CN111896149A - 弹簧测力计及弹簧测力计教学数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弹簧测力计及弹簧测力计教学数据采集系统，弹簧测力计包括由壳体、刻度盘、指针、弹簧、挂钩构成的测力计本体，还包括：采集部，采集部用于采集所述测力计本体的测量力数据，并将数据信息发送至上位机；供电单元，供电单元与采集部电性连接，用于为采集部的工作供电。采集部包括采集单元和信号传输单元；其中，采集单元用于采集所述测力计本体的测量力数据，并将数据信息传输至所述信号传输单元，信号传输单元用于将数据发送至上位机。本发明优点在于通过采集部，能够实时采集记录实验教学中学生对弹簧测力计的使用状态和学生的实验动作，并对采集的数据进行后期分析，对每个学生的实验操作过程进行考评。
Description
技术领域
本发明涉及教学仪器，尤其是涉及一种弹簧测力计，本发明还涉及一种弹簧测力计教学数据采集系统。
背景技术
物理、化学、生物是以实验为基础的课程,实验教学对学生理解能力、理论掌握能力以及实验能力的培养有着重要的意义。物理、化学、生物实验教学的目标包括认知和操作两个领域,在认知领域方面的教学问题研究较多,而实验操作技能领域方面的研究比较少。实验教学考查的目标就是对操作技能和教学结果进行检查,发现问题,不断改进,达到进一步提高教学质量的目的。
弹簧测力计是中学物理、化学，小学科学实验中常用的实验仪器，当采用传统教学实验仪器进行实验教学时，由于学生多，教师少，教师只能通过观察个别学生的操作过程和结果来判断学生实验操作动作、过程的掌握情况，不能够实现对单个学生的整个实验操作过程进行完整的观察、指导和判断，更不能对所有学生的学习情况做出准确的评判。学生是否能够掌握操作技能、理解学科知识并进行实践应用，是需要对整个实验操作过程的步骤是否科学，动作是否规范进行标准化考评，结合正确的实验结果，才能做出准确的判断。
发明内容
本发明目的在于提供一种弹簧测力计，本发明还提供一种弹簧测力计教学数据采集系统。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的弹簧测力计，包括由壳体、刻度盘、指针、弹簧、挂钩构成的测力计本体，还包括：
采集部，所述采集部用于采集所述测力计本体的测量力数据，并将数据信息发送至上位机；
供电单元，所述供电单元与采集部电性连接，用于为采集部的工作供电。
所述采集部包括采集单元和信号传输单元；
其中，所述采集单元用于采集所述测力计本体的测量力数据，并将数据信息传输至所述信号传输单元，信号传输单元用于将数据发送至上位机。
优选的，所述采集单元为拉力传感器，所述信号传输单元包括单片机，所述单片机的模拟信号输入接口，用于通过模拟信号放大处理单元接收所述拉力传感器的拉力数据信号；单片机的数据通信接口连接有无线发射模块，用于将数据信号发送给上位机。
优选的，所述采集部为无线力传感器，所述无线力传感器置于所述弹簧和壳体之间或置于所述挂钩和弹簧之间，用于测量弹簧的拉力大小；所述无线力传感器内置计时器和无线信号发射器，当所述计时器感知拉力值无变化的时间与预设时间一致时，所述无线信号发射器无线发射测量力大小数值信号至上位机。
优选的，所述采集单元为摄像头，用于采集所述指针的位置。
优选的，所述采集单元为设置在所述指针上的红外发射装置、激光测距装置或光栅尺。
优选的，还包括倾角传感器或垂直霍尔传感器，所述倾角传感器或垂直霍尔传感器采集测力计本体的倾角数据，并将数据信息发送至所述信号传输单元。
优选的，所述供电单元为电池或外接电源。
一种弹簧测力计教学数据采集系统，包括：
数据分析单元，所述数据分析单元包括上位机、接收模块和储存模块；
数据采集单元，所述数据采集单元包括多个所述弹簧测力计；
