吳小平，高海淇

(浙江理工大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310018)

習(xí)近平總書記指出，創(chuàng)新是改革開放的生命，發(fā)展是解決中國所有問題的關(guān)鍵。我國“十四五”時(shí)期以及更長時(shí)期的發(fā)展對加快科技創(chuàng)新提出了更為迫切的要求。新時(shí)期高等教育改革，必須堅(jiān)持“創(chuàng)新是第一動(dòng)力”的理念。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為高等學(xué)校理工科各專業(yè)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后最先學(xué)習(xí)的一門必修基礎(chǔ)實(shí)踐課程，在鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力及創(chuàng)造能力等方面具有明顯優(yōu)勢。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)主要包含實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理三個(gè)內(nèi)容，而這三個(gè)內(nèi)容的開展都離不開有著重要地位的實(shí)驗(yàn)儀器。隨著高教改革進(jìn)程的不斷推進(jìn)，許多教育科技工作者對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)改革提出了許多有價(jià)值的意見和建議，但是他們的意見和建議主要集中于教學(xué)方式方法上，忽視了實(shí)驗(yàn)儀器本身的創(chuàng)新改進(jìn)[1-6]。

從多年的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)感受和學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的反饋來看，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，分光計(jì)調(diào)整這類涉及望遠(yuǎn)鏡或顯微鏡觀測的實(shí)驗(yàn)，無論是在調(diào)焦過程中，還是在測量過程中，需要不斷地用肉眼對準(zhǔn)目鏡。如此煩瑣地觀測和斑駁的光線，都容易造成學(xué)生視覺疲勞，大大降低了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，也降低了實(shí)驗(yàn)的可操作性和操作效率[7-10]。同時(shí)，在進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程中，教師需要檢查每位學(xué)生的操作情況，以便給出相應(yīng)指導(dǎo)，由于學(xué)生人數(shù)較多，無法在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高效指導(dǎo)。為解決上述問題，實(shí)驗(yàn)室一般會采用帶有攝像頭和顯示器的儀器，并與PC機(jī)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)自由調(diào)焦、拍照、錄像等功能。但是對于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，這種方式無疑大大增加了學(xué)校經(jīng)費(fèi)的支出，且容易由于操作不當(dāng)而損壞，所以這種方法不適合使用頻率高的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[11-17]。

我們發(fā)現(xiàn)處于智能機(jī)時(shí)代的今天，擁有高像素和高分辨率手機(jī)的人越來越多，大學(xué)生幾乎是人手一臺，如果能夠利用好智能手機(jī)，解決手機(jī)與物理儀器的連接問題，那么就能夠解決學(xué)生在測量過程中遇到的問題。本文主要基于手機(jī)攝像功能，對分光計(jì)儀器進(jìn)行了改進(jìn)，研制可視化裝置及畫面共享技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了用極低的費(fèi)用為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器添加顯示器的目標(biāo)。不僅解放了眼睛，改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)觀測的方式，而且教師可以實(shí)時(shí)觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，并給以及時(shí)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，既增添了實(shí)驗(yàn)的趣味性，又提高了教學(xué)的效率和質(zhì)量，具有較好的應(yīng)用前景。

1 傳統(tǒng)分光計(jì)的缺陷及改進(jìn)方案

1.1 分光計(jì)的缺陷

JJY-1型分光計(jì)是測量折射率、色散、光波波長等物理量的儀器。分光計(jì)主要由五個(gè)部分組成：望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物臺、刻度圓盤和三角底座，基本構(gòu)造如圖1所示。由于望遠(yuǎn)鏡的視場范圍非常小(小于1°44′)，學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)極難找到十字叉絲的反射像(尤其是要兩面都出現(xiàn)十字叉絲的像)，從而導(dǎo)致視覺疲勞，無所適從的厭學(xué)情緒。同時(shí)，學(xué)生在操作時(shí)，老師也無法判斷學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，以至于無法及時(shí)給以實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，教學(xué)效果不佳，給師生的教和學(xué)帶來了不小的難度。針對以上問題，已有研究可以解決部分問題，但是仍然無法解決長時(shí)間對著望遠(yuǎn)鏡造成的視覺疲勞，以及老師仍然無法實(shí)時(shí)觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況[7-10]。

