藍牙技術在初中物理教學中的巧妙應用

楊達莉 陸斌

【摘要】本文提出藍牙設備具有低成本、輕巧、無線傳輸和兼容性良好的特點，為創新物理教學方式打開新的思路。我們可以將藍牙設備與計算機結合，利用藍牙鼠標進行運動學實驗，利用藍牙攝像頭觀察高速或低速運動物體的運動狀態，利用藍牙耳機和話筒研究聲音，利用藍牙溫度計進行熱學實驗。

【關鍵詞】藍牙技術 物理教學 應用

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）05A-0064-03

現代信息技術的迅猛發展為教育教學改革提供了前所未有的推動力和技術條件。計算機具有采集數據、存儲實驗數據、進行繁重的計算與分析、實時演示以及長時間工作等優點，可以完成許多傳統實驗器材不能完成的工作。但是，目前多數的實驗儀器設備與計算機需要有線連接，使很多實驗不方便進行，加之設備與計算機之間不具備良好的兼容性，這些專業級的設備并不利于推廣使用。而藍牙設備具有低成本、輕巧、無線傳輸和兼容性良好等特點，克服了專業設備的這些缺點，如果教師能巧妙利用藍牙設備，便能克服某些傳統物理實驗裝置不能克服的困難。

一、藍牙技術的簡介

藍牙（Blue-Tooth）技術是愛立信公司于1994年創建的一種實現短距離無線通信的技術規范[1]，其系統一般由天線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍牙軟件單元四個功能單元組成，它能夠有效地簡化不同的電子通信設備之間的連接和通信，通過無線方式將各種設備連成一個微微網，從而使數據的傳輸更加快捷高效。

1998年5月，由愛立信發起，愛立信、諾基亞、國際商業機器（IBM）、東芝、英特爾五家公司組成了“藍牙”技術特別興趣小組（SIG），其共同目標是讓藍牙技術在全球范圍內得到廣泛應用。目前藍牙聯盟擁有超過27000個成員，其中亞太成員占相當大的比例，來自大中華區的成員有6462個[2]，使得“藍牙”成為實現音像和數據無線傳輸的一種低成本的短距離無線連接技術。

二、藍牙設備與傳統物理實驗設備相比的優點

藍牙技術，作為一種低成本、大容量的短距離無線通信規范，工作在全球開放的2.4GHz ISM（即工業、科學、醫學）頻段，現在已經賦予了越來越多的設備（如手機、耳機、電腦、鼠標、鍵盤、音響、數碼相機、打印機等）安全、簡便的連接，是物聯網中物物互聯的主要無線通信技術之一。與物理實驗室中一般的傳感設備相比，藍牙設備具有以下優點。

（1）成本低

目前藍牙芯片正以低于1美元的預期目標被大規模市場化運作。市場上常見的藍牙鼠標、藍牙耳機等設備價格已經非常低廉，與其他的無線設備價格相差無幾。這大大降低了實驗儀器成本，讓藍牙技術進入物理實驗教學成為一種可能。

（2）體積小、質量輕

藍牙無線收發器是一塊很小的芯片，可以方便地嵌入到任何固定或便攜式設備中。這使得藍牙設備在物理實驗儀器的安裝中非常方便，不影響設備的大小和外觀，所以具有很高的實用性和可操作性。

（3）無線連接

藍牙芯片可以與計算機建立無線連接，不需要連線的特點使其與計算機的通信非常方便。省去電纜連接纏繞，簡化設備間的連接，會使物理實驗變得更簡潔明了，能更清晰地展現實驗現象、原理和效果，也使某些原來無法進行的實驗可能開展。

（4）通用性強

藍牙技術是全球開放的，在全球范圍內具有很好的兼容性。所有藍牙設備都遵循同一個標準，可以在任何支持藍牙功能的計算機上用，不必考慮兼容性或配對等問題。很多廠商根據藍牙標準開發了大量的硬件與軟件，除了運用于計算機，像移動電話、數字相機、攝像機、打印機、傳真機、家電等許多電子設備都可以采用藍牙技術實現無線連通。而傳統物理實驗中的傳感器等設備只能使用特定廠商生產的軟件，這些硬件離開了特定的軟件就無法工作。

（5）可多設備同時連接

一臺電腦可以同時與多個藍牙設備連接。例如，一臺計算機可以支持127個USB設備，每個USB口可以接1個藍牙適配器，而一個藍牙適配器可同時與其他7臺藍牙設備建立連接。這意味著一臺電腦理論上可以和889臺藍牙設備連接，使得在物理實驗中多設備、多儀器的連接和數據交換非常便捷。

（6）傳輸距離遠

按藍牙4.0標準，藍牙設備傳輸距離可達100米，若增大功率可達1000米，在有效范圍內可越過障礙物進行連接，沒有特別的通訊視角和方向要求。與普通紅外線幾米到幾十米的傳輸距離、對傳輸方向性有所要求相比，藍牙傳輸要優越得多。

（7）功耗低

相對一般的無線設備而言，藍牙設備的功耗非常低。因此，藍牙設備的電池更加耐用，一顆紐扣電池可以用好幾年，實驗設備也可以做得更小巧。

三、藍牙設備在物理實驗中的妙用

藍牙設備有著傳統的物理實驗設備、普通的傳感設備和一般的無線設備無法比擬的優點，如果能充分發揮其優勢，它必定能為物理實驗打開新的思路。以下是筆者根據藍牙技術的特點，利用不同藍牙設備設計的幾個初中物理實驗。