其中，多个所述弹簧测力计的数据信息分别无线或有线传输至所述接收模块，所述接收模块将数据信息发送至所述上位机，所述上位机将数据信息分析处理后发送至所述存储模块储存。
优选的，还包括显示屏，所述显示屏用于调取并显示所述上位机存储的实验数据。
本发明优点在于通过采集部，能够实时采集记录实验教学中学生对弹簧测力计的使用状态和学生的实验动作，并对采集的数据进行后期分析，对每个学生的实验操作过程进行考评。同时，能够将多个学生在日常实验操作过程中反映出来的问题进行大数据分析，根据分析结果判断班级、学校甚至整个地区的学生对化学实验操作技能掌握情况和教学结果的评价，找出普遍问题及薄弱环节，从而对教学方法进行改进和提升，进一步提高教学质量。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是图1的局部剖切示意图。
图3是本发明的一种电路原理框图。
图4是本发明的另一种电路原理框图。
图5是本发明实施例2的结构示意图。
图6是本发明实施例3的结构示意图。
图7是本发明实施例4的电路原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B为例”，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1：
如图1、2所示，本发明所述的弹簧测力计，包括由壳体10、刻度盘20、指针30、弹簧40、挂钩50构成的测力计本体，还包括：
采集部60，采集部60用于采集测力计本体的测量力数据，并将数据信息发送至上位机；
供电单元，供电单元与采集部60电性连接，用于为采集部60的工作供电；
采集部60包括采集单元610和信号传输单元620；
如图3所示，采集单元610为拉力传感器，信号传输单元620包括单片机，单片机的模拟信号输入接口，用于通过模拟信号放大处理单元接收拉力传感器的拉力数据信号；单片机的数据通信接口连接有无线发射模块，用于将数据信号发送给上位机；
如图4所示，采集部60也可以为无线力传感器，无线力传感器固连于弹簧40和壳体10之间（或固连于挂钩50和弹簧40之间），用于测量弹簧40的拉力大小；无线力传感器选型为朗威DISlabV7.0，朗威DISlabV7.0内置计时器和无线信号发射器，无线力传感器能够将拉力转换为数字信号，当内置的计时器感知拉力大小不再变化时长达5秒时，将数字信号无线发送给上位机；供电单元为电池，电池设置在壳体10内或内置于无线力传感器内，为采集部60的工作供电。
弹簧测力计的实验要求为：学生使用弹簧测力计，通过弹簧测力计指针30在刻度盘20上的读数测量力大小的数值。
本装置的功能为：通过设置拉力传感器或无线力传感器与弹簧40串联，感知弹簧测力计测量力大小的数值，并将数值传输至上位机，用以判断学生是否正确掌握了弹簧测力计的使用方法。
使用时，学生手持弹簧测力计，按照教学要求将固定的配重钩挂于挂钩50上，目测指针30在刻度盘20上的读数；此时，无线力传感器感知弹簧的拉力大小，当拉力大小不再变化时长达5秒时，默认学生已经操作完成，此时将数字信号无线发送给上位机，用于采集弹簧测力计在实验过程中的数据，上位机接收数据，系统通过标准化算法对采集到的数据进行计算分析，判断学生在实验过程的操作动作的动作是否规范、顺序是否正确，是否能够真正掌握、理解学科知识并进行实践应用。考评结论能够实时向教师和学生反馈，使学生能及时纠正错误，或在教师的指导下能够有针对性的进行补充学习。多个学生在日常实验操作过程中反映出来的问题可以通过本系统进行大数据分析，根据分析结果判断班级、学校甚至整个地区的学生对化学实验操作技能掌握情况和教学结果的评价，找出普遍问题及薄弱环节，从而对教学方法进行改进和提升，进一步提高教学质量。
