手机APP系统在大学物理实验教学的应用
手机APP系统在大学物理实验教学的应用 摘要：设计了大学物理实验手机ＡＰＰ系统，学生在实 验操作时在手机ＡＰＰ系统中记录数据，手机ＡＰＰ将判断 实验数据的错误并实时反馈实验改正建议．教师可以通过在 手机ＡＰＰ系统中查阅保存的学生实验情况来评判学生的 实验表现，结合手机ＡＰＰ系统保存的实验数据及自动处理 结果高效批阅学生实验报告．手机ＡＰＰ系统在大学物理实 验的预习、实验、考核、实验报告等教学环节的应用将提高 实验课程的教学效率和教学质量． 关键词：大学物理实验；手机ＡＰＰ；
教学环节；
教学 效率 物理学是自然科学的基础，也是以实验为基础的科学． 大学物理实验在理工科各专业甚至部分文科中开设，担负着 培养学生物理实验基本知识、基本方法和基本技能以至科学 实验基本素质、能力的任务［１］．大学物理实验课程人数 多，上课学生专业背景不同，其物理理论基础及动手能力参 差不齐．大学物理实验课程中的每个学生需要完成多个实验， 每个实验要经过课前预习、现场实验操作、实验报告、考核 等教学环节．一般大学从事大学物理实验的教师很少，因此， １位教师在１个学期内需要从事数个班级的教学工作，同一 教师每堂课上需要同时指导几十个学生的数个实验操作，课 后则需要批阅大量的实验报告．在实际教学中会碰到一些问 题，比如如何提高预习效果，教师如何在几十个学生同时实验时及时发现及改正学生的操作错误，实验结束时如何有效 地同时检查几十个学生的实验数据，批阅大量报告时如何快 速有效地判断每个学生的数据处理是否正确．不断发展的信 息技术在实验教学中得到广泛应用，比如大学物理实验的虚 拟仿真实验的应用［２－３］，以国家仪器公司ＬａｂＶＩ ＥＷ图形化编程语言为代表开发的虚拟仪器的应用［４－ ５］，基于Ｗｉｆｉ的物理实验实时评价系统［６］，智能 手机在实验室宣传、管理等方面的应用［７－９］等．受学 生在实验过程中利用手机学习预习课件的启发，考虑智能手 机便携性好且在大学生中已经普及的优势，笔者提出采用手 机ＡＰＰ系统解决上述由于学生多而教师少引起的一系列 实际教学问题，本文详述实现手机ＡＰＰ系统的具体的硬件、 软件结构及系统功能，并以“简谐振动的研究”实验为例描 述其主要应用． １手机ＡＰＰ系统硬件、软件结构及功能结构 以学生实验时使用的智能手机移动设备为重点，手机Ａ ＰＰ系统的整个硬件的层次结构如图１所示．物理实验教学 中心包括手机、个人数字助理（ＰＤＡ）、便携式电脑（Ｌ ａｐｔｏｐ）等在内的移动设备可通过分布在各个实验室的 无线接入点集线器接入中心交换机，进而访问中心服务器． 而中心各实验室的计算机、工作站可接入中间集线器或直接 接入中心交换机访问服务器．在校内教师和学生的移动或固 定设备可通过校园网访问中心服务器，在校外则通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ进入校园网来访问实验中心服务器．手机ＡＰＰ 系统的软件结构如图２所示，前端主要软件为学生做实验时 使用的手机ＡＰＰ客户端，还有用于教师评估学生实验情况 和批阅报告的计算机ＰＣ客户端应用及在手机和ＰＣ上的 基于浏览器的应用．后端有数据库、Ｗｅｂ服务器、业务规 则服务器及其他应用服务器，为前端客户程序提供结构、非 结构数据存取，网页产生及浏览，业务规则检查及其他应用 服务．手机ＡＰＰ系统的主要功能如图３所示．系统用户角 色有学生和教师２种类型，学生主要利用手机应用在实验时 记录实验数据．应用系统将综合实验原理、实验条件、实验 仪器的各种规则现场判断学生数据，如有错误将实时提醒学 生并提供和数据错误相关的实验指导意见，实验数据及实验 过程中的错误情况将保存在后台的数据库中，学生做实验报 告时可以在手机或ＰＣ客户端得到实验原始数据表．其他功 能还可以包括实验预习、预习检查测评及仪器操作指导等． 教师利用手机ＡＰＰ系统可以了解实验的总体情况，现场及 时发现实验出错的学生．实验数据的大部分核查工作将由手 机系统在实验过程中自动完成，解决了实验结束时教师短时 间内同时检查很多学生实验数据甚至出现学生排队的现象． 实验后，教师可以通过手机或ＰＣ客户端访问后台数据库获 得学生的实验情况、实验数据及系统自动处理好的实验结果， 用于评判学生实验成绩，批阅实验报告． ２手机ＡＰＰ系统案例：简谐振动的研究简谐振动的研究实验［１０］在气垫导轨上研究谐振子 模型的运动学规律和动力学规律，实验系统如图４所示．