基于二維碼技術的物理實驗開放平臺

李娟妮,周　紅,門庭軒,張心蕊

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基于二維碼技術的物理實驗開放平臺

李娟妮,周紅,門庭軒,張心蕊

(西安石油大學 物理實驗中心，陜西 西安 710065)

為了充分利用移動設備的普及性、便捷性，充分發揮開放式實驗平臺的優勢，將二維碼技術應用于物理實驗開放平臺的構建. 利用二維碼使用方便、可靠性高，技術成熟、部署成本低等特點，為實驗開放平臺提供了便捷的訪問入口，具有學習成本低、檢索信息定位準確、直接，便于維護，易與現有技術、平臺對接等應用優勢.

物理實驗；二維碼技術；開放平臺

大學物理實驗作為理工科學生必上的基礎課程，不僅可以加深學生對抽象物理理論知識的理解，還可以培養他們科學嚴謹的思維方式和發現問題、解決問題的能力. 為了培養學生的基本實驗技能，當前主流的教學模式依然沿用傳統的講授方法. 教師講授實驗的相關內容，學生在掌握實驗原理后，按照既有的實驗步驟調節實驗儀器、觀察實驗現象、記錄實驗數據. 通過這種訓練，學生能夠逐漸體會到經典實驗設計的思維方式，掌握基礎的實驗方法和規范的數據處理方法，但這種教學模式限制了學生創造能力的發揮和個性的發展[1].

1　開放式物理實驗平臺

為了激發學生的創新型思維，培養學生獨立思考、自主學習的能力，在傳統被動接受、模仿操作的基礎上，還需要充分發揮學生的主動性，讓他們自己提出實驗課題，制定相應的實驗方案，搭建實驗平臺，完成實驗內容. 讓他們切身體會到物理實驗學習的樂趣[2]. 在這種培養目標的驅動下，實行開放型的教學模式已經成為當前的主流趨勢.

開放型教學模式完全貫徹以學生為中心，教師為輔助的教學理念. 學生根據實驗目的，在現有知識的基礎上，通過查詢相關內容，形成設計思想，在理解儀器構造和使用方法的基礎上，自行搭

建實驗平臺，完成實驗儀器設備的調試和數據的采集. 在整個過程中，教師以引導和啟發為主，輔助學生正確完成實驗內容；鼓勵學生獨立思考，培養學生創新能力. 開放性教學為學生提供了較為寬泛的環境，讓他們在時間、空間、實驗內容和課題上都有較大的選擇性和自由度[1]. 其中，實驗儀器、實驗方法的多樣性，會增加平臺搭建的復雜度. 學習各種型號的實驗儀器的實驗原理和使用方法是開放式學習不可或缺的環節. 因此，如何在這一環節為學生提供相關幫助，是衡量物理實驗開放平臺的重要指標[3]. 傳統的紙質媒介，如實驗教材編寫主要以實驗項目為單位，儀器相關內容的編排往往不便于學生查閱，尤其是在學生遇到某個新儀器時，往往不知從何下手. 另外由于實驗教材和實驗儀器的更新周期不同步，造成教材內容和實驗儀器在很長時間內不匹配；而儀器說明書缺乏統一性和規范性，并且不便于維護和管理. 傳統PC環境下的Web平臺克服了以上問題，不僅便于維護，而且可以利用多媒體技術傳遞更豐富的內容，但實驗內容的不容易查找，且只能在固定的位置使用，制約了物理實驗開放平臺的進一步有效利用. 本文將二維碼技術應用于開放平臺，試圖采用更為簡單和直接的方式解決當前的問題，則可充分利用移動設備的普及性和便捷性，構建更為高效的開放型教學模式，提高學生的學習效率.

2　基于二維碼技術實驗開放平臺架構

二維條碼/二維碼(two-dimensional code)是用某種特定的幾何圖形按一定規律，采用平面分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息. 隨著智能設備的普及和網絡技術的發展，二維碼技術已經被廣泛應用于生活的各個方面，如身份識別、收支費用、上網瀏覽、電子憑證等[4]. 為了能夠在種類和型號繁多的實驗儀器中，方便、快捷地找到與當前實驗項目儀器相關的內容，讓學生的思維集中于實驗的設計和平臺的搭建，我們將二維碼技術應用于開放性實驗平臺，其構架如圖1所示.

圖1　基于二維碼技術實驗開放平臺架構

首先根據實驗儀器信息的數據庫的組織形式，將各個儀器的信息訪問路徑編碼，生成二維碼標簽，貼示于儀器或其周圍的合適位置，學生可以通過手機、平板電腦等移動設備中安裝的二維碼掃描工具(如全能二維碼、微信等)，對自己感興趣的儀器二維碼信息進行掃描，通過識別、解析和匹配環節，最終可以在移動設備終端顯示當前儀器相關的所有信息.

