CN212365287U - 杠杆原理实验仪及杠杆原理实验仪教学数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种杠杆原理实验仪，包括由底盘、立杆、杠杆和钩码构成的仪器本体，在所述杠杆上设置有调平装置和钩挂部，所述钩挂部为间隔开设在所述杠杆上的多个钩挂孔，所述钩码钩挂在所述钩挂孔上；还包括：采集部，所述采集部用于采集所述仪器本体平衡实验的数据并发送至上位机。本实用新型优点在于通过采集部和调平采集单元，能够在学生操作过程中对杠杆平衡原理的运用和杠杆调平操作等多个实验的每个操作动作进行数据采集，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。

Description

杠杆原理实验仪及杠杆原理实验仪教学数据采集系统

技术领域

本实用新型涉及教学仪器，尤其是涉及一种杠杆原理实验仪，本实用新型还涉及一种杠杆原理实验仪教学数据采集系统。

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。

杠杆原理实验仪是小学科学、中学物理仪器中常用的主要仪器，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

本实用新型目的在于提供一种杠杆原理实验仪，本实用新型还提供一种杠杆原理实验仪教学数据采集系统。

为实现上述目的，本实用新型可采取下述技术方案：

本实用新型所述的杠杆原理实验仪，包括由底盘、立杆、杠杆和钩码构成的仪器本体，在所述杠杆上设置有调平装置和钩挂部，所述钩挂部为间隔开设在所述杠杆上的多个钩挂孔，所述钩码钩挂在所述钩挂孔上；还包括：

采集部，所述采集部用于采集所述仪器本体平衡实验的数据并发送至上位机。

优选的，所述采集部包括：

采集单元，所述采集单元包括摄像头，所述摄像头朝向所述仪器本体，摄像头通过有线或无线的方式将数据传输至所述上位机；

标识单元，所述标识单元包括钩码标识单元和钩挂标识单元，所述钩码标识单元包括设置在每个所述钩码上的第一色标，所述钩挂标识单元包括设置在每个所述钩挂孔上的第二色标。

优选的，所述采集部包括：

薄膜压力传感器单元，所述薄膜压力传感器单元包括设置在每个所述钩挂孔位置处的薄膜压力传感器，薄膜压力传感器用于采集对应位置钩挂孔的压力信号；

信号传输单元，所述信号传输单元具有单片机，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薄膜压力传感器单元的数据信号，单片机的数据通信接口连接有无线发送模块，用于将数据信号发送给上位机；

供电单元，所述供电单元与薄膜压力传感器单元和信号传输单元电性连接，用于对采集部的工作供电。

优选的，还包括：

调平采集单元，所述调平采集单元为设置在所述杠杆上的角度传感器，用于采集杠杆的角度信息并将数据信息传输至所述信号传输单元。

优选的，还包括：

调平标识单元，所述调平标识单元为设置在所述杠杆中心位置的重垂线，所述采集部采集所述仪器本体的数据并发送至上位机。

一种杠杆原理实验仪教学数据采集系统，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杠杆原理实验仪；

其中，多个所述杠杆原理实验仪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储存模块储存。

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。

本实用新型优点在于通过采集部和调平采集单元，能够在学生操作过程中对杠杆平衡原理的运用和杠杆调平操作等多个实验的每个操作动作进行数据采集，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。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图。

图2是图1的后视图。

图3是本实用新型实施例1的电路原理框图。

图4是本实用新型实施例2的结构示意图。

图5是图4的后视图。

图6是本实用新型实施例2的电路原理框图。

图7是本实用新型实施例3的结构示意图。

图8是图7的后视图。

图9是本实用新型实施例3的电路原理框图。

图10是本实用新型实施例4的电路原理框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。需要说明，本实用新型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。在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

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，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

实施例1：

如图1、2、3所示，本实用新型所述的杠杆原理实验仪，包括由底盘10、立杆20、杠杆30和钩码40构成的仪器本体，在杠杆30上设置有调平装置50和钩挂部，钩挂部为间隔开设在杠杆30上的多个钩挂孔60，钩码40钩挂在钩挂孔60上；还包括：采集部70，采集部70用于采集仪器本体平衡实验的数据并发送至上位机；优选的，采集部70包括：

