蓝牙技术在初中物理教学中的巧妙应用

杨达莉 陆斌

【摘要】本文提出蓝牙设备具有低成本、轻巧、无线传输和兼容性良好的特点，为创新物理教学方式打开新的思路。我们可以将蓝牙设备与计算机结合，利用蓝牙鼠标进行运动学实验，利用蓝牙摄像头观察高速或低速运动物体的运动状态，利用蓝牙耳机和话筒研究声音，利用蓝牙温度计进行热学实验。

【关键词】蓝牙技术 物理教学 应用

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）05A-0064-03

现代信息技术的迅猛发展为教育教学改革提供了前所未有的推动力和技术条件。计算机具有采集数据、存储实验数据、进行繁重的计算与分析、实时演示以及长时间工作等优点，可以完成许多传统实验器材不能完成的工作。但是，目前多数的实验仪器设备与计算机需要有线连接，使很多实验不方便进行，加之设备与计算机之间不具备良好的兼容性，这些专业级的设备并不利于推广使用。而蓝牙设备具有低成本、轻巧、无线传输和兼容性良好等特点，克服了专业设备的这些缺点，如果教师能巧妙利用蓝牙设备，便能克服某些传统物理实验装置不能克服的困难。

一、蓝牙技术的简介

蓝牙（Blue-Tooth）技术是爱立信公司于1994年创建的一种实现短距离无线通信的技术规范[1]，其系统一般由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件单元四个功能单元组成，它能够有效地简化不同的电子通信设备之间的连接和通信，通过无线方式将各种设备连成一个微微网，从而使数据的传输更加快捷高效。

1998年5月，由爱立信发起，爱立信、诺基亚、国际商业机器（IBM）、东芝、英特尔五家公司组成了“蓝牙”技术特别兴趣小组（SIG），其共同目标是让蓝牙技术在全球范围内得到广泛应用。目前蓝牙联盟拥有超过27000个成员，其中亚太成员占相当大的比例，来自大中华区的成员有6462个[2]，使得“蓝牙”成为实现音像和数据无线传输的一种低成本的短距离无线连接技术。

二、蓝牙设备与传统物理实验设备相比的优点

蓝牙技术，作为一种低成本、大容量的短距离无线通信规范，工作在全球开放的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，现在已经赋予了越来越多的设备（如手机、耳机、电脑、鼠标、键盘、音响、数码相机、打印机等）安全、简便的连接，是物联网中物物互联的主要无线通信技术之一。与物理实验室中一般的传感设备相比，蓝牙设备具有以下优点。

（1）成本低

目前蓝牙芯片正以低于1美元的预期目标被大规模市场化运作。市场上常见的蓝牙鼠标、蓝牙耳机等设备价格已经非常低廉，与其他的无线设备价格相差无几。这大大降低了实验仪器成本，让蓝牙技术进入物理实验教学成为一种可能。

（2）体积小、质量轻

蓝牙无线收发器是一块很小的芯片，可以方便地嵌入到任何固定或便携式设备中。这使得蓝牙设备在物理实验仪器的安装中非常方便，不影响设备的大小和外观，所以具有很高的实用性和可操作性。

（3）无线连接

蓝牙芯片可以与计算机建立无线连接，不需要连线的特点使其与计算机的通信非常方便。省去电缆连接缠绕，简化设备间的连接，会使物理实验变得更简洁明了，能更清晰地展现实验现象、原理和效果，也使某些原來无法进行的实验可能开展。

（4）通用性强

蓝牙技术是全球开放的，在全球范围内具有很好的兼容性。所有蓝牙设备都遵循同一个标准，可以在任何支持蓝牙功能的计算机上用，不必考虑兼容性或配对等问题。很多厂商根据蓝牙标准开发了大量的硬件与软件，除了运用于计算机，像移动电话、数字相机、摄像机、打印机、传真机、家电等许多电子设备都可以采用蓝牙技术实现无线连通。而传统物理实验中的传感器等设备只能使用特定厂商生产的软件，这些硬件离开了特定的软件就无法工作。

（5）可多设备同时连接

一台电脑可以同时与多个蓝牙设备连接。例如，一台计算机可以支持127个USB设备，每个USB口可以接1个蓝牙适配器，而一个蓝牙适配器可同时与其他7台蓝牙设备建立连接。这意味着一台电脑理论上可以和889台蓝牙设备连接，使得在物理实验中多设备、多仪器的连接和数据交换非常便捷。

（6）传输距离远

按蓝牙4.0标准，蓝牙设备传输距离可达100米，若增大功率可达1000米，在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求。与普通红外线几米到几十米的传输距离、对传输方向性有所要求相比，蓝牙传输要优越得多。

（7）功耗低

相对一般的无线设备而言，蓝牙设备的功耗非常低。因此，蓝牙设备的电池更加耐用，一颗纽扣电池可以用好几年，实验设备也可以做得更小巧。

三、蓝牙设备在物理实验中的妙用

蓝牙设备有着传统的物理实验设备、普通的传感设备和一般的无线设备无法比拟的优点，如果能充分发挥其优势，它必定能为物理实验打开新的思路。以下是笔者根据蓝牙技术的特点，利用不同蓝牙设备设计的几个初中物理实验。

（一）利用蓝牙鼠标精确定位进行运动学实验

一般的蓝牙鼠标都是光电鼠标，所以蓝牙鼠标既具有无线的优势，又具有光电鼠标精确定位的优点。光电鼠标之所以能精确定位，是因为它内部有一个发光二极管，它发出的光照到光电鼠标底部表面，反射光经过一组光学透镜传输到光感应器件内成像。当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。

