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摘 要：针对当前物理实验教学与现代科研产生脱节的情况，设计了一套“光、机、电”相结合的演示实践一体化牛顿环教改装置。该装置利用自动化装置替代传统手工的思想，用摄像头代替人眼获取图像，用平动电机和旋转电机可以分别实现人手的平动和转动两个操作，用电脑程序代替人脑实行系统控制。旨在将传统的人工实验教学模式通过“光、机、电”仪器的改装转化成为现代化的自动模式，构建起衔接传统物理实验与现代科技的桥梁。
关键词：光机电;实验教改仪器;牛顿环;桥梁
中图分类号 ：TB472 文献标识码 ：A
0引言
经调查研究发现，当下大部分中学物理实验过程中使用的都是传统的实验教具以及实验仪器，基本上都需要手动操作，实验过程较为复杂繁琐，实验结论也存在较大的误差。这类传统的实验教具无法符合现代物理实验教学的目的。实验教学主要是为了让学生能够更加直观的感受物理现象，发掘其中的物理意义，同时，也旨在让学生将物理运用到科技研发等更多新型科研领域之中。由此可见，传统的物理实验教学以及其实验教具已经跟不上社会发展的需要。因此，我们需要根据现代科研发展的基础，实现传统物理实验教学与现代科研之间的衔接。
1总体设计结构
本套教改装置从实现由传统向现代化演变的实验教改装置设计及其思路方法出发，主要运用自动化装置对传统手工的替代性，如人眼主要用于获取图像，而摄像头是电脑获取图像的主要装置;双手是人操作的主要工具，双手操作的运动可分为平动和转动两类，而平动电机和旋转电机可以分别实现平动和转动两个操作;人主要通过人脑实行行动控制，而电脑程序正好能起到控制整个系统的功能。
2系统设计
本套由光机电相结合的跨学科实验教改装置的核心就是计算机、摄像头及电机模块。通过这一套实验教改装置对大多数重复性强的实验仪器进行改装，实现自动化的实验操作。本次我们基于牛顿环曲率半径测量实验，针对牛顿环曲率半径测量仪进行开发思路实践。牛顿环曲率半径测量实验原理是测量牛顿环的明暗条纹间距，根据距离参数的分析计算得到牛顿环曲率半径。这其中需要人眼观察牛顿环图像，并需要人工手动转动鼓轮来移动叉丝定标的位置，多次重复操作记录数据，减小误差。将本光机电相结合的跨学科实验教改装置在传统牛顿环曲率半径测量仪上进行改装后，就可以实现利用步进电机代替人的双手进行旋转，从而控制显微镜头进行移动。实验的图像可由摄像头代替人眼获取，并上传给计算机，供计算机记录并分析计算实验数据。
2.1 系统结构单元
2.1.1简介 系统结构示意图图 1所示。1是上位机（计算机），2是显微镜摄像头，3是步进电机控制模块，4是USB数据线（上位机与显微镜摄像头进行信息交互的数据通道），5是蓝牙信号频道（上位机与步进电机控制模块进行信息交互的数据通道）。
2.1.2上位机 上位机运行软件以实現对步进电机的控制以及对显微镜摄像头捕获的图像的处理、分析与显示，并将实验数据进行分析、计算与存档。
2.1.3显微镜摄像头 负责对显微镜镜头里实验现象画面的捕获，并将实时捕获的画面数据传递给上位机，供上位机软件处理。
2.1.4步进电机控制模块 该模块集成了单片机最小系统、蓝牙发射接收器、步进电机及其驱动器、12V电源适配器、降压模块。能够接收上位机发来的指令并作出实时的响应，控制步进电机按指令含义旋转，以通过履带来带动显微镜的测微鼓轮旋转，实现显微镜镜头移动的目的。
3 工作原理与逻辑流程
3.1工作原理
按照图1连接好装置并在电脑上安装好上位机软件后，打开电脑软件：
1）电脑等待开始按键被触发，若开始按键被用户按下，则开始接下来的实验进程。
2）显微镜摄像头通过USB数据线实时将镜头图像数据传递给电脑，通过电脑软件将图像显示在电脑显示器上。
3）电脑获得图像后，对图像数据进行“二值化”处理，对图像上像素灰度值低于图像整体灰度平均值的作“0”值处理，对高于图像整体灰度值的作“1”值处理。将之与附近像素点值进行同化，以此实现对图像干扰因素进行滤波的处理。然后视“0”值的像素点为图像中的暗环元素，视“1”值的像素点为图像中的亮环元素。若图像中心被暗环元素包围，且图像中心两端亮环元素距图像中心距离相等，则认为当前图像中心位于暗环中央，即镜头中心叉丝对准暗环中央;否则，认为镜头中心叉丝未对准暗环中央。
