手机APP系统在大学物理实验教学中的应用

郭平生，柴志方，崔 璐，张国飞，陆 浙，陈廷芳

(华东师范大学 物理与材料科学学院，上海 200241)



手机APP系统在大学物理实验教学中的应用

郭平生，柴志方，崔 璐，张国飞，陆 浙，陈廷芳

(华东师范大学 物理与材料科学学院，上海 200241)

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.

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LabVIEW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APP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(Laptop)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.

图1 手机APP系统的硬件结构图

图2 手机APP系统软件结构图

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.

图3 手机APP系统功能图

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.

图4 固定在气垫导轨两端的弹簧和滑块

x0= cm，m= g；k1= N/m，k2= N/m

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.

图5 手机APP系统学生实验登录界面

图6 手机APP系统学生客户端记录实验数据界面

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.

[1] 马葭生，宦强. 大学物理实验[M]. 上海：华东师范大学出版社，1998：1-2.

[2] 王晓蒲，霍剑青，杨旭，等. 大学物理仿真实验和教学实践[J]. 物理实验，2001，21(1)：28-29.

[3] 张增明，王中平，张宪锋，等. 国家级物理虚拟仿真实验教学中心的建设实践[J]. 实验技术与管理，2015，32(12)：146-149.

[4] 王鑫，杨胡江. 虚实结合的物理实验教学研究与实践[J]. 物理实验，2015，35(10)：15-18，22.

[5] 贺珍妮，蔡志斌. 基于分光计的Labview光谱仪设计与实现[J]. 物理实验，2016，36(4)：16-19.

[6] 陈水桥，乐静飞，殷利明，等. 基于WIFI 的物理实验教学实时评价体系创新建设[C]// 第8届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集(上册). 哈尔滨，2014.

[7] 乔宪武，江影. 二维码在大学物理实验教学中的应用[J]. 物理实验，2015，35(5)：16-18.

[8] 孙宝光，张启义，谭仁兵. 基于微信平台的大学物理实验考核系统构建与使用[J]. 物理实验，2016，36(5)：22-24.

[9] 殷菱，刘晓燕，程基焱. 基于智能手机的APP在医学开放性科研实验室中的应用[J]. 医学信息，2015，28(5)：3.

[10] 马葭生，宦强. 大学物理实验[M]. 上海：华东师范大学出版社，1998：165-168.

[责任编辑：郭 伟]

Application of mobile APP in teaching and learning of university physics experiment

GUO Ping-sheng, CHAI Zhi-fang, CUI Lu,ZHANG Guo-fei, LU Zhe, CHEN Ting-fang

(School of Physics and Materials Science, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

A mobile APP was designed. This APP could help students check the recorded data during experimental operation, return the checking result, and provide additional instruction information. The APP also helped teachers evaluate the students’ operation performance and evaluate their experiment reports. The mobile APP improved the quality and efficiency of teaching and learning in university physics experiment course.

university physics experiment; mobile APP; phases of teaching and learning; efficiency of teaching and learning

2016-05-31；修改日期：2016-07-25

华东师范大学2016年度实验教学设备研制项目；2014年度教学改革与研究项目

郭平生(1968-)，男，江西赣州人，华东师范大学物理与材料科学学院副研究员，博士，主要研究物理实验教学与实验技术.

G642.423;TP311

A

1005-4642(2016)11-0028-04

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文