。 由于上述原因，我们认为对于基于w w w 的远程教育而言，在一定教育理论指导下， 利用现有网络条件，建立一个有效的学习环境是相当必要的，经过调查、分析和研究，本文 提出了一种“高中物理交互式网络学习系统”的建设，其主要实现以下作用： 为师生教学提供丰富的素材，为传统课堂教学提供强有力的支持； 利用网上学习区为学习者构建了一个虚拟的学习环境，学习者可以在线自主学习， 也可以组建协作小组协作探究，学习者之间还可以实时进行“个别化联系”等； 利用教师工作区为教师提供了公告发布、在线答疑、主持讨论、作业批改、课件修 改与发布等功能； 经管理员审核后，注册用户可以升级为学习者或教师身份，并可以为教师设置不同 权限以利于分工合作。 本系统定位于助教和助学型的网络学习支持系统，学习者可以自主建立学习小组或加入 其他协作小组学习，可以进行个别化的实时通信联系，学习者在教师的监督下学习。教师可 通过网络空间查看每个学习者的学习情况，随时对学生进行引导，既体现了学生的主体作用， 2 也发挥了教师的主导作用。 ( 二) 国内外的研究现状 1 国内现状 我国的教学网站较多，但针对高中物理教学的互动型网站特别少。据有关资料统计，7 0 的为资源型网站，这些网站栏目大多相似，主要是为教师提供教学论文交流、教案展示、课 件下载、学法指导、疑难解析、试题等；目前，专题式网站发展较快，是一种以“唯存实验 室”为中心的研究性网站，采用w e b q u e s t 的形式引导学生在网络环境下展开学习，开辟了 网络教学交互的新天地，实现了网络学习从“以课件为中心”向“以学生为中心”的转移， 标志着我国网络教学交互设计进入一个新阶段；关于物理互动型学习网站，本人主要发现两 个：互动物理天地( h t t p ：w l t d s d e d u n e t ) 和互动物理( h t t p ：w w w j h d w l n e v w l ) ，只要是为 学习者提供虚拟探究情境，可以由学生自主设定参数和演示不同参数条件下的具体变化进行 探索研究，但交互主要局限于人机之间。 2 国外现状 国外学习型网站侧重为自主、探究式学习服务，例如美国国家航空航天局( n a s a ) 就 在他们的网站( h t t p ：w w w n a s a g o v ) ，设立的国家航空航天局未来教室( c e n t r a lo p e n a t i o n o f r e s o u r s e sf o re d u c a t i o n ，c o r e ) 1 3 】。物理方面的网站如：虚拟模拟实验室( v i r t u a ll a b & s i m u l m i o n s ) ( h t l p ：w w w h a z e l w o o d k 1 2 m o u s ) ，中学物理科学资源中心( m i d d l es c h o o l p h y s i c ss c i e n c er e s o u r c ec e n t e r ) ( h t t p ：w w w s c i e n c e h o u s e o r g m i d d l e s c h o o l i n d e x h t m ) ，给 学生提供了一个通过改变参数，探究物理概念、规律、建立物理情景的机会。 3 现状分析 交互性是网络教学区别于传统教育的显著特点，远程教学交互可分为三个层次：( 1 ) 初 级交互水平：即能够使学习者从相应的数据库中远程检索并提取文字、图形图象、声音、动 画以及视频等相关资料，能使学习者找到并获得需要的信息。这种水平的远程教学交互活动 在网络环境下一般直接借助于媒体的特性即可直接实现，如网络信息检索、数据库信息检索 等：( 2 ) 中级交互水平：即能够让学习者远程实时或非实时地介入到信息加工处理过程中。 