CN109243259A - 一种用于演示概率统计的数学模拟演示教具 - Google Patents

Abstract

一种用于演示概率统计的数学模拟演示教具，包括底板、支撑柱、抛币装置、吸币装置、控制开关、识别装置和网络模块，所述抛币装置包括撑物板、第一电磁铁、第二电磁铁和支点；所述吸币装置包括第三电磁铁和第四电磁铁；所述控制开关包括单片机和继电器开关，继电器开关分别连接所述直流电源和单片机；所述识别装置为图像传感器模块；所述网络模块包括云平台、APP和蓝牙模块；所述单片机连接所述抛币装置、所述吸币装置、所述继电器开关、所述识别装置和所述网络模块。该发明的有益效果是：通过云平台来存储实验数据供APP下载，抛币吸币都使用电磁铁完成，方便重复实验。

Description

一种用于演示概率统计的数学模拟演示教具

技术领域

本发明涉及数学教具领域，更具体的是涉及一种用于演示概率统计的数学模拟演示教具。

背景技术

目前在进行概率相关的教学中，教师通常采用实验的方式来阐述概率的概念，而抛硬币实验往往是通过一人手抛硬币，另一人旁边计数的方式进行实验，然而，由于需要实验的次数之多，因而在课堂中耗费大量的人力物力去做实验，而且因为手动抛硬币的力道不同，不符合实验的条件，且因为教室面积狭小，抛出的硬币掉落在地面，同学们翻身寻会加长实验时间，也会影响课堂纪律；掉落的高度不一也会让同学们对概率实验的条件产生误解；而且每人做的实验次数不足，而做多次实验会影响课程数学概念的教学时间。

现在研发的抛币实验教具，多采用弹簧的弹力做为抛币动力，且需要固定装置将弹簧固定来保持撑物板的水平，而固定装置本身因为需要压制弹簧向上的弹力，也需要进行特殊加工，而固定装置多采用金属结构来避免多次使用后的老化，而在教具中过多采用金属材料会导致学生在使用的时候容易磕碰受伤。

发明内容

为了解决上述技术问题的至少一方面，本发明提供了如下解决方案。

一种用于演示概率统计的数学模拟演示教具，包括底板、支撑柱、抛币装置、吸币装置、控制开关、驱动装置、识别装置和网络模块，所述抛币装置包括撑物板、第一电磁铁、第二电磁铁和支点，所述抛币装置用于将双面具有不同图案的币以相同的力度抛起；其中，所述撑物板的至少一部分向底板方向凹入而在所述撑物板的外侧限定出容纳空间；所述吸币装置包括第三电磁铁和第四电磁铁，所述第四电磁铁安装于所述容纳空间内，所述第四电磁铁与所述撑物板的外侧表面齐平以封闭所述容纳空间，；所述控制开关包括单片机和继电器开关，所述继电器开关连接所述单片机；所述驱动装置为直流电源，所述直流电源连接所述继电器开关；所述识别装置为图像传感器模块，所述传感器模块通过比对所述币的正反面的图像纹路的密集程度来分辨正反面；所述网络模块包括云平台、APP和蓝牙模块；所述单片机连接所述抛币装置、所述吸币装置、所述识别装置和所述蓝牙模块。通过单片机来控制各个装置，将抛币结果数字化记录在单片机的存储单元内，通过蓝牙模块上传至手机APP，手机APP上传至云平台，不用在教室内架设相关网络设备就可以实现云平台共享实验数据，而大量的实验数据更容易接近实验结果。

进一步地讲，所述第一电磁铁和所述支点安装于所述底板上，所述第二电磁铁安装于所述撑物板面向底板的外侧，所述撑物板安装于所述支点上；所述第一电磁铁和第二电磁铁位于同一端，并且所述第一电磁铁和第二电磁铁互相产生斥力以将所述撑物板抬起，使得所述币被抛起通过第一电磁铁和第二电磁铁通电同方向的电流产生互斥磁力，让撑物板一端弹起，同时因为撑物板电磁铁的一端重量，在断开电流后会自然下落恢复原来的水平位置。