例如，開放的實驗平臺系統可以根據實驗中心現有的儀器，將各個儀器的相關內容，制作成移動設備兼容的多媒體網頁，存儲于實驗中心的服務器端. 每種儀器分配唯一的URL地址，通過二維碼生成工具，將生成的二維碼貼在相應的儀器表面，方便學生使用. 當學生利用可以識別二維碼的App掃描二維碼，就會跳轉到特定儀器的網址，從而可以了解學習儀器相關的內容：儀器名稱、型號、原理、基本操作及相關的實驗項目. 如圖2所示MOS-602通用示波器的介紹內容.

圖2　MOS-602通用示波器內容示例

基于二維碼的技術應用于物理實驗開放平臺，其信息檢索的方便性、準確性是不言而喻的. 而且由于二維碼的應用如此廣泛，如何使用已成為“常識”：在幾乎不需要任何宣傳、講解和指導的情況下，學生會很“自覺”地掃碼. 在提高信息訪問便捷的同時，激發了學生的興趣，物理實驗開放平臺成為學生真正樂于使用的“幫手”；再者，無論儀器二維碼標簽，還是物理實驗開放平臺的儀器信息，維護成本很低，信息的修正和更新也幾乎是實時的；對于已經建立的Web開放平臺，不需要修改或經過少量修改，二者就可實現無縫連接，有效利用已有成果，避免重新建設帶來的問題.

3　實驗方式和教學效果

隨著高等教育受益面的逐步擴大,學生受教育需求向多元化發展[5]. 物理實驗的開放平臺為學生進一步學習物理知識，培養學生的科研能力，提供了全方位、全天候的學習環境，允許學生根據自身需求選擇其感興趣的實驗項目[6]. 實驗項目的內容主要包括3部分：基礎項目、提高項目和綜合項目. 實驗過程中涉及近百種實驗儀器，包括：長度測量儀器、時間測量儀器、質量測量儀器、溫度測量儀器、電磁測量儀器、常用電子儀器、常用光學儀器和常用光源. 在基于二維碼技術的實驗環境中，每種儀器上都有二維碼標識，便于學生快速地了解儀器相關信息. 對于不同層次的學生，這種實驗方式的優勢也是不同. 低年級學生在完成基礎性或綜合性實驗項目時，可以更加方便、直接地獲取儀器相關信息；相對于傳統的方法，具有便捷性和實時性的優點. 高年級學生完成設計性或研究型實驗項目時，面對眾多不同型號的實驗儀器，可以快速并且準確地找到合適的實驗儀器，完成實驗項目. 如：電學實驗中所使用的電鍵，可以分為：單刀單置電鍵、單刀雙置電鍵、雙刀雙置電鍵. 當這些電鍵都作為可用器材時，需要學生對每種電鍵的特點有清晰地認識. 如果再通過查閱教材的方式獲取這些信息，就會干擾實驗的主要思路；而采用掃描二維碼的方式，可以較好地提高實驗完成的效率.

4　結束語

傳統的開放平臺主要基于PC平臺，我們的工作充分利用了手持設備的廣泛性和二維碼技術的便捷性，將移動網絡技術應用于教學過程中. 一方面，提供了方便快捷的儀器信息的檢索方式；另一方面，為實驗平臺的開放提供了快速的通道，提高了實驗效率.

[1]浦其榮,霍劍青,軒植華. 開放型物理實驗的研究和探索[J]. 物理實驗,2005,25(2):31-32.

[2]張增明,孫臘珍,霍劍青,等. 創新研究型物理實驗教學平臺的建設與實踐[J]. 物理實驗,2009,29(7):14-17.

[3]王震,丁永文,杜木. 普通物理實驗教學中的“提出問題”[J]. 物理實驗,2010,30(4):18-21.

[4]馬鳴,李海波. 基于Android的二維碼的生成與識別系統的設計與實現[J]. 電腦知識與技術,2012, 8(26):6353-6356.

[5]李潮銳,吳深尚. 物理實驗創新教育的探索與實踐[J]. 物理實驗,2005,25(4):25-27.

[6]張銳波. 基于創新開放平臺的物理實驗教學方法[J]. 實驗室研究與探索,2013,32(7):198-201.

[責任編輯：郭偉]

Open platform of physical experiment based on QR code technology

LI Juan-ni， ZHOU Hong， MEN Ting-xuan， ZHANG Xing-rui

(Centre of Physical Experiments, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065， China)

In order to make full use of the popularity and convenience of mobile devices, the QR code technology was applied to construct an open platform of physical experiment. The platform provided convenient access benefited from the characteristics of QR code, such as good usability, high reliability, technical maturity and cost-effective deployment. This method had the advantages of low cost, accurate and direct information retrieval, easy maintenance, good usability and easy docking with the existing technologies and platforms.

physics experiment; quick response (QR) code technology; open platform

2016-05-30；修改日期：2016-07-12

李娟妮(1979-)，女，甘肅蘭州人，西安石油大學物理實驗中心講師，博士，主要從事物理實驗教學.

G642.423;O4-39

B

1005-4642(2016)10-0027-03

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文