现在，这方面的研究已经取得了一定的成果，交互式网络课件与网络课程的开发。它主张从 学习者信息加工过程的角度出发研制相关的网络课件和课程。让学习者能最大限度地参与到 远程教学过程中，并促使课件制作和课程设计理念发生了深刻变化；( 3 ) 高级交互水平。即 让学习者完全地进入到一个与信息环境一体化的虚拟信息空间中，并能自由发挥、自由创造， 交互式教学环境创设就是这种高级应用水平代表，主要体现在具有功能的教学平台设计与开 3 发上，其最终目的是为学习者创设一个“虚拟的”人文交互环境。 目前，国内外都在积极地对网络远程教学的交互进行设计与开发。以w e b q u e s t 为主要 形式的研究性网站开辟了网络教学交互的新天地，但是w e b q u e s t 大都采用的是绪言 ( i n t r o d u c t i o n ) 、任务( t a s k ) 、过程( p r o c e s s ) 、资源( r e s o u r c e ) 、评估( e v a l u a t i o n ) 、结 论( c o n c l u s i o n ) 六步的模式，大大限制了网络教学交互的进一步发展。一些互动型网站主 要是提供一个虚拟的学习环境，交互大多局限于人机之间。网络教育发展的趋势是以增强网 络学习的交互性为主，在学习中突出协作学习，体现教师的主导和学生的主体。利用现代网 络技术、多媒体技术与现代学习理论相结合，通过构建交互式网络教学环境，来实现现有各 种分散教育教学资源充分共享，以有效实施个性化教育及实现教学双方之间的充分沟通交 流，使传统模式下的封闭或半封闭的课堂教学环境变成一个充满交互与交流的网络虚拟社 区，以极大激发学习者的学习积极性及主动性，是今后网络教学与学习环境构建的主要方向。 ( 三) 课题研究的方法与成果 1 课题研究的方法 本课题采用了理论研究和实践相结合的方法，访问浏览了大量国内外有关的学习系统， 并对其进行了分析。本人在制作网页和编写程序时，进行了交互式网络学习系统理论和实践 探讨。以高中物理新课程标准为导向，以多媒体网络为支撑，根据高中物理学科的特点，从 理论上探讨了如何用新的教育理念来指导网络教学资源设计与开发，并在此基础上建成了高 中物理交互式网络学习系统。 2 研究成果 以普通高中物理课程标准( 实验) 为导向，从理论角度探讨了高中物理交互式网络 学习系统建设的理论基础、原则、方法和交互设计的策略；通过交互式网络学习系统的建设， 为学习者构建了一个虚拟的学习环境，学习者可以在线自主学习，也可以组建协作小组协作 探究，学习者之间还可以实时进行“个别化通讯”等；利用教师工作区为教师提供了公告发 布、在线答疑、主持讨论、作业批改、课件修改与发布等功能；同时为师生教学提供丰富的 素材，为传统课堂教学提供强有力的支持。 4 二交互式网络学习系统建设的理论基础与交互研究 ( 一) 理论基础 网络学习系统建设的主要目的是便于学习者在网络教学中的应用，因此遵循先进的学习 理论是学习系统建设的重要理论支撑基础。从教育学和学习理论的历史发展而言，其基础理 论包括行为主义学习理论、认知主义学习理论、建构主义学习理论、人本主义学习理论。他 们分别支撑着教师主体说、学生主体说与教师主导说、学生主导说，同时还有他们衍生出的 双主体说以及主体漂移说。在网络教学与网络学习系统建设中对教学设计有着深刻影响的是 建构主义学习理论和人本主义学习理论。把握建构主义学习理论和人本主义学习理论就能在 理论高度上把握网络学习系统的设计，为网络学习系统的建设确定方向。 1 建构主义学习理论 建构主义源自于儿童认知发展的理论，由于个体的认知发展与学习过程密切相关，因此 利用建构主义理论可以比较好地说明人类学习过程的认知规律，能较好说明学习如何发生、 意义如何建构、概念如何形成，以及理想的学习环境应包含哪些主要因素等等。