基于互聯(lián)網(wǎng)的分光計可視化裝置及實時畫面共享技術研究

吳小平，高海淇

(浙江理工大學 理學院，浙江 杭州 310018)

習近平總書記指出，創(chuàng)新是改革開放的生命，發(fā)展是解決中國所有問題的關鍵。我國“十四五”時期以及更長時期的發(fā)展對加快科技創(chuàng)新提出了更為迫切的要求。新時期高等教育改革，必須堅持“創(chuàng)新是第一動力”的理念。大學物理實驗作為高等學校理工科各專業(yè)學生進入大學后最先學習的一門必修基礎實踐課程，在鍛煉學生的創(chuàng)新精神、實踐能力及創(chuàng)造能力等方面具有明顯優(yōu)勢。大學物理實驗主要包含實驗預習、實驗操作、實驗數(shù)據(jù)處理三個內(nèi)容，而這三個內(nèi)容的開展都離不開有著重要地位的實驗儀器。隨著高教改革進程的不斷推進，許多教育科技工作者對大學物理實驗改革提出了許多有價值的意見和建議，但是他們的意見和建議主要集中于教學方式方法上，忽視了實驗儀器本身的創(chuàng)新改進[1-6]。

從多年的大學物理實驗教學感受和學生做實驗的反饋來看，大學物理實驗中，分光計調(diào)整這類涉及望遠鏡或顯微鏡觀測的實驗，無論是在調(diào)焦過程中，還是在測量過程中，需要不斷地用肉眼對準目鏡。如此煩瑣地觀測和斑駁的光線，都容易造成學生視覺疲勞，大大降低了學生的實驗興趣，也降低了實驗的可操作性和操作效率[7-10]。同時，在進行學生實驗操作過程中，教師需要檢查每位學生的操作情況，以便給出相應指導，由于學生人數(shù)較多，無法在有限時間內(nèi)進行高效指導。為解決上述問題，實驗室一般會采用帶有攝像頭和顯示器的儀器，并與PC機相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)自由調(diào)焦、拍照、錄像等功能。但是對于大學物理實驗，這種方式無疑大大增加了學校經(jīng)費的支出，且容易由于操作不當而損壞，所以這種方法不適合使用頻率高的大學物理實驗[11-17]。

我們發(fā)現(xiàn)處于智能機時代的今天，擁有高像素和高分辨率手機的人越來越多，大學生幾乎是人手一臺，如果能夠利用好智能手機，解決手機與物理儀器的連接問題，那么就能夠解決學生在測量過程中遇到的問題。本文主要基于手機攝像功能，對分光計儀器進行了改進，研制可視化裝置及畫面共享技術，成功實現(xiàn)了用極低的費用為大學物理實驗儀器添加顯示器的目標。不僅解放了眼睛，改變了傳統(tǒng)實驗觀測的方式，而且教師可以實時觀察學生的實驗情況，并給以及時的實驗指導，既增添了實驗的趣味性，又提高了教學的效率和質(zhì)量，具有較好的應用前景。

1 傳統(tǒng)分光計的缺陷及改進方案

1.1 分光計的缺陷

JJY-1型分光計是測量折射率、色散、光波波長等物理量的儀器。分光計主要由五個部分組成：望遠鏡、平行光管、載物臺、刻度圓盤和三角底座，基本構(gòu)造如圖1所示。由于望遠鏡的視場范圍非常小(小于1°44′)，學生在有限的時間內(nèi)極難找到十字叉絲的反射像(尤其是要兩面都出現(xiàn)十字叉絲的像)，從而導致視覺疲勞，無所適從的厭學情緒。同時，學生在操作時，老師也無法判斷學生的實驗情況，以至于無法及時給以實驗指導，教學效果不佳，給師生的教和學帶來了不小的難度。針對以上問題，已有研究可以解決部分問題，但是仍然無法解決長時間對著望遠鏡造成的視覺疲勞，以及老師仍然無法實時觀察學生的實驗情況[7-10]。

