楊達(dá)莉 陸斌

【摘要】本文提出藍(lán)牙設(shè)備具有低成本、輕巧、無(wú)線傳輸和兼容性良好的特點(diǎn)，為創(chuàng)新物理教學(xué)方式打開(kāi)新的思路。我們可以將藍(lán)牙設(shè)備與計(jì)算機(jī)結(jié)合，利用藍(lán)牙鼠標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用藍(lán)牙攝像頭觀察高速或低速運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用藍(lán)牙耳機(jī)和話筒研究聲音，利用藍(lán)牙溫度計(jì)進(jìn)行熱學(xué)實(shí)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】藍(lán)牙技術(shù) 物理教學(xué) 應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）05A-0064-03

現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展為教育教學(xué)改革提供了前所未有的推動(dòng)力和技術(shù)條件。計(jì)算機(jī)具有采集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、進(jìn)行繁重的計(jì)算與分析、實(shí)時(shí)演示以及長(zhǎng)時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn)，可以完成許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材不能完成的工作。但是，目前多數(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備與計(jì)算機(jī)需要有線連接，使很多實(shí)驗(yàn)不方便進(jìn)行，加之設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間不具備良好的兼容性，這些專業(yè)級(jí)的設(shè)備并不利于推廣使用。而藍(lán)牙設(shè)備具有低成本、輕巧、無(wú)線傳輸和兼容性良好等特點(diǎn)，克服了專業(yè)設(shè)備的這些缺點(diǎn)，如果教師能巧妙利用藍(lán)牙設(shè)備，便能克服某些傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)裝置不能克服的困難。

一、藍(lán)牙技術(shù)的簡(jiǎn)介

藍(lán)牙（Blue-Tooth）技術(shù)是愛(ài)立信公司于1994年創(chuàng)建的一種實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線通信的技術(shù)規(guī)范[1]，其系統(tǒng)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(lán)牙軟件單元四個(gè)功能單元組成，它能夠有效地簡(jiǎn)化不同的電子通信設(shè)備之間的連接和通信，通過(guò)無(wú)線方式將各種設(shè)備連成一個(gè)微微網(wǎng)，從而使數(shù)據(jù)的傳輸更加快捷高效。

1998年5月，由愛(ài)立信發(fā)起，愛(ài)立信、諾基亞、國(guó)際商業(yè)機(jī)器（IBM）、東芝、英特爾五家公司組成了“藍(lán)牙”技術(shù)特別興趣小組（SIG），其共同目標(biāo)是讓藍(lán)牙技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。目前藍(lán)牙聯(lián)盟擁有超過(guò)27000個(gè)成員，其中亞太成員占相當(dāng)大的比例，來(lái)自大中華區(qū)的成員有6462個(gè)[2]，使得“藍(lán)牙”成為實(shí)現(xiàn)音像和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)囊环N低成本的短距離無(wú)線連接技術(shù)。

二、藍(lán)牙設(shè)備與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比的優(yōu)點(diǎn)

藍(lán)牙技術(shù)，作為一種低成本、大容量的短距離無(wú)線通信規(guī)范，工作在全球開(kāi)放的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，現(xiàn)在已經(jīng)賦予了越來(lái)越多的設(shè)備（如手機(jī)、耳機(jī)、電腦、鼠標(biāo)、鍵盤、音響、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)等）安全、簡(jiǎn)便的連接，是物聯(lián)網(wǎng)中物物互聯(lián)的主要無(wú)線通信技術(shù)之一。與物理實(shí)驗(yàn)室中一般的傳感設(shè)備相比，藍(lán)牙設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）成本低

目前藍(lán)牙芯片正以低于1美元的預(yù)期目標(biāo)被大規(guī)模市場(chǎng)化運(yùn)作。市場(chǎng)上常見(jiàn)的藍(lán)牙鼠標(biāo)、藍(lán)牙耳機(jī)等設(shè)備價(jià)格已經(jīng)非常低廉，與其他的無(wú)線設(shè)備價(jià)格相差無(wú)幾。這大大降低了實(shí)驗(yàn)儀器成本，讓藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為一種可能。

（2）體積小、質(zhì)量輕

藍(lán)牙無(wú)線收發(fā)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(shè)備中。這使得藍(lán)牙設(shè)備在物理實(shí)驗(yàn)儀器的安裝中非常方便，不影響設(shè)備的大小和外觀，所以具有很高的實(shí)用性和可操作性。

（3）無(wú)線連接

藍(lán)牙芯片可以與計(jì)算機(jī)建立無(wú)線連接，不需要連線的特點(diǎn)使其與計(jì)算機(jī)的通信非常方便。省去電纜連接纏繞，簡(jiǎn)化設(shè)備間的連接，會(huì)使物理實(shí)驗(yàn)變得更簡(jiǎn)潔明了，能更清晰地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、原理和效果，也使某些原來(lái)無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可能開(kāi)展。

（4）通用性強(qiáng)