在建构主义 思想指导下可以形成一套比较有效的认知学习理论，并在此基础上实现较理想的建构主义学 习环境【4 】。 心理学家让皮亚杰( j e a np i a g e t ，1 8 9 6 1 9 8 0 ) 认为，知识既不是客观的东西( 经验 论) 也不是主观的东西( 活力论) ，而是个体在与环境交互作用的过程中逐渐建构的结果。 他还认为，认识的生长不仅仅是经验的结果，而是强调个体在认识生长过程中的积极作用所 产生的结果。建构主义学习理论基本观点可归纳为： 认识是认知主体( 学习者) 与客观环境( 社会文化情景和自然环境) 的 相互作用中形成。 认识的发展是通过认知结构的不断进行意义建构中获得的。 建构过程的发展是螺旋形上升的。 因此，建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文 化背景下，借助其他人帮助，即通过人际间的协作活动而实现的意义建构过程，所以建构主 义学习理论把“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”作为学习环境的四大要素： 情境：情境是与学习主题的基本内容相关和现实情况基本一致或相类似的情景和环境。 网络上丰富的教学资源( 网络课程、教育网站、学习网站等) 可以说是巨大的情境创设，网 络学习系统建设的过程中要尽可能多的提供给学生学习资源，为学生创设丰富的主动建构知 识环境，情境越丰富越有利于学习者对知识的建构。为学习者创设一个轻松的自由的网络学 习环境，采用多样的知识表现形式和呈现结构，对不同类型的知识采用不同的方法，以学习 者能不能接受能不能顺利完成学习目的为唯一目标。 协作与会话：协作学习过程也是会话过程，学习小组成员之间必须通过会话来商讨如 何完成规定的学习任务和计划，在此过程中，每个学习者的思维成果为整个学习群体所共享， 是意义建构的重要手段。 由于网络环境下，学习者与教师时空分离，因此网络学习系统应该为学习者提供各种 交流的机会与空间。交互性是网络环境到最大特征，优秀的网络学习系统应充分利用这一特 征为学习者提供一个实现网上协作学习的平台，例如b b s 、聊天室、协作小组、q q 等，这 不仅能使学生之间、师生之间、人机之间发生良好互动，而且有利于激发学习者的学习兴趣， 增强其认知主体作用。 意义建构：这是整个学习过程的最终目标，所要建构的意义是指事物的性质、规律以 及事物之间的内在联系。在学习过程中帮助学生意义建构就是要帮助学生对当前学习内容所 反映的事物的性质、规律以及事物之间的内在联系达到较深刻的理解。为了达到较好的意义 建构，在网络学习系统设计中，应充分体现教师的主导作用和学生的主体作用，使得学生能 在教师的适时点拨下，通过自主探究、协作交流方式获得知识。 2 人本主义学习理论 2 0 世纪五、六十年代，以美国学者罗杰斯为代表的一大心理学派，在西方哲学的基础 上，从心理学的角度，提出了人本主义学习的理论。这一理论强调人的尊严和价值，认为学 习是个人自主发起的、使个人整体投入其中并产生全面变化的活动。主张心理学要研究对人 和社会有进步的问题，针对学习中的教学问题提出： 在教学目标上，强调学生的个性与创造性； 在课程内容上，强调以人为本，学生的直接经验： 在教学方法上，主张以学生为中心，放手让学生自我选择、自我发展； 在学习方式上，主张学生主动参与，教师给学生更多的时间和更大的空间。 人本主义理论认为：教育的任务在于帮助人们满足“自我实现”这个最高的需要。把“自 我实现”看成是促使人生长和发展的最大内在驱动力，甚至是推动社会前进的动力。在教学 形式上强调课堂教学与实际生活统一；在教学内容上强调外在的科学知识与内在的经验和情 感的统一，主张发展学生的个性，充分调动学生学习的内在动机，并要求创造和谐融洽的教 学人际关系。同时人本主义学习理论揭示了学习的本质。认为学习是个人自主发起的、使个 6 人整体投入其中并产生全面变化的活动8 1 。