手機(jī)APP系統(tǒng)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

郭平生，柴志方，崔 璐，張國(guó)飛，陸 浙，陳廷芳

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

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手機(jī)APP系統(tǒng)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

郭平生，柴志方，崔 璐，張國(guó)飛，陸 浙，陳廷芳

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

設(shè)計(jì)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)手機(jī)APP 系統(tǒng)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)在手機(jī)APP系統(tǒng)中記錄數(shù)據(jù)，手機(jī)APP將判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤并實(shí)時(shí)反饋實(shí)驗(yàn)改正建議. 教師可以通過在手機(jī)APP系統(tǒng)中查閱保存的學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況來評(píng)判學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，結(jié)合手機(jī)APP系統(tǒng)保存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及自動(dòng)處理結(jié)果高效批閱學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告. 手機(jī)APP系統(tǒng)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用將提高實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量.

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；手機(jī)APP；教學(xué)環(huán)節(jié)；教學(xué)效率

物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué). 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在理工科各專業(yè)甚至部分文科中開設(shè)，擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)、基本方法和基本技能以至科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本素質(zhì)、能力的任務(wù)[1]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程人數(shù)多，上課學(xué)生專業(yè)背景不同，其物理理論基礎(chǔ)及動(dòng)手能力參差不齊. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中的每個(gè)學(xué)生需要完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)要經(jīng)過課前預(yù)習(xí)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、考核等教學(xué)環(huán)節(jié). 一般大學(xué)從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教師很少，因此，1位教師在1個(gè)學(xué)期內(nèi)需要從事數(shù)個(gè)班級(jí)的教學(xué)工作，同一教師每堂課上需要同時(shí)指導(dǎo)幾十個(gè)學(xué)生的數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)操作，課后則需要批閱大量的實(shí)驗(yàn)報(bào)告. 在實(shí)際教學(xué)中會(huì)碰到一些問題，比如如何提高預(yù)習(xí)效果，教師如何在幾十個(gè)學(xué)生同時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)及改正學(xué)生的操作錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)如何有效地同時(shí)檢查幾十個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，批閱大量報(bào)告時(shí)如何快速有效地判斷每個(gè)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理是否正確.

不斷發(fā)展的信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，比如大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用[2-3]，以國(guó)家儀器公司LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言為代表開發(fā)的虛擬儀器的應(yīng)用[4-5]，基于Wifi的物理實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)[6]，智能手機(jī)在實(shí)驗(yàn)室宣傳、管理等方面的應(yīng)用[7-9]等. 受學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中利用手機(jī)學(xué)習(xí)預(yù)習(xí)課件的啟發(fā)，考慮智能手機(jī)便攜性好且在大學(xué)生中已經(jīng)普及的優(yōu)勢(shì)，筆者提出采用手機(jī)APP系統(tǒng)解決上述由于學(xué)生多而教師少引起的一系列實(shí)際教學(xué)問題，本文詳述實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP系統(tǒng)的具體的硬件、軟件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)功能，并以“簡(jiǎn)諧振動(dòng)的研究”實(shí)驗(yàn)為例描述其主要應(yīng)用.

1 手機(jī)APP系統(tǒng)硬件、軟件結(jié)構(gòu)及功能結(jié)構(gòu)

以學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的智能手機(jī)移動(dòng)設(shè)備為重點(diǎn)，手機(jī)APP系統(tǒng)的整個(gè)硬件的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示. 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心包括手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、便攜式電腦(Laptop)等在內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備可通過分布在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的無線接入點(diǎn)集線器接入中心交換機(jī)，進(jìn)而訪問中心服務(wù)器. 而中心各實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)、工作站可接入中間集線器或直接接入中心交換機(jī)訪問服務(wù)器. 在校內(nèi)教師和學(xué)生的移動(dòng)或固定設(shè)備可通過校園網(wǎng)訪問中心服務(wù)器，在校外則通過Internet進(jìn)入校園網(wǎng)來訪問實(shí)驗(yàn)中心服務(wù)器.

手機(jī)APP系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，前端主要軟件為學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的手機(jī)APP客戶端，還有用于教師評(píng)估學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況和批閱報(bào)告的計(jì)算機(jī)PC客戶端應(yīng)用及在手機(jī)和PC上的基于瀏覽器的應(yīng)用. 后端有數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器、業(yè)務(wù)規(guī)則服務(wù)器及其他應(yīng)用服務(wù)器，為前端客戶程序提供結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存取，網(wǎng)頁(yè)產(chǎn)生及瀏覽，業(yè)務(wù)規(guī)則檢查及其他應(yīng)用服務(wù).