藍(lán)牙技術(shù)是全球開(kāi)放的，在全球范圍內(nèi)具有很好的兼容性。所有藍(lán)牙設(shè)備都遵循同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可以在任何支持藍(lán)牙功能的計(jì)算機(jī)上用，不必考慮兼容性或配對(duì)等問(wèn)題。很多廠商根據(jù)藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)了大量的硬件與軟件，除了運(yùn)用于計(jì)算機(jī)，像移動(dòng)電話、數(shù)字相機(jī)、攝像機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、家電等許多電子設(shè)備都可以采用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線連通。而傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中的傳感器等設(shè)備只能使用特定廠商生產(chǎn)的軟件，這些硬件離開(kāi)了特定的軟件就無(wú)法工作。

（5）可多設(shè)備同時(shí)連接

一臺(tái)電腦可以同時(shí)與多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備連接。例如，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以支持127個(gè)USB設(shè)備，每個(gè)USB口可以接1個(gè)藍(lán)牙適配器，而一個(gè)藍(lán)牙適配器可同時(shí)與其他7臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備建立連接。這意味著一臺(tái)電腦理論上可以和889臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備連接，使得在物理實(shí)驗(yàn)中多設(shè)備、多儀器的連接和數(shù)據(jù)交換非常便捷。

（6）傳輸距離遠(yuǎn)

按藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙設(shè)備傳輸距離可達(dá)100米，若增大功率可達(dá)1000米，在有效范圍內(nèi)可越過(guò)障礙物進(jìn)行連接，沒(méi)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(duì)傳輸方向性有所要求相比，藍(lán)牙傳輸要優(yōu)越得多。

（7）功耗低

相對(duì)一般的無(wú)線設(shè)備而言，藍(lán)牙設(shè)備的功耗非常低。因此，藍(lán)牙設(shè)備的電池更加耐用，一顆紐扣電池可以用好幾年，實(shí)驗(yàn)設(shè)備也可以做得更小巧。

三、藍(lán)牙設(shè)備在物理實(shí)驗(yàn)中的妙用

藍(lán)牙設(shè)備有著傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備、普通的傳感設(shè)備和一般的無(wú)線設(shè)備無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如果能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，它必定能為物理實(shí)驗(yàn)打開(kāi)新的思路。以下是筆者根據(jù)藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)，利用不同藍(lán)牙設(shè)備設(shè)計(jì)的幾個(gè)初中物理實(shí)驗(yàn)。

（一）利用藍(lán)牙鼠標(biāo)精確定位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)

一般的藍(lán)牙鼠標(biāo)都是光電鼠標(biāo)，所以藍(lán)牙鼠標(biāo)既具有無(wú)線的優(yōu)勢(shì)，又具有光電鼠標(biāo)精確定位的優(yōu)點(diǎn)。光電鼠標(biāo)之所以能精確定位，是因?yàn)樗鼉?nèi)部有一個(gè)發(fā)光二極管，它發(fā)出的光照到光電鼠標(biāo)底部表面，反射光經(jīng)過(guò)一組光學(xué)透鏡傳輸?shù)焦飧袘?yīng)器件內(nèi)成像。當(dāng)光電鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡便會(huì)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(shù)字微處理器）對(duì)移動(dòng)軌跡上攝取的一系列圖像進(jìn)行分析處理，判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而完成光標(biāo)的定位。

如果我們將藍(lán)牙鼠標(biāo)裝上小輪子（鼠標(biāo)需盡量貼近地面），藍(lán)牙鼠標(biāo)就成了一輛“藍(lán)牙小車”。除了改裝鼠標(biāo)之外，我們還可以用現(xiàn)成的藍(lán)牙遙控車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)或手機(jī)來(lái)控制小車的運(yùn)動(dòng)速度和方向。由于采用了無(wú)線傳輸方式，“藍(lán)牙小車”可以在任何地方，包括密閉空間運(yùn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)和設(shè)計(jì)好的程序，我們可以非常清楚地對(duì)這輛小車進(jìn)行定位，測(cè)量其運(yùn)動(dòng)的位移，計(jì)算某時(shí)刻的速度、加速度等，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，還可以實(shí)時(shí)作出運(yùn)動(dòng)的圖像。

（二）利用藍(lán)牙攝像頭觀察高速或低速運(yùn)動(dòng)

我們可以用肉眼直接觀察以一般速度運(yùn)動(dòng)的物體，但無(wú)法觀察高速運(yùn)動(dòng)的物體。例如，我們想了解液體在超重和失重狀態(tài)時(shí)的形狀如何，但由于物體運(yùn)動(dòng)速度很快，我們根本不可能用肉眼觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。有人提出將攝像機(jī)跟這些物體綁在一起，把物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)拍攝下來(lái)的辦法。但普通攝像機(jī)太重，做實(shí)驗(yàn)不方便，且價(jià)格相對(duì)昂貴，其機(jī)械部分又非常精密，碰撞容易損壞攝像機(jī)。有了藍(lán)牙攝像頭，完成記錄高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程的工作就變得非常簡(jiǎn)單。藍(lán)牙攝像頭非常輕巧，而且沒(méi)有機(jī)械部分，可以經(jīng)得起激烈的碰撞，包裝好后從五六樓掉下去都不會(huì)有損壞。我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)裝有藍(lán)牙攝像頭的盒子，把被測(cè)物體固定在盒子里面，無(wú)論讓物體做自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、加速運(yùn)動(dòng)或減速運(yùn)動(dòng)，都可以實(shí)時(shí)地通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行觀察，還可以把錄像資料儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里反復(fù)觀看。這樣，我們就可以在顯示器面前，向?qū)W生展示以前不可能演示的實(shí)驗(yàn)，甚至讓學(xué)生自己去做這些實(shí)驗(yàn)。

