大学物理实验课程手机App的设计研究

2021-05-07张宏远徐清森冯正南王红岩

大学物理实验 2021年1期

张宏远，徐清森，陈聪，冯正南，王红岩

(北华大学理学院，吉林吉林 132013)

随着科学技术的发展和智能设备的普及应用。为提升大学物理实验课程的教学质量，提供学生的学习兴趣，使传统实验教学与飞速发展的科技水平较好地融合与接轨。本文在基于LABVIEW的惠斯通电桥实验仿真设计的基础上，对大学物理实验课程手机App的设计进行了探索和研究，力争使设计更加贴近本专业实验特点，在实验预习、实验操作、数据处理等方面能够作为实验网络仿真课程的有效补充。虚拟仪器技术引入实验教学，既可缓解教学仪器短缺，使教学更生动形象，又可培养学生的创新能力，动手能力，提高综合素质[1]，而将虚拟仿真结合手机应用的开发和使用，则是对仿真应用的有力拓展。

1 项目设计目标

大学物理实验是大学物理本科专业课程的重点内容，既能够帮助学生更好的理解和学习相关的理论课程，更是一门独立的涉及物理思想、物理理论、实验设计、实验技术、基础科研能力的专业课程。学生在学习过程中，常常由于预习不充分、对实验目的和原理等内容理解不透彻等原因，从而导致实验课程学习被动，实验效果大打折扣。因此，项目的设计目标重点放在帮助学生更好地完成实验预习，熟悉实验操作，了解数据处理这三个主要方面，这样通过预习的学生，进入实验课堂能更快地进入实验角色，能够更好更快地理解实验内容，从而高质量地完成实验。项目设计目标框图，如图1所示。

图1 项目设计目标

1.1 实验目的及实验原理部分

该内容除了教材部分内容外，还增加了涉及实验背景、物理学史、线路连接、实验器材等相关内容的方案图片、操作、视频、flash动画等内容。帮助学生更好的理解并完成本部分实验内容的预习，激发学习兴趣，把消极被动地学习转变成积极主动地学习。惠斯通电桥法测电阻仿真实验中涉及的实验原理，背景，线路等设计截图如图2所示。

图2 仿真实验的原理，背景，线路等设计示意图

1.2 实验操作方法及步骤仿真部分

该部分内容是以基于labview的惠斯通电桥实验仿真为基础进行设计。其特点是所有设计都是学生自主研究，对于提高学生自主学习能力，发挥学科融合有一定意义，其优点是更加贴近本校本专业实验特点，在实验器材，实验操作要求上都完全与实验相同，其缺点是由于项目完成时间要求，学生对开发工具的利用还不够专业，有些功能没有得到应用。设计项目在界面功能等方面不够完善，还有很多改进之处。仿真实验操作部分界面图和部分程序框图如图3、4所示。

图3 仿真实验操作部分界面示意图

图4 仿真实验操作部分程序示意图

1.3 实验数据及处理部分

该部分内容是大多数仿真实验设计中往往容易被忽略的部分，而数据处理是物理实验的重要组成部分，是培养大学生科学研究素养的重要环节，也是学生掌握的难点，因此在每个实验完成操作预习之后，对于不同实验的数据处理要求应该给予学生一定的提示和指导。如图5所示。

图5 仿真实验数据处理部分示意图

项目平台的结构框架如图6所示：

图6 项目平台的结构框架

项目交互流程如图7所示：

图7 项目交互流程

说明：该交互流程能够达到用户管理功能。学生通过注册后登录系统。学生用户在手机App中均以学号实名登录，便于提交实验报告后的统计工作。教师可后台登录系统，进行实验报告的评阅和课后提问的在线问答。

3 项目设计

3.1 设计开发环境与技术：Android Studio

Android Studio是谷歌推出的一个集成开发工具，提供了集成的Android开发工具用于开发和调试。比如Android SDK是Android软件开发工具包，提供Android应用开发所需要的各种工具和Android手机模拟器，下载和安装JDK和JRE，在http://www.oracle.com官网下载，根据系统配置和位数下载安装，为了编译后的程序运行，需要在电脑属性中配置环境变量[2]。

3.2 设计要求

项目设计主要针对客户端功能的设计与实现。客户端采用MVC框架来实现。主要包括模型层(它在Android中主要负责业务逻辑处理，数据库等操作)、视图层(主要是界面的布局描述)、控制层(主要是通过Activity来实现)。

首先，登录和注册界面主要进行学生用户的信息校验和注册功能。其次，登录成功则进入主界面如图8和9所示。可以进行实验原理、实验内容、实验背景等相关内容的学习，之后即可进行仿真实验，并记录实验数据，按照系统提示，进行模拟数据处理，以上过程都是为下一步进入实验室进行真实实验操作打下良好的基础。由于仿真实验也是根据真实实验步骤来进行模拟的，学生科尽快进入“状态”，从而更好更快地完成实验任务。最后，实验完成之后学生可在系统中线上与教师进行互动、问答，并在规定时间内提交实验报告，教师在线完成实验报告批阅并上传报告成绩。实验报告的批改，上传，派发功能，可以有效提高教师批改实验报告的正确率和效率[3]。