張碧婷 周重儀

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510000）

李豐果

（華南師范大學(xué)物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 廣東 廣州 510000）

1 引言

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）明確指出：“要設(shè)計(jì)各種學(xué)習(xí)活動(dòng)讓學(xué)生利用信息技術(shù)提升物理學(xué)習(xí)能力.如利用手機(jī)等信息技術(shù)工具便捷地解決某些物理學(xué)習(xí)問題.”［1］當(dāng)前智能手機(jī)已經(jīng)成為功能強(qiáng)大和應(yīng)用程序豐富的智能化平臺(tái)，眾多學(xué)者從不同方面探討和研究將手機(jī)應(yīng)用于高中物理教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)中.這些研究主要有：

（1）學(xué)習(xí)交流.借助手機(jī)社交軟件，建立學(xué)習(xí)交流體系［2］；

（2）翻轉(zhuǎn)課堂.學(xué)生借助手機(jī)在課前觀看微課視頻，課上進(jìn)行深入交流，實(shí)現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)［3］；

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)開發(fā).利用手機(jī)延遲攝影呈現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)［4］；利用智能手機(jī)內(nèi)置傳感器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)等［5～9］.

在實(shí)驗(yàn)開發(fā)方面，主要借助手機(jī)內(nèi)置傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用軟件（如Phyphox等）提取數(shù)據(jù)和顯示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.但由于此類手機(jī)軟件的數(shù)據(jù)處理和分析能力較弱，通常需要將記錄得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后期導(dǎo)出到Excel等電子表格，再導(dǎo)入到其他功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件（如Matlab，Origin等）進(jìn)行進(jìn)一步的處理和作圖呈現(xiàn).在這一過程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸需要人工處理，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，也無法實(shí)現(xiàn)多部手機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)實(shí)時(shí)傳輸.基于上述原因，本文提出基于手機(jī)應(yīng)用軟件Matlab mobile和電腦端Matlab相結(jié)合的高中物理實(shí)驗(yàn)開發(fā).以高中驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)為例闡述單用戶實(shí)驗(yàn)和多用戶實(shí)驗(yàn)監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)過程.這一研究將為基于Matlab mobile手機(jī)軟件的實(shí)驗(yàn)開發(fā)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的多用戶實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)控和評價(jià)提供技術(shù)參考.

2 Matlab mo bile和Matlab實(shí)驗(yàn)及監(jiān)控平臺(tái)介紹

實(shí)驗(yàn)和監(jiān)控平臺(tái)，是在Matlab系列軟件上開發(fā)的，結(jié)構(gòu)如圖1所示.平臺(tái)由3部分組成：

圖1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取部分，利用Matlab mobile軟件獲取手機(jī)內(nèi)置傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并同步至云端；

（2）數(shù)據(jù)同步傳輸部分，Matlab Drive的云服務(wù)功能為數(shù)據(jù)文件提供了云存儲(chǔ)位置，在安裝組件Matlab Drive Connector后可輕松訪問任何云端數(shù)據(jù)文件；

（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和多用戶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控部分，利用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件Matlab mobile或Matlab對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)，并利用組件Matlab APP實(shí)現(xiàn)對多用戶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，以了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程情況.

3 基于Matlab mobile的驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)單用戶實(shí)驗(yàn)開發(fā)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)器材有：氣墊導(dǎo)軌、滑塊、裝有Matlab mobile軟件的智能手機(jī)、輕質(zhì)滑輪、不同質(zhì)量的砝碼、電子天平、細(xì)繩等.實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和局部實(shí)物圖如圖2所示.

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

3.2.1 實(shí)驗(yàn)操作

（1）調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌.利用水平儀將氣墊導(dǎo)軌調(diào)至水平.

（2）組合研究對象與稱量質(zhì)量.將裝有軟件Matlab mobile的手機(jī)與滑塊粘一起，并用電子天平測得滑塊與手機(jī)的總質(zhì)量M，掛鉤與砝碼總質(zhì)量m0.用細(xì)線將滑塊繞過滑輪與砝碼連在一起.

（3）實(shí)驗(yàn)前手機(jī)軟件設(shè)置.打開軟件Matlab mobile，選擇“傳感器”，點(diǎn)亮加速度傳感器的圖標(biāo)，選擇“日志記錄”的傳輸方式，并取數(shù)據(jù)采集頻率為10 Hz.按下“開始”鍵后釋放滑塊.

（4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存與同步.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在Matlab mobile軟件上按“結(jié)束”鍵，并命名實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).選擇保存后，這時(shí)Matlab Drive自動(dòng)將數(shù)據(jù)同步至云端.

（5）改變變量，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn).先保持M不變，多次改變m0；再保持m0不變，多次改變M的大小，按上述步驟進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn).

3.2.2 數(shù)據(jù)提取及處理

利用手機(jī)軟件Matlab mobile采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以直接在該軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；也可以將采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步至云端后，便可以在電腦端的Matlab上提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理.數(shù)據(jù)文件的提取可以通過兩種方式：一種是直接在文件“Matlab Drive”的“MobileSensor Data”文件夾中找到數(shù)據(jù)文件.另一種是在Matlab命令窗口輸入命令語句load+文件名，如load（′張西西a-F 50g.mat′），即打開相應(yīng)數(shù)據(jù)文件.

