基于Matlab mobile的高中物理實驗與多用戶實驗監(jiān)控平臺開發(fā)
——以驗證牛頓第二定律為例

張碧婷 周重儀

（華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510000）

李豐果

（華南師范大學物理國家級實驗教學示范中心 廣東 廣州 510000）

1 引言

高中物理課程標準（2017年版）明確指出：“要設計各種學習活動讓學生利用信息技術提升物理學習能力.如利用手機等信息技術工具便捷地解決某些物理學習問題.”［1］當前智能手機已經(jīng)成為功能強大和應用程序豐富的智能化平臺，眾多學者從不同方面探討和研究將手機應用于高中物理教學和學生的學習中.這些研究主要有：

（1）學習交流.借助手機社交軟件，建立學習交流體系［2］；

（2）翻轉(zhuǎn)課堂.學生借助手機在課前觀看微課視頻，課上進行深入交流，實現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)［3］；

（3）實驗教學和實驗開發(fā).利用手機延遲攝影呈現(xiàn)物理實驗細節(jié)［4］；利用智能手機內(nèi)置傳感器進行物理實驗等［5～9］.

在實驗開發(fā)方面，主要借助手機內(nèi)置傳感器采集實驗數(shù)據(jù)，并應用軟件（如Phyphox等）提取數(shù)據(jù)和顯示實驗的結(jié)果.但由于此類手機軟件的數(shù)據(jù)處理和分析能力較弱，通常需要將記錄得到的實驗數(shù)據(jù)后期導出到Excel等電子表格，再導入到其他功能強大的數(shù)據(jù)處理軟件（如Matlab，Origin等）進行進一步的處理和作圖呈現(xiàn).在這一過程中實驗數(shù)據(jù)傳輸需要人工處理，無法實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)傳輸，也無法實現(xiàn)多部手機實驗數(shù)據(jù)的同時實時傳輸.基于上述原因，本文提出基于手機應用軟件Matlab mobile和電腦端Matlab相結(jié)合的高中物理實驗開發(fā).以高中驗證牛頓第二定律實驗為例闡述單用戶實驗和多用戶實驗監(jiān)控平臺的開發(fā)過程.這一研究將為基于Matlab mobile手機軟件的實驗開發(fā)和學生分組實驗的多用戶實驗過程監(jiān)控和評價提供技術參考.

2 Matlab mo bile和Matlab實驗及監(jiān)控平臺介紹

實驗和監(jiān)控平臺，是在Matlab系列軟件上開發(fā)的，結(jié)構(gòu)如圖1所示.平臺由3部分組成：

圖1 平臺結(jié)構(gòu)示意圖

（1）實驗數(shù)據(jù)獲取部分，利用Matlab mobile軟件獲取手機內(nèi)置傳感器的實驗數(shù)據(jù)并同步至云端；

（2）數(shù)據(jù)同步傳輸部分，Matlab Drive的云服務功能為數(shù)據(jù)文件提供了云存儲位置，在安裝組件Matlab Drive Connector后可輕松訪問任何云端數(shù)據(jù)文件；

（3）實驗數(shù)據(jù)處理和多用戶實驗數(shù)據(jù)的監(jiān)控部分，利用強大的數(shù)據(jù)處理軟件Matlab mobile或Matlab對數(shù)據(jù)進行處理和實驗結(jié)果的呈現(xiàn)，并利用組件Matlab APP實現(xiàn)對多用戶實驗數(shù)據(jù)的監(jiān)控，以了解學生的實驗過程情況.

3 基于Matlab mobile的驗證牛頓第二定律實驗單用戶實驗開發(fā)

3.1 實驗裝置

實驗器材有：氣墊導軌、滑塊、裝有Matlab mobile軟件的智能手機、輕質(zhì)滑輪、不同質(zhì)量的砝碼、電子天平、細繩等.實驗裝置示意圖和局部實物圖如圖2所示.

3.2 實驗過程

3.2.1 實驗操作

（1）調(diào)節(jié)氣墊導軌.利用水平儀將氣墊導軌調(diào)至水平.

（2）組合研究對象與稱量質(zhì)量.將裝有軟件Matlab mobile的手機與滑塊粘一起，并用電子天平測得滑塊與手機的總質(zhì)量M，掛鉤與砝碼總質(zhì)量m0.用細線將滑塊繞過滑輪與砝碼連在一起.

（3）實驗前手機軟件設置.打開軟件Matlab mobile，選擇“傳感器”，點亮加速度傳感器的圖標，選擇“日志記錄”的傳輸方式，并取數(shù)據(jù)采集頻率為10 Hz.按下“開始”鍵后釋放滑塊.

（4）實驗數(shù)據(jù)保存與同步.實驗結(jié)束后，在Matlab mobile軟件上按“結(jié)束”鍵，并命名實驗數(shù)據(jù).選擇保存后，這時Matlab Drive自動將數(shù)據(jù)同步至云端.

（5）改變變量，進行多組實驗.先保持M不變，多次改變m0；再保持m0不變，多次改變M的大小，按上述步驟進行多次實驗.