人本主义学习理论有如下的特点： 学习的自主性。即学习是个人主动发起的( 不是被动地等待刺激) ，学习者内在的思 维和情感活动极为重要； 学习的全面性。即个人对学习的整体投入不仅涉及认知方面，还涉及情感、行为、 个性等方面； 学习的渗透性。即学习不但是认知领域产生影响，而且对行为、态度、情感等方面 发生作用。 其对网络学习系统设计、开发的启示： 以学生为中心，重视个人意义的学习 网络学习系统应能鉴别不同层次学习者的学习需求，支持不同层次学习者的学习需求， 通过超媒体、超链接的特性，能够为不同学习者给出合适的学习路径。此外，物理是一门以 实验为基础探究性较强的学科，在网络环境下，应尽可能利用多媒体技术、虚拟现实技术模 拟物理问题情境，以此再现不同条件下物理现象，加深物理情境形象性理解。生活中的各种 物理现象都是在不停变化的，在网络学习系统中，我们可以通过设置参变量的形式，给学生 留下自我修改、自我思考、自我认识和自我发展的空间。 加强师生、生生之间的交流 网络环境下，师生处于时空分离的状态，师生之间、生生之间的交流尤为重要。因此， 网络学习系统应为师生提供交流的平台。学习者可以与其他学习者或教师一起讨论，或对某 个问题发表自己的见解；对于教师，可以主持在线讨论、回答学习者提出的问题，充分发挥 教师辅导、指导、激励的作用。这不仅为师生情感互动打下坚实的基础，而且有利于学生积 极主动自主学习。 人文精神与学科知识相渗透 人本主义学习理论强调学习的全面性，因此，在网络环境下，学生不应该只是学习单纯 的物理知识，而应该以物理知识为素材，通过这些素材受到科学的、技术的和人文教育。 ( 二) 交互研究 网络教学作为远距离教学的主要形式，近几年来得到了迅猛的发展。网络学习系统是 网络教学中信息承载的基本方式之一，在今天的网络教学中，它的质量就显得尤为重要，而 衡量网络学习系统质量的重要标准之一就是交互。科学合理的交互设计可以让学习者积极的 投入到学习中主动学习，提高学习质量。 1 网络学习系统中交互的特点 7 ( 1 ) 交互的多样性 在传统的课堂授课中，交互主要是指学生与教师、学生与学生之间的交流。在网络学习 系统中交互不再那么单一，它除了沿袭传统教学中的交互外，同时超文本链接，网络多媒体 的使用使学习者与学习材料之间的交互也变得丰富多彩，交互方式灵活多变、生动直观。 ( 2 ) 交互的灵活性、方便性 传统课堂授课中的交互，只能是固定时间、固定场合、固定对象，而且这些因素固定之 后往往都不会改变。但在网络学习系统中，所有的一切都显得那么灵活，只要在网络的环境 下，学习者之间、学习者与教师、专家之间都可以随时随地进行交流，也就是说网上的这种 交互变得更灵活、更方便。 ( 3 ) 交互的非实时性 传统的课堂交互是实时的，除了固定的时间与空间外，他们之间的交互就只能通过电话 或书信，在现代社会就显得笨拙、落后、费时、昂贵。但在网络学习系统中就没有这种担忧， 也就是说网上交互具有非实时性，他们可以通过在因特网上使用一些行之有效的方法和软件 进行非实时的交流，而这种交流与电话、信件相比就显得轻松、方便、快捷。 ( 4 ) 交互的主动性 网络学习系统中学习者是学习的主体，他们所表现出来的学习是自主学习，学习者可以 自己控制时间、进度、内容、难度、层次等。整个学习过程要求学习者积极参与，没有他们 的参与、点击，教学就无法进行，这就决定了网络学习系统中的交互具有主动性，学习者参 与的积极性程度越高，学习效果就越好。因此，好的交互设计能够更好的调动学习者的积极 性，提高教学质量。 2 网络学习系统中交互的种类 ( 1 ) 从横向分析，教育教学中的交互可依据交互作用的关系分为三类： 学习者与教学者之间的交互： 学习者与学习者之间的交互； 学习者与内容的交互。 