圖1 手機(jī)APP系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 手機(jī)APP系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

手機(jī)APP系統(tǒng)的主要功能如圖3所示. 系統(tǒng)用戶角色有學(xué)生和教師2種類型，學(xué)生主要利用手機(jī)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 應(yīng)用系統(tǒng)將綜合實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)儀器的各種規(guī)則現(xiàn)場(chǎng)判斷學(xué)生數(shù)據(jù)，如有錯(cuò)誤將實(shí)時(shí)提醒學(xué)生并提供和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤相關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)意見，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)過程中的錯(cuò)誤情況將保存在后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)可以在手機(jī)或PC客戶端得到實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)表. 其他功能還可以包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、預(yù)習(xí)檢查測(cè)評(píng)及儀器操作指導(dǎo)等.

教師利用手機(jī)APP系統(tǒng)可以了解實(shí)驗(yàn)的總體情況，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)的學(xué)生. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的大部分核查工作將由手機(jī)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中自動(dòng)完成，解決了實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)教師短時(shí)間內(nèi)同時(shí)檢查很多學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)甚至出現(xiàn)學(xué)生排隊(duì)的現(xiàn)象. 實(shí)驗(yàn)后，教師可以通過手機(jī)或PC客戶端訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)自動(dòng)處理好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用于評(píng)判學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)，批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告.

圖3 手機(jī)APP系統(tǒng)功能圖

2 手機(jī)APP系統(tǒng)案例：簡(jiǎn)諧振動(dòng)的研究

簡(jiǎn)諧振動(dòng)的研究實(shí)驗(yàn)[10]在氣墊導(dǎo)軌上研究諧振子模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和動(dòng)力學(xué)規(guī)律，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示. 運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為規(guī)定振子系統(tǒng)初振幅x0一定的情況下，在1/4周期內(nèi)利用固定在滑塊上擋光片和2個(gè)光電門測(cè)量從平衡位置運(yùn)動(dòng)到不同位移x的時(shí)間t，從而驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)方程：x=x0sin (ωt) ，需要測(cè)量的數(shù)據(jù)見表1. 實(shí)驗(yàn)后處理數(shù)據(jù)過程為先對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)到位移xi時(shí)間的多次測(cè)量tij求平均得到ti，然后計(jì)算sin (ωti)，在1/4周期內(nèi)作x-sin (ωt)圖，用直線圖解法或線性回歸法求斜率，如線性相關(guān)系數(shù)接近1，斜率和設(shè)置的振幅x0相符合，則驗(yàn)證了位移方程.

圖4 固定在氣墊導(dǎo)軌兩端的彈簧和滑塊

x0= cm，m= g；k1= N/m，k2= N/m

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)前學(xué)生按照類似表1的格式在報(bào)告紙?jiān)O(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)記錄表格，實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)并填入表中，實(shí)驗(yàn)完成后教師檢查數(shù)據(jù). 該實(shí)驗(yàn)不少學(xué)生常犯2個(gè)錯(cuò)誤：一是光電門1沒有調(diào)整到正確位置讓滑塊通過平衡位置時(shí)開始計(jì)時(shí)，出現(xiàn)計(jì)時(shí)錯(cuò)誤；二是2個(gè)光電門由于碰撞等原因1個(gè)光電門工作不正常導(dǎo)致計(jì)時(shí)錯(cuò)誤. 不少學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正錯(cuò)誤，教師則由于需要指導(dǎo)分布在不同實(shí)驗(yàn)室做多個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)十個(gè)學(xué)生，如學(xué)生不主動(dòng)提問，往往也沒機(jī)會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并給與指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束教師檢查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，很多數(shù)據(jù)需要重新測(cè)量，甚至需要重做實(shí)驗(yàn)，浪費(fèi)了學(xué)生和教師的大量時(shí)間，經(jīng)常導(dǎo)致拖堂，影響教學(xué)進(jìn)度.

手機(jī)APP系統(tǒng)可以解決上述問題，實(shí)驗(yàn)時(shí)每個(gè)學(xué)生用學(xué)號(hào)和密碼登陸手機(jī)APP系統(tǒng)，手機(jī)APP客戶端給出類似表1的數(shù)據(jù)表格，學(xué)生將測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接填入到手機(jī)APP中. 手機(jī)APP系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)將學(xué)生測(cè)量數(shù)據(jù)和理論或參考值比較，并進(jìn)行其他規(guī)則如有效數(shù)字等的檢查，如有錯(cuò)誤將立即反饋給學(xué)生，提供給學(xué)生改正建議信息，還可以根據(jù)學(xué)生出錯(cuò)情況進(jìn)一步提供微課形式的內(nèi)容指導(dǎo)，學(xué)生如果還無法解決問題則請(qǐng)教師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，這樣就能保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤并給予個(gè)性化的指導(dǎo)，提高了教學(xué)效率.