利用藍(lán)牙攝像頭還可以很方便地觀察和記錄極慢的過(guò)程，如蒸發(fā)、溶解、結(jié)晶等。而且由于藍(lán)牙攝像頭具有低功耗、輕巧及無(wú)線等優(yōu)點(diǎn)，它可以在室外等地點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀察，我們也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制它進(jìn)行定時(shí)拍攝等，這些都是普通攝像設(shè)備無(wú)法比擬的。

另外，利用藍(lán)牙攝像頭還可以觀察其他一些肉眼不便觀察的現(xiàn)象，以利于學(xué)生對(duì)物理原理更深刻地理解，如從水中看岸上的物體，體驗(yàn)光的折射等。

（三）利用藍(lán)牙耳機(jī)和話筒研究聲音

計(jì)算機(jī)可以記錄聲音，讓我們直觀地看到聲音的強(qiáng)度和頻率，也可以發(fā)出一定強(qiáng)度和頻率的聲音。目前有很多優(yōu)秀的音樂(lè)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(jù)用戶的需要通過(guò)聲卡發(fā)出指定頻率和強(qiáng)度的聲音。在此基礎(chǔ)上利用藍(lán)牙技術(shù)，我們就可以做一些以前不方便做的有關(guān)聲音的實(shí)驗(yàn)。

例如，在“聲音需要介質(zhì)傳播”的實(shí)驗(yàn)中，我們常規(guī)做法是：把聲源置于密閉容器中，直接用耳朵來(lái)聽(tīng)，比較有空氣、空氣稀薄和真空時(shí)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(duì)聲音已經(jīng)起了很強(qiáng)的阻礙作用，聲音已經(jīng)很小不便于觀測(cè)和比較。而且耳朵只能大概分辨聲音的強(qiáng)弱，不能對(duì)其實(shí)現(xiàn)量化。用藍(lán)牙話筒就可以輕輕松松地把容器里面最真實(shí)的聲音“傳遞”出來(lái)，同時(shí)還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄下來(lái)并進(jìn)行分析。這時(shí)學(xué)生就可以很直觀地觀察到聲波的圖像，了解聲音強(qiáng)度和頻率的變化。

（四）利用藍(lán)牙溫度計(jì)進(jìn)行熱學(xué)實(shí)驗(yàn)

用計(jì)算機(jī)可以記錄溫度的連續(xù)變化，便于我們進(jìn)行分析。而藍(lán)牙技術(shù)則可以讓我們更方便地探測(cè)溫度，如了解水沸騰和結(jié)冰過(guò)程的溫度變化特點(diǎn)等。

在生活中有個(gè)很有趣的現(xiàn)象：放進(jìn)冰箱里的熱水比冷水結(jié)冰速度快。很多人都覺(jué)得很神奇，也有很多人持懷疑的態(tài)度?？上в贸Ｒ?guī)的器材做這個(gè)實(shí)驗(yàn)很麻煩而且不直觀，只能得出實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，不能得到實(shí)驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)，不方便分析。通過(guò)藍(lán)牙溫度計(jì)（也可以利用一些現(xiàn)有的藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行改裝）就能很輕松、很方便地實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。我們把其中一個(gè)藍(lán)牙溫度計(jì)放入熱水中，另一個(gè)藍(lán)牙溫度計(jì)放入冷水中，再一起放入冰柜，然后在計(jì)算機(jī)面前就可以看到熱水和冷水詳細(xì)的溫度變化過(guò)程，當(dāng)然還可以通過(guò)藍(lán)牙攝像頭把完整過(guò)程拍攝下來(lái)。

觀察上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例，我們發(fā)現(xiàn)巧妙利用藍(lán)牙技術(shù)可以更充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，解決物理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的困難，藍(lán)牙技術(shù)特別適用于具有一定危險(xiǎn)性或不方便操作的、過(guò)程變化迅速或緩慢的實(shí)驗(yàn)，還便于復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理、分析和比較等。值得一提的是，由于多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可以同時(shí)與計(jì)算機(jī)連接，我們可以同時(shí)進(jìn)行多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)同步觀察和分析。

總之，將藍(lán)牙設(shè)備與計(jì)算機(jī)無(wú)線連接，借助計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析功能，可以輕松地完成許多我們以前無(wú)法完成的物理實(shí)驗(yàn)，相信經(jīng)過(guò)不斷研究探索，藍(lán)牙技術(shù)將推動(dòng)物理教學(xué)向前發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王奉良.藍(lán)牙技術(shù)淺析[J].中小企業(yè)管理，2010（4）

[2]衛(wèi)何.藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用展望[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2016（4）

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

（責(zé)編 劉小瑗）