传统的关于交互的研究往往只涉及前两种，网络的介入使互动模式从直线型的人一机模 式形成了立体的人一机一人模式，技术的进步带来了互动的便利和快捷，但是互动的产生却是 围绕着学习者对内容的认识和和理解而展开的，师生、生生的交互是由学习者对内容的互动 引起的，反过来师生、生生的交互有直接促进了学习者对内容的理解和掌握。在网络学习系 统设计中学习者与内容之间的互动方式的设计是非常重要的。 8 ( 2 ) 从纵向的交互角度看，可分为三种不同的层次： 反应式交互； 主动式交互； 双向式交互。 反应式交互是学习者依据系统要求做出的交互，具有及时的反馈性，但学习者不具有主 动控制性。主动式交互是系统依据学习者的需求提供交互的，强调由学习者自己构建知识。 学习者能够接受提供的知识内容并主动反应。双向式交互，融合了虚拟现实和人工智能技术， 不仅鼓励学习者以个人需求与系统内容交流，建构知识，而且强调系统能根据学习者的反应 而调整交互，针对不同的反应给予不同的建议。 3 在网络学习系统设计中建立有效交互的策略 ( 1 ) 在网络环境下建立有效的师生互动结构 网络环境下，学习者应能及时获得教师的指导，同时教师也应该及时得到学习者的反 馈信息，以便能根据学习者的需求调整教学内容，使教学活动达到最佳效果。师生之间的这 种交流有同步和异步两种模式，同步可以采用n e t m e e t i n g 网络电子会议系统、聊天室、电 子白扳、站内短信等：异步模式可以采用留言板、e m a i l 等。这些交流工具不仅能实现传统 课堂教学中学生提问，教师答疑等功能，而且能突破时空的限制，为学习者之间的协作学习、 个性化学习提供便利。 ( 2 ) 营造动态的学习环境，激发学生的兴趣和学习动机 n e t m e c t i n g 网络电子会议系统、聊天室、留言板、e - m a i l 等主要侧重于人人之间的交互， 但是，网络环境下，学习者与学习内容之间的交互即人机交互也是非常重要的，在人机交互 中影响学习的因素包括好奇、奇幻、剧情、情境、奖赏回馈等，是创设多媒体动态学习环境 不可缺少的。我们在制作网络物理学习系统过程中应充分考虑以上因素。例如我们可以用动 画模拟自由落体运动或者平抛的运动过程，这可以为学习者创设一个形象的物理情景，而在 现实生活中确较难清楚的描述各个时刻的运动状态。 ( 3 ) 寻求正确的交互点 交互作用应该是有意义的，交互点是促进学习者对学习内容作深层次认知处理的地方， 而不应该是任意的交互反应。本人认为在高中物理交互式网络学习系统中主要应从两方面寻 求交互点： 创设问题情境。 一种问题是考察学习者对物理概念、定理、定律的掌握情况，学习者经过思考、归纳后 9 输入结果，系统可以做出相应的反馈。许多的在线测试就是运用这种交互，通过适当的鼓励 比如说“恭喜你，答对了! ， 可以使学习者获得极大成就感，“没关系，再想想! ”，则可以 给学习者一定的安慰；另一种是问题的解决，提出一些生活中的物理问题，让学习者思索问 题解决的方法和途径，不仅可以集思广益，而且有利于提高学习者的信息素养。 模拟试验的操作。 物理中的许多理论是建立在实验的基础上的，我们可以用交互式的动画模拟物理学中的 实验，学生通过操作模拟实验，探究相关理论的建立过程，对于培养学习者的科学探究能力 很有帮助。 ( 4 ) 交互程度、交互方式的设计与学习活动相结合。 网络学习系统中的交互设计是使学习者融入所提供的学习环境中，引导学习者主动参与 各种学习活动，利用交互技术可以实现以下的学习活动： 实验：简单的可以是演示形的，复杂的可以是智能化的操作型。通过模拟实验，学习者 可以加深对原理的理解，也可以从获得的实验数据中得出某些规律，还可以进行一些技能的 操作训练。 游戏：或竞赛：提供挑战的可能，以记录学习者每次成绩的方式，来引起学习者自我内 在竞争心态；并藉成绩记录比较及打败对手进而完成学习的满足感，有助于学习者自我肯定、 激起外在竞争心态。 