进一步地讲，所述支撑柱为L型，所述支撑柱安装在底板上，所述支撑柱距离撑物板的高度为允许所述币被抛起并自由翻转。通过多次实验得到标准的距离高度，且1元硬币处于上抛曲线的顶点，符合抛币实验标准。

进一步地讲，所述继电器开关连接所述第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁和第四电磁铁，所述第三电磁铁安装于支撑柱面向撑物板的一面；所述第三电磁铁设置在所述支撑柱上，且处于所述第四电磁铁的正上方。通过继电器开关控制电磁铁与直流电源的连接，方便了切换电磁铁的开关实现抛币吸币的流程。

进一步地讲，所述图像传感器模块安装于所述底板，所述图像传感器模块位于所述撑物板的一侧。通过图像传感器模块来识别硬币正反面，方便了实验数据的记录，省去以往教具LED或者数码管显示的繁琐，也缩小了教具的体积，方便了日常搬运。

进一步地讲，所述蓝牙模块安装于底板上，所述蓝牙模块与APP连接，所述APP与所述云平台连接。通过蓝牙模块和APP来上传数据至云平台，省去了在教室内架设无线路由器等网络设备的步骤，更适用于各个学校的的教学环境，节约成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的剖视图。

图3是一种实施例的流程图。

附图标记：1-支撑柱；2-第一电磁铁；3-第二电磁铁；4-第三电磁铁；5-第四电磁铁；6-撑物板；7-支点；8-底板；9-图像传感器模块；10-蓝牙模块。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

在本发明的各种实施例中，应理解，下述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请所提供的实施例中，应理解，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。

本发明是一种用于演示概率统计的数学模拟演示教具，主要用于数学的抛币实验教学，通过多次投掷硬币来记录硬币最后的正反面，澄清学生一些错误的认知，通过将投掷力度和高度限制把抛币实验的实验条件理想化，更容易得到抛币实验的结论：抛币的结果是正反面各有一半可能。由于需要大量实验才能得到结果，故将数学模拟演示教具设计成单人使用，通过学生短时间内重复实验来达到实验规定的次数，让抛币实验中硬币正反面的概率更接近实验结论。

根据图1所示，在一个实施例中，该数学模拟演示教具包括抛币装置、吸币装置、控制开关、识别装置和网络模块。

抛币装置

其中抛币装置包括所述抛币装置包括撑物板6、第一电磁铁2、第二电磁铁3和支点7。

所述第一电磁铁2和所述支点7安装于所述底板8上，所述第二电磁铁3安装于所述容纳空间面向底板8的外侧，所述撑物板6安装于所述支点7上。在使用时将1元硬币置于抛物板上，单片机输出信号控制继电器开关，继电器开关控制第一磁铁2和第二磁铁3接收直流电源的电流，第一电磁铁2与第二电磁铁3接收同一个方向的电流后产生相同的极性，互相产生斥力因此撑物板6被抬起，硬币被抛出。硬币被抛出后，单片机控制继电器开关切断直流电源对第一电磁铁2与第二电磁铁3的供电，因为撑物板6装有电磁铁的一端较重，撑物板6自动回落至水平状态。

尽管本发明中采用1元硬币作为被抛弃的物体，然而应当理解的是，采用其他双面不同的金属币等作为替代仍然是可以的。

吸币装置

所述吸币装置包括第三电磁铁4和第四电磁铁5，所述第三电磁铁4安装于支撑柱1面向撑物板6的一面，位于第四电磁铁5的正上方；所述撑物板6的至少一部分向底板8方向凹入而在所述撑物板6的外侧限定出容纳空间，所述第四电磁铁5安装于容纳空间内，所述第四电磁铁5与所述撑物板6的外侧表面齐平以封闭所述容纳空间。在硬币被抛出后，通过单片机输出电平来控制继电器开关通电第三电磁铁4，将升至抛币曲线上抛顶点的硬币吸住，通过单片机的控制防止第三电磁铁4在硬币上升过程中过早开启导致硬币受到向上的磁吸力从而影响抛币实验的准确性。

在识别装置识别出硬币面向撑物板6的一面后，单片机输出信号到继电器开关中断第三电磁铁4的供电，使用继电器开关将直流电源切换至对第四电磁铁5供电，硬币下落后会被第四电磁铁5吸住，方便开始下次抛币实验。

