基于二維碼技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)

李娟妮,周　紅,門(mén)庭軒,張心蕊

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基于二維碼技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)

李娟妮,周紅,門(mén)庭軒,張心蕊

(西安石油大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)中心，陜西 西安 710065)

為了充分利用移動(dòng)設(shè)備的普及性、便捷性，充分發(fā)揮開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，將二維碼技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)的構(gòu)建. 利用二維碼使用方便、可靠性高，技術(shù)成熟、部署成本低等特點(diǎn)，為實(shí)驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)提供了便捷的訪問(wèn)入口，具有學(xué)習(xí)成本低、檢索信息定位準(zhǔn)確、直接，便于維護(hù)，易與現(xiàn)有技術(shù)、平臺(tái)對(duì)接等應(yīng)用優(yōu)勢(shì).

物理實(shí)驗(yàn)；二維碼技術(shù)；開(kāi)放平臺(tái)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為理工科學(xué)生必上的基礎(chǔ)課程，不僅可以加深學(xué)生對(duì)抽象物理理論知識(shí)的理解，還可以培養(yǎng)他們科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力. 為了培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，當(dāng)前主流的教學(xué)模式依然沿用傳統(tǒng)的講授方法. 教師講授實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)原理后，按照既有的實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 通過(guò)這種訓(xùn)練，學(xué)生能夠逐漸體會(huì)到經(jīng)典實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思維方式，掌握基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)方法和規(guī)范的數(shù)據(jù)處理方法，但這種教學(xué)模式限制了學(xué)生創(chuàng)造能力的發(fā)揮和個(gè)性的發(fā)展[1].

1　開(kāi)放式物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新型思維，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)的能力，在傳統(tǒng)被動(dòng)接受、模仿操作的基礎(chǔ)上，還需要充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，讓他們自己提出實(shí)驗(yàn)課題，制定相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 讓他們切身體會(huì)到物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的樂(lè)趣[2]. 在這種培養(yǎng)目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)行開(kāi)放型的教學(xué)模式已經(jīng)成為當(dāng)前的主流趨勢(shì).

開(kāi)放型教學(xué)模式完全貫徹以學(xué)生為中心，教師為輔助的教學(xué)理念. 學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，在現(xiàn)有知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)查詢相關(guān)內(nèi)容，形成設(shè)計(jì)思想，在理解儀器構(gòu)造和使用方法的基礎(chǔ)上，自行搭

建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的調(diào)試和數(shù)據(jù)的采集. 在整個(gè)過(guò)程中，教師以引導(dǎo)和啟發(fā)為主，輔助學(xué)生正確完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力. 開(kāi)放性教學(xué)為學(xué)生提供了較為寬泛的環(huán)境，讓他們?cè)跁r(shí)間、空間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和課題上都有較大的選擇性和自由度[1]. 其中，實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)方法的多樣性，會(huì)增加平臺(tái)搭建的復(fù)雜度. 學(xué)習(xí)各種型號(hào)的實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)驗(yàn)原理和使用方法是開(kāi)放式學(xué)習(xí)不可或缺的環(huán)節(jié). 因此，如何在這一環(huán)節(jié)為學(xué)生提供相關(guān)幫助，是衡量物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)的重要指標(biāo)[3]. 傳統(tǒng)的紙質(zhì)媒介，如實(shí)驗(yàn)教材編寫(xiě)主要以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為單位，儀器相關(guān)內(nèi)容的編排往往不便于學(xué)生查閱，尤其是在學(xué)生遇到某個(gè)新儀器時(shí)，往往不知從何下手. 另外由于實(shí)驗(yàn)教材和實(shí)驗(yàn)儀器的更新周期不同步，造成教材內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)儀器在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不匹配；而儀器說(shuō)明書(shū)缺乏統(tǒng)一性和規(guī)范性，并且不便于維護(hù)和管理. 傳統(tǒng)PC環(huán)境下的Web平臺(tái)克服了以上問(wèn)題，不僅便于維護(hù)，而且可以利用多媒體技術(shù)傳遞更豐富的內(nèi)容，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不容易查找，且只能在固定的位置使用，制約了物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)的進(jìn)一步有效利用. 本文將二維碼技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)放平臺(tái)，試圖采用更為簡(jiǎn)單和直接的方式解決當(dāng)前的問(wèn)題，則可充分利用移動(dòng)設(shè)備的普及性和便捷性，構(gòu)建更為高效的開(kāi)放型教學(xué)模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率.