4）若镜头中心叉丝对准暗环中央，电脑则向步进电机控制模块询问当前步进电机已旋转角度，然后将角度值换算成距离值（例如：360度=1毫米），并记录当前距离参数，然后判断当前实验数据记录次数，若已满足实验数据需求量，则认为实验数据记录完毕。
5）若实验数据记录未完毕，则继续向步进电机控制模块发送“旋转”指令，并回到第2）步骤。
6）当数据记录完毕，则将所有获得的实验数据进行分析计算并汇总，最终生成一份Excel形式的实验数据报表，保存于指定文件夹中并通过WPS或Office打开。
7）若检测到电脑有连接到打印机设备，则向打印机设备输出Excel报表信息，控制打印机打印出实验数据报表。
8）实验结束。
3.2 实验教改装置运行示意图与说明
1）开始初始化完系统，电脑显示器上显示显微镜镜头所捕获的画面，叉丝中心处于牛顿环暗环中心位置。
2）电脑实时获取并分析摄像头上传的图像信息，并控制步进电机按需要的角度进行旋转。若镜头中央叉丝对准暗环中心，则记录当前距离参数。
3）当实验数据记录完毕，并分析计算完成，电脑通过语音及文字的形式通知实验操作者，将数据以特定格式存档于Excel报表中，通过WPS或Office将实验数据报表自动打开。当检测到打印机，还将控制打印机打印当前数据报表。
4 结论
本装置主要为摄像头、电机、电脑这三个模块硬件的配备安装，以及针对于具体教学实验的配套软件开发。这种硬件与软件结合的光机电跨学科实验教改装置，适用于大多数传统教学实验，可在当前高校进行普及应用。除此之外，本光机电相结合跨专业实验教改仪器的开发思路也能引入到当前的实验教学中，着力提高对学生的自动化意识的培养，让学生了解程控自动化技术在实验测控领域应用的原理，进一步提高学生的动手能力和综合素质，激发其科研兴趣。让学生在学习物理学的基础知识的同时，对自动化学科有一个初步的了解，这也能为当代科技的发展培养多元化、高素养的新型人才。
参考文献
[1]沈霞.关于教育改革创新系统专利技术综述[J].中国高新区，2018（14）：21.
[2]章月凤，金銮，洪真.基于数字电子系统的设计[J].电子制作，2018（02）：46-47.
[3]阮舜，杨晨光.STM8系统开发与应用[J].科技市场，2017（03）：135-136.
[4]周博.基于微电子技术的教改装置系统研究[J].科技视界，2017（01）：234.
[5]王明政，李喜文，黄耀强.基于当代电子系统的研究[J].黑龙江科技信息，2012（23）：53.
关键词：光机电;实验教改仪器;牛顿环;桥梁
中图分类号 ：TB472 文献标识码 ：A
0引言
经调查研究发现，当下大部分中学物理实验过程中使用的都是传统的实验教具以及实验仪器，基本上都需要手动操作，实验过程较为复杂繁琐，实验结论也存在较大的误差。这类传统的实验教具无法符合现代物理实验教学的目的。实验教学主要是为了让学生能够更加直观的感受物理现象，发掘其中的物理意义，同时，也旨在让学生将物理运用到科技研发等更多新型科研领域之中。由此可见，传统的物理实验教学以及其实验教具已经跟不上社会发展的需要。因此，我们需要根据现代科研发展的基础，实现传统物理实验教学与现代科研之间的衔接。
1总体设计结构
本套教改装置从实现由传统向现代化演变的实验教改装置设计及其思路方法出发，主要运用自动化装置对传统手工的替代性，如人眼主要用于获取图像，而摄像头是电脑获取图像的主要装置;双手是人操作的主要工具，双手操作的运动可分为平动和转动两类，而平动电机和旋转电机可以分别实现平动和转动两个操作;人主要通过人脑实行行动控制，而电脑程序正好能起到控制整个系统的功能。
2系统设计
本套由光机电相结合的跨学科实验教改装置的核心就是计算机、摄像头及电机模块。通过这一套实验教改装置对大多数重复性强的实验仪器进行改装，实现自动化的实验操作。本次我们基于牛顿环曲率半径测量实验，针对牛顿环曲率半径测量仪进行开发思路实践。牛顿环曲率半径测量实验原理是测量牛顿环的明暗条纹间距，根据距离参数的分析计算得到牛顿环曲率半径。这其中需要人眼观察牛顿环图像，并需要人工手动转动鼓轮来移动叉丝定标的位置，多次重复操作记录数据，减小误差。将本光机电相结合的跨学科实验教改装置在传统牛顿环曲率半径测量仪上进行改装后，就可以实现利用步进电机代替人的双手进行旋转，从而控制显微镜头进行移动。实验的图像可由摄像头代替人眼获取，并上传给计算机，供计算机记录并分析计算实验数据。