实施例2：如图4、5所示，本发明所述的弹簧测力计，包括由壳体10、刻度盘20、指针30、弹簧、挂钩50构成的测力计本体，还包括：
采集部60，采集部60用于采集测力计本体的测量力数据，并将数据信息发送至上位机；
供电单元，供电单元与采集部60电性连接，用于为采集部60的工作供电；
采集部60包括采集单元610和信号传输单元620；
其中，采集单元610用于采集测力计本体的测量力数据，并将数据信息传输至信号传输单元620，信号传输单元620用于将数据发送至上位机；
采集单元610为摄像头，摄像头用于采集指针30的位置，信号传输单元620为无线传输模块或与上位机通讯连接的数据线；摄像头对准实验台上的弹簧测力计，采集学生在操作时的图像并发送给上位机存储，上位机以图形识别的方式判定指针30读数，并相应得出测量力大小的数值。
弹簧测力计的实验要求为：学生使用弹簧测力计，通过弹簧测力计指针30在刻度盘20上的读数测量力大小的数值。
本装置的功能为：通过设置摄像头，采集学生在操作时的图像并发送给上位机存储，上位机以图形识别的方式判定指针30读数，并相应得出测量力大小的数值，用以判断学生是否正确掌握了弹簧测力计的使用方法。
实施例3：如图6所示，本发明所述的弹簧测力计，包括由壳体10、刻度盘20、指针30、弹簧、挂钩50构成的测力计本体，还包括：
采集部60，采集部60用于采集测力计本体的测量力数据，并将数据信息发送至上位机；
供电单元，供电单元与采集部60电性连接，用于为采集部60的工作供电；
采集部60包括采集单元610和信号传输单元620；
其中，采集单元610用于采集测力计本体的测量力数据，并将数据信息传输至信号传输单元620，信号传输单元620设置在壳体10内，如图3所示，信号传输单元620包括单片机，单片机的模拟信号输入接口，用于通过模拟信号放大处理单元接收采集单元610的数据信号；单片机的数据通信接口连接有无线发射模块，用于将数据信号发送给上位机；
优选的，采集单元610为设置在指针30上的红外发射装置（也可以设置为激光测距装置或光栅尺，本实施例不在赘述），红外发射装置将发射头对准壳体10的顶部或底部，用于采集试验时指针30到壳体10的顶部或底部的距离信息，并将距离信息通过连接导线发送至信号传输单元620；
优选的，本装置还包括倾角传感器（或垂直霍尔传感器），倾角传感器设置在壳体10内，采集测力计本体的倾角数据，并将数据信息通过连接导线发送至信号传输单元620；
供电单元为电池，电池设置在壳体10内，为采集部60的工作供电。
弹簧测力计的实验要求为：学生使用弹簧测力计，通过弹簧测力计指针30在刻度盘20上的读数测量力大小的数值。
本装置的功能为：通过在指针30上设置红外发射装置，感知弹簧测力计指针30位置变化的数值，通过倾角传感器采集学生在试验时是否将弹簧测力计保持水平及垂直，并将数值传输至上位机，用以判断学生是否正确掌握了弹簧测力计的使用方法。
使用时，学生手持弹簧测力计，按照教学要求将固定的配重钩挂于挂钩50上，目测指针30在刻度盘20上的读数；此时，红外发射装置采集指针30的距离变化，当指针30距离不再变化时长达5秒时，默认学生已经操作完成，此时将数字信号无线发送给上位机，用于采集弹簧测力计在实验过程中的数据，上位机接收数据，系统通过标准化算法对采集到的数据进行计算分析，判断学生在实验过程的操作动作的动作是否规范、顺序是否正确，是否能够真正掌握、理解学科知识并进行实践应用。考评结论能够实时向教师和学生反馈，使学生能及时纠正错误，或在教师的指导下能够有针对性的进行补充学习。多个学生在日常实验操作过程中反映出来的问题可以通过本系统进行大数据分析，根据分析结果判断班级、学校甚至整个地区的学生对化学实验操作技能掌握情况和教学结果的评价，找出普遍问题及薄弱环节，从而对教学方法进行改进和提升，进一步提高教学质量。
