張宏遠,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)物理實驗課程的教學(xué)質(zhì)量,提供學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使傳統(tǒng)實驗教學(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)嶒灧抡嬖O(shè)計的基礎(chǔ)上,對大學(xué)物理實驗課程手機App的設(shè)計進行了探索和研究,力爭使設(shè)計更加貼近本專業(yè)實驗特點,在實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、數(shù)據(jù)處理等方面能夠作為實驗網(wǎng)絡(luò)仿真課程的有效補充。虛擬儀器技術(shù)引入實驗教學(xué),既可緩解教學(xué)儀器短缺,使教學(xué)更生動形象,又可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,動手能力,提高綜合素質(zhì)[1],而將虛擬仿真結(jié)合手機應(yīng)用的開發(fā)和使用,則是對仿真應(yīng)用的有力拓展。
大學(xué)物理實驗是大學(xué)物理本科專業(yè)課程的重點內(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,更是一門獨立的涉及物理思想、物理理論、實驗設(shè)計、實驗技術(shù)、基礎(chǔ)科研能力的專業(yè)課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中,常常由于預(yù)習(xí)不充分、對實驗?zāi)康暮驮淼葍?nèi)容理解不透徹等原因,從而導(dǎo)致實驗課程學(xué)習(xí)被動,實驗效果大打折扣。因此,項目的設(shè)計目標(biāo)重點放在幫助學(xué)生更好地完成實驗預(yù)習(xí),熟悉實驗操作,了解數(shù)據(jù)處理這三個主要方面,這樣通過預(yù)習(xí)的學(xué)生,進入實驗課堂能更快地進入實驗角色,能夠更好更快地理解實驗內(nèi)容,從而高質(zhì)量地完成實驗。項目設(shè)計目標(biāo)框圖,如圖1所示。
圖1 項目設(shè)計目標(biāo)
該內(nèi)容除了教材部分內(nèi)容外,還增加了涉及實驗背景、物理學(xué)史、線路連接、實驗器材等相關(guān)內(nèi)容的方案圖片、操作、視頻、flash動畫等內(nèi)容。幫助學(xué)生更好的理解并完成本部分實驗內(nèi)容的預(yù)習(xí),激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,把消極被動地學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變成積極主動地學(xué)習(xí)?;菟雇姌蚍y電阻仿真實驗中涉及的實驗原理,背景,線路等設(shè)計截圖如圖2所示。
圖2 仿真實驗的原理,背景,線路等設(shè)計示意圖
該部分內(nèi)容是以基于labview的惠斯通電橋?qū)嶒灧抡鏋榛A(chǔ)進行設(shè)計。其特點是所有設(shè)計都是學(xué)生自主研究,對于提高學(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)點是更加貼近本校本專業(yè)實驗特點,在實驗器材,實驗操作要求上都完全與實驗相同,其缺點是由于項目完成時間要求,學(xué)生對開發(fā)工具的利用還不夠?qū)I(yè),有些功能沒有得到應(yīng)用。設(shè)計項目在界面功能等方面不夠完善,還有很多改進之處。仿真實驗操作部分界面圖和部分程序框圖如圖3、4所示。
圖3 仿真實驗操作部分界面示意圖
圖4 仿真實驗操作部分程序示意圖
該部分內(nèi)容是大多數(shù)仿真實驗設(shè)計中往往容易被忽略的部分,而數(shù)據(jù)處理是物理實驗的重要組成部分,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,因此在每個實驗完成操作預(yù)習(xí)之后,對于不同實驗的數(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 仿真實驗數(shù)據(jù)處理部分示意圖
項目平臺的結(jié)構(gòu)框架 如圖6所示:
圖6 項目平臺的結(jié)構(gòu)框架
項目交互流程 如圖7所示:
圖7 項目交互流程
說明:該交互流程能夠達到用戶管理功能。學(xué)生通過注冊后登錄系統(tǒng)。學(xué)生用戶在手機App中均以學(xué)號實名登錄,便于提交實驗報告后的統(tǒng)計工作。教師可后臺登錄系統(tǒng),進行實驗報告的評閱和課后提問的在線問答。
Android Studio是谷歌推出的一個集成開發(fā)工具,提供了集成的Android開發(fā)工具用于開發(fā)和調(diào)試。比如Android SDK是Android軟件開發(fā)工具包,提供Android應(yīng)用開發(fā)所需要的各種工具和Android手機模擬器,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行,需要在電腦屬性中配置環(huán)境變量[2]。
項目設(shè)計主要針對客戶端功能的設(shè)計與實現(xiàn)??蛻舳瞬捎肕VC框架來實現(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)庫等操作)、視圖層(主要是界面的布局描述)、控制層(主要是通過Activity來實現(xiàn))。
首先,登錄和注冊界面主要進行學(xué)生用戶的信息校驗和注冊功能。其次,登錄成功則進入主界面如圖8和9所示??梢赃M行實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗背景等相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí),之后即可進行仿真實驗,并記錄實驗數(shù)據(jù),按照系統(tǒng)提示,進行模擬數(shù)據(jù)處理,以上過程都是為下一步進入實驗室進行真實實驗操作打下良好的基礎(chǔ)。由于仿真實驗也是根據(jù)真實實驗步驟來進行模擬的,學(xué)生科盡快進入“狀態(tài)”,從而更好更快地完成實驗任務(wù)。最后,實驗完成之后學(xué)生可在系統(tǒng)中線上與教師進行互動、問答,并在規(guī)定時間內(nèi)提交實驗報告,教師在線完成實驗報告批閱并上傳報告成績。實驗報告的批改,上傳,派發(fā)功能,可以有效提高教師批改實驗報告的正確率和效率[3]。
圖8 原理部分手機模擬效果圖
圖9 操作部分手機模擬效果圖
項目是大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目,此項目對基于Android平臺開發(fā)小程序的基本方法和流程進行了研究和思考,既對理科學(xué)生的創(chuàng)新思維和技能有很好的鍛煉,又對跨學(xué)科融合和打破學(xué)科界限是一個很好的嘗試。同時,對傳統(tǒng)實驗課教學(xué)活動也起到了一定的促進作用。