3.2.2 數(shù)據(jù)提取及處理

利用手機軟件Matlab mobile采集實驗數(shù)據(jù)，可以直接在該軟件中進行數(shù)據(jù)處理；也可以將采集的實驗數(shù)據(jù)實時同步至云端后，便可以在電腦端的Matlab上提取數(shù)據(jù)并進行處理.數(shù)據(jù)文件的提取可以通過兩種方式：一種是直接在文件“Matlab Drive”的“MobileSensor Data”文件夾中找到數(shù)據(jù)文件.另一種是在Matlab命令窗口輸入命令語句load+文件名，如load（′張西西a-F 50g.mat′），即打開相應數(shù)據(jù)文件.

數(shù)據(jù)文件中一般包括X，Y，Z3個方向及時間t的數(shù)據(jù).如圖2實物裝置圖所示，運動的方向是手機傳感器的Y軸方向，對于驗證牛頓第二定律實驗，我們只需要研究Y軸方向的加速度ay，通過Matlab命令語句調(diào)取跟本實驗相關的Y方向的加速度ay和時間t的數(shù)據(jù).

在提取出與實驗相關的數(shù)據(jù)后，通過Matlab命令語句對數(shù)據(jù)進行繪圖與計算處理.如圖3所示，首先是作圖呈現(xiàn)，繪制實驗得到的Y方向加速度a實y和理論加速度a理y隨時間的變化曲線進行對比，以判斷此次實驗所得數(shù)據(jù)是否可靠；其次通過Matlab命令語句計算AB段a實y的平均值及其相對誤差.

圖3 滑塊在鉤碼（m0=50 g）牽引下的加速度實驗值與理論值的對比圖

對每次實驗均計算其平均值，將其與對應的合外力F以及總質(zhì)量M的倒數(shù)進行繪圖，便可以驗證牛頓第二定律，如圖4所示.

圖4 加速度a與合外力、系統(tǒng)總質(zhì)量之倒數(shù)的關系圖

4 多用戶實驗監(jiān)控

4.1 平臺的實現(xiàn)

由于參與實驗操作的人數(shù)較多，教師如何對學生的實驗操作與探究過程中及時地給予評價與指導，是當前物理教育者的一個挑戰(zhàn).目前對實驗操作考試的評價方式主要是通過實驗報告的評改給予等級分數(shù)和教師監(jiān)考少數(shù)學生實驗操作并給予分數(shù).這兩種評價方式都存在一定缺陷，前者教師不易發(fā)現(xiàn)學生存在的問題；后者則需大量人力［10］.

針對以上問題，在利用Matlab mobile采集實驗數(shù)據(jù)并同步至云端的基礎上，利用電腦端軟件Matlab中的組件APP，開發(fā)相應實驗監(jiān)控平臺，以實現(xiàn)對多個用戶實驗數(shù)據(jù)的監(jiān)控，并及時對其實驗操作進行評價與指導.

4.2 監(jiān)控平臺的設計

平臺的開發(fā)主要包括兩部分內(nèi)容：界面的設計與程序的設計.界面的設計主要通過拖拉并編排所需的組件；程序的設計是對組件的行為進行編程，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、繪圖以及多個數(shù)據(jù)對比.

4.3 以“驗證牛頓第二定律”實驗監(jiān)控為例說明監(jiān)控平臺的實現(xiàn)

小組里的每一個學生利用智能手機進行“驗證牛頓第二定律”的實驗，要實現(xiàn)對學生實驗過程進行監(jiān)控，需要登錄同一個Matlab賬戶，這樣所有學生的實驗數(shù)據(jù)都可以同步至同一個Matlab云端，以便教師對所有學生的實驗數(shù)據(jù)進行查看與監(jiān)控.

現(xiàn)以“驗證牛頓第二定律”實驗監(jiān)控為例說明監(jiān)控平臺的實現(xiàn).首先對所有學生的每一次實驗都繪圖呈現(xiàn)并與理論值進行對比，如圖5所示.

圖5 整組學生的滑塊m0=50 g時加速度與時間的關系與理論值對比情況監(jiān)控圖

這可以幫助教師直觀地看到這組5個學生的某一次實驗整體情況，及時發(fā)現(xiàn)存在較大實驗誤差的學生，如圖5中顯示了張大大同學實驗結(jié)果偏離理論太多，存在較大的實驗誤差，需要及時給予指導和幫助；其次教師可以查看每位學生具體的每次實驗情況及其相對誤差，如圖6所示，教師據(jù)此指導學生分析實驗過程存在的誤差.最后是所有實驗均做完后，通過查看學生加速度與合外力、總質(zhì)量的關系圖，如圖7所示，可以直觀地了解這一組學生整體實驗情況，從而可以給予相應實驗評價.

圖6 某生在合外力恒定不變m0增加50 g時加速度與時間的關系及相對誤差監(jiān)控圖

圖7 某生的加速度與合外力關系系列圖像監(jiān)控

5 總結(jié)

智能手機作為當今極為普及的信息工具，其在物理實驗教學中的研究，是教育發(fā)展和課程標準的需要及要求.本文主要以高中“驗證牛頓第二定律”實驗為例闡述單用戶實驗和多用戶實驗監(jiān)控平臺的開發(fā)過程，為基于Matlab mobile手機軟件的物理實驗開發(fā)提供新方案以及學生分組實驗的多用戶實驗過程監(jiān)控和評價提供技術參考.