专题讨论：讨论使学习者对主题的认识更深入、更全面。 问题解决：可协同工作寻求一种最佳的解决方法，也可分头工作获得不同的解决方法。 个案设计：围绕某学习任务建立一个实施的过程、步骤的方案。 交互设计与学习活动的结合形成了多种参与方式，使学习者广泛深入地参与到学习过程 中，实现学习者对学习内容的深层次加工处理，促进了学习者协作技能的发展。 1 0 三交互式网络学习系统设计 交互式网络学习系统，它具有自主性、开放性、共享性和协作性等特点，从网站的界面 设计到资源开发，处处渗透着以用户和学习者为中心的全新的网络教学理念。以多媒体网络 技术为依托，在注重实用性的同时着重提高网站整体的学术品位，系统设计主要包括项目分 析、结构设计、界面设计和教学设计四个方面。 ( 一) 项目分析 网站建设的第一步就是网站的定位问题，是什么类型的网站，网站面向的对象是谁，同 类的网站有哪些，它们有哪些优势和劣势，你的网站的特色是什么，建这个网站的目的是什 么等。这些是酋当其冲应该搞清楚的。由于关于网站的调查已在前言中进行分析，所以只就 项目分析其它内容逐一进行说明。 1 了解网站用户 要明白谁将浏览你的网站。考虑浏览者的背景、经验、兴趣、口味以及访问网站的原因： 了解他们的年龄、生活的地理位置以及他们想从你的网站体验到或了解到什么。仔细考虑这 一步是很重要的，不了解你的用户，可能是你的网站失去为那些人提供某种体验的机会，而 这些人正是你计划为他们提供服务的。 了解用户的方法很多，其中关键的一点是，通过调查了解，预测他们对网站各种要素 的反映，使你的网站的各个方面( 包括从组织信息的方法到字体类型和图形等) 都适合于你 的用户。 本网站面向的是高中学生，同时也得到一些物理教师的关注，我主要是通过与高中物 理教师、学生的交流以及查阅相关的文献资料来了解这两种群体对网络教学的要求和看法。 通过调查研究表明，相当部分的学生已具备了基础的计算机和互联网知识，而且他们 大多数喜欢网上冲浪；他们不喜欢教案式、参考书式的网上内容，而更喜欢主动的、新鲜的、 交流互动性强的学习内容和学习环境。教师对互联网持积极态度，他们不仅自己利用互联网 的资源，而且支持学生上网学习，教师希望目前的网络教育成为课堂教学的一个拓展，一个 有效的补充，而不是简单的重复课堂教学内容。 2 需求分析 对网站进行需求分析，其实质是看该网站是否符合学生的要求。通俗地讲，就是要分析 网站建设的必要性如何，为什么要开发这个网站。如果不了解这一点就有可能造成人力、物 力和财力的浪费。 网站的需求分析可以从以下几个方面着手： ( 1 ) 教学期望值的确定，教学期望值指网站设计者要求学生在参与网络教学之后应该达 到或必须具备的水平。 ( 2 ) 必要性的确定。必要性反映了是否需要建设网站。但我们发现对学习者的期望值与 他们的实际情况之间存在差距以后，应该分析差距的原因，明确了原因之后，就可以明确网 站开发的必要了。 普通高中物理课程标准( 实验) 要求培养学生的健康地心理、良好的学习习惯、科 学的探究精神和自主学习的能力，发展学生的创造性思维。而在实际的课堂教学中，由于时 空限制，学习者往往被动接受知识，学习的自主性和学习能力的提高受到限制，学生的个性 得不到保护，诸多矛盾，希望通过网络教育这种方式在一定程度上给予解决。 3 确定目标 教育网站应以大的教育环境为背景。作为物理学习的网站，应以中学物理实施素质教育 的目标为网站建设目标，这既是素质教育的要求，也是2 1 世纪培养合格人才的保证。 结合网站教学对象的特点确定合适的目标，本网站面向的是高中学生，针对高中生的特 点，网站内容力求新颖、生动、交互性强，使学生轻松掌握知识，同时激发他们的学习兴趣。 ( 二) 交互式网络学习系统主体结构设计 1 设计原则 本人在建设交互式网络学习系统过程中主要遵循以下原则： ( 1 ) 个性化原则 网络学习系统要体现学生学习的个性化。