基于智能手機加速度傳感器的實驗課教學案例設計

杜瑞鋒

(忻州師范學院地理系,山西 忻州 034000)

目前,現(xiàn)代傳感器在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、醫(yī)療以及日常生活中無處不在,應用廣泛,已深入到汽車、農(nóng)業(yè)機械、建筑設備、醫(yī)療產(chǎn)品、智能手機、電腦產(chǎn)品、生活家居等諸多領域,并在一定的計算機軟件框架支撐下極大地促進信息處理、人工智能等方面的迅猛發(fā)展.[1-3]傳感器在多個領域中產(chǎn)生重大影響,極大地促進學科間的融合和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.

在物理教學領域中,圍繞“加速度”永恒老主題和“智能手機”新設備,眾多學者開展有益的教學嘗試.劉平等[4]自制實驗設備,利用智能手機錄制物體自由下落慢動作視頻并采用Python程序讀取視頻幀數(shù),實現(xiàn)一種加速度測定實驗的新方法.陳秋松等[5]利用智能手機高頻攝像功能開展加速度測定實驗,驗證了牛頓第二定律,獲得較好的教學效果,提高學生對科學探究的興趣.許芙蓉等[6]基于核心素養(yǎng)視域下的教學理念,闡述加速度學習中所涉及的概念、思維、方法等內(nèi)容,構(gòu)建簡單物理模型實驗,利用智能手機app程序Tracker完成加速度的測定工作,達到提升學生核心素養(yǎng)的目的.Peter[7]以地震工程為研究背景,詳細論述加速度傳感器的具體應用案例及研究成果.

在物理教學中,為了獲得直觀的知識感受,實驗課是最常采用的教學手段之一.尤其隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,眾多學者們基于虛擬技術(shù)、物理或計算機軟件平臺等對物理教學實驗課進行積極的探索研究.黎紅梅、[8]高夢杰等[9]把虛擬仿真技術(shù)應用于電子產(chǎn)品設計中,可加快設計電子定時器的進程.程瑩等[10]闡述了MATLAB軟件在數(shù)字信號課程教學中獲得良好應用效果.王曉敏等[11]闡述加速度傳感器在關(guān)節(jié)檢測中的教學應用案例.周建華等[12]基于翻轉(zhuǎn)課堂的教育理念,以微波原理教學案例為載體,豐富和活躍難懂的物理教學課堂.汪小明[13]提出加速度創(chuàng)新實驗方案,指出可通過改變研究對象、改進測量手段以及改進實驗原理來消除系統(tǒng)誤差.范云生等[14]構(gòu)建物理課的仿真教學平臺,可方便地進行物理實驗以及實驗原理的驗證工作.這些有關(guān)物理實驗的嘗試和努力較好地加深知識的掌握、拓寬學生的知識面以及促進理論知識和實踐技能的有機融合.

本文借助常見智能手機內(nèi)置的加速度傳感器,自制簡易結(jié)構(gòu)模型實驗裝備,在MATLAB平臺上實現(xiàn)課內(nèi)三項物理振動實驗的數(shù)據(jù)處理和實驗結(jié)果的可視化處理,獲得理論知識和實際能力良好融合的教學效果,達到了認識、使用現(xiàn)代智能傳感器的良好教學目的,具有良好的教學導向性.

1 智能手機內(nèi)置的傳感器

從本質(zhì)上講,傳感器是一種現(xiàn)代檢測裝置,能夠接收到被測量的信息,并能將此信息按一定規(guī)律變換為電信號或其他所需形式的輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求.智能手機的智能性便是內(nèi)置了眾多的傳感器的本質(zhì)體現(xiàn),已滿足用戶的諸多需要,如智能手機可檢測使用者的行走步數(shù)或心臟跳動頻率,便是其內(nèi)置的加速度傳感器在發(fā)揮作用.

目前,手機通信市場上的Android設備(智能手機、平板電腦等)內(nèi)置的傳感器主要包括加速度計、陀螺儀、磁強計、指南針、GPS以及導航傳感器等,可以獲得三維方向的加速度和角速度、速度、方位角、傾角、經(jīng)緯度以及高度.圖1為常見的Android手機內(nèi)置傳感器的方向規(guī)定.

圖1 智能手機加速度傳感器方向規(guī)定

客觀地講,雖然智能手機在人們的日常生活中得到了廣泛的應用;但是如果沒有一定的物理專業(yè)知識背景,智能內(nèi)置傳感器處于一種鮮為人知的、無法得到充分應用的狀況.

2 MATLAB平臺讀取智能手機傳感器數(shù)據(jù)

目前可以讀取智能手機內(nèi)置傳感器的軟件平臺有多種,MATLAB便是其中的一種.MATLAB是國際上當前比較流行的科學計算軟件,突出特點是集數(shù)據(jù)采集、科學計算、眾多工具箱、可視化操作等功能于一體.在專用的app軟件支持下可以從Android設備內(nèi)置的智能傳感器中讀取數(shù)據(jù),主要步驟如下.

(1) 在臺式電腦上安裝MATLAB軟件,在其中配置mobilesensor、mlpkgsinstall應用app程序.

(2) 在智能手機上安裝app應用程序,即MATLAB mobile.通過云技術(shù)建立起MATLAB程序與第(3)步中手機傳感器之間建立連接.

(3) 在實際測試工作時,首先打開手機上的MATLAB應用程序,選擇擬測試物理量傳感器開關(guān),然后打開開關(guān)便可進行測量.

(4) 測量完成后,將會在手機MATLAB應用程序中生成mat格式文件,點擊上傳至云空間即可;隨后登錄MATLAB社區(qū)便可下載mat格式文件,最后載入臺式電腦中便進行數(shù)據(jù)處理及可視化工作.