2　基于二維碼技術(shù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)架構(gòu)

二維條碼/二維碼(two-dimensional code)是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律，采用平面分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息. 隨著智能設(shè)備的普及和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，二維碼技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生活的各個(gè)方面，如身份識(shí)別、收支費(fèi)用、上網(wǎng)瀏覽、電子憑證等[4]. 為了能夠在種類和型號(hào)繁多的實(shí)驗(yàn)儀器中，方便、快捷地找到與當(dāng)前實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)x器相關(guān)的內(nèi)容，讓學(xué)生的思維集中于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和平臺(tái)的搭建，我們將二維碼技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其構(gòu)架如圖1所示.

圖1　基于二維碼技術(shù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)架構(gòu)

首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器信息的數(shù)據(jù)庫(kù)的組織形式，將各個(gè)儀器的信息訪問(wèn)路徑編碼，生成二維碼標(biāo)簽，貼示于儀器或其周圍的合適位置，學(xué)生可以通過(guò)手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備中安裝的二維碼掃描工具(如全能二維碼、微信等)，對(duì)自己感興趣的儀器二維碼信息進(jìn)行掃描，通過(guò)識(shí)別、解析和匹配環(huán)節(jié)，最終可以在移動(dòng)設(shè)備終端顯示當(dāng)前儀器相關(guān)的所有信息.

例如，開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有的儀器，將各個(gè)儀器的相關(guān)內(nèi)容，制作成移動(dòng)設(shè)備兼容的多媒體網(wǎng)頁(yè)，存儲(chǔ)于實(shí)驗(yàn)中心的服務(wù)器端. 每種儀器分配唯一的URL地址，通過(guò)二維碼生成工具，將生成的二維碼貼在相應(yīng)的儀器表面，方便學(xué)生使用. 當(dāng)學(xué)生利用可以識(shí)別二維碼的App掃描二維碼，就會(huì)跳轉(zhuǎn)到特定儀器的網(wǎng)址，從而可以了解學(xué)習(xí)儀器相關(guān)的內(nèi)容：儀器名稱、型號(hào)、原理、基本操作及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目. 如圖2所示MOS-602通用示波器的介紹內(nèi)容.

圖2　MOS-602通用示波器內(nèi)容示例

基于二維碼的技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)，其信息檢索的方便性、準(zhǔn)確性是不言而喻的. 而且由于二維碼的應(yīng)用如此廣泛，如何使用已成為“常識(shí)”：在幾乎不需要任何宣傳、講解和指導(dǎo)的情況下，學(xué)生會(huì)很“自覺(jué)”地掃碼. 在提高信息訪問(wèn)便捷的同時(shí)，激發(fā)了學(xué)生的興趣，物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)成為學(xué)生真正樂(lè)于使用的“幫手”；再者，無(wú)論儀器二維碼標(biāo)簽，還是物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)的儀器信息，維護(hù)成本很低，信息的修正和更新也幾乎是實(shí)時(shí)的；對(duì)于已經(jīng)建立的Web開(kāi)放平臺(tái)，不需要修改或經(jīng)過(guò)少量修改，二者就可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，有效利用已有成果，避免重新建設(shè)帶來(lái)的問(wèn)題.