实施例4：
如图7所示，本发明所述的弹簧测力计教学数据采集系统，包括：
数据分析单元70，数据分析单元包括上位机、接收模块和储存模块；
数据采集单元80，数据采集单元80包括多个弹簧测力计；
显示屏，显示屏用于调取并显示上位机存储的实验数据；
其中，多个弹簧测力计的数据信息分别无线或有线传输至接收模块，接收模块将数据信息发送至上位机，上位机将数据信息分析处理后发送至存储模块储存，并发送至显示屏进行显示。
接收模块可以根据实际需求设置为：有线接收端口，无线接收模块和/或蓝牙模块。
上位机在接收到多个弹簧测力计的数据信息后，按照实验要求设计的专业数据分析软件，通过标准化算法对采集到的数据进行计算分析，判断学生在实验过程的操作动作的动作是否规范、顺序是否正确，是否能够真正掌握、理解学科知识并进行实践应用。考评结论能够通过显示屏实时向教师和学生反馈，使学生能及时纠正错误，或在教师的指导下能够有针对性的进行补充学习。多个学生在日常实验操作过程中反映出来的问题可以通过本系统进行大数据分析，根据分析结果判断班级、学校甚至整个地区的学生对化学实验操作技能掌握情况和教学结果的评价，找出普遍问题及薄弱环节，从而对教学方法进行改进和提升，进一步提高教学质量。
Claims (10)
1.一种弹簧测力计，包括由壳体、刻度盘、指针、弹簧、挂钩构成的测力计本体，其特征是，还包括：
采集部，所述采集部用于采集所述测力计本体的测量力数据，并将数据信息发送至上位机；
供电单元，所述供电单元与采集部电性连接，用于为采集部的工作供电。
2.根据权利要求1所述的弹簧测力计，其特征是：所述采集部包括采集单元和信号传输单元；
其中，所述采集单元用于采集所述测力计本体的测量力数据，并将数据信息传输至所述信号传输单元，信号传输单元用于将数据发送至上位机。
3.根据权利要求2所述的弹簧测力计，其特征是：所述采集单元为拉力传感器，所述信号传输单元包括单片机，所述单片机的模拟信号输入接口，用于通过模拟信号放大处理单元接收所述拉力传感器的拉力数据信号；单片机的数据通信接口连接有无线发射模块，用于将数据信号发送给上位机。
4.根据权利要求1所述的弹簧测力计，其特征是：所述采集部为无线力传感器，所述无线力传感器置于所述弹簧和壳体之间或置于所述挂钩和弹簧之间，用于测量弹簧的拉力大小；所述无线力传感器内置计时器和无线信号发射器，当所述计时器感知拉力值无变化的时间与预设时间一致时，所述无线信号发射器无线发射测量力大小数值信号至上位机。
5.根据权利要求2所述的弹簧测力计，其特征是：所述采集单元为摄像头，用于采集所述指针的位置。
6.根据权利要求3所述的弹簧测力计，其特征是：所述采集单元为设置在所述指针上的红外发射装置、激光测距装置或光栅尺。
7.根据权利要求3所述的弹簧测力计，其特征是：还包括倾角传感器或垂直霍尔传感器，所述倾角传感器或垂直霍尔传感器采集测力计本体的倾角数据，并将数据信息发送至所述信号传输单元。
8.根据权利要求1所述的弹簧测力计，其特征是：所述供电单元为电池或外接电源。
9.一种弹簧测力计教学数据采集系统，其特征是，包括：
数据分析单元，所述数据分析单元包括上位机、接收模块和储存模块；
数据采集单元，所述数据采集单元包括多个所述弹簧测力计；
其中，多个所述弹簧测力计的数据信息分别无线或有线传输至所述接收模块，所述接收模块将数据信息发送至所述上位机，所述上位机将数据信息分析处理后发送至所述存储模块储存。
10.根据权利要求9所述的弹簧测力计教学数据采集系统，其特征是：还包括显示屏，所述显示屏用于调取并显示所述上位机存储的实验数据。
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