圖1 JJY-1型分光計(jì)基本構(gòu)造

1.2 改進(jìn)方案

1.2.1 加可視化支架

基于三維空間坐標(biāo)系，設(shè)計(jì)了我們的可視化裝置，可視化裝置的上下調(diào)節(jié)對應(yīng)于坐標(biāo)軸的Z軸；前后調(diào)節(jié)對應(yīng)于坐標(biāo)軸的X軸；左右調(diào)節(jié)對應(yīng)于坐標(biāo)軸的Y軸,實(shí)現(xiàn)了這三個(gè)軸的調(diào)節(jié)，就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了整個(gè)空間內(nèi)的全方位調(diào)節(jié)。經(jīng)過多次優(yōu)化，我們設(shè)計(jì)出了一套空間任意方向可調(diào)的支架，設(shè)計(jì)如圖2所示，我們的分光計(jì)可視化裝置獲得了國家專利局的認(rèn)可，授權(quán)了4項(xiàng)發(fā)明專利(如圖3)。此外，考慮到市面上手機(jī)大小各異，手機(jī)攝像頭位置各異，因此我們對手機(jī)夾也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)(可伸縮范圍5～10 cm)，可適用于市面上所有的手機(jī)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)我們定制了一批分光計(jì)可視化裝置(如圖4)用于實(shí)驗(yàn)室。

圖2 可視化裝置設(shè)計(jì)圖

圖3 分光計(jì)可視化裝置發(fā)明

(a)(b)

圖5 可視化裝置的使用

在望遠(yuǎn)鏡上裝上這一可視化支架，再將我們的智能手機(jī)裝進(jìn)手機(jī)夾，用手機(jī)的攝像頭對準(zhǔn)分光計(jì)的目鏡，就可以輕松的通過手機(jī)觀察望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部情況，如圖5所示。這樣可以大大減輕學(xué)生的用眼負(fù)擔(dān)，同時(shí)我們分別采用肉眼觀測和手機(jī)攝像頭觀測進(jìn)行多組分光計(jì)的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析對比(見表1、2)可以發(fā)現(xiàn)利用傳統(tǒng)的觀測方法，誤差結(jié)果約為5%，而采用設(shè)計(jì)制作的可視化裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，誤差可以降低至0.3%左右，這顯著提高了實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)效率。

表1 利用傳統(tǒng)方法觀測的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 利用可視化支架進(jìn)行觀測的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2.2 引入畫面共享技術(shù)

(1)學(xué)生端：在手機(jī)上安裝DScam應(yīng)用程序之后，學(xué)生可以利用該應(yīng)用程序去調(diào)用手機(jī)的攝像頭，將手機(jī)變成一個(gè)IP攝像頭，并將拍攝到的畫面顯示在手機(jī)屏幕上，拍攝的視頻可實(shí)時(shí)地傳輸?shù)椒?wù)器，并保存起來。

(2)教師端：采用應(yīng)用程序DScam，可以將視頻文件在本地實(shí)時(shí)播放，指導(dǎo)教師可以通過電腦網(wǎng)頁或手機(jī)app查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，并進(jìn)行及時(shí)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，有利于高效快速地完成實(shí)驗(yàn)。還能對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行回放，有利于教師進(jìn)行教學(xué)反思(如圖6所示)。整套系統(tǒng)將傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，讓傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)更加貼近新時(shí)代。

(3)服務(wù)器端：主服務(wù)器是由家用主機(jī)改裝而來，主要包括中央處理器，內(nèi)存，主板，電源適配器，硬盤等。主服務(wù)器是連接學(xué)生端與教師端的中樞，負(fù)責(zé)接收學(xué)生端數(shù)據(jù)，保存學(xué)生所拍攝的視頻，并將視頻串流至教師端。

圖6 網(wǎng)頁端(a)和手機(jī)端(b)實(shí)時(shí)監(jiān)視界面

2 應(yīng)用前景

在理工科高校，實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要場所，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的一個(gè)重要保障，在“新工科”背景下對物理實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行改革，順應(yīng)了新形勢的需求。在智能機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)流行的當(dāng)下，將手機(jī)攝像功能與分光計(jì)儀器有機(jī)結(jié)合，自主設(shè)計(jì)制作了分光計(jì)可視化系統(tǒng)。該輔助裝置在教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用中表明，可視化裝置有效地減輕了學(xué)生的用眼疲勞，幫助學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)高效地完成實(shí)驗(yàn)，不僅如此，畫面共享技術(shù)有效地幫助教師實(shí)時(shí)觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況并給以及時(shí)指導(dǎo)，極大地提高了課堂教學(xué)質(zhì)量及效率。同時(shí)，通過物理實(shí)驗(yàn)儀器的自主設(shè)計(jì)改裝，調(diào)動(dòng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的熱情和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力，鍛煉了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、分析問題與解決問題的能力，彰顯大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性與創(chuàng)造性。依據(jù)方案，在2018-2020級理工科學(xué)生中進(jìn)行了實(shí)踐，得到同學(xué)和老師們的一致好評，可以在其他院校進(jìn)行推廣使用。