基于互联网的分光计可视化装置及实时画面共享技术研究

吴小平，高海淇

(浙江理工大学 理学院，浙江 杭州 310018)

习近平总书记指出，创新是改革开放的生命，发展是解决中国所有问题的关键。我国“十四五”时期以及更长时期的发展对加快科技创新提出了更为迫切的要求。新时期高等教育改革，必须坚持“创新是第一动力”的理念。大学物理实验作为高等学校理工科各专业学生进入大学后最先学习的一门必修基础实践课程，在锻炼学生的创新精神、实践能力及创造能力等方面具有明显优势。大学物理实验主要包含实验预习、实验操作、实验数据处理三个内容，而这三个内容的开展都离不开有着重要地位的实验仪器。随着高教改革进程的不断推进，许多教育科技工作者对大学物理实验改革提出了许多有价值的意见和建议，但是他们的意见和建议主要集中于教学方式方法上，忽视了实验仪器本身的创新改进[1-6]。

从多年的大学物理实验教学感受和学生做实验的反馈来看，大学物理实验中，分光计调整这类涉及望远镜或显微镜观测的实验，无论是在调焦过程中，还是在测量过程中，需要不断地用肉眼对准目镜。如此烦琐地观测和斑驳的光线，都容易造成学生视觉疲劳，大大降低了学生的实验兴趣，也降低了实验的可操作性和操作效率[7-10]。同时，在进行学生实验操作过程中，教师需要检查每位学生的操作情况，以便给出相应指导，由于学生人数较多，无法在有限时间内进行高效指导。为解决上述问题，实验室一般会采用带有摄像头和显示器的仪器，并与PC机相结合，能够实现自由调焦、拍照、录像等功能。但是对于大学物理实验，这种方式无疑大大增加了学校经费的支出，且容易由于操作不当而损坏，所以这种方法不适合使用频率高的大学物理实验[11-17]。

我们发现处于智能机时代的今天，拥有高像素和高分辨率手机的人越来越多，大学生几乎是人手一台，如果能够利用好智能手机，解决手机与物理仪器的连接问题，那么就能够解决学生在测量过程中遇到的问题。本文主要基于手机摄像功能，对分光计仪器进行了改进，研制可视化装置及画面共享技术，成功实现了用极低的费用为大学物理实验仪器添加显示器的目标。不仅解放了眼睛，改变了传统实验观测的方式，而且教师可以实时观察学生的实验情况，并给以及时的实验指导，既增添了实验的趣味性，又提高了教学的效率和质量，具有较好的应用前景。

1 传统分光计的缺陷及改进方案

1.1 分光计的缺陷

JJY-1型分光计是测量折射率、色散、光波波长等物理量的仪器。分光计主要由五个部分组成：望远镜、平行光管、载物台、刻度圆盘和三角底座，基本构造如图1所示。由于望远镜的视场范围非常小(小于1°44′)，学生在有限的时间内极难找到十字叉丝的反射像(尤其是要两面都出现十字叉丝的像)，从而导致视觉疲劳，无所适从的厌学情绪。同时，学生在操作时，老师也无法判断学生的实验情况，以至于无法及时给以实验指导，教学效果不佳，给师生的教和学带来了不小的难度。针对以上问题，已有研究可以解决部分问题，但是仍然无法解决长时间对着望远镜造成的视觉疲劳，以及老师仍然无法实时观察学生的实验情况[7-10]。

图1 JJY-1型分光计基本构造

1.2 改进方案

1.2.1 加可视化支架

基于三维空间坐标系，设计了我们的可视化装置，可视化装置的上下调节对应于坐标轴的Z轴；前后调节对应于坐标轴的X轴；左右调节对应于坐标轴的Y轴,实现了这三个轴的调节，就相当于实现了整个空间内的全方位调节。经过多次优化，我们设计出了一套空间任意方向可调的支架，设计如图2所示，我们的分光计可视化装置获得了国家专利局的认可，授权了4项发明专利(如图3)。此外，考虑到市面上手机大小各异，手机摄像头位置各异，因此我们对手机夹也进行了优化设计(可伸缩范围5～10 cm)，可适用于市面上所有的手机。根据以上设计我们定制了一批分光计可视化装置(如图4)用于实验室。

图2 可视化装置设计图

图3 分光计可视化装置发明

(a)(b)

图5 可视化装置的使用

在望远镜上装上这一可视化支架，再将我们的智能手机装进手机夹，用手机的摄像头对准分光计的目镜，就可以轻松的通过手机观察望远镜内部情况，如图5所示。这样可以大大减轻学生的用眼负担，同时我们分别采用肉眼观测和手机摄像头观测进行多组分光计的实验，根据数据分析对比(见表1、2)可以发现利用传统的观测方法，误差结果约为5%，而采用设计制作的可视化装置进行实验测量，误差可以降低至0.3%左右，这显著提高了实验操作的准确性和实验效率。

表1 利用传统方法观测的实验结果

表2 利用可视化支架进行观测的实验结果

1.2.2 引入画面共享技术

(1)学生端：在手机上安装DScam应用程序之后，学生可以利用该应用程序去调用手机的摄像头，将手机变成一个IP摄像头，并将拍摄到的画面显示在手机屏幕上，拍摄的视频可实时地传输到服务器，并保存起来。

(2)教师端：采用应用程序DScam，可以将视频文件在本地实时播放，指导教师可以通过电脑网页或手机app查看学生的实验情况，并进行及时的实验指导，有利于高效快速地完成实验。还能对实验过程进行回放，有利于教师进行教学反思(如图6所示)。整套系统将传统物理实验与互联网相结合，让传统物理实验更加贴近新时代。

(3)服务器端：主服务器是由家用主机改装而来，主要包括中央处理器，内存，主板，电源适配器，硬盘等。主服务器是连接学生端与教师端的中枢，负责接收学生端数据，保存学生所拍摄的视频，并将视频串流至教师端。

图6 网页端(a)和手机端(b)实时监视界面

2 应用前景

在理工科高校，实验室是培养创新人才的重要场所，实验教学是创新型人才培养的一个重要保障，在“新工科”背景下对物理实验仪器进行改革，顺应了新形势的需求。在智能机和互联网流行的当下，将手机摄像功能与分光计仪器有机结合，自主设计制作了分光计可视化系统。该辅助装置在教学实践应用中表明，可视化装置有效地减轻了学生的用眼疲劳，帮助学生在有限时间内高效地完成实验，不仅如此，画面共享技术有效地帮助教师实时观察学生的实验情况并给以及时指导，极大地提高了课堂教学质量及效率。同时，通过物理实验仪器的自主设计改装，调动学生对实验课的热情和主动性，培养学生的创新意识、创新思想和创新能力，锻炼了学生的实际动手能力、分析问题与解决问题的能力，彰显大学物理实验的设计性与创造性。依据方案，在2018-2020级理工科学生中进行了实践，得到同学和老师们的一致好评，可以在其他院校进行推广使用。