典型地，支撑柱1可以是弯曲延伸的形状，从而可以将支撑柱1的底部设置在远离撑物板6的位置。

控制开关

所述控制开关包括单片机和继电器开关，所述单片机和所述继电器开关安装在所述底板8上，所述继电器开关连接第一电磁铁2、第二电磁铁3、第三电磁铁4、第四电磁铁5和直流电源，直流电源为多次抛币实验中电磁铁的开启和通电提供能量，采用直流电源是因为单片机的3.3V电源无法驱动多块电磁铁开启。

识别装置

所述识别装置包括图像传感器模块9，所述图像传感器模块9安装于所述撑物板6的一侧，面向撑物柱1。所述单片机与图像传感器模块9连接，图像传感器模块9通过比对1元硬币正反面的图像纹路密集程度来分辨正反面。例如，通过比较，1元硬币的正面“1元”明显比反面的“菊花”纹路密集程度要低。在实验前设置图像传感器模块9检测到整面的正面图案输出高电平信号“1”，检测到整面的反面图案输出低电平信号“0”，并设置图像传感器模块9检测条件：1元硬币的尺寸，检测到低于设定尺寸时，图像传感器模块9不输出电平信号。所述高低电平信号都会传输至单片机，所述单片机存储电平信号方便学生记录抛币实验的实验结果。

网络模块

所述网络模块包括云平台、APP和蓝牙模块10，所述云平台用于存储蓝牙模块10上传APP的数据和发送数据至APP，单片机收集图像传感器模块9识别结果的数据，通过蓝牙模块10打包发送至手机APP，手机APP上传至所述云平台，云平台接收所有手机APP发送的数据并排列成execl表格，学生可以通过手机APP下载execl表格。设立蓝牙模块10的作用是因为本数学模拟演示教具在课程实验中将发放至每一个同学手里，让每个同学都有机会亲自进行大量的抛币实验，同时因为教室内的同学人数在40～60之间，如果使用通讯模块直连云平台，需要架构室内网络设备，如无线路由器，且需要技术人员调配数学模拟教具与无线路由器的网络协议，并不适合面向全国各个学校的普及。而蓝牙模块10和手机APP的优势就是将上传至云平台的通信路径由全国移动通信运营商的基站来完成，易于应用于全国各地的网络环境。

在另一个实施例中，支撑柱1为L型为了方便平时搬运教具，也方便了导线的走线，将电磁铁与单片机连接。

在一个实施例中，支撑柱1距离撑物板6的高度为50cm，50cm的高度是在这个实施例中让硬币在被抛出后进行一个完整上抛曲线可以进行更多次的翻转，让实验结果更接近真实效果，避免了翻转次数过少导致实验结果固定，不符合抛币后，1元硬币正反面朝上的概率各占一半的公知知识。

如图2所示，在一个实施例中，所述第三电磁铁4位于所述第四电磁铁5的正上方是方便抛币实验中硬币的回收，让1元硬币可以固定地从一点抛出，也方便了第三电磁铁4通过磁力吸住硬币。第四电磁铁5位于第三电磁铁4的正下方方便第四电磁铁5通过磁力吸住下落的硬币开始下一次实验。这样避免了之前抛币实验中学生还需要手动将1元硬币放置于撑物板6上特定的点，抛币吸币回币的全自动让学生可以更快速的得到实验结果和数据，提升了课堂教学效率。