学生是学习的认知主体，学习的过程是学生通 过探索、发现问题、意义建构的过程，所以要重视学生作为认知主体的作用，体现学生个性 化学习的特点，发挥学生在学习中的首创精神，如提供灵活多样检索方式、实现学习路径的 自动记录功能、设计学生随堂使用的电子笔记本等。 ( 2 ) 协作化原则 协作学习有利于高级认知能力以及合作精神的培养，而网络为教学软件中的协作学习提 供了理想的环境，因此，网络教学软件应充分发挥这一优势，提供协作学习和协同工作的空 间。 ( 3 ) 交互性原则 以往的远距离教学因缺乏实际交互使得信息反馈处于滞后状态，限制了学习者的积极 性。德国杰出的教育家w o u z a n g k l a f k i 认为如果一所大学漠视人与人之间的直接交流就会 1 2 失败。因此，针对网络教学来说，没有交互和反馈的教学是不成功的。网络提供了多种交互 手段，包括学习者计算机，学习者一学习者，学习者一教师之间的交互，怎样在系统设计 中体现这些手段，提高各种交互的有效性成为系统设计热点。在网络教学环境下提供教师和 学生发布信息的空间，为他们提供交流的场所和解答疑问的方式等是系统设计不可忽视的因 素。 ( 4 ) 开放性原则 网络学习系统最大的优势就在于它是一个开放的系统，它包括教育对象、教育资源和教 育过程的开放。在系统设计中主要表现为：为广大用户提供在线注册的功能，建立学习者信 息资源库：学习内容可以及时更新，在不断学习和学习者的反馈中使知识点设计更合理；要 保证硬件资源和软件资源的设计合理，方便学习者共享网络中的教育资源，实现教育资源最 大限度的共同利用 要给予用户在信息索取的同时进行资源互换、资源共享的权利等。 2 系统支撑环境的结构设计 本网站是与物理课程整合的，主要为中学生开展自主探究、协作学习服务，课程内容参 考普通高中物理实验教科书。根据前面对教育网站建设的理论研究和分析，结合中小学校园 网建设的实际，本人对网站做了初步的规划和设计，主要的功能模块及结构设计如下图1 所示： 甲甲呼 一王一! 二工一 网 上 学 习 区 i 教 师 工 作 区 f 刁 i口 - ，_ l 。麟鼻 、 主持讨论 裔 用户信息管理 文挡 笞疑作业 资料信息 l 作业评闻 厂 、 l 在线答疑 ， 、，、 +文档资料管理 媒体素材库( 文本、图像、动画、视频) i 一一 +媒体索材管理 图1 系统结构设计 3 系统的具体功能模块： ( 1 ) 用户登录模块： 本系统有一般用户、学习者、教师和管理员四个角色。一般用户经过申请和管理员 审核，可以成为学习者和教师用户并进入相应模式。学习者可以使用系统的网上学习区进行 在线学习，教师可以通过教学工作区进行教学指导和教学管理，以下图2 是系统的登录流程 图： 1 4 图2 登录流程图 用户中心 用户中心是本站的网上家园，用户可以从这里查看个人信息，进行资料、密码修改。 如果般用户成功注册为本站学习者，可以从这里获取管理员为他分配的学号，其界面如图 3 所示： 用户名称：c x f您己登陆3 5 分钟 用户类墨： 学生 学号： 0 3 0 2 0 5 用户性别： - 一阳光男孩 出生年月： 1 9 8 0 6 - 1 6 用户q q ： 辱1 2 3 4 5 6 7 8 e n n a i | ： 审c x f l 9 9 8 e y o u c o i t i 查看我所参与过的主题 个人主页： 簟h l l ：p ： 个人介站：南京师范大学学生 图3 用户中心 ( 2 ) 学科动态、知识拓展 学科动态主要是提供教育时事、科技动态，使得师生能及时了解物理教学的新走向和 科学技术的最新发展。知识拓展主要是提供与教材密切相关的趣味物理、物理学史和物理学 家等栏目，进一步激发学生学习物理的兴趣，了解物理学的发展，培养学习者创造性思维品 质和敢于质疑、坚持真理的献身精神。