郭平生，柴志方，崔 璐，張國飛，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)

?

手機APP系統(tǒng)在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

郭平生，柴志方，崔 璐，張國飛，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)計了大學(xué)物理實驗手機APP 系統(tǒng)，學(xué)生在實驗操作時在手機APP系統(tǒng)中記錄數(shù)據(jù)，手機APP將判斷實驗數(shù)據(jù)的錯誤并實時反饋實驗改正建議. 教師可以通過在手機APP系統(tǒng)中查閱保存的學(xué)生實驗情況來評判學(xué)生的實驗表現(xiàn)，結(jié)合手機APP系統(tǒng)保存的實驗數(shù)據(jù)及自動處理結(jié)果高效批閱學(xué)生實驗報告. 手機APP系統(tǒng)在大學(xué)物理實驗的預(yù)習(xí)、實驗、考核、實驗報告等教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用將提高實驗課程的教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量.

大學(xué)物理實驗；手機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)，也是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué). 大學(xué)物理實驗在理工科各專業(yè)甚至部分文科中開設(shè)，擔(dān)負著培養(yǎng)學(xué)生物理實驗基本知識、基本方法和基本技能以至科學(xué)實驗基本素質(zhì)、能力的任務(wù)[1]. 大學(xué)物理實驗課程人數(shù)多，上課學(xué)生專業(yè)背景不同，其物理理論基礎(chǔ)及動手能力參差不齊. 大學(xué)物理實驗課程中的每個學(xué)生需要完成多個實驗，每個實驗要經(jīng)過課前預(yù)習(xí)、現(xiàn)場實驗操作、實驗報告、考核等教學(xué)環(huán)節(jié). 一般大學(xué)從事大學(xué)物理實驗的教師很少，因此，1位教師在1個學(xué)期內(nèi)需要從事數(shù)個班級的教學(xué)工作，同一教師每堂課上需要同時指導(dǎo)幾十個學(xué)生的數(shù)個實驗操作，課后則需要批閱大量的實驗報告. 在實際教學(xué)中會碰到一些問題，比如如何提高預(yù)習(xí)效果，教師如何在幾十個學(xué)生同時實驗時及時發(fā)現(xiàn)及改正學(xué)生的操作錯誤，實驗結(jié)束時如何有效地同時檢查幾十個學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)，批閱大量報告時如何快速有效地判斷每個學(xué)生的數(shù)據(jù)處理是否正確.

不斷發(fā)展的信息技術(shù)在實驗教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，比如大學(xué)物理實驗的虛擬仿真實驗的應(yīng)用[2-3]，以國家儀器公司LabVIEW圖形化編程語言為代表開發(fā)的虛擬儀器的應(yīng)用[4-5]，基于Wifi的物理實驗實時評價系統(tǒng)[6]，智能手機在實驗室宣傳、管理等方面的應(yīng)用[7-9]等. 受學(xué)生在實驗過程中利用手機學(xué)習(xí)預(yù)習(xí)課件的啟發(fā)，考慮智能手機便攜性好且在大學(xué)生中已經(jīng)普及的優(yōu)勢，筆者提出采用手機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際教學(xué)問題，本文詳述實現(xiàn)手機APP系統(tǒng)的具體的硬件、軟件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)功能，并以“簡諧振動的研究”實驗為例描述其主要應(yīng)用.

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

以學(xué)生實驗時使用的智能手機移動設(shè)備為重點，手機APP系統(tǒng)的整個硬件的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示. 物理實驗教學(xué)中心包括手機、個人數(shù)字助理(PDA)、便攜式電腦(Laptop)等在內(nèi)的移動設(shè)備可通過分布在各個實驗室的無線接入點集線器接入中心交換機，進而訪問中心服務(wù)器. 而中心各實驗室的計算機、工作站可接入中間集線器或直接接入中心交換機訪問服務(wù)器. 在校內(nèi)教師和學(xué)生的移動或固定設(shè)備可通過校園網(wǎng)訪問中心服務(wù)器，在校外則通過Internet進入校園網(wǎng)來訪問實驗中心服務(wù)器.

手機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)生做實驗時使用的手機APP客戶端，還有用于教師評估學(xué)生實驗情況和批閱報告的計算機PC客戶端應(yīng)用及在手機和PC上的基于瀏覽器的應(yīng)用. 后端有數(shù)據(jù)庫、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APP系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 手機APP系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

手機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)生主要利用手機應(yīng)用在實驗時記錄實驗數(shù)據(jù). 應(yīng)用系統(tǒng)將綜合實驗原理、實驗條件、實驗儀器的各種規(guī)則現(xiàn)場判斷學(xué)生數(shù)據(jù)，如有錯誤將實時提醒學(xué)生并提供和數(shù)據(jù)錯誤相關(guān)的實驗指導(dǎo)意見，實驗數(shù)據(jù)及實驗過程中的錯誤情況將保存在后臺的數(shù)據(jù)庫中，學(xué)生做實驗報告時可以在手機或PC客戶端得到實驗原始數(shù)據(jù)表. 其他功能還可以包括實驗預(yù)習(xí)、預(yù)習(xí)檢查測評及儀器操作指導(dǎo)等.