运 动学规律的实验内容为规定振子系统初振幅ｘ０一定的情 况下，在１／４周期内利用固定在滑块上挡光片和２个光电 门测量从平衡位置运动到不同位移ｘ的时间ｔ，从而验证运 动方程：ｘ＝ｘ０ｓｉｎ（ωｔ），需要测量的数据见表１． 实验后处理数据过程为先对滑块运动到位移ｘｉ时间的多 次测量ｔｉｊ求平均得到ｔｉ，然后计算ｓｉｎ（ωｔｉ）， 在１／４周期内作ｘ－ｓｉｎ（ωｔ）图，用直线图解法或 线性回归法求斜率，如线性相关系数接近１，斜率和设置的 振幅ｘ０相符合，则验证了位移方程．在传统实验中，实验 前学生按照类似表１的格式在报告纸设计好数据记录表格， 实验时测量数据并填入表中，实验完成后教师检查数据．该 实验不少学生常犯２个错误：一是光电门１没有调整到正确 位置让滑块通过平衡位置时开始计时，出现计时错误；
二是 ２个光电门由于碰撞等原因１个光电门工作不正常导致计 时错误．不少学生在实验中没有及时发现并改正错误，教师 则由于需要指导分布在不同实验室做多个实验的数十个学 生，如学生不主动提问，往往也没机会及时发现错误并给与 指导，实验结束教师检查数据发现错误时，很多数据需要重 新测量，甚至需要重做实验，浪费了学生和教师的大量时间， 经常导致拖堂，影响教学进度．手机ＡＰＰ系统可以解决上 述问题，实验时每个学生用学号和密码登陆手机ＡＰＰ系统，手机ＡＰＰ客户端给出类似表１的数据表格，学生将测量的 实验数据直接填入到手机ＡＰＰ中．手机ＡＰＰ系统会实时 将学生测量数据和理论或参考值比较，并进行其他规则如有 效数字等的检查，如有错误将立即反馈给学生，提供给学生 改正建议信息，还可以根据学生出错情况进一步提供微课形 式的内容指导，学生如果还无法解决问题则请教师现场指导， 这样就能保证及时发现学生实验错误并给予个性化的指导， 提高了教学效率．大学物理实验手机ＡＰＰ系统也能缓解实 验结束时教师短时间内同时检查很多学生数据并逐个指导 学生的难题．由于手机ＡＰＰ能实时发现学生实验时的大部 分的错误，教师在实验时也给予了个性化指导，大大减轻了 教师最后检查数据的压力．而且，和人工检查数据相比，手 机ＡＰＰ系统检查实验数据的能力更强、效率更高．以表１ 的学生实验数据为例，不同学生的简谐振子系统的ｍ，ｋ１， ｋ２，ｘ０，ｘ１，…，ｘ７等都可以不同，导致每个学生 的实验数据ｔ各不相同，人工短时间内判断各个同学实验数 据的错误存在困难，手机ＡＰＰ系统则很容易判断每个学生 的个性化数据．如果对同一组学生的十几套仪器个性化数据， 还可以避免学生互相抄袭数据，更便于准确评价学生的实验 表现．手机ＡＰＰ系统也能帮助教师了解及评判学生的实验 情况，提高教师批阅学生实验报告的效率．实验时学生的错 误数据、正确数据及其他相关实验情况都将通过手机ＡＰＰ 系统存入服务器的后台数据库．教师可以通过手机ＡＰＰ客户端或计算机客户端访问这些数据，了解判断学生的实验操 作水平及总体实验情况，一定程度上解决了由于学生数量多， 教师难以现场评判学生实验操作成绩的困难．教师也可以查 询计算机自动处理的实验数据来判断学生实验报告处理实 验数据的正确性，减轻了批阅报告时教师审核学生数据处理 部分的工作量．在“简谐振动的研究”实验中，学生测量的 ｍ，ｋ１，ｋ２，ｘ０，ｔ１，…，ｔ７的错误数据、改正 情况、正确数据及实验进展时间等都将存入后台数据库；
计 算机自动计算多次测量的平均值ｔ，计算ｓｉｎ（ωｔ）， 最小二乘法拟合直线ｘ＝ｘ０ｓｉｎ（ωｔ），给出斜率、 截距、相关系数、标准偏差等拟合结果．教师通过客户端查 看存入后台数据库的实验数据可以了解每个学生的实验情 况；
通过比较实验数据的计算机自动处理结果和学生实验报 告中的数据处理结果，可以快速判断学生实验处理数据是否 存在错误，提高了批阅报告的效率和准确性．手机ＡＰＰ系 统的实现采用ＷｅＸ５作为开发工具，ＷｅＸ５开发的手机 应用移植性好，也可以调用本地的硬件资源，用户体验优良． 图５为手机ＡＰＰ系统学生实验时的登录界面．图６为“简 谐振动研究”实验时，手机ＡＰＰ系统学生客户端的记录实 验数据界面。
３结束语 手机应用系统应用于大学物理实验教学，有效地缓解了 大规模教学需求和教师数量少的矛盾．一方面，手机应用系统在学生实验操作现场实时反馈实验数据错误，即时提供相 应实验指导，保证学生按时高质量完成实验任务．另一方面， 手机应用系统帮助教师掌握学生实验操作情况，并自动产生 学生的实验数据处理结果，保证教师高效地批阅实验报告， 准确评判学生成绩．手机应用系统是当前正在进行的各种虚 拟仿真实验系统建设的很好补充，对提高传统物理实验教学 质量和效率有重要作用．