數(shù)據(jù)文件中一般包括X，Y，Z3個(gè)方向及時(shí)間t的數(shù)據(jù).如圖2實(shí)物裝置圖所示，運(yùn)動(dòng)的方向是手機(jī)傳感器的Y軸方向，對于驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)，我們只需要研究Y軸方向的加速度ay，通過Matlab命令語句調(diào)取跟本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的Y方向的加速度ay和時(shí)間t的數(shù)據(jù).

在提取出與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)后，通過Matlab命令語句對數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖與計(jì)算處理.如圖3所示，首先是作圖呈現(xiàn)，繪制實(shí)驗(yàn)得到的Y方向加速度a實(shí)y和理論加速度a理y隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行對比，以判斷此次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)是否可靠；其次通過Matlab命令語句計(jì)算AB段a實(shí)y的平均值及其相對誤差.

圖3 滑塊在鉤碼（m0=50 g）牽引下的加速度實(shí)驗(yàn)值與理論值的對比圖

對每次實(shí)驗(yàn)均計(jì)算其平均值，將其與對應(yīng)的合外力F以及總質(zhì)量M的倒數(shù)進(jìn)行繪圖，便可以驗(yàn)證牛頓第二定律，如圖4所示.

圖4 加速度a與合外力、系統(tǒng)總質(zhì)量之倒數(shù)的關(guān)系圖

4 多用戶實(shí)驗(yàn)監(jiān)控

4.1 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

由于參與實(shí)驗(yàn)操作的人數(shù)較多，教師如何對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作與探究過程中及時(shí)地給予評價(jià)與指導(dǎo)，是當(dāng)前物理教育者的一個(gè)挑戰(zhàn).目前對實(shí)驗(yàn)操作考試的評價(jià)方式主要是通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評改給予等級分?jǐn)?shù)和教師監(jiān)考少數(shù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作并給予分?jǐn)?shù).這兩種評價(jià)方式都存在一定缺陷，前者教師不易發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題；后者則需大量人力［10］.

針對以上問題，在利用Matlab mobile采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并同步至云端的基礎(chǔ)上，利用電腦端軟件Matlab中的組件APP，開發(fā)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對多個(gè)用戶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，并及時(shí)對其實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行評價(jià)與指導(dǎo).

4.2 監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)

平臺(tái)的開發(fā)主要包括兩部分內(nèi)容：界面的設(shè)計(jì)與程序的設(shè)計(jì).界面的設(shè)計(jì)主要通過拖拉并編排所需的組件；程序的設(shè)計(jì)是對組件的行為進(jìn)行編程，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、繪圖以及多個(gè)數(shù)據(jù)對比.

4.3 以“驗(yàn)證牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn)監(jiān)控為例說明監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

小組里的每一個(gè)學(xué)生利用智能手機(jī)進(jìn)行“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)，要實(shí)現(xiàn)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)控，需要登錄同一個(gè)Matlab賬戶，這樣所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都可以同步至同一個(gè)Matlab云端，以便教師對所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看與監(jiān)控.

現(xiàn)以“驗(yàn)證牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn)監(jiān)控為例說明監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)現(xiàn).首先對所有學(xué)生的每一次實(shí)驗(yàn)都繪圖呈現(xiàn)并與理論值進(jìn)行對比，如圖5所示.

圖5 整組學(xué)生的滑塊m0=50 g時(shí)加速度與時(shí)間的關(guān)系與理論值對比情況監(jiān)控圖

這可以幫助教師直觀地看到這組5個(gè)學(xué)生的某一次實(shí)驗(yàn)整體情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在較大實(shí)驗(yàn)誤差的學(xué)生，如圖5中顯示了張大大同學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離理論太多，存在較大的實(shí)驗(yàn)誤差，需要及時(shí)給予指導(dǎo)和幫助；其次教師可以查看每位學(xué)生具體的每次實(shí)驗(yàn)情況及其相對誤差，如圖6所示，教師據(jù)此指導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)過程存在的誤差.最后是所有實(shí)驗(yàn)均做完后，通過查看學(xué)生加速度與合外力、總質(zhì)量的關(guān)系圖，如圖7所示，可以直觀地了解這一組學(xué)生整體實(shí)驗(yàn)情況，從而可以給予相應(yīng)實(shí)驗(yàn)評價(jià).

圖6 某生在合外力恒定不變m0增加50 g時(shí)加速度與時(shí)間的關(guān)系及相對誤差監(jiān)控圖

圖7 某生的加速度與合外力關(guān)系系列圖像監(jiān)控

5 總結(jié)

智能手機(jī)作為當(dāng)今極為普及的信息工具，其在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究，是教育發(fā)展和課程標(biāo)準(zhǔn)的需要及要求.本文主要以高中“驗(yàn)證牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn)為例闡述單用戶實(shí)驗(yàn)和多用戶實(shí)驗(yàn)監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)過程，為基于Matlab mobile手機(jī)軟件的物理實(shí)驗(yàn)開發(fā)提供新方案以及學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的多用戶實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)控和評價(jià)提供技術(shù)參考.