教師利用手機APP系統(tǒng)可以了解實驗的總體情況，現(xiàn)場及時發(fā)現(xiàn)實驗出錯的學(xué)生. 實驗數(shù)據(jù)的大部分核查工作將由手機系統(tǒng)在實驗過程中自動完成，解決了實驗結(jié)束時教師短時間內(nèi)同時檢查很多學(xué)生實驗數(shù)據(jù)甚至出現(xiàn)學(xué)生排隊的現(xiàn)象. 實驗后，教師可以通過手機或PC客戶端訪問后臺數(shù)據(jù)庫獲得學(xué)生的實驗情況、實驗數(shù)據(jù)及系統(tǒng)自動處理好的實驗結(jié)果，用于評判學(xué)生實驗成績，批閱實驗報告.

圖3 手機APP系統(tǒng)功能圖

2 手機APP系統(tǒng)案例：簡諧振動的研究

簡諧振動的研究實驗[10]在氣墊導(dǎo)軌上研究諧振子模型的運動學(xué)規(guī)律和動力學(xué)規(guī)律，實驗系統(tǒng)如圖4所示. 運動學(xué)規(guī)律的實驗內(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個光電門測量從平衡位置運動到不同位移x的時間t，從而驗證運動方程：x=x0sin (ωt) ，需要測量的數(shù)據(jù)見表1. 實驗后處理數(shù)據(jù)過程為先對滑塊運動到位移xi時間的多次測量tij求平均得到ti，然后計算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)實驗中，實驗前學(xué)生按照類似表1的格式在報告紙設(shè)計好數(shù)據(jù)記錄表格，實驗時測量數(shù)據(jù)并填入表中，實驗完成后教師檢查數(shù)據(jù). 該實驗不少學(xué)生常犯2個錯誤：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開始計時，出現(xiàn)計時錯誤；二是2個光電門由于碰撞等原因1個光電門工作不正常導(dǎo)致計時錯誤. 不少學(xué)生在實驗中沒有及時發(fā)現(xiàn)并改正錯誤，教師則由于需要指導(dǎo)分布在不同實驗室做多個實驗的數(shù)十個學(xué)生，如學(xué)生不主動提問，往往也沒機會及時發(fā)現(xiàn)錯誤并給與指導(dǎo)，實驗結(jié)束教師檢查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)錯誤時，很多數(shù)據(jù)需要重新測量，甚至需要重做實驗，浪費了學(xué)生和教師的大量時間，經(jīng)常導(dǎo)致拖堂，影響教學(xué)進度.

手機APP系統(tǒng)可以解決上述問題，實驗時每個學(xué)生用學(xué)號和密碼登陸手機APP系統(tǒng)，手機APP客戶端給出類似表1的數(shù)據(jù)表格，學(xué)生將測量的實驗數(shù)據(jù)直接填入到手機APP中. 手機APP系統(tǒng)會實時將學(xué)生測量數(shù)據(jù)和理論或參考值比較，并進行其他規(guī)則如有效數(shù)字等的檢查，如有錯誤將立即反饋給學(xué)生，提供給學(xué)生改正建議信息，還可以根據(jù)學(xué)生出錯情況進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教師現(xiàn)場指導(dǎo)，這樣就能保證及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生實驗錯誤并給予個性化的指導(dǎo)，提高了教學(xué)效率.

大學(xué)物理實驗手機APP系統(tǒng)也能緩解實驗結(jié)束時教師短時間內(nèi)同時檢查很多學(xué)生數(shù)據(jù)并逐個指導(dǎo)學(xué)生的難題. 由于手機APP能實時發(fā)現(xiàn)學(xué)生實驗時的大部分的錯誤，教師在實驗時也給予了個性化指導(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APP系統(tǒng)檢查實驗數(shù)據(jù)的能力更強、效率更高. 以表1的學(xué)生實驗數(shù)據(jù)為例，不同學(xué)生的簡諧振子系統(tǒng)的m,k1,k2,x0,x1,…,x7等都可以不同，導(dǎo)致每個學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)t各不相同，人工短時間內(nèi)判斷各個同學(xué)實驗數(shù)據(jù)的錯誤存在困難，手機APP系統(tǒng)則很容易判斷每個學(xué)生的個性化數(shù)據(jù). 如果對同一組學(xué)生的十幾套儀器個性化數(shù)據(jù)，還可以避免學(xué)生互相抄襲數(shù)據(jù)，更便于準確評價學(xué)生的實驗表現(xiàn).