采集单元，采集单元包括摄像头710，摄像头710朝向仪器本体，摄像头710通过有线或无线的方式将数据传输至上位机；

标识单元，标识单元包括钩码标识单元和钩挂标识单元，钩码标识单元包括设置在每个钩码40上的第一色标720，钩挂标识单元包括设置在每个钩挂孔60上的第二色标730，其中，为了上位机对采集到的图片信息更便于区分判断，第二色标730的宽度不小于10mm，第一色标720和第二色标730均为不同颜色且区分度较大；

本装置还包括：调平采集单元80，调平采集单元80包括设置在杠杆30上的角度传感器810，用于采集杠杆30的角度信息并发送至上位机；角度传感器采用基于L3GD20H陀螺仪芯片开发的角度传感器，角度传感器设置在杠杆30背面中心位置处，且内置单片机和无线信号发射器，当单片机感知角度无变化的时间长达5秒时，采集杠杆30偏离水平的角度，并通过无线信号发射器无线发射数据信息至上位机，判定标准为：角度在正负5度以内为平衡，超过正负5度为不平衡。

实验要求1：学生通过调整两端的调平装置50，使杠杆30在水平位置平衡，调平装置50为设置在两端的平衡螺母，学生通过向外或向内旋拧螺母调整杠杆30的水平度。

本装置的功能为：学生在学习操作调平实验时，当单片机感知角度无变化的时间长达5秒时，默认学生已经操作完成，此时采集杠杆30偏离水平的角度，并通过无线信号发射器无线发射数据信息至上位机，判定标准为：角度在正负5度以内为平衡，超过正负5度为不平衡。

实验要求2：实验中每个钩码40质量固定值为m=50g，误差范围为正负5克。在小学、初中杠杆实验中取其质量为50g。钩码40在挂放位置产生的力为F。钩码40挂放在杠杆30中相应的钩挂孔60内，在支点两侧各4个，距支点的距离为固定的数值:s1（S1）,s2(S2),s3(S3),s4(S4)。学生在杠杆调节平衡后，在杠杆30两侧相应位置挂钩码40，使杠杆达到平衡。学生记录所挂钩码40数量与挂钩码的钩挂孔60位置。

本装置的功能为：学生根据实验要求，在相应的钩挂孔60内钩挂钩码40时，摄像头710朝向仪器本体并全程记录或以拍照的方式记录学生的操作图像和/或视频数据，并通过通过有线或无线的方式将数据传输至上位机；上位机通过读取挂钩码40位置的钩挂孔60上的第二色标730和读取钩码40上的第一色标720数量，以图形识别的方式判定钩码的位置和个数。

实验要求3：学生需要通过计算钩码40产生的力与钩码位置产生的力矩，验证杠杆平衡原理。杠杆原理也称为“杠杆平衡条件”。要使杠杆平衡，作用在杠杆30上的两个力矩（力与力臂的乘积）大小必须相等。即：动力×动力臂=阻力×阻力臂，用代数式表示为F1·s1=F2·S2。式中，F1表示动力，s1表示动力臂，F2表示阻力，S2表示阻力臂。

本装置的功能为：上位机通过图形识别的钩码40的位置和个数，得出相应的力F与相应的位置信号S，计算力矩，并与学生得出的答案进行比较。

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、6所示，本实用新型所述的杠杆原理实验仪，包括由底盘10、立杆20、杠杆30和钩码40构成的仪器本体，在杠杆30上设置有调平装置50和钩挂部，钩挂部为间隔开设在杠杆30上的多个钩挂孔60，钩码40钩挂在钩挂孔60上；还包括：采集部70，采集部70用于采集仪器本体平衡实验的数据并发送至上位机；优选的，采集部70包括：

薄膜压力传感器单元90，薄膜压力传感器单元90包括设置在每个钩挂孔60位置处的薄膜压力传感器910，薄膜压力传感器910用于采集对应位置钩挂孔60的压力信号；

信号传输单元100，信号传输单元100具有单片机（型号：STM32F103），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薄膜压力传感器910单元的数据信号，单片机的数据通信接口连接有无线发送模块，用于将数据信号发送给上位机；

