基于Matlab mobile的高中物理实验与多用户实验监控平台开发——以验证牛顿第二定律为例

张碧婷 周重仪

（华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510000）

李丰果

（华南师范大学物理国家级实验教学示范中心 广东 广州 510000）

1 引言

高中物理课程标准（2017年版）明确指出：“要设计各种学习活动让学生利用信息技术提升物理学习能力.如利用手机等信息技术工具便捷地解决某些物理学习问题.”［1］当前智能手机已经成为功能强大和应用程序丰富的智能化平台，众多学者从不同方面探讨和研究将手机应用于高中物理教学和学生的学习中.这些研究主要有：

（1）学习交流.借助手机社交软件，建立学习交流体系［2］；

（2）翻转课堂.学生借助手机在课前观看微课视频，课上进行深入交流，实现课堂翻转［3］；

（3）实验教学和实验开发.利用手机延迟摄影呈现物理实验细节［4］；利用智能手机内置传感器进行物理实验等［5～9］.

在实验开发方面，主要借助手机内置传感器采集实验数据，并应用软件（如Phyphox等）提取数据和显示实验的结果.但由于此类手机软件的数据处理和分析能力较弱，通常需要将记录得到的实验数据后期导出到Excel等电子表格，再导入到其他功能强大的数据处理软件（如Matlab，Origin等）进行进一步的处理和作图呈现.在这一过程中实验数据传输需要人工处理，无法实现实时的数据传输，也无法实现多部手机实验数据的同时实时传输.基于上述原因，本文提出基于手机应用软件Matlab mobile和电脑端Matlab相结合的高中物理实验开发.以高中验证牛顿第二定律实验为例阐述单用户实验和多用户实验监控平台的开发过程.这一研究将为基于Matlab mobile手机软件的实验开发和学生分组实验的多用户实验过程监控和评价提供技术参考.

2 Matlab mo bile和Matlab实验及监控平台介绍

实验和监控平台，是在Matlab系列软件上开发的，结构如图1所示.平台由3部分组成：

图1 平台结构示意图

（1）实验数据获取部分，利用Matlab mobile软件获取手机内置传感器的实验数据并同步至云端；

（2）数据同步传输部分，Matlab Drive的云服务功能为数据文件提供了云存储位置，在安装组件Matlab Drive Connector后可轻松访问任何云端数据文件；

（3）实验数据处理和多用户实验数据的监控部分，利用强大的数据处理软件Matlab mobile或Matlab对数据进行处理和实验结果的呈现，并利用组件Matlab APP实现对多用户实验数据的监控，以了解学生的实验过程情况.

3 基于Matlab mobile的验证牛顿第二定律实验单用户实验开发

3.1 实验装置

实验器材有：气垫导轨、滑块、装有Matlab mobile软件的智能手机、轻质滑轮、不同质量的砝码、电子天平、细绳等.实验装置示意图和局部实物图如图2所示.

3.2 实验过程

3.2.1 实验操作

（1）调节气垫导轨.利用水平仪将气垫导轨调至水平.

（2）组合研究对象与称量质量.将装有软件Matlab mobile的手机与滑块粘一起，并用电子天平测得滑块与手机的总质量M，挂钩与砝码总质量m0.用细线将滑块绕过滑轮与砝码连在一起.

（3）实验前手机软件设置.打开软件Matlab mobile，选择“传感器”，点亮加速度传感器的图标，选择“日志记录”的传输方式，并取数据采集频率为10 Hz.按下“开始”键后释放滑块.

（4）实验数据保存与同步.实验结束后，在Matlab mobile软件上按“结束”键，并命名实验数据.选择保存后，这时Matlab Drive自动将数据同步至云端.

（5）改变变量，进行多组实验.先保持M不变，多次改变m0；再保持m0不变，多次改变M的大小，按上述步骤进行多次实验.