如图3所示，在一个实施例中，先将手机APP与蓝牙模块10匹配，蓝牙模块10匹配成功后，单片机进入实验一次发送一次数据的模式。将1元硬币放置于第四电磁铁5中间，摁下单片机的开关，单片机输出指令控制继电器开关接通直流电源与第一电磁铁2和第二电磁铁3的连接，第一电磁铁2和第二电磁铁3由于受到相同方向的电流从而产生相同的极性，第一电磁铁2和第二电磁铁3相互的斥力将撑物板6的一端弹起，1元硬币笔直向上抛出，经过0.5秒后，单片机发送命令控制继电器开关将直流电源切换对第三电磁铁4通电，所述第三电磁铁4通电后成功吸住上升到第三电磁铁4附近的1元硬币，此时单片机发送指令开启图像传感器模块9，图像传感器模块9开始识别1元硬币面向撑物板6的一面，识别结束后将识别信息以0/1高低电平信号的形式发送给单片机，单片机在记录1次实验数据后通过蓝牙模块10发送至手机APP后，单片机控制继电器开关通电第四电磁铁5并断开第三电磁铁4与直流电源的连接，1元硬币失去第三电磁铁4的磁力后自由落体并被第四电磁铁5吸附。而撑物板6上第四电磁铁5的存在也方便了实验中1元硬币摆放位置的定位。实验结束后，通过手机APP打包数据以及学生编号发送至云平台，学生或者教师可以通过APP下载云平台的数据用于比对实验结果并进行相关统计计算。

在另一个实施例中，将红色显色药水涂抹在1元硬币的一面，如此图像传感器模块9只用识别1元硬币的有大量红色的一面和是否低于设定尺寸便可分辨1元硬币的正反面，不需要比对硬币两面的纹路，这样会更减少工作能耗提高了工作效率。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的保护范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种用于演示概率统计的数学模拟演示教具，包括底板(8)、支撑柱(1)、抛币装置、吸币装置、控制开关、驱动装置、识别装置和网络模块，其特征在于：所述抛币装置包括撑物板(6)、第一电磁铁(2)、第二电磁铁(3)和支点(7)，所述抛币装置用于将双面具有不同图案的币以相同的力度抛起；其中，所述撑物板(6)的至少一部分向底板(8)方向凹入而在所述撑物板(6)的外侧限定出容纳空间；所述吸币装置包括第三电磁铁(4)和第四电磁铁(5)，所述第四电磁铁(5)安装于所述容纳空间内，所述第四电磁铁(5)与所述撑物板(6)的外侧表面齐平以封闭所述容纳空间，；所述控制开关包括单片机和继电器开关，所述继电器开关连接所述单片机；所述驱动装置为直流电源，所述直流电源连接所述继电器开关；所述识别装置为图像传感器模块(9)，所述传感器模块(9)通过比对所述币的正反面的图像纹路的密集程度来分辨正反面；所述网络模块包括云平台、APP和蓝牙模块(10)；所述单片机连接所述抛币装置、所述吸币装置、所述识别装置和所述蓝牙模块(10)。

2.根据权利要求1所述的用于演示概率统计的数学模拟演示教具，其特征在于：所述第一电磁铁(2)和所述支点(7)安装于所述底板(8)上，所述第二电磁铁(3)安装于所述撑物板(6)面向底板(8)的外侧，所述撑物板(6)安装于所述支点(7)上；所述第一电磁铁(2)和第二电磁铁(3)位于同一端，并且所述第一电磁铁(2)和第二电磁铁(3)互相产生斥力以将所述撑物板(6)抬起，使得所述币被抛起。

3.根据权利要求1所述的用于演示概率统计的数学模拟演示教具，其特征在于：所述支撑柱(1)为L型，所述支撑柱(1)安装在底板(8)上，所述支撑柱(1)距离撑物板(6)的高度为允许所述币被抛起并自由翻转。

4.根据权利要求1所述的用于演示概率统计的数学模拟演示教具，其特征在于：所述继电器开关连接所述第一电磁铁(2)、第二电磁铁(3)、第三电磁铁(4)和第四电磁铁(5)，所述第三电磁铁(4)安装于支撑柱(1)面向撑物板(6)的一面；所述第三电磁铁(4)设置在所述支撑柱(1)上，且处于所述第四电磁铁(5)的正上方。

5.根据权利要求1所述的用于演示概率统计的数学模拟演示教具，其特征在于：所述图像传感器模块(9)安装于所述底板(8)，所述图像传感器模块(9)位于所述撑物板(6)的一侧。

6.根据权利要求1所述的用于演示概率统计的数学模拟演示教具，其特征在于：所述蓝牙模块(10)安装于底板(8)上，所述蓝牙模块(10)与APP连接，所述APP与所述云平台连接。