2.1 系统结构单元
2.1.1简介 系统结构示意图图 1所示。1是上位机（计算机），2是显微镜摄像头，3是步进电机控制模块，4是USB数据线（上位机与显微镜摄像头进行信息交互的数据通道），5是蓝牙信号频道（上位机与步进电机控制模块进行信息交互的数据通道）。
2.1.2上位机 上位机运行软件以实現对步进电机的控制以及对显微镜摄像头捕获的图像的处理、分析与显示，并将实验数据进行分析、计算与存档。
2.1.3显微镜摄像头 负责对显微镜镜头里实验现象画面的捕获，并将实时捕获的画面数据传递给上位机，供上位机软件处理。
2.1.4步进电机控制模块 该模块集成了单片机最小系统、蓝牙发射接收器、步进电机及其驱动器、12V电源适配器、降压模块。能够接收上位机发来的指令并作出实时的响应，控制步进电机按指令含义旋转，以通过履带来带动显微镜的测微鼓轮旋转，实现显微镜镜头移动的目的。
3 工作原理与逻辑流程
3.1工作原理
按照图1连接好装置并在电脑上安装好上位机软件后，打开电脑软件：
1）电脑等待开始按键被触发，若开始按键被用户按下，则开始接下来的实验进程。
2）显微镜摄像头通过USB数据线实时将镜头图像数据传递给电脑，通过电脑软件将图像显示在电脑显示器上。
3）电脑获得图像后，对图像数据进行“二值化”处理，对图像上像素灰度值低于图像整体灰度平均值的作“0”值处理，对高于图像整体灰度值的作“1”值处理。将之与附近像素点值进行同化，以此实现对图像干扰因素进行滤波的处理。然后视“0”值的像素点为图像中的暗环元素，视“1”值的像素点为图像中的亮环元素。若图像中心被暗环元素包围，且图像中心两端亮环元素距图像中心距离相等，则认为当前图像中心位于暗环中央，即镜头中心叉丝对准暗环中央;否则，认为镜头中心叉丝未对准暗环中央。
4）若镜头中心叉丝对准暗环中央，电脑则向步进电机控制模块询问当前步进电机已旋转角度，然后将角度值换算成距离值（例如：360度=1毫米），并记录当前距离参数，然后判断当前实验数据记录次数，若已满足实验数据需求量，则认为实验数据记录完毕。
5）若实验数据记录未完毕，则继续向步进电机控制模块发送“旋转”指令，并回到第2）步骤。
6）当数据记录完毕，则将所有获得的实验数据进行分析计算并汇总，最终生成一份Excel形式的实验数据报表，保存于指定文件夹中并通过WPS或Office打开。
7）若检测到电脑有连接到打印机设备，则向打印机设备输出Excel报表信息，控制打印机打印出实验数据报表。
8）实验结束。
3.2 实验教改装置运行示意图与说明
1）开始初始化完系统，电脑显示器上显示显微镜镜头所捕获的画面，叉丝中心处于牛顿环暗环中心位置。
2）电脑实时获取并分析摄像头上传的图像信息，并控制步进电机按需要的角度进行旋转。若镜头中央叉丝对准暗环中心，则记录当前距离参数。
3）当实验数据记录完毕，并分析计算完成，电脑通过语音及文字的形式通知实验操作者，将数据以特定格式存档于Excel报表中，通过WPS或Office将实验数据报表自动打开。当检测到打印机，还将控制打印机打印当前数据报表。
4 结论
本装置主要为摄像头、电机、电脑这三个模块硬件的配备安装，以及针对于具体教学实验的配套软件开发。这种硬件与软件结合的光机电跨学科实验教改装置，适用于大多数传统教学实验，可在当前高校进行普及应用。除此之外，本光机电相结合跨专业实验教改仪器的开发思路也能引入到当前的实验教学中，着力提高对学生的自动化意识的培养，让学生了解程控自动化技术在实验测控领域应用的原理，进一步提高学生的动手能力和综合素质，激发其科研兴趣。让学生在学习物理学的基础知识的同时，对自动化学科有一个初步的了解，这也能为当代科技的发展培养多元化、高素养的新型人才。
参考文献
[1]沈霞.关于教育改革创新系统专利技术综述[J].中国高新区，2018（14）：21.
[2]章月凤，金銮，洪真.基于数字电子系统的设计[J].电子制作，2018（02）：46-47.
[3]阮舜，杨晨光.STM8系统开发与应用[J].科技市场，2017（03）：135-136.
[4]周博.基于微电子技术的教改装置系统研究[J].科技视界，2017（01）：234.
[5]王明政，李喜文，黄耀强.基于当代电子系统的研究[J].黑龙江科技信息，2012（23）：53.