供电单元，供电单元与信号传输单元的电源接口电性连接，用于对采集部70的工作供电；

具体的，在每个钩挂孔60位置处分别设置薄膜压力传感器910，在底盘10上设置有壳体110，信号传输单元100和供电单元均设置在壳体110内，多个薄膜压力传感器910通过导线120与信号传输单元100和供电单元电连接，每个薄膜压力传感器910的导线120均向中部聚集，且聚集处的导线120排列较松，有一定的移动范围，之后沿着立杆20向下设置，之后与壳体110相连，避免了导线120对杠杆30平衡实验的影响。

实验要求1：实验中每个钩码40质量固定值为m=50g，误差范围为正负5克。在小学、初中杠杆实验中取其质量为50g。钩码40在挂放位置产生的力为F。钩码40挂放在杠杆30中相应的钩挂孔60内，在支点两侧各4个，距支点的距离为固定的数值:s1（S1）,s2(S2),s3(S3),s4(S4)。学生在杠杆调节平衡后，在杠杆30两侧相应位置挂钩码40，使杠杆达到平衡。学生记录所挂钩码40数量与挂钩码的钩挂孔60位置。

本装置的功能为：学生根据实验要求，在相应的钩挂孔60内钩挂钩码40时，相应的薄膜压力传感器910采集到的压力信号即为钩码40产生的力的大小，并根据发出压力信号的薄膜压力传感器910的位置，采集到挂钩码位置与支点的距离，通过无线发送模块将数据传输至上位机。

实验要求2：学生需要通过计算钩码40产生的力与钩码位置产生的力矩，验证杠杆平衡原理。杠杆原理也称为“杠杆平衡条件”。要使杠杆平衡，作用在杠杆30上的两个力矩（力与力臂的乘积）大小必须相等。即：动力×动力臂=阻力×阻力臂，用代数式表示为F1·s1=F2·S2。式中，F1表示动力，s1表示动力臂，F2表示阻力，S2表示阻力臂。

本装置的功能为：上位机通过接收压力信号的大小和薄膜压力传感器910的位置位置，得出相应的力F与相应的位置信号S，计算力矩，并与学生得出的答案进行比较。

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3：

如图7、8、9所示，本实用新型所述的杠杆原理实验仪，包括由底盘10、立杆20、杠杆30和钩码40构成的仪器本体，在杠杆30上设置有调平装置50和钩挂部，钩挂部为间隔开设在杠杆30上的多个钩挂孔60，钩码40钩挂在钩挂孔60上；还包括：采集部70，采集部70用于采集仪器本体平衡实验的数据并发送至上位机；优选的，采集部70包括：

薄膜压力传感器单元90，薄膜压力传感器单元90包括设置在每个钩挂孔60位置处的薄膜压力传感器910，薄膜压力传感器用于采集对应位置钩挂孔60的压力信号；

调平采集单元80，调平采集单元80包括设置在杠杆30上的角度传感器810，用于采集杠杆30的角度信息并发送至上位机；调平采集单元80设置在杠杆30背面中心位置处，且内置单片机和无线发送模块，采集角度信号和压力信号，并通过无线发送模块无线发射数据信息至上位机，判定标准为：角度在正负5度以内为平衡，超过正负5度为不平衡；

具体的，每个薄膜压力传感器910和角度传感器810均通过导线130与单片机的模拟信号输入接口相连接，模拟信号放大处理单元接收薄膜压力传感器910单元和角度传感器810的数据信号，单片机将接收到的角度信号和压力信号通过无线发送模块，将数据信号发送给上位机。

实验要求1：学生通过调整两端的调平装置50，使杠杆30在水平位置平衡，调平装置50为设置在两端的平衡螺母，学生通过向外或向内旋拧螺母调整杠杆30的水平度。

本装置的功能为：学生在学习操作调平实验时，当计时模块感知角度无变化的时间长达5秒时，默认学生已经操作完成，此时采集杠杆30偏离水平的角度，并通过无线发送模块无线发射数据信息至上位机，判定标准为：角度在正负5度以内为平衡，超过正负5度为不平衡。

