大學物理實驗課程手機App的設計研究

張宏遠，徐清森，陳 聰，馮正南，王紅巖

(北華大學 理學院，吉林 吉林 132013)

隨著科學技術的發展和智能設備的普及應用。為提升大學物理實驗課程的教學質量，提供學生的學習興趣，使傳統實驗教學與飛速發展的科技水平較好地融合與接軌。本文在基于LABVIEW的惠斯通電橋實驗仿真設計的基礎上，對大學物理實驗課程手機App的設計進行了探索和研究，力爭使設計更加貼近本專業實驗特點，在實驗預習、實驗操作、數據處理等方面能夠作為實驗網絡仿真課程的有效補充。虛擬儀器技術引入實驗教學，既可緩解教學儀器短缺，使教學更生動形象，又可培養學生的創新能力，動手能力，提高綜合素質[1]，而將虛擬仿真結合手機應用的開發和使用，則是對仿真應用的有力拓展。

1 項目設計目標

大學物理實驗是大學物理本科專業課程的重點內容，既能夠幫助學生更好的理解和學習相關的理論課程，更是一門獨立的涉及物理思想、物理理論、實驗設計、實驗技術、基礎科研能力的專業課程。學生在學習過程中，常常由于預習不充分、對實驗目的和原理等內容理解不透徹等原因，從而導致實驗課程學習被動，實驗效果大打折扣。因此，項目的設計目標重點放在幫助學生更好地完成實驗預習，熟悉實驗操作，了解數據處理這三個主要方面，這樣通過預習的學生，進入實驗課堂能更快地進入實驗角色，能夠更好更快地理解實驗內容，從而高質量地完成實驗。項目設計目標框圖，如圖1所示。

圖1 項目設計目標

1.1 實驗目的及實驗原理部分

該內容除了教材部分內容外，還增加了涉及實驗背景、物理學史、線路連接、實驗器材等相關內容的方案圖片、操作、視頻、flash動畫等內容。幫助學生更好的理解并完成本部分實驗內容的預習，激發學習興趣，把消極被動地學習轉變成積極主動地學習。惠斯通電橋法測電阻仿真實驗中涉及的實驗原理，背景，線路等設計截圖如圖2所示。

圖2 仿真實驗的原理，背景，線路等設計示意圖

1.2 實驗操作方法及步驟仿真部分

該部分內容是以基于labview的惠斯通電橋實驗仿真為基礎進行設計。其特點是所有設計都是學生自主研究，對于提高學生自主學習能力，發揮學科融合有一定意義，其優點是更加貼近本校本專業實驗特點，在實驗器材，實驗操作要求上都完全與實驗相同，其缺點是由于項目完成時間要求，學生對開發工具的利用還不夠專業，有些功能沒有得到應用。設計項目在界面功能等方面不夠完善，還有很多改進之處。仿真實驗操作部分界面圖和部分程序框圖如圖3、4所示。

圖3 仿真實驗操作部分界面示意圖

圖4 仿真實驗操作部分程序示意圖

1.3 實驗數據及處理部分

該部分內容是大多數仿真實驗設計中往往容易被忽略的部分，而數據處理是物理實驗的重要組成部分，是培養大學生科學研究素養的重要環節，也是學生掌握的難點，因此在每個實驗完成操作預習之后，對于不同實驗的數據處理要求應該給予學生一定的提示和指導。如圖5所示。

圖5 仿真實驗數據處理部分示意圖

項目平臺的結構框架 如圖6所示：

圖6 項目平臺的結構框架

項目交互流程 如圖7所示：

圖7 項目交互流程

說明：該交互流程能夠達到用戶管理功能。學生通過注冊后登錄系統。學生用戶在手機App中均以學號實名登錄，便于提交實驗報告后的統計工作。教師可后臺登錄系統，進行實驗報告的評閱和課后提問的在線問答。

3 項目設計

3.1 設計開發環境與技術：Android Studio

Android Studio是谷歌推出的一個集成開發工具，提供了集成的Android開發工具用于開發和調試。比如Android SDK是Android軟件開發工具包，提供Android應用開發所需要的各種工具和Android手機模擬器，下載和安裝JDK和JRE，在http://www.oracle.com官網下載，根據系統配置和位數下載安裝，為了編譯后的程序運行，需要在電腦屬性中配置環境變量[2]。

3.2 設計要求

項目設計主要針對客戶端功能的設計與實現。客戶端采用MVC框架來實現。主要包括模型層(它在Android中主要負責業務邏輯處理，數據庫等操作)、視圖層(主要是界面的布局描述)、控制層(主要是通過Activity來實現)。

首先，登錄和注冊界面主要進行學生用戶的信息校驗和注冊功能。其次，登錄成功則進入主界面如圖8和9所示。可以進行實驗原理、實驗內容、實驗背景等相關內容的學習，之后即可進行仿真實驗，并記錄實驗數據，按照系統提示，進行模擬數據處理，以上過程都是為下一步進入實驗室進行真實實驗操作打下良好的基礎。由于仿真實驗也是根據真實實驗步驟來進行模擬的，學生科盡快進入“狀態”，從而更好更快地完成實驗任務。最后，實驗完成之后學生可在系統中線上與教師進行互動、問答，并在規定時間內提交實驗報告，教師在線完成實驗報告批閱并上傳報告成績。實驗報告的批改，上傳，派發功能，可以有效提高教師批改實驗報告的正確率和效率[3]。

圖8 原理部分手機模擬效果圖

圖9 操作部分手機模擬效果圖

4 結 語

項目是大學生創新訓練項目，此項目對基于Android平臺開發小程序的基本方法和流程進行了研究和思考，既對理科學生的創新思維和技能有很好的鍛煉，又對跨學科融合和打破學科界限是一個很好的嘗試。同時，對傳統實驗課教學活動也起到了一定的促進作用。