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        基于智能手機實現(xiàn)大學(xué)文科物理課堂互動模式

        2019-05-29 04:05:06劉婷婷武振國
        山西青年 2019年10期
        關(guān)鍵詞:智能手機波形頻率

        劉婷婷 劉 甲 武振國 白 帆

        (山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,山西 太谷 030800)

        自1956年達特茅斯會議上人工智能概念的提出,人工智能經(jīng)歷其漫長的冬眠期已逐漸蘇醒,自2007年,第一代蘋果智能手機的推出,接著聯(lián)想、華為、小米等國內(nèi)手機制造公司也不斷地推出其智能手機,從諾基亞、摩托羅拉手機只能用來收發(fā)短信,接打電話,到現(xiàn)在手機幾乎取代了電腦的功能,從傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時代已完全踏入到移動互聯(lián)網(wǎng)時代,智能手機在人們的生活中也占據(jù)越來越重要的位置,尤其是當代在校大學(xué)生,手機已成為隨身必備的工具,除了滿足基本的通訊功能,還要進行如文字編輯、文件傳輸、上課簽到簽退等活動。隨著手機為學(xué)生的生活提供越來越多的便利的同時,充分利用手機內(nèi)置的各種傳感器,進行一定的編程開發(fā)實現(xiàn)手機教學(xué)APP程序,對于大學(xué)課堂的有效開展也具有非常大的促進和突破效用。

        同時,近年來越來越多的高校十分重視大學(xué)生綜合素質(zhì)能力的培養(yǎng)如山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院堅持三位一體的培養(yǎng)模式即專業(yè)教育、通識教育、完滿教育三管齊下,因此學(xué)校已開設(shè)多門通識類課程,包括面向文科學(xué)生開設(shè)的一些自然科學(xué)類課程。但由于大部分文科類學(xué)生對如物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)等自然科學(xué)類課程不感興趣,感覺太難,如果所開設(shè)的課程仍過分注重培養(yǎng)學(xué)生分層次、模塊化學(xué)習(xí),過度要求理論論證、實驗數(shù)據(jù)的處理與計算,就必然會導(dǎo)致學(xué)生求知欲降低,教學(xué)目的難以實現(xiàn)。

        近些年我們一直對文科物理類課程教學(xué)進行了思考與改革,以物理與人類生活這門課程為例,我們從教學(xué)軟硬件兩方面都做了一些改革,在原有傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,開設(shè)了新的教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)模式和手段以適應(yīng)本校文科學(xué)生的物理教學(xué)。其中“基于智能手機實現(xiàn)大學(xué)文科物理課堂互動模式”,利用智能手機APP聲音頻率發(fā)聲器和示波器軟件,使學(xué)生最大程度地感知樂音的獨特美感。

        聲學(xué)是物理學(xué)系統(tǒng)中非常重要的組成部分,也和我們?nèi)祟惖纳钕⑾⑾嚓P(guān),如何讓學(xué)生感知聲音的特性進而探索樂音和諧悅耳的奧秘,傳統(tǒng)的課堂中只注重理論的理解和計算。利用智能手機APP軟件,通過手機實現(xiàn)聲音的產(chǎn)生及接收,實現(xiàn)了隨時隨地可以演示聲音現(xiàn)象以及進行相關(guān)測量的工具。

        本次課程所需硬件由發(fā)聲部分、接收部分、分析處理部分組成。發(fā)聲部分可以是如笛簫、小提琴、二胡等真實樂器,也可以是自制發(fā)聲腔管,如用不同水位的玻璃瓶發(fā)出聲響,也可以用手機軟件聲音頻率信號發(fā)聲器(Frequency Generator)放出,信號直接輸出。在接收部分,發(fā)出的聲音由麥克風(fēng)接收將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號,可使用帶聲卡的計算機。分析處理部分的功能可由手機APP軟件示波器(Oscilloscope)或計算機來實現(xiàn),可對頻譜進行進一步的分析,從而深度研究其音色、音量等特征,見圖1。

        圖1 課程所需硬件部分

        進而我們還嘗試用兩部手機同時發(fā)出特定頻率的聲音信號,使用第三臺手機實現(xiàn)聲音的采集與處理,研究拍現(xiàn)象,見圖2。

        圖2 實驗演示拍現(xiàn)象裝置示意圖

        當兩個頻率相近的聲音信號在空間相遇,這兩個信號就會進行疊加,如圖3所示。

        圖3 拍頻示意圖

        設(shè)兩個振幅相同的聲波信號,其波動方程分別為

        y1=Acos(f1t)

        y2=Acos(f2t)

        其合成后

        y=2Acos[(f1-f2)πt]sincos[(f1+f2)πt]

        其中拍頻fbeat=|f1-f2|

        從圖像上來看,上面兩個波形分別為兩列頻率較相近的波,最下面的波形為上面兩列波疊加后形成的,疊加

        后的波形頻率與上面兩列波的頻率有了一定的偏差,更為明顯的是振幅發(fā)生了變化。振幅在聲學(xué)上體現(xiàn)為聲音的響度,因此在聽覺上就會出現(xiàn)音量周期性的變化,即一強一弱為一次拍,這就是拍頻。

        通過本次實驗我們順利觀察到了兩列聲波的合成波形圖,使得同學(xué)們深刻理解了樂器調(diào)音的原理。通過學(xué)生的課前預(yù)習(xí),課上老師對理論的講解和推導(dǎo),學(xué)生的親手演示和測量,這種以學(xué)生為主體,積極調(diào)動學(xué)生的積極性,使得課堂氣氛不再沉悶。

        教學(xué)實踐證明,此次教改是成功的,學(xué)生的熱情高漲,并能積極參與到本次課堂活動中。有的學(xué)生在反饋中寫到:“都說耳聽為虛,眼見為實,我終于見證了聲音的美妙,通過觀察示波器上跳動的波形,我十分興奮,原來音樂的波形是如此和諧而美麗。同時我還嘗試了自己造琴,并對其進行了測量,好有成就感??!我知道這是藝術(shù)

        之美,更準確的應(yīng)該叫音樂的數(shù)理之美吧……”

        通過本次課程的改革,我們讓學(xué)生自己操作從中獲得體會,感受自然學(xué)科的美妙,這一切勝過千言萬語的講授,勝過連篇累牘的枯燥推演,通過實驗器材和手機APP軟件的處理,一切都變得簡單明了,這冥冥之中也暗合了音樂、數(shù)學(xué)、物理所共有的簡潔與和諧之美。這種方式成本低、容易操控、學(xué)生主動性強等優(yōu)點,下一步我們還會對實驗所測結(jié)果進行定量的分析和研究,以及開發(fā)新的手機APP軟件使其進入課堂。

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