圖1 JJY-1型分光計基本構(gòu)造

1.2 改進方案

1.2.1 加可視化支架

基于三維空間坐標系，設計了我們的可視化裝置，可視化裝置的上下調(diào)節(jié)對應于坐標軸的Z軸；前后調(diào)節(jié)對應于坐標軸的X軸；左右調(diào)節(jié)對應于坐標軸的Y軸,實現(xiàn)了這三個軸的調(diào)節(jié)，就相當于實現(xiàn)了整個空間內(nèi)的全方位調(diào)節(jié)。經(jīng)過多次優(yōu)化，我們設計出了一套空間任意方向可調(diào)的支架，設計如圖2所示，我們的分光計可視化裝置獲得了國家專利局的認可，授權了4項發(fā)明專利(如圖3)。此外，考慮到市面上手機大小各異，手機攝像頭位置各異，因此我們對手機夾也進行了優(yōu)化設計(可伸縮范圍5～10 cm)，可適用于市面上所有的手機。根據(jù)以上設計我們定制了一批分光計可視化裝置(如圖4)用于實驗室。

圖2 可視化裝置設計圖

圖3 分光計可視化裝置發(fā)明

(a)(b)

圖5 可視化裝置的使用

在望遠鏡上裝上這一可視化支架，再將我們的智能手機裝進手機夾，用手機的攝像頭對準分光計的目鏡，就可以輕松的通過手機觀察望遠鏡內(nèi)部情況，如圖5所示。這樣可以大大減輕學生的用眼負擔，同時我們分別采用肉眼觀測和手機攝像頭觀測進行多組分光計的實驗，根據(jù)數(shù)據(jù)分析對比(見表1、2)可以發(fā)現(xiàn)利用傳統(tǒng)的觀測方法，誤差結(jié)果約為5%，而采用設計制作的可視化裝置進行實驗測量，誤差可以降低至0.3%左右，這顯著提高了實驗操作的準確性和實驗效率。

表1 利用傳統(tǒng)方法觀測的實驗結(jié)果

表2 利用可視化支架進行觀測的實驗結(jié)果

1.2.2 引入畫面共享技術

(1)學生端：在手機上安裝DScam應用程序之后，學生可以利用該應用程序去調(diào)用手機的攝像頭，將手機變成一個IP攝像頭，并將拍攝到的畫面顯示在手機屏幕上，拍攝的視頻可實時地傳輸?shù)椒掌?，并保存起來?/p>

(2)教師端：采用應用程序DScam，可以將視頻文件在本地實時播放，指導教師可以通過電腦網(wǎng)頁或手機app查看學生的實驗情況，并進行及時的實驗指導，有利于高效快速地完成實驗。還能對實驗過程進行回放，有利于教師進行教學反思(如圖6所示)。整套系統(tǒng)將傳統(tǒng)物理實驗與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，讓傳統(tǒng)物理實驗更加貼近新時代。

(3)服務器端：主服務器是由家用主機改裝而來，主要包括中央處理器，內(nèi)存，主板，電源適配器，硬盤等。主服務器是連接學生端與教師端的中樞，負責接收學生端數(shù)據(jù)，保存學生所拍攝的視頻，并將視頻串流至教師端。

圖6 網(wǎng)頁端(a)和手機端(b)實時監(jiān)視界面

2 應用前景

在理工科高校，實驗室是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要場所，實驗教學是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的一個重要保障，在“新工科”背景下對物理實驗儀器進行改革，順應了新形勢的需求。在智能機和互聯(lián)網(wǎng)流行的當下，將手機攝像功能與分光計儀器有機結(jié)合，自主設計制作了分光計可視化系統(tǒng)。該輔助裝置在教學實踐應用中表明，可視化裝置有效地減輕了學生的用眼疲勞，幫助學生在有限時間內(nèi)高效地完成實驗，不僅如此，畫面共享技術有效地幫助教師實時觀察學生的實驗情況并給以及時指導，極大地提高了課堂教學質(zhì)量及效率。同時，通過物理實驗儀器的自主設計改裝，調(diào)動學生對實驗課的熱情和主動性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力，鍛煉了學生的實際動手能力、分析問題與解決問題的能力，彰顯大學物理實驗的設計性與創(chuàng)造性。依據(jù)方案，在2018-2020級理工科學生中進行了實踐，得到同學和老師們的一致好評，可以在其他院校進行推廣使用。