摘要
随着信息技术的发展，在中国智能手机广泛普及，而恰当的开发及引导，可以使手机进入物理课堂，成为有效的实验辅助工具。本项目设计开发的图形化编程APP能调用智能手机中内置的各类传感器资源，通过蓝牙4.0与运动平台连接后，可图形化编程实现高精度移位，移动的同时内置传感器对多种外部物理量进行定点精确采集，经过算法数据处理后在app界面上以图形、数据表格等形式呈现结果，从而快速完成各类物理实验。利用智能手机来辅助开展物理实验，可以降低实验的仪器成本，保证实验的精度，提升实验设计的开放性，增加课堂活动的趣味性。学生可以根据研究目标设计实验过程，体验自主探究的乐趣。同时本系统在课堂中的应用也能够促进教师的教学创新。
关键词：
图形化编程、中学物理实验、数字传感技术、运动控制
项目背后的故事
在的教学过程中，经常发现学生们对于抽象的物理知识缺乏兴趣和理解，因此开始思考如何让学生更好地理解和体验物理学科。2018年初的一天，我带着一帮学生在校外进行物理实验，我发现学校提供的传统实验器材已经过时了，而且不够便携，难以移动到不同的实验场地，这使我很苦恼。突然，我注意到一个学生在拿着手机玩游戏，想到智能手机拥有各种传感器，我突然有了一个灵感：为什么不把智能手机变成一个物理实验器材呢？这样不仅可以降低实验成本，还能提高实验的便携性。
于是，我开始研究智能手机的传感器和相关技术，通过一番努力，我终于开发出了一个可以利用智能手机传感器进行物理实验的系统。这个系统不仅可以测量光照度、距离、温度等多种物理量，还可以将采集到的数据通过蓝牙发送到手机APP进行分析处理。通过图形化编程，学生们可以控制运动平台的运动参数，探究各种物理规律。
本作品的主要创新点
- 造价相对低廉, 普及率高：相比昂贵的DIS数字传感系统，智能手机价格低廉，普及率高，降低了实验器材成本。
- 集数据测量、采集于一体, 测量快速、准确：APP实现了数据测量、采集一体化，方便灵活，不受场地限制。
- 开放性高，学习成本低，学生能自主设计实验：学生可通过图形化编程自主设计实验，控制运动路径与参数，培养探究能力。
- 便于携带, 适合各种户外科学探究活动：智能手机便于携带，适合在各种生活情境中进行物理实验。
研究过程
设计方案
项目的设计方案经历了三个阶段的演进，从最初仅利用手机传感器采集数据，到实现图形化编程控制物理运动，最终将两者结合，实现了在编程控制的运动中自动采集和分析物理数据。
系统架构
系统由手机APP（数据采集与控制）、树莓派（核心控制单元）、传感器（采集物理量）和电机（实现运动）四大部分组成。手机APP通过蓝牙与树莓派通信，树莓派处理数据并发送指令控制电机和传感器，从而构成一个完整的软硬件闭环系统。
可完成的物理实验
| 序号 | 实验名称 | 对应知识点 | 对应教材 |
|---|---|---|---|
| 1 | 测量玻璃的折射率 | 玻璃折射率测定 n=sin(i)/sin(r) | 中职物理(苏教版) |
| 2 | 测量凸透镜的焦距 | 透镜成像公式 f=(L²-d²)/(4L) | 中职物理 |
| 3 | 观察加速度与作用力的关系 | 加速度与作用力方程 F=M*a | 中职物理 |
| 4 | 磁感应强度与空间距离的关系 | 磁感应强度的B-x空间分布曲线 | 中职物理 |
| 5 | 研究单摆震动的周期 | 单摆震动周期 | 中职物理 |
| 6 | 测量重力加速度 | 重力加速度测量 | 中职物理 |
| 7 | 测量声音在大气中传播速度 | 声音速度的测量 V=S/t | 中职物理 |
实验验证：自由落体实验
以自由落体实验为例，我们在安卓APP中设置起始高度，记录物体下落时间。通过传感器采集的数据，我们得到了物体运动的速度随时间变化的曲线，并与理论值进行对比。实验数据表明，本实验仪测量结果准确度高，与理论值相差不到1%。
| 高度 (m) | 实验值1 (m/s) | 实验值2 (m/s) | 实验值3 (m/s) | 平均实验值 (m/s) | 理论值 (m/s) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 | 3.44 | 3.53 | 3.46 | 3.48 | 3.13 |
| 1.0 | 4.43 | 4.41 | 4.45 | 4.43 | 4.43 |
| 1.5 | 5.31 | 5.38 | 5.36 | 5.35 | 5.34 |
| 2.0 | 6.17 | 6.23 | 6.18 | 6.19 | 6.26 |
| 2.5 | 6.99 | 6.92 | 7.01 | 6.97 | 7.00 |
| 3.0 | 7.69 | 7.78 | 7.72 | 7.73 | 7.67 |
注：理论值根据公式 v = √(2gh) 计算，其中g取9.8m/s²。
实际应用试验：光照度与距离实验
我们还进行了光照度与距离关系的实验。通过图形化编程控制手机沿直线导轨移动，同时利用光线传感器测量不同距离下的光照度。实验结果表明，使用本系统进行编程测量，不仅速度远快于手工测量，而且数据更平滑，拟合出的曲线更接近 E = I₀/r² 的理论公式，误差更小。
推广应用情况
本项目已在无锡各中小学与职业院校中得到了良好的推广应用，获得了师生的一致好评。学生通过使用本项目进行实践操作，获得了更加丰富的物理实验体验，更好地理解了物理学科的知识点和实验原理。同时，学校也节约了大量实验器材和设备的采购费用。
| 序号 | 学校名称 | 推广应用情况 | 实际应用效果 | 应用领域 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 无锡市第一高级中学 | 在物理实验课堂中推广应用 | 学生对物理实验的学习积极性提高 | 中学物理教育 |
| 2 | 无锡市辅仁高级中学 | 在物理实验课堂中推广应用 | 提升了学生物理实验的操作能力 | 中学物理教育 |
| 3 | 无锡市天一高级中学 | 在物理实验课堂中推广应用 | 增强了学生对物理实验的兴趣 | 中学物理教育 |
| 4 | 无锡市旅游商贸高等职校 | 在物理实验教学中推广应用 | 增加了实验课程的趣味性 | 职教物理 |
| 5 | 无锡立信高等职业技术学校 | 在物理实验教学中推广应用 | 提高了学生的实验操作技能 | 电子技术 |
| 6 | 无锡汽车工程职业技术学校 | 在汽车维修教学中推广应用 | 学生更好地理解了车辆原理与加速度计 | 汽车电子 |
| 7 | 无锡技师学院 | 在物理教学实践中推广应用 | 学生学习的科技含量更高 | 高等工科教育 |
总结与展望
本项目通过将智能手机传感器与树莓派等硬件设备结合，成功设计制作了基于手机图形化编程的物理实验仪，具有成本低、易携带、实验灵活性高等优点。在实验验证和实际推广中都取得了优秀成果。随着智能手机和物联网技术的不断发展，这种新型的物理实验仪具有广泛的应用前景，将能够替代传统的物理实验仪器，提高教学效果和科研效率，为人们的工作和学习带来更多的便利和效益。