3.2.2 数据提取及处理

利用手机软件Matlab mobile采集实验数据，可以直接在该软件中进行数据处理；也可以将采集的实验数据实时同步至云端后，便可以在电脑端的Matlab上提取数据并进行处理.数据文件的提取可以通过两种方式：一种是直接在文件“Matlab Drive”的“MobileSensor Data”文件夹中找到数据文件.另一种是在Matlab命令窗口输入命令语句load+文件名，如load（′张西西a-F 50g.mat′），即打开相应数据文件.

数据文件中一般包括X，Y，Z3个方向及时间t的数据.如图2实物装置图所示，运动的方向是手机传感器的Y轴方向，对于验证牛顿第二定律实验，我们只需要研究Y轴方向的加速度ay，通过Matlab命令语句调取跟本实验相关的Y方向的加速度ay和时间t的数据.

在提取出与实验相关的数据后，通过Matlab命令语句对数据进行绘图与计算处理.如图3所示，首先是作图呈现，绘制实验得到的Y方向加速度a实y和理论加速度a理y随时间的变化曲线进行对比，以判断此次实验所得数据是否可靠；其次通过Matlab命令语句计算AB段a实y的平均值及其相对误差.

图3 滑块在钩码（m0=50 g）牵引下的加速度实验值与理论值的对比图

对每次实验均计算其平均值，将其与对应的合外力F以及总质量M的倒数进行绘图，便可以验证牛顿第二定律，如图4所示.

图4 加速度a与合外力、系统总质量之倒数的关系图

4 多用户实验监控

4.1 平台的实现

由于参与实验操作的人数较多，教师如何对学生的实验操作与探究过程中及时地给予评价与指导，是当前物理教育者的一个挑战.目前对实验操作考试的评价方式主要是通过实验报告的评改给予等级分数和教师监考少数学生实验操作并给予分数.这两种评价方式都存在一定缺陷，前者教师不易发现学生存在的问题；后者则需大量人力［10］.

针对以上问题，在利用Matlab mobile采集实验数据并同步至云端的基础上，利用电脑端软件Matlab中的组件APP，开发相应实验监控平台，以实现对多个用户实验数据的监控，并及时对其实验操作进行评价与指导.

4.2 监控平台的设计

平台的开发主要包括两部分内容：界面的设计与程序的设计.界面的设计主要通过拖拉并编排所需的组件；程序的设计是对组件的行为进行编程，主要实现数据的处理、绘图以及多个数据对比.

4.3 以“验证牛顿第二定律”实验监控为例说明监控平台的实现

小组里的每一个学生利用智能手机进行“验证牛顿第二定律”的实验，要实现对学生实验过程进行监控，需要登录同一个Matlab账户，这样所有学生的实验数据都可以同步至同一个Matlab云端，以便教师对所有学生的实验数据进行查看与监控.

现以“验证牛顿第二定律”实验监控为例说明监控平台的实现.首先对所有学生的每一次实验都绘图呈现并与理论值进行对比，如图5所示.

图5 整组学生的滑块m0=50 g时加速度与时间的关系与理论值对比情况监控图

这可以帮助教师直观地看到这组5个学生的某一次实验整体情况，及时发现存在较大实验误差的学生，如图5中显示了张大大同学实验结果偏离理论太多，存在较大的实验误差，需要及时给予指导和帮助；其次教师可以查看每位学生具体的每次实验情况及其相对误差，如图6所示，教师据此指导学生分析实验过程存在的误差.最后是所有实验均做完后，通过查看学生加速度与合外力、总质量的关系图，如图7所示，可以直观地了解这一组学生整体实验情况，从而可以给予相应实验评价.

图6 某生在合外力恒定不变m0增加50 g时加速度与时间的关系及相对误差监控图

图7 某生的加速度与合外力关系系列图像监控

5 总结

智能手机作为当今极为普及的信息工具，其在物理实验教学中的研究，是教育发展和课程标准的需要及要求.本文主要以高中“验证牛顿第二定律”实验为例阐述单用户实验和多用户实验监控平台的开发过程，为基于Matlab mobile手机软件的物理实验开发提供新方案以及学生分组实验的多用户实验过程监控和评价提供技术参考.