藍(lán)牙技術(shù)在初中物理教學(xué)中的巧妙應(yīng)用

楊達(dá)莉 陸斌

【摘要】本文提出藍(lán)牙設(shè)備具有低成本、輕巧、無線傳輸和兼容性良好的特點，為創(chuàng)新物理教學(xué)方式打開新的思路。我們可以將藍(lán)牙設(shè)備與計算機結(jié)合，利用藍(lán)牙鼠標(biāo)進行運動學(xué)實驗，利用藍(lán)牙攝像頭觀察高速或低速運動物體的運動狀態(tài)，利用藍(lán)牙耳機和話筒研究聲音，利用藍(lán)牙溫度計進行熱學(xué)實驗。

【關(guān)鍵詞】藍(lán)牙技術(shù) 物理教學(xué) 應(yīng)用

【中圖分類號】G 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）05A-0064-03

現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展為教育教學(xué)改革提供了前所未有的推動力和技術(shù)條件。計算機具有采集數(shù)據(jù)、存儲實驗數(shù)據(jù)、進行繁重的計算與分析、實時演示以及長時間工作等優(yōu)點，可以完成許多傳統(tǒng)實驗器材不能完成的工作。但是，目前多數(shù)的實驗儀器設(shè)備與計算機需要有線連接，使很多實驗不方便進行，加之設(shè)備與計算機之間不具備良好的兼容性，這些專業(yè)級的設(shè)備并不利于推廣使用。而藍(lán)牙設(shè)備具有低成本、輕巧、無線傳輸和兼容性良好等特點，克服了專業(yè)設(shè)備的這些缺點，如果教師能巧妙利用藍(lán)牙設(shè)備，便能克服某些傳統(tǒng)物理實驗裝置不能克服的困難。

一、藍(lán)牙技術(shù)的簡介

藍(lán)牙（Blue-Tooth）技術(shù)是愛立信公司于1994年創(chuàng)建的一種實現(xiàn)短距離無線通信的技術(shù)規(guī)范[1]，其系統(tǒng)一般由天線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍(lán)牙軟件單元四個功能單元組成，它能夠有效地簡化不同的電子通信設(shè)備之間的連接和通信，通過無線方式將各種設(shè)備連成一個微微網(wǎng)，從而使數(shù)據(jù)的傳輸更加快捷高效。

1998年5月，由愛立信發(fā)起，愛立信、諾基亞、國際商業(yè)機器（IBM）、東芝、英特爾五家公司組成了“藍(lán)牙”技術(shù)特別興趣小組（SIG），其共同目標(biāo)是讓藍(lán)牙技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。目前藍(lán)牙聯(lián)盟擁有超過27000個成員，其中亞太成員占相當(dāng)大的比例，來自大中華區(qū)的成員有6462個[2]，使得“藍(lán)牙”成為實現(xiàn)音像和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)囊环N低成本的短距離無線連接技術(shù)。

二、藍(lán)牙設(shè)備與傳統(tǒng)物理實驗設(shè)備相比的優(yōu)點

藍(lán)牙技術(shù)，作為一種低成本、大容量的短距離無線通信規(guī)范，工作在全球開放的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，現(xiàn)在已經(jīng)賦予了越來越多的設(shè)備（如手機、耳機、電腦、鼠標(biāo)、鍵盤、音響、數(shù)碼相機、打印機等）安全、簡便的連接，是物聯(lián)網(wǎng)中物物互聯(lián)的主要無線通信技術(shù)之一。與物理實驗室中一般的傳感設(shè)備相比，藍(lán)牙設(shè)備具有以下優(yōu)點。

（1）成本低

目前藍(lán)牙芯片正以低于1美元的預(yù)期目標(biāo)被大規(guī)模市場化運作。市場上常見的藍(lán)牙鼠標(biāo)、藍(lán)牙耳機等設(shè)備價格已經(jīng)非常低廉，與其他的無線設(shè)備價格相差無幾。這大大降低了實驗儀器成本，讓藍(lán)牙技術(shù)進入物理實驗教學(xué)成為一種可能。

（2）體積小、質(zhì)量輕

藍(lán)牙無線收發(fā)器是一塊很小的芯片，可以方便地嵌入到任何固定或便攜式設(shè)備中。這使得藍(lán)牙設(shè)備在物理實驗儀器的安裝中非常方便，不影響設(shè)備的大小和外觀，所以具有很高的實用性和可操作性。

（3）無線連接

藍(lán)牙芯片可以與計算機建立無線連接，不需要連線的特點使其與計算機的通信非常方便。省去電纜連接纏繞，簡化設(shè)備間的連接，會使物理實驗變得更簡潔明了，能更清晰地展現(xiàn)實驗現(xiàn)象、原理和效果，也使某些原來無法進行的實驗可能開展。