（一）利用藍牙鼠標精確定位進行運動學實驗

一般的藍牙鼠標都是光電鼠標，所以藍牙鼠標既具有無線的優勢，又具有光電鼠標精確定位的優點。光電鼠標之所以能精確定位，是因為它內部有一個發光二極管，它發出的光照到光電鼠標底部表面，反射光經過一組光學透鏡傳輸到光感應器件內成像。當光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最后利用圖像分析芯片（DSP，即數字微處理器）對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，判斷鼠標的移動方向和移動距離，從而完成光標的定位。

如果我們將藍牙鼠標裝上小輪子（鼠標需盡量貼近地面），藍牙鼠標就成了一輛“藍牙小車”。除了改裝鼠標之外，我們還可以用現成的藍牙遙控車進行實驗，通過計算機或手機來控制小車的運動速度和方向。由于采用了無線傳輸方式，“藍牙小車”可以在任何地方，包括密閉空間運動，通過計算機和設計好的程序，我們可以非常清楚地對這輛小車進行定位，測量其運動的位移，計算某時刻的速度、加速度等，根據這些數據，還可以實時作出運動的圖像。

（二）利用藍牙攝像頭觀察高速或低速運動

我們可以用肉眼直接觀察以一般速度運動的物體，但無法觀察高速運動的物體。例如，我們想了解液體在超重和失重狀態時的形狀如何，但由于物體運動速度很快，我們根本不可能用肉眼觀察到實驗現象。有人提出將攝像機跟這些物體綁在一起，把物體運動狀態拍攝下來的辦法。但普通攝像機太重，做實驗不方便，且價格相對昂貴，其機械部分又非常精密，碰撞容易損壞攝像機。有了藍牙攝像頭，完成記錄高速運動過程的工作就變得非常簡單。藍牙攝像頭非常輕巧，而且沒有機械部分，可以經得起激烈的碰撞，包裝好后從五六樓掉下去都不會有損壞。我們可以設計一個裝有藍牙攝像頭的盒子，把被測物體固定在盒子里面，無論讓物體做自由落體運動、平拋運動、加速運動或減速運動，都可以實時地通過計算機進行觀察，還可以把錄像資料儲存在計算機里反復觀看。這樣，我們就可以在顯示器面前，向學生展示以前不可能演示的實驗，甚至讓學生自己去做這些實驗。

利用藍牙攝像頭還可以很方便地觀察和記錄極慢的過程，如蒸發、溶解、結晶等。而且由于藍牙攝像頭具有低功耗、輕巧及無線等優點，它可以在室外等地點進行長時間的觀察，我們也可以通過計算機控制它進行定時拍攝等，這些都是普通攝像設備無法比擬的。

另外，利用藍牙攝像頭還可以觀察其他一些肉眼不便觀察的現象，以利于學生對物理原理更深刻地理解，如從水中看岸上的物體，體驗光的折射等。

（三）利用藍牙耳機和話筒研究聲音

計算機可以記錄聲音，讓我們直觀地看到聲音的強度和頻率，也可以發出一定強度和頻率的聲音。目前有很多優秀的音樂編輯軟件，能很方便地錄音，并且可以用波形的形式顯示聲音文件，還可以根據用戶的需要通過聲卡發出指定頻率和強度的聲音。在此基礎上利用藍牙技術，我們就可以做一些以前不方便做的有關聲音的實驗。

例如，在“聲音需要介質傳播”的實驗中，我們常規做法是：把聲源置于密閉容器中，直接用耳朵來聽，比較有空氣、空氣稀薄和真空時聲音的大小。但是把聲源放到密閉容器中，由于容器的外殼對聲音已經起了很強的阻礙作用，聲音已經很小不便于觀測和比較。而且耳朵只能大概分辨聲音的強弱，不能對其實現量化。用藍牙話筒就可以輕輕松松地把容器里面最真實的聲音“傳遞”出來，同時還可以通過計算機記錄下來并進行分析。這時學生就可以很直觀地觀察到聲波的圖像，了解聲音強度和頻率的變化。

（四）利用藍牙溫度計進行熱學實驗

用計算機可以記錄溫度的連續變化，便于我們進行分析。而藍牙技術則可以讓我們更方便地探測溫度，如了解水沸騰和結冰過程的溫度變化特點等。

在生活中有個很有趣的現象：放進冰箱里的熱水比冷水結冰速度快。很多人都覺得很神奇，也有很多人持懷疑的態度。可惜用常規的器材做這個實驗很麻煩而且不直觀，只能得出實驗的結果，不能得到實驗過程的數據，不方便分析。通過藍牙溫度計（也可以利用一些現有的藍牙設備進行改裝）就能很輕松、很方便地實現溫度監測。我們把其中一個藍牙溫度計放入熱水中，另一個藍牙溫度計放入冷水中，再一起放入冰柜，然后在計算機面前就可以看到熱水和冷水詳細的溫度變化過程，當然還可以通過藍牙攝像頭把完整過程拍攝下來。

觀察上述實驗設計案例，我們發現巧妙利用藍牙技術可以更充分發揮計算機的優勢，解決物理傳統實驗中存在的困難，藍牙技術特別適用于具有一定危險性或不方便操作的、過程變化迅速或緩慢的實驗，還便于復雜數據的處理、分析和比較等。值得一提的是，由于多個藍牙設備可以同時與計算機連接，我們可以同時進行多組對比實驗，實現同步觀察和分析。

總之，將藍牙設備與計算機無線連接，借助計算機的數據采集、存儲、分析功能，可以輕松地完成許多我們以前無法完成的物理實驗，相信經過不斷研究探索，藍牙技術將推動物理教學向前發展。

【參考文獻】

[1]王奉良.藍牙技術淺析[J].中小企業管理，2010（4）

[2]衛何.藍牙技術發展及其在物聯網中的應用展望[J].應用能源技術，2016（4）

注：本文系2016年度廣西高等教育本科教學改革工程項目（項目編號：2016JGA424）研究成果。

（責編 劉小瑗）