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

同時(shí)，近年來(lái)越來(lái)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(jiān)持三位一體的培養(yǎng)模式即專業(yè)教育、通識(shí)教育、完滿教育三管齊下，因此學(xué)校已開(kāi)設(shè)多門通識(shí)類課程，包括面向文科學(xué)生開(kāi)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(duì)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(jué)太難，如果所開(kāi)設(shè)的課程仍過(guò)分注重培養(yǎng)學(xué)生分層次、模塊化學(xué)習(xí)，過(guò)度要求理論論證、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算，就必然會(huì)導(dǎo)致學(xué)生求知欲降低，教學(xué)目的難以實(shí)現(xiàn)。

近些年我們一直對(duì)文科物理類課程教學(xué)進(jìn)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(kāi)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(jī)實(shí)現(xiàn)大學(xué)文科物理課堂互動(dòng)模式”，利用智能手機(jī)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(lè)音的獨(dú)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(jìn)而探索樂(lè)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(jì)算。利用智能手機(jī)APP軟件，通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)聲音的產(chǎn)生及接收，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地可以演示聲音現(xiàn)象以及進(jìn)行相關(guān)測(cè)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(shí)樂(lè)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(jī)軟件聲音頻率信號(hào)發(fā)聲器(Frequency Generator)放出，信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可使用帶聲卡的計(jì)算機(jī)。分析處理部分的功能可由手機(jī)APP軟件示波器(Oscilloscope)或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可對(duì)頻譜進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而深度研究其音色、音量等特征，見(jiàn)圖1。

圖1 課程所需硬件部分

進(jìn)而我們還嘗試用兩部手機(jī)同時(shí)發(fā)出特定頻率的聲音信號(hào)，使用第三臺(tái)手機(jī)實(shí)現(xiàn)聲音的采集與處理，研究拍現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)演示拍現(xiàn)象裝置示意圖

當(dāng)兩個(gè)頻率相近的聲音信號(hào)在空間相遇，這兩個(gè)信號(hào)就會(huì)進(jìn)行疊加，如圖3所示。

圖3 拍頻示意圖

設(shè)兩個(gè)振幅相同的聲波信號(hào)，其波動(dòng)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(lái)看，上面兩個(gè)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(tīng)覺(jué)上就會(huì)出現(xiàn)音量周期性的變化，即一強(qiáng)一弱為一次拍，這就是拍頻。

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)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(lè)器調(diào)音的原理。通過(guò)學(xué)生的課前預(yù)習(xí)，課上老師對(duì)理論的講解和推導(dǎo)，學(xué)生的親手演示和測(cè)量，這種以學(xué)生為主體，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使得課堂氣氛不再沉悶。

教學(xué)實(shí)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(dòng)中。有的學(xué)生在反饋中寫到：“都說(shuō)耳聽(tīng)為虛，眼見(jiàn)為實(shí)，我終于見(jiàn)證了聲音的美妙，通過(guò)觀察示波器上跳動(dòng)的波形，我十分興奮，原來(lái)音樂(lè)的波形是如此和諧而美麗。同時(shí)我還嘗試了自己造琴，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量，好有成就感??！我知道這是藝術(shù)

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

通過(guò)本次課程的改革，我們讓學(xué)生自己操作從中獲得體會(huì)，感受自然學(xué)科的美妙，這一切勝過(guò)千言萬(wàn)語(yǔ)的講授，勝過(guò)連篇累牘的枯燥推演，通過(guò)實(shí)驗(yàn)器材和手機(jī)APP軟件的處理，一切都變得簡(jiǎn)單明了，這冥冥之中也暗合了音樂(lè)、數(shù)學(xué)、物理所共有的簡(jiǎn)潔與和諧之美。這種方式成本低、容易操控、學(xué)生主動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，下一步我們還會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行定量的分析和研究，以及開(kāi)發(fā)新的手機(jī)APP軟件使其進(jìn)入課堂。