（4）通用性強

藍(lán)牙技術(shù)是全球開放的，在全球范圍內(nèi)具有很好的兼容性。所有藍(lán)牙設(shè)備都遵循同一個標(biāo)準(zhǔn)，可以在任何支持藍(lán)牙功能的計算機上用，不必考慮兼容性或配對等問題。很多廠商根據(jù)藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了大量的硬件與軟件，除了運用于計算機，像移動電話、數(shù)字相機、攝像機、打印機、傳真機、家電等許多電子設(shè)備都可以采用藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)無線連通。而傳統(tǒng)物理實驗中的傳感器等設(shè)備只能使用特定廠商生產(chǎn)的軟件，這些硬件離開了特定的軟件就無法工作。

（5）可多設(shè)備同時連接

一臺電腦可以同時與多個藍(lán)牙設(shè)備連接。例如，一臺計算機可以支持127個USB設(shè)備，每個USB口可以接1個藍(lán)牙適配器，而一個藍(lán)牙適配器可同時與其他7臺藍(lán)牙設(shè)備建立連接。這意味著一臺電腦理論上可以和889臺藍(lán)牙設(shè)備連接，使得在物理實驗中多設(shè)備、多儀器的連接和數(shù)據(jù)交換非常便捷。

（6）傳輸距離遠(yuǎn)

按藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙設(shè)備傳輸距離可達(dá)100米，若增大功率可達(dá)1000米，在有效范圍內(nèi)可越過障礙物進行連接，沒有特別的通訊視角和方向要求。與普通紅外線幾米到幾十米的傳輸距離、對傳輸方向性有所要求相比，藍(lán)牙傳輸要優(yōu)越得多。

（7）功耗低

相對一般的無線設(shè)備而言，藍(lán)牙設(shè)備的功耗非常低。因此，藍(lán)牙設(shè)備的電池更加耐用，一顆紐扣電池可以用好幾年，實驗設(shè)備也可以做得更小巧。

三、藍(lán)牙設(shè)備在物理實驗中的妙用

藍(lán)牙設(shè)備有著傳統(tǒng)的物理實驗設(shè)備、普通的傳感設(shè)備和一般的無線設(shè)備無法比擬的優(yōu)點，如果能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，它必定能為物理實驗打開新的思路。以下是筆者根據(jù)藍(lán)牙技術(shù)的特點，利用不同藍(lán)牙設(shè)備設(shè)計的幾個初中物理實驗。

（一）利用藍(lán)牙鼠標(biāo)精確定位進行運動學(xué)實驗

一般的藍(lán)牙鼠標(biāo)都是光電鼠標(biāo)，所以藍(lán)牙鼠標(biāo)既具有無線的優(yōu)勢，又具有光電鼠標(biāo)精確定位的優(yōu)點。光電鼠標(biāo)之所以能精確定位，是因為它內(nèi)部有一個發(fā)光二極管，它發(fā)出的光照到光電鼠標(biāo)底部表面，反射光經(jīng)過一組光學(xué)透鏡傳輸?shù)焦飧袘?yīng)器件內(nèi)成像。當(dāng)光電鼠標(biāo)移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最后利用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，判斷鼠標(biāo)的移動方向和移動距離，從而完成光標(biāo)的定位。

如果我們將藍(lán)牙鼠標(biāo)裝上小輪子（鼠標(biāo)需盡量貼近地面），藍(lán)牙鼠標(biāo)就成了一輛“藍(lán)牙小車”。除了改裝鼠標(biāo)之外，我們還可以用現(xiàn)成的藍(lán)牙遙控車進行實驗，通過計算機或手機來控制小車的運動速度和方向。由于采用了無線傳輸方式，“藍(lán)牙小車”可以在任何地方，包括密閉空間運動，通過計算機和設(shè)計好的程序，我們可以非常清楚地對這輛小車進行定位，測量其運動的位移，計算某時刻的速度、加速度等，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，還可以實時作出運動的圖像。

（二）利用藍(lán)牙攝像頭觀察高速或低速運動

我們可以用肉眼直接觀察以一般速度運動的物體，但無法觀察高速運動的物體。例如，我們想了解液體在超重和失重狀態(tài)時的形狀如何，但由于物體運動速度很快，我們根本不可能用肉眼觀察到實驗現(xiàn)象。有人提出將攝像機跟這些物體綁在一起，把物體運動狀態(tài)拍攝下來的辦法。但普通攝像機太重，做實驗不方便，且價格相對昂貴，其機械部分又非常精密，碰撞容易損壞攝像機。有了藍(lán)牙攝像頭，完成記錄高速運動過程的工作就變得非常簡單。藍(lán)牙攝像頭非常輕巧，而且沒有機械部分，可以經(jīng)得起激烈的碰撞，包裝好后從五六樓掉下去都不會有損壞。我們可以設(shè)計一個裝有藍(lán)牙攝像頭的盒子，把被測物體固定在盒子里面，無論讓物體做自由落體運動、平拋運動、加速運動或減速運動，都可以實時地通過計算機進行觀察，還可以把錄像資料儲存在計算機里反復(fù)觀看。這樣，我們就可以在顯示器面前，向?qū)W生展示以前不可能演示的實驗，甚至讓學(xué)生自己去做這些實驗。