例如趣味物理栏目中针对牛顿第三定律设计了其在生 活中的一些实际应用：巨轮螺旋桨在水下向后推水；汽车驱动轮向后推动地面，车轮获得 反作用力成为汽车的牵引力；瘦人与大力士掰腕子等，对于重心一节，则介绍了其在生活中 的一些有趣的现象：玩具“不倒翁”为什么“不倒”? 玩具“饮水鸟”为什么不停她“饮水”? 15 等。这些图景的展示开阔了学生的视野，促使学生不断关注社会、关注生活、关注自己身边 发生的事物。在讲授物理学的基本知识的同时，可以适当地、有选择地介绍其发现的历史过 程，说明当年的背景，怎样提出问题，遇到什么困难，如何获得突破，曾经有过什么曲折和 争论等，例如物理学史栏目针对自由落体运动，提供了“伽利略对自由落体运动的研究”的 相关资料。这样，不仅使学生有身临其境之感，而且能领悟前辈大师的科学精神、物理思想、 研究方法，得其精髓，有所借鉴。 ( 3 ) 资源中心 物理是- - i 以实验为基础，与生活、科技密切联系的学科，许多定理、定律的推导都是 在一定的实验仪器或者物理情境下进行的。然而，现实生活由于受各种条件的限制，仪器的 获取、情境的展现都受到很大的制约。通过多媒体网络技术可以创建与课程内容相符，与现 实生活相似的虚拟情境，与现实生活相比，虚拟情境能排除现实环境中对学习者学习的干扰 因素，将与课程内容相关的、现实世界处于不同时空的场景置于同一环境下，也能创建出现 实世界不可能出现和不能达到的环境，使学生处于更加形象逼真的环境。 资源中心在多媒体网络技术支持下，提供图片、动画和视频等精彩资源，每种资源按章 节进行分类，资源信息明确，极大提高了资源的检索速率，防止了学习者在信息的海洋中迷 失方向。浏览者可以从缩略图看到图片的大体情况，如果对此资源需要下载，可以点击缩略 图进入图片界面执行图片保存操作即可。同时，本系统中的资源提供了按钮、热区、文字录 入等多种交互，学习者可以在线探究，同时发表自己的见解或浏览别人的见解。它是从事认 知活动所必需的知识准备，是一种真正意义上的开放性的学习资源。其界面如图4 所示： 1 6 图4 资源中心 ) 疆上学习区 网上学习区主要由目录导航区和信息展现匿组成。如图5 所示，目录导航区主要由教学 公告、课程学习、在线答疑、个翱纯通讯、协作小组、作渡提交及成绩查询几部分缝成。信 息展现区则是以上模块的信息星现区间。网上学习区为学习者提供了一个自主探究、协作学 习的平台，学习者可以像在现震中进行学习的切活动：参加协作小组；在线学习；可以寻 找澎褥、查找饮伴：攀习者之阍可跌迸季亍实时个别化联系等。这些不仅能加强学习者之间的 交流，有效提高网上教学和学习质量。还能很好的激发学习者的参与性、主动性和积极性， 在阏上实瑷溃感教弯，热强教魉与学习蠢之阀、学习者与学习者之瓣的海遴，缝小学习耆秘 教师之间的距离。 图5 网上学习区 课程学习 课程学习区左边是章节导航匿，右边是学习内容呈现区，中间是一个导航条，视学习者 鹩需簧可鞋隐藏或显示右边钓嚣添区，弱时遥过煮蠢左途章节导靛送上方鹄“控截蟊板”可 以使得信息在目录导航和章节导航之间切换，使得学习者在学习过程中可以方便的进行协 作、交流、答疑、作业提交等操作。 学习内容以高一物瑗教材作为主要教学内容文字材料来源，势虽参考优秀教师的教案， 进行内容的选择和编排。课程内容采用模块化的组织方法，模块的划分应具有相对的独立性， 基本娃甄识点或教学鼙元走蔹爨。课程武馨摄据其钵的翘识要求采惑文本、蹬像、动蕊、视 频等多种表现形式。课程内容的体系结构具有开放性和可扩充性的优点，课程结构是动态分 层次瓣结擒，字# 显形成糨关知谖赢的关联链接，方便学习者在学习过程中校据囊己的需要选 择教学内容。其界面如图6 所示： 1 8 图6 课程学习 个别化通讯 个别化通讯是为教师和学习者用户提供一个两个人之间的实时通讯平台，其界面如图7 所示它以列表的形式显示了己注册的教师和学习者的身份类型，是否在线等。当单击信息图 标时，可以给相应用户发送信息，用户收到信