基于智能手机实现大学文科物理课堂互动模式

刘婷婷 刘 甲 武振国 白 帆

(山西农业大学信息学院，山西 太谷 030800)

自1956年达特茅斯会议上人工智能概念的提出，人工智能经历其漫长的冬眠期已逐渐苏醒，自2007年，第一代苹果智能手机的推出，接着联想、华为、小米等国内手机制造公司也不断地推出其智能手机，从诺基亚、摩托罗拉手机只能用来收发短信，接打电话，到现在手机几乎取代了电脑的功能，从传统的网络时代已完全踏入到移动互联网时代，智能手机在人们的生活中也占据越来越重要的位置，尤其是当代在校大学生，手机已成为随身必备的工具，除了满足基本的通讯功能，还要进行如文字编辑、文件传输、上课签到签退等活动。随着手机为学生的生活提供越来越多的便利的同时，充分利用手机内置的各种传感器，进行一定的编程开发实现手机教学APP程序，对于大学课堂的有效开展也具有非常大的促进和突破效用。

同时，近年来越来越多的高校十分重视大学生综合素质能力的培养如山西农业大学信息学院坚持三位一体的培养模式即专业教育、通识教育、完满教育三管齐下，因此学校已开设多门通识类课程，包括面向文科学生开设的一些自然科学类课程。但由于大部分文科类学生对如物理、数学、化学等自然科学类课程不感兴趣，感觉太难，如果所开设的课程仍过分注重培养学生分层次、模块化学习，过度要求理论论证、实验数据的处理与计算，就必然会导致学生求知欲降低，教学目的难以实现。

近些年我们一直对文科物理类课程教学进行了思考与改革，以物理与人类生活这门课程为例，我们从教学软硬件两方面都做了一些改革，在原有传统的教学内容的基础上，开设了新的教学内容以及教学模式和手段以适应本校文科学生的物理教学。其中“基于智能手机实现大学文科物理课堂互动模式”，利用智能手机APP声音频率发声器和示波器软件，使学生最大程度地感知乐音的独特美感。

声学是物理学系统中非常重要的组成部分，也和我们人类的生活息息相关，如何让学生感知声音的特性进而探索乐音和谐悦耳的奥秘，传统的课堂中只注重理论的理解和计算。利用智能手机APP软件，通过手机实现声音的产生及接收，实现了随时随地可以演示声音现象以及进行相关测量的工具。

本次课程所需硬件由发声部分、接收部分、分析处理部分组成。发声部分可以是如笛箫、小提琴、二胡等真实乐器，也可以是自制发声腔管，如用不同水位的玻璃瓶发出声响，也可以用手机软件声音频率信号发声器(Frequency Generator)放出，信号直接输出。在接收部分，发出的声音由麦克风接收将声信号转换为电信号，可使用带声卡的计算机。分析处理部分的功能可由手机APP软件示波器(Oscilloscope)或计算机来实现，可对频谱进行进一步的分析，从而深度研究其音色、音量等特征，见图1。

图1 课程所需硬件部分

进而我们还尝试用两部手机同时发出特定频率的声音信号，使用第三台手机实现声音的采集与处理，研究拍现象，见图2。

图2 实验演示拍现象装置示意图

当两个频率相近的声音信号在空间相遇，这两个信号就会进行叠加，如图3所示。

图3 拍频示意图

设两个振幅相同的声波信号，其波动方程分别为

y1=Acos(f1t)

y2=Acos(f2t)

其合成后

y=2Acos[(f1-f2)πt]sincos[(f1+f2)πt]

其中拍频fbeat=|f1-f2|

从图像上来看，上面两个波形分别为两列频率较相近的波，最下面的波形为上面两列波叠加后形成的，叠加

后的波形频率与上面两列波的频率有了一定的偏差，更为明显的是振幅发生了变化。振幅在声学上体现为声音的响度，因此在听觉上就会出现音量周期性的变化，即一强一弱为一次拍，这就是拍频。

通过本次实验我们顺利观察到了两列声波的合成波形图，使得同学们深刻理解了乐器调音的原理。通过学生的课前预习，课上老师对理论的讲解和推导，学生的亲手演示和测量，这种以学生为主体，积极调动学生的积极性，使得课堂气氛不再沉闷。

教学实践证明，此次教改是成功的，学生的热情高涨，并能积极参与到本次课堂活动中。有的学生在反馈中写到：“都说耳听为虚，眼见为实，我终于见证了声音的美妙，通过观察示波器上跳动的波形，我十分兴奋，原来音乐的波形是如此和谐而美丽。同时我还尝试了自己造琴，并对其进行了测量，好有成就感啊！我知道这是艺术

之美，更准确的应该叫音乐的数理之美吧……”

通过本次课程的改革，我们让学生自己操作从中获得体会，感受自然学科的美妙，这一切胜过千言万语的讲授，胜过连篇累牍的枯燥推演，通过实验器材和手机APP软件的处理，一切都变得简单明了，这冥冥之中也暗合了音乐、数学、物理所共有的简洁与和谐之美。这种方式成本低、容易操控、学生主动性强等优点，下一步我们还会对实验所测结果进行定量的分析和研究，以及开发新的手机APP软件使其进入课堂。