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)手機(jī)APP系統(tǒng)也能緩解實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)教師短時(shí)間內(nèi)同時(shí)檢查很多學(xué)生數(shù)據(jù)并逐個(gè)指導(dǎo)學(xué)生的難題. 由于手機(jī)APP能實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的大部分的錯(cuò)誤，教師在實(shí)驗(yàn)時(shí)也給予了個(gè)性化指導(dǎo)，大大減輕了教師最后檢查數(shù)據(jù)的壓力. 而且，和人工檢查數(shù)據(jù)相比，手機(jī)APP系統(tǒng)檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力更強(qiáng)、效率更高. 以表1的學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，不同學(xué)生的簡(jiǎn)諧振子系統(tǒng)的m,k1,k2,x0,x1,…,x7等都可以不同，導(dǎo)致每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)t各不相同，人工短時(shí)間內(nèi)判斷各個(gè)同學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤存在困難，手機(jī)APP系統(tǒng)則很容易判斷每個(gè)學(xué)生的個(gè)性化數(shù)據(jù). 如果對(duì)同一組學(xué)生的十幾套儀器個(gè)性化數(shù)據(jù)，還可以避免學(xué)生互相抄襲數(shù)據(jù)，更便于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn).

手機(jī)APP系統(tǒng)也能幫助教師了解及評(píng)判學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，提高教師批閱學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的效率. 實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、正確數(shù)據(jù)及其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)情況都將通過手機(jī)APP系統(tǒng)存入服務(wù)器的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù). 教師可以通過手機(jī)APP客戶端或計(jì)算機(jī)客戶端訪問這些數(shù)據(jù)，了解判斷學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作水平及總體實(shí)驗(yàn)情況，一定程度上解決了由于學(xué)生數(shù)量多，教師難以現(xiàn)場(chǎng)評(píng)判學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)的困難. 教師也可以查詢計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來判斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，減輕了批閱報(bào)告時(shí)教師審核學(xué)生數(shù)據(jù)處理部分的工作量. 在“簡(jiǎn)諧振動(dòng)的研究”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生測(cè)量的m,k1,k2,x0,t1,…,t7的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、改正情況、正確數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)進(jìn)展時(shí)間等都將存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)；計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算多次測(cè)量的平均值t，計(jì)算sin (ωt)，最小二乘法擬合直線x=x0sin(ωt)，給出斜率、截距、相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差等擬合結(jié)果. 教師通過客戶端查看存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以了解每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況；通過比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理結(jié)果和學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可以快速判斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)處理數(shù)據(jù)是否存在錯(cuò)誤，提高了批閱報(bào)告的效率和準(zhǔn)確性.

手機(jī)APP系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用WeX5作為開發(fā)工具，WeX5開發(fā)的手機(jī)應(yīng)用移植性好，也可以調(diào)用本地的硬件資源，用戶體驗(yàn)優(yōu)良. 圖5為手機(jī)APP系統(tǒng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的登錄界面. 圖6為“簡(jiǎn)諧振動(dòng)研究”實(shí)驗(yàn)時(shí)，手機(jī)APP系統(tǒng)學(xué)生客戶端的記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)界面.

圖5 手機(jī)APP系統(tǒng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)登錄界面

圖6 手機(jī)APP系統(tǒng)學(xué)生客戶端記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)界面

3 結(jié)束語(yǔ)

手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有效地緩解了大規(guī)模教學(xué)需求和教師數(shù)量少的矛盾. 一方面，手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)反饋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，即時(shí)提供相應(yīng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，保證學(xué)生按時(shí)高質(zhì)量完成實(shí)驗(yàn)任務(wù). 另一方面，手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)幫助教師掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作情況，并自動(dòng)產(chǎn)生學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，保證教師高效地批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，準(zhǔn)確評(píng)判學(xué)生成績(jī). 手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是當(dāng)前正在進(jìn)行的各種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)的很好補(bǔ)充，對(duì)提高傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效率有重要作用.

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[責(zé)任編輯：郭 偉]

Application of mobile APP in teaching and learning of university physics experiment

GUO Ping-sheng, CHAI Zhi-fang, CUI Lu,ZHANG Guo-fei, LU Zhe, CHEN Ting-fang

(School of Physics and Materials Science, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

A mobile APP was designed. This APP could help students check the recorded data during experimental operation, return the checking result, and provide additional instruction information. The APP also helped teachers evaluate the students’ operation performance and evaluate their experiment reports. The mobile APP improved the quality and efficiency of teaching and learning in university physics experiment course.

university physics experiment; mobile APP; phases of teaching and learning; efficiency of teaching and learning

2016-05-31；修改日期：2016-07-25

華東師范大學(xué)2016年度實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備研制項(xiàng)目；2014年度教學(xué)改革與研究項(xiàng)目

郭平生(1968-)，男，江西贛州人，華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院副研究員，博士，主要研究物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)技術(shù).

G642.423;TP311

A

1005-4642(2016)11-0028-04

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文