3　實(shí)驗(yàn)方式和教學(xué)效果

隨著高等教育受益面的逐步擴(kuò)大,學(xué)生受教育需求向多元化發(fā)展[5]. 物理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放平臺(tái)為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，提供了全方位、全天候的學(xué)習(xí)環(huán)境，允許學(xué)生根據(jù)自身需求選擇其感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[6]. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容主要包括3部分：基礎(chǔ)項(xiàng)目、提高項(xiàng)目和綜合項(xiàng)目. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及近百種實(shí)驗(yàn)儀器，包括：長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器、時(shí)間測(cè)量?jī)x器、質(zhì)量測(cè)量?jī)x器、溫度測(cè)量?jī)x器、電磁測(cè)量?jī)x器、常用電子儀器、常用光學(xué)儀器和常用光源. 在基于二維碼技術(shù)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，每種儀器上都有二維碼標(biāo)識(shí)，便于學(xué)生快速地了解儀器相關(guān)信息. 對(duì)于不同層次的學(xué)生，這種實(shí)驗(yàn)方式的優(yōu)勢(shì)也是不同. 低年級(jí)學(xué)生在完成基礎(chǔ)性或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，可以更加方便、直接地獲取儀器相關(guān)信息；相對(duì)于傳統(tǒng)的方法，具有便捷性和實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn). 高年級(jí)學(xué)生完成設(shè)計(jì)性或研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，面對(duì)眾多不同型號(hào)的實(shí)驗(yàn)儀器，可以快速并且準(zhǔn)確地找到合適的實(shí)驗(yàn)儀器，完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目. 如：電學(xué)實(shí)驗(yàn)中所使用的電鍵，可以分為：?jiǎn)蔚秵沃秒婃I、單刀雙置電鍵、雙刀雙置電鍵. 當(dāng)這些電鍵都作為可用器材時(shí)，需要學(xué)生對(duì)每種電鍵的特點(diǎn)有清晰地認(rèn)識(shí). 如果再通過(guò)查閱教材的方式獲取這些信息，就會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)的主要思路；而采用掃描二維碼的方式，可以較好地提高實(shí)驗(yàn)完成的效率.

4　結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的開(kāi)放平臺(tái)主要基于PC平臺(tái)，我們的工作充分利用了手持設(shè)備的廣泛性和二維碼技術(shù)的便捷性，將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過(guò)程中. 一方面，提供了方便快捷的儀器信息的檢索方式；另一方面，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)放提供了快速的通道，提高了實(shí)驗(yàn)效率.

[1]浦其榮,霍劍青,軒植華. 開(kāi)放型物理實(shí)驗(yàn)的研究和探索[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2005,25(2):31-32.

[2]張?jiān)雒?孫臘珍,霍劍青,等. 創(chuàng)新研究型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2009,29(7):14-17.

[3]王震,丁永文,杜木. 普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“提出問(wèn)題”[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2010,30(4):18-21.

[4]馬鳴,李海波. 基于Android的二維碼的生成與識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù),2012, 8(26):6353-6356.

[5]李潮銳,吳深尚. 物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教育的探索與實(shí)踐[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2005,25(4):25-27.

[6]張銳波. 基于創(chuàng)新開(kāi)放平臺(tái)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(7):198-201.

[責(zé)任編輯：郭偉]

Open platform of physical experiment based on QR code technology

LI Juan-ni， ZHOU Hong， MEN Ting-xuan， ZHANG Xing-rui

(Centre of Physical Experiments, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065， China)

In order to make full use of the popularity and convenience of mobile devices, the QR code technology was applied to construct an open platform of physical experiment. The platform provided convenient access benefited from the characteristics of QR code, such as good usability, high reliability, technical maturity and cost-effective deployment. This method had the advantages of low cost, accurate and direct information retrieval, easy maintenance, good usability and easy docking with the existing technologies and platforms.

physics experiment; quick response (QR) code technology; open platform

2016-05-30；修改日期：2016-07-12

李娟妮(1979-)，女，甘肅蘭州人，西安石油大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心講師，博士，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

G642.423;O4-39

B

1005-4642(2016)10-0027-03

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文