如果我们将蓝牙鼠标装上小轮子（鼠标需尽量贴近地面），蓝牙鼠标就成了一辆“蓝牙小车”。除了改装鼠标之外，我们还可以用现成的蓝牙遥控车进行实验，通过计算机或手机来控制小车的运动速度和方向。由于采用了无线传输方式，“蓝牙小车”可以在任何地方，包括密闭空间运动，通过计算机和设计好的程序，我们可以非常清楚地对这辆小车进行定位，测量其运动的位移，计算某时刻的速度、加速度等，根据这些数据，还可以实时作出运动的图像。

（二）利用蓝牙摄像头观察高速或低速运动

我们可以用肉眼直接观察以一般速度运动的物体，但无法观察高速运动的物体。例如，我们想了解液体在超重和失重状态时的形状如何，但由于物体运动速度很快，我们根本不可能用肉眼观察到实验现象。有人提出将摄像机跟这些物体绑在一起，把物体运动状态拍摄下来的办法。但普通摄像机太重，做实验不方便，且价格相对昂贵，其机械部分又非常精密，碰撞容易损坏摄像机。有了蓝牙摄像头，完成记录高速运动过程的工作就变得非常简单。蓝牙摄像头非常轻巧，而且没有机械部分，可以经得起激烈的碰撞，包装好后从五六楼掉下去都不会有损坏。我们可以设计一个装有蓝牙摄像头的盒子，把被测物体固定在盒子里面，无论让物体做自由落体运动、平抛运动、加速运动或减速运动，都可以实时地通过计算机进行观察，还可以把录像资料储存在计算机里反复观看。这样，我们就可以在显示器面前，向学生展示以前不可能演示的实验，甚至让学生自己去做这些实验。

利用蓝牙摄像头还可以很方便地观察和记录极慢的过程，如蒸发、溶解、结晶等。而且由于蓝牙摄像头具有低功耗、轻巧及无线等优点，它可以在室外等地点进行长时间的观察，我们也可以通过计算机控制它进行定时拍摄等，这些都是普通摄像设备无法比拟的。

另外，利用蓝牙摄像头还可以观察其他一些肉眼不便观察的现象，以利于学生对物理原理更深刻地理解，如从水中看岸上的物体，体验光的折射等。

（三）利用蓝牙耳机和话筒研究声音

计算机可以记录声音，让我们直观地看到声音的强度和频率，也可以发出一定强度和频率的声音。目前有很多优秀的音乐编辑软件，能很方便地录音，并且可以用波形的形式显示声音文件，还可以根据用户的需要通过声卡发出指定频率和强度的声音。在此基础上利用蓝牙技术，我们就可以做一些以前不方便做的有关声音的实验。

例如，在“声音需要介质传播”的实验中，我们常规做法是：把声源置于密闭容器中，直接用耳朵来听，比较有空气、空气稀薄和真空时声音的大小。但是把声源放到密闭容器中，由于容器的外壳对声音已经起了很强的阻碍作用，声音已经很小不便于观测和比较。而且耳朵只能大概分辨声音的强弱，不能对其实现量化。用蓝牙话筒就可以轻轻松松地把容器里面最真实的声音“传递”出來，同时还可以通过计算机记录下来并进行分析。这时学生就可以很直观地观察到声波的图像，了解声音强度和频率的变化。

（四）利用蓝牙温度计进行热学实验

用计算机可以记录温度的连续变化，便于我们进行分析。而蓝牙技术则可以让我们更方便地探测温度，如了解水沸腾和结冰过程的温度变化特点等。

在生活中有个很有趣的现象：放进冰箱里的热水比冷水结冰速度快。很多人都觉得很神奇，也有很多人持怀疑的态度。可惜用常规的器材做这个实验很麻烦而且不直观，只能得出实验的结果，不能得到实验过程的数据，不方便分析。通过蓝牙温度计（也可以利用一些现有的蓝牙设备进行改装）就能很轻松、很方便地实现温度监测。我们把其中一个蓝牙温度计放入热水中，另一个蓝牙温度计放入冷水中，再一起放入冰柜，然后在计算机面前就可以看到热水和冷水详细的温度变化过程，当然还可以通过蓝牙摄像头把完整过程拍摄下来。

观察上述实验设计案例，我们发现巧妙利用蓝牙技术可以更充分发挥计算机的优势，解决物理传统实验中存在的困难，蓝牙技术特别适用于具有一定危险性或不方便操作的、过程变化迅速或缓慢的实验，还便于复杂数据的处理、分析和比较等。值得一提的是，由于多个蓝牙设备可以同时与计算机连接，我们可以同时进行多组对比实验，实现同步观察和分析。

总之，将蓝牙设备与计算机无线连接，借助计算机的数据采集、存储、分析功能，可以轻松地完成许多我们以前无法完成的物理实验，相信经过不断研究探索，蓝牙技术将推动物理教学向前发展。

【参考文献】

[1]王奉良.蓝牙技术浅析[J].中小企业管理，2010（4）

[2]卫何.蓝牙技术发展及其在物联网中的应用展望[J].应用能源技术，2016（4）

注：本文系2016年度广西高等教育本科教学改革工程项目（项目编号：2016JGA424）研究成果。

（责编 刘小瑗）