張宏遠(yuǎn)，徐清森，陳 聰，馮正南，王紅巖

(北華大學(xué) 理學(xué)院，吉林 吉林 132013)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和智能設(shè)備的普及應(yīng)用。為提升大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，提供學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與飛速發(fā)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?qū)嶒?yàn)仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程手機(jī)App的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索和研究，力爭(zhēng)使設(shè)計(jì)更加貼近本專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等方面能夠作為實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)仿真課程的有效補(bǔ)充。虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既可緩解教學(xué)儀器短缺，使教學(xué)更生動(dòng)形象，又可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，動(dòng)手能力，提高綜合素質(zhì)[1]，而將虛擬仿真結(jié)合手機(jī)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和使用，則是對(duì)仿真應(yīng)用的有力拓展。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理本科專(zhuān)業(yè)課程的重點(diǎn)內(nèi)容，既能夠幫助學(xué)生更好的理解和學(xué)習(xí)相關(guān)的理論課程，更是一門(mén)獨(dú)立的涉及物理思想、物理理論、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、基礎(chǔ)科研能力的專(zhuān)業(yè)課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，常常由于預(yù)習(xí)不充分、對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮淼葍?nèi)容理解不透徹等原因，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)被動(dòng)，實(shí)驗(yàn)效果大打折扣。因此，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)重點(diǎn)放在幫助學(xué)生更好地完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)操作，了解數(shù)據(jù)處理這三個(gè)主要方面，這樣通過(guò)預(yù)習(xí)的學(xué)生，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)課堂能更快地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)角色，能夠更好更快地理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而高質(zhì)量地完成實(shí)驗(yàn)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)框圖，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)原理部分

該內(nèi)容除了教材部分內(nèi)容外，還增加了涉及實(shí)驗(yàn)背景、物理學(xué)史、線路連接、實(shí)驗(yàn)器材等相關(guān)內(nèi)容的方案圖片、操作、視頻、flash動(dòng)畫(huà)等內(nèi)容。幫助學(xué)生更好的理解并完成本部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，把消極被動(dòng)地學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變成積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)。惠斯通電橋法測(cè)電阻仿真實(shí)驗(yàn)中涉及的實(shí)驗(yàn)原理，背景，線路等設(shè)計(jì)截圖如圖2所示。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)的原理，背景，線路等設(shè)計(jì)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)操作方法及步驟仿真部分

該部分內(nèi)容是以基于labview的惠斯通電橋?qū)嶒?yàn)仿真為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)是所有設(shè)計(jì)都是學(xué)生自主研究，對(duì)于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，發(fā)揮學(xué)科融合有一定意義，其優(yōu)點(diǎn)是更加貼近本校本專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)操作要求上都完全與實(shí)驗(yàn)相同，其缺點(diǎn)是由于項(xiàng)目完成時(shí)間要求，學(xué)生對(duì)開(kāi)發(fā)工具的利用還不夠?qū)I(yè)，有些功能沒(méi)有得到應(yīng)用。設(shè)計(jì)項(xiàng)目在界面功能等方面不夠完善，還有很多改進(jìn)之處。仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)操作部分界面示意圖

圖4 仿真實(shí)驗(yàn)操作部分程序示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理部分

該部分內(nèi)容是大多數(shù)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中往往容易被忽略的部分，而數(shù)據(jù)處理是物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，是培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)研究素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，也是學(xué)生掌握的難點(diǎn)，因此在每個(gè)實(shí)驗(yàn)完成操作預(yù)習(xí)之后，對(duì)于不同實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理要求應(yīng)該給予學(xué)生一定的提示和指導(dǎo)。如圖5所示。

圖5 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理部分示意圖

項(xiàng)目平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框架 如圖6所示：

圖6 項(xiàng)目平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框架

項(xiàng)目交互流程 如圖7所示：

圖7 項(xiàng)目交互流程

說(shuō)明：該交互流程能夠達(dá)到用戶管理功能。學(xué)生通過(guò)注冊(cè)后登錄系統(tǒng)。學(xué)生用戶在手機(jī)App中均以學(xué)號(hào)實(shí)名登錄，便于提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告后的統(tǒng)計(jì)工作。教師可后臺(tái)登錄系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)閱和課后提問(wèn)的在線問(wèn)答。

3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境與技術(shù)：Android Studio

Android Studio是谷歌推出的一個(gè)集成開(kāi)發(fā)工具，提供了集成的Android開(kāi)發(fā)工具用于開(kāi)發(fā)和調(diào)試。比如Android SDK是Android軟件開(kāi)發(fā)工具包，提供Android應(yīng)用開(kāi)發(fā)所需要的各種工具和Android手機(jī)模擬器，下載和安裝JDK和JRE，在http://www.oracle.com官網(wǎng)下載，根據(jù)系統(tǒng)配置和位數(shù)下載安裝，為了編譯后的程序運(yùn)行，需要在電腦屬性中配置環(huán)境變量[2]。

3.2 設(shè)計(jì)要求

項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要針對(duì)客戶端功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?？蛻舳瞬捎肕VC框架來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要包括模型層(它在Android中主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理，數(shù)據(jù)庫(kù)等操作)、視圖層(主要是界面的布局描述)、控制層(主要是通過(guò)Activity來(lái)實(shí)現(xiàn))。

首先，登錄和注冊(cè)界面主要進(jìn)行學(xué)生用戶的信息校驗(yàn)和注冊(cè)功能。其次，登錄成功則進(jìn)入主界面如圖8和9所示?？梢赃M(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)背景等相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，之后即可進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照系統(tǒng)提示，進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)處理，以上過(guò)程都是為下一步進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作打下良好的基礎(chǔ)。由于仿真實(shí)驗(yàn)也是根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)步驟來(lái)進(jìn)行模擬的，學(xué)生科盡快進(jìn)入“狀態(tài)”，從而更好更快地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。最后，實(shí)驗(yàn)完成之后學(xué)生可在系統(tǒng)中線上與教師進(jìn)行互動(dòng)、問(wèn)答，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師在線完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告批閱并上傳報(bào)告成績(jī)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改，上傳，派發(fā)功能，可以有效提高教師批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告的正確率和效率[3]。

圖8 原理部分手機(jī)模擬效果圖

圖9 操作部分手機(jī)模擬效果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

項(xiàng)目是大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，此項(xiàng)目對(duì)基于Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)小程序的基本方法和流程進(jìn)行了研究和思考，既對(duì)理科學(xué)生的創(chuàng)新思維和技能有很好的鍛煉，又對(duì)跨學(xué)科融合和打破學(xué)科界限是一個(gè)很好的嘗試。同時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)活動(dòng)也起到了一定的促進(jìn)作用。