利用藍(lán)牙攝像頭還可以很方便地觀察和記錄極慢的過程，如蒸發(fā)、溶解、結(jié)晶等。而且由于藍(lán)牙攝像頭具有低功耗、輕巧及無線等優(yōu)點，它可以在室外等地點進行長時間的觀察，我們也可以通過計算機控制它進行定時拍攝等，這些都是普通攝像設(shè)備無法比擬的。

另外，利用藍(lán)牙攝像頭還可以觀察其他一些肉眼不便觀察的現(xiàn)象，以利于學(xué)生對物理原理更深刻地理解，如從水中看岸上的物體，體驗光的折射等。

（三）利用藍(lán)牙耳機和話筒研究聲音

計算機可以記錄聲音，讓我們直觀地看到聲音的強度和頻率，也可以發(fā)出一定強度和頻率的聲音。目前有很多優(yōu)秀的音樂編輯軟件，能很方便地錄音，并且可以用波形的形式顯示聲音文件，還可以根據(jù)用戶的需要通過聲卡發(fā)出指定頻率和強度的聲音。在此基礎(chǔ)上利用藍(lán)牙技術(shù)，我們就可以做一些以前不方便做的有關(guān)聲音的實驗。

例如，在“聲音需要介質(zhì)傳播”的實驗中，我們常規(guī)做法是：把聲源置于密閉容器中，直接用耳朵來聽，比較有空氣、空氣稀薄和真空時聲音的大小。但是把聲源放到密閉容器中，由于容器的外殼對聲音已經(jīng)起了很強的阻礙作用，聲音已經(jīng)很小不便于觀測和比較。而且耳朵只能大概分辨聲音的強弱，不能對其實現(xiàn)量化。用藍(lán)牙話筒就可以輕輕松松地把容器里面最真實的聲音“傳遞”出來，同時還可以通過計算機記錄下來并進行分析。這時學(xué)生就可以很直觀地觀察到聲波的圖像，了解聲音強度和頻率的變化。

（四）利用藍(lán)牙溫度計進行熱學(xué)實驗

用計算機可以記錄溫度的連續(xù)變化，便于我們進行分析。而藍(lán)牙技術(shù)則可以讓我們更方便地探測溫度，如了解水沸騰和結(jié)冰過程的溫度變化特點等。

在生活中有個很有趣的現(xiàn)象：放進冰箱里的熱水比冷水結(jié)冰速度快。很多人都覺得很神奇，也有很多人持懷疑的態(tài)度。可惜用常規(guī)的器材做這個實驗很麻煩而且不直觀，只能得出實驗的結(jié)果，不能得到實驗過程的數(shù)據(jù)，不方便分析。通過藍(lán)牙溫度計（也可以利用一些現(xiàn)有的藍(lán)牙設(shè)備進行改裝）就能很輕松、很方便地實現(xiàn)溫度監(jiān)測。我們把其中一個藍(lán)牙溫度計放入熱水中，另一個藍(lán)牙溫度計放入冷水中，再一起放入冰柜，然后在計算機面前就可以看到熱水和冷水詳細(xì)的溫度變化過程，當(dāng)然還可以通過藍(lán)牙攝像頭把完整過程拍攝下來。

觀察上述實驗設(shè)計案例，我們發(fā)現(xiàn)巧妙利用藍(lán)牙技術(shù)可以更充分發(fā)揮計算機的優(yōu)勢，解決物理傳統(tǒng)實驗中存在的困難，藍(lán)牙技術(shù)特別適用于具有一定危險性或不方便操作的、過程變化迅速或緩慢的實驗，還便于復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理、分析和比較等。值得一提的是，由于多個藍(lán)牙設(shè)備可以同時與計算機連接，我們可以同時進行多組對比實驗，實現(xiàn)同步觀察和分析。

總之，將藍(lán)牙設(shè)備與計算機無線連接，借助計算機的數(shù)據(jù)采集、存儲、分析功能，可以輕松地完成許多我們以前無法完成的物理實驗，相信經(jīng)過不斷研究探索，藍(lán)牙技術(shù)將推動物理教學(xué)向前發(fā)展。

【參考文獻】

[1]王奉良.藍(lán)牙技術(shù)淺析[J].中小企業(yè)管理，2010（4）

[2]衛(wèi)何.藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用展望[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2016（4）

注：本文系2016年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目（項目編號：2016JGA424）研究成果。

（責(zé)編 劉小瑗）