实验要求2：实验中每个钩码40质量固定值为m=50g，误差范围为正负5克。在小学、初中杠杆实验中取其质量为50g。钩码40在挂放位置产生的力为F。钩码40挂放在杠杆30中相应的钩挂孔60内，在支点两侧各4个，距支点的距离为固定的数值:s1（S1）,s2(S2),s3(S3),s4(S4)。学生在杠杆调节平衡后，在杠杆30两侧相应位置挂钩码40，使杠杆达到平衡。学生记录所挂钩码40数量与挂钩码的钩挂孔60位置。

本装置的功能为：学生根据实验要求，在相应的钩挂孔60内钩挂钩码40时，相应的薄膜压力传感器910采集到的压力信号即为钩码40产生的力的大小，并根据发出压力信号的薄膜压力传感器910的位置，采集到挂钩码位置与支点的距离，通过无线发送模块将数据传输至上位机。

实验要求3：学生需要通过计算钩码40产生的力与钩码位置产生的力矩，验证杠杆平衡原理。杠杆原理也称为“杠杆平衡条件”。要使杠杆平衡，作用在杠杆30上的两个力矩（力与力臂的乘积）大小必须相等。即：动力×动力臂=阻力×阻力臂，用代数式表示为F1·s1=F2·S2。式中，F1表示动力，s1表示动力臂，F2表示阻力，S2表示阻力臂。

本装置的功能为：上位机通过接收压力信号的大小和薄膜压力传感器910的位置位置，得出相应的力F与相应的位置信号S，计算力矩，并与学生得出的答案进行比较。

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10所示，本实用新型所述的杠杆原理实验仪教学数据采集系统，包括：

数据分析单元1，数据分析单元1包括上位机、接收模块和储存模块；

数据采集单元2，数据采集单元包括多个杠杆原理实验仪；

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，多个杠杆原理实验仪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所述上位机，上位机将数据信息分析处理后发送至储存模块储存。

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杠杆原理实验仪的数据信息后，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 (7)

1.一种杠杆原理实验仪，包括由底盘、立杆、杠杆和钩码构成的仪器本体，在所述杠杆上设置有调平装置和钩挂部，所述钩挂部为间隔开设在所述杠杆上的多个钩挂孔，所述钩码钩挂在所述钩挂孔上；其特征是，还包括：

采集部，所述采集部用于采集所述仪器本体平衡实验的数据并发送至上位机。

2.根据权利要求1所述的杠杆原理实验仪，其中，所述采集部包括：

采集单元，所述采集单元包括摄像头，所述摄像头朝向所述仪器本体，摄像头通过有线或无线的方式将数据传输至所述上位机；

标识单元，所述标识单元包括钩码标识单元和钩挂标识单元，所述钩码标识单元包括设置在每个所述钩码上的第一色标，所述钩挂标识单元包括设置在每个所述钩挂孔上的第二色标。

3.根据权利要求1所述的杠杆原理实验仪，其特征是，所述采集部包括：

薄膜压力传感器单元，所述薄膜压力传感器单元包括设置在每个所述钩挂孔位置处的薄膜压力传感器，薄膜压力传感器用于采集对应位置钩挂孔的压力信号；

信号传输单元，所述信号传输单元具有单片机，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薄膜压力传感器单元的数据信号，单片机的数据通信接口连接有无线发送模块，用于将数据信号发送给上位机；

供电单元，所述供电单元与薄膜压力传感器单元和信号传输单元电性连接，用于对采集部的工作供电。

4.根据权利要求3所述的杠杆原理实验仪，其特征是，还包括：

调平采集单元，所述调平采集单元为设置在所述杠杆上的角度传感器，用于采集杠杆的角度信息并将数据信息传输至所述信号传输单元。

5.根据权利要求2所述的杠杆原理实验仪，其特征是，还包括：

调平标识单元，所述调平标识单元为设置在所述杠杆中心位置的重垂线，所述采集部采集所述仪器本体的数据并发送至上位机。

6.一种杠杆原理实验仪教学数据采集系统，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杠杆原理实验仪；

其中，多个所述杠杆原理实验仪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储存模块储存。

7.根据权利要求6所述的杠杆原理实验仪教学数据采集系统，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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