手機APP系統(tǒng)也能幫助教師了解及評判學(xué)生的實驗情況，提高教師批閱學(xué)生實驗報告的效率. 實驗時學(xué)生的錯誤數(shù)據(jù)、正確數(shù)據(jù)及其他相關(guān)實驗情況都將通過手機APP系統(tǒng)存入服務(wù)器的后臺數(shù)據(jù)庫. 教師可以通過手機APP客戶端或計算機客戶端訪問這些數(shù)據(jù)，了解判斷學(xué)生的實驗操作水平及總體實驗情況，一定程度上解決了由于學(xué)生數(shù)量多，教師難以現(xiàn)場評判學(xué)生實驗操作成績的困難. 教師也可以查詢計算機自動處理的實驗數(shù)據(jù)來判斷學(xué)生實驗報告處理實驗數(shù)據(jù)的正確性，減輕了批閱報告時教師審核學(xué)生數(shù)據(jù)處理部分的工作量. 在“簡諧振動的研究”實驗中，學(xué)生測量的m,k1,k2,x0,t1,…,t7的錯誤數(shù)據(jù)、改正情況、正確數(shù)據(jù)及實驗進展時間等都將存入后臺數(shù)據(jù)庫；計算機自動計算多次測量的平均值t，計算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)、標準偏差等擬合結(jié)果. 教師通過客戶端查看存入后臺數(shù)據(jù)庫的實驗數(shù)據(jù)可以了解每個學(xué)生的實驗情況；通過比較實驗數(shù)據(jù)的計算機自動處理結(jié)果和學(xué)生實驗報告中的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可以快速判斷學(xué)生實驗處理數(shù)據(jù)是否存在錯誤，提高了批閱報告的效率和準確性.

手機APP系統(tǒng)的實現(xiàn)采用WeX5作為開發(fā)工具，WeX5開發(fā)的手機應(yīng)用移植性好，也可以調(diào)用本地的硬件資源，用戶體驗優(yōu)良. 圖5為手機APP系統(tǒng)學(xué)生實驗時的登錄界面. 圖6為“簡諧振動研究”實驗時，手機APP系統(tǒng)學(xué)生客戶端的記錄實驗數(shù)據(jù)界面.

圖5 手機APP系統(tǒng)學(xué)生實驗登錄界面

圖6 手機APP系統(tǒng)學(xué)生客戶端記錄實驗數(shù)據(jù)界面

3 結(jié)束語

手機應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用于大學(xué)物理實驗教學(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，手機應(yīng)用系統(tǒng)在學(xué)生實驗操作現(xiàn)場實時反饋實驗數(shù)據(jù)錯誤，即時提供相應(yīng)實驗指導(dǎo)，保證學(xué)生按時高質(zhì)量完成實驗任務(wù). 另一方面，手機應(yīng)用系統(tǒng)幫助教師掌握學(xué)生實驗操作情況，并自動產(chǎn)生學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果，保證教師高效地批閱實驗報告，準確評判學(xué)生成績. 手機應(yīng)用系統(tǒng)是當(dāng)前正在進行的各種虛擬仿真實驗系統(tǒng)建設(shè)的很好補充，對提高傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)質(zhì)量和效率有重要作用.

[1] 馬葭生，宦強. 大學(xué)物理實驗[M]. 上海：華東師范大學(xué)出版社，1998：1-2.

[2] 王曉蒲，霍劍青，楊旭，等. 大學(xué)物理仿真實驗和教學(xué)實踐[J]. 物理實驗，2001，21(1)：28-29.

[3] 張增明，王中平，張憲鋒，等. 國家級物理虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理，2015，32(12)：146-149.

[4] 王鑫，楊胡江. 虛實結(jié)合的物理實驗教學(xué)研究與實踐[J]. 物理實驗，2015，35(10)：15-18，22.

[5] 賀珍妮，蔡志斌. 基于分光計的Labview光譜儀設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 物理實驗，2016，36(4)：16-19.

[6] 陳水橋，樂靜飛，殷利明，等. 基于WIFI 的物理實驗教學(xué)實時評價體系創(chuàng)新建設(shè)[C]// 第8屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會論文集(上冊). 哈爾濱，2014.

[7] 喬憲武，江影. 二維碼在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 物理實驗，2015，35(5)：16-18.

[8] 孫寶光，張啟義，譚仁兵. 基于微信平臺的大學(xué)物理實驗考核系統(tǒng)構(gòu)建與使用[J]. 物理實驗，2016，36(5)：22-24.

[9] 殷菱，劉曉燕，程基焱. 基于智能手機的APP在醫(yī)學(xué)開放性科研實驗室中的應(yīng)用[J]. 醫(yī)學(xué)信息，2015，28(5)：3.

[10] 馬葭生，宦強. 大學(xué)物理實驗[M]. 上海：華東師范大學(xué)出版社，1998：165-168.

[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年度實驗教學(xué)設(shè)備研制項目；2014年度教學(xué)改革與研究項目

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，主要研究物理實驗教學(xué)與實驗技術(shù).

G642.423;TP311

A

1005-4642(2016)11-0028-04

“第9屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文