3 物理振動實驗

3.1 采集結(jié)構(gòu)振動及周期實驗

振動在自然界具有普遍性和廣泛性,是一種遍布時空的物理現(xiàn)象.實際中,采集振動的專業(yè)設備有地震儀、爆破振動儀以及醫(yī)學上的心電圖采集設備等.本實驗設計的基本目的是讓學生領會振動現(xiàn)象的采集過程和數(shù)據(jù)處理過程,以單質(zhì)點懸臂桿件為研究對象,設計了如圖2所示的簡易實驗裝置,其中桿件為直徑約15 mm的竹竿,底座為木質(zhì)切菜板,激發(fā)振動源為常見的鋼制手錘.

圖2 單質(zhì)點懸臂桿件振動模型

實驗中需要手動打開采集數(shù)據(jù)開關(guān),設定采樣頻率(最大為50 Hz),手動結(jié)束采集過程,生成的數(shù)據(jù)格式為mat格式,須在MATLAB平臺上進行讀取.讀取數(shù)據(jù)后自主編程處理實驗數(shù)據(jù),見圖3.由圖3可見采集到的3個方向加速度響應非常典型,基于傅里葉變換對采集的信號進行處理,可獲得實驗中振動沖擊過程的優(yōu)勢頻率.

圖3 單質(zhì)點懸臂桿件振動實驗結(jié)果

由圖3可知,3個方向的加速度響應曲線非常典型,經(jīng)傅里葉變換后的X向和Y向結(jié)果具有較好的一致性,由此可得到該單質(zhì)點結(jié)構(gòu)的振動周期在1/18.3(s)左右,可視為該單質(zhì)點結(jié)構(gòu)的第一振動周期.總體上講,整個實驗過程體現(xiàn)出較好的可操作性和教學指導性.

3.2 單質(zhì)點有阻尼振動位移響應實驗

基于圖2自制的單質(zhì)點振動實驗裝置,還可開展單質(zhì)點有阻尼自由振動實驗.單質(zhì)點振動方程理論方程如下

(1)

其中,

式(1)中,ω為圓頻率或固有圓頻率,k為剛度,m為質(zhì)量.在具有初速度為0、初位移不為0以及低阻尼的條件下,式(1)的理論解如下

(2)

在本實驗中,通過給單質(zhì)點施加一個初始位移,即采用突然釋放的方式使實驗設備產(chǎn)生振動,然后利用手機便可采集體系中激發(fā)的加速度響應,進一步積分可得到位移響應;利用式(2)可得到理論位移響應,可獲得對比關(guān)系.

由圖4可見,單質(zhì)點體系的有阻尼振動過程實驗曲線與理論值有較大的差異,這種差異性由結(jié)構(gòu)固有的阻尼特性、采集工作中手動產(chǎn)生的誤差等因素導致,甚至可以歸咎于實驗中一定的錯誤;當然這個實驗中也表現(xiàn)出較好的一致性,如結(jié)構(gòu)振動的衰減特性,表明該實驗的設計目的;同時也可讓學生領會理論與實踐的差異性,以及思考如何盡可能地減少實驗誤差.

圖4 單質(zhì)點無阻尼振動實驗結(jié)果與理論結(jié)果對比

3.3 框架結(jié)構(gòu)周期測定

如圖5所示為自制的簡易木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)模型,立柱、橫梁均使用竹竿制成,采用細鐵絲綁扎;上部結(jié)構(gòu)與木質(zhì)底盤采用榫卯結(jié)構(gòu)連接,采用乳膠固化后形成一體,視為固結(jié)受力特征.本模型旨在測定框架結(jié)構(gòu)的自振周期,實驗原理基于振動理論,通過施加一定的初始位移,便可使結(jié)構(gòu)開始振動,通過頂部的手機傳感器便可記錄整個振動過程,如圖6為實驗的主要結(jié)果,即Y向的加速度a-t曲線,以及傅里葉變換結(jié)果,即為框架結(jié)構(gòu)的自振周期,由相關(guān)資料定性地可知實驗結(jié)果是具有較好的可信性.[15]

圖5 框架結(jié)構(gòu)模型及實驗過程

圖6 框架結(jié)構(gòu)實驗結(jié)果

4 結(jié)束語

自制了簡易結(jié)構(gòu)模型,基于手機加速度傳感器和MATLAB平臺,在課堂內(nèi)完成三項物理振動教學實驗,獲得較好的教學效果,對現(xiàn)代科技的發(fā)展以及加速度傳感器的應用產(chǎn)生強烈的印象,激發(fā)學生濃厚的學習興趣,主要的體會總結(jié)如下.

(1) 在現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展的大背景下,傳感器在多個領域產(chǎn)生積極的影響.為了突出傳感器技術(shù)的本質(zhì)意義,本文在目前廣泛使用的智能手機應用環(huán)境下,展示智能手機內(nèi)置傳感器的技術(shù)特征,并闡述在MATLAB平臺上進行app應用程序的使用步驟.

(2) 以融合理論知識和實踐技能為導向,利用木質(zhì)材料制作簡易物理實驗設備,形成典型的物理振動實驗模型,開展3項物理振動實驗;在MATLAB平臺上進行實驗數(shù)據(jù)分析和實驗結(jié)果可視化處理,具有較好的教學目的和導向性,形成比較完整的教學案例.

(3) 在智能手機內(nèi)置的加速度傳感器及MATLAB平臺的支持下,本文制作的實驗裝置簡單易行,即不需要常規(guī)實驗室中所需的加速度采集設備等,具有較好的實際教學應用價值.可以發(fā)揮較好的教學示范作用;為現(xiàn)代傳感器技術(shù)和教育技術(shù)的融合做出有益的探索,旨在為物理教學案例研究提供一定的參考.