基于pcDuino的數字探究實驗課程設計

王國芳

摘要：Scratch是MIT推出的編程平臺，結合其專用的傳感器板，能實時采集外界的各種物理、化學數據。它采用簡易的圖形化編程語言，開放硬件接口，易于拓展，有助于促進信息技術和理科教學的整合。數字探究實驗課程以傳感器技術為基礎，以數據探究理論為指導，在Scratch for pcDuino平臺的支持下，設計了多個趣味性、實踐性、綜合性強的探究實驗，在獲取、鞏固科學知識的同時，培養了學生的科技創新能力。

關鍵詞：STEM；Scratch；探究實驗；傳感器技術

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2015）13/14-0141-03

● 背景

科學技術的進步和發展，帶動著人類社會不斷進步和飛速發展，在學校教育連接科學、技術、社會（STS）的中心紐帶中，課程的作用是巨大的。美國華裔學者包雷在Science發表文章，調查顯示雖然中國學生的物理考試水平顯著優于美國學生，但分析和推理能力卻與美國學生無明顯差異，這不能不讓我們對現有的課程和教學方式進行反思。

在學習科學課程的過程中，學生通過觀察已經獲得一些規律性的知識，也就有了驗證規律的渴望，但在傳統的實驗中，由于條件的限制或者知識的不全面，學生“求證”往往不能得到滿足，而數字化信息系統（DIS）則為學生提供了“求證”的條件。如何通過教師的指導，結合學校科技教育的特點，引導對科技活動感興趣的學生開展科技創新實驗的研究？我們的做法是打造低成本的數字化探究平臺，設計一系列趣味實驗，引導學生探究如何用這一探究平臺開展科技創新實驗，同時培養學生在科學研究中的創新能力與創新精神。

● 研究平臺

數字化信息系統是用傳感器獲取信息，經數據采集器由計算機對信息進行數據和圖形處理的數學技術平臺，是為實現理科教學和信息技術整合而開發的。其利用現代信息技術進行實驗研究，稱為DIS實驗（Digital Information System）。在科學實驗中有許多數據，如距離、位移、力、速度、溫度、壓強、電壓、電流、濕度，甚至二氧化碳、氧氣濃度、化學PH值等，都可以用這類儀器進行測量。

我們選擇了pcDuino作為DIS實驗的軟硬件平臺。pcDuino是一種高性能、高性價比的迷你PC的平臺，能夠運行PC操作系統。pcDuino內置了Scratch軟件。我們把Scratch作為傳感器數據采集和分析的工具，用于數據探究（Dataquset）實驗中。用Scratch編制的一個顯示聲音強度的示波器，通過非常簡單的代碼，就可以實現波形顯示、數據采集和輸出（如圖1）。

● 課程設計

數字探究實驗課程基于傳感器技術，以數據探究為特色，選擇了一些系列趣味實驗組成。數據探究主要包含數據的獲取（選定待研究的數據集、選擇合適的信息源）、數據的存儲（剔除冗余數據、選擇易用的存儲形式）、數據的分析（選定分析方法、知識發現、找到或修正研究問題）、數據的表達（選定表達形式、共享成果）等方面，蘊含了大量數據探究方法和技巧。學生還要善于選用文字處理、圖像處理、信息集成的數字化工具，對科學知識內容進行重組、創作和研究。

參考北京景山學校吳俊杰老師的“數字科學家”課程，數字探究實驗課程選擇了8個實驗，從淺到深，每個實驗安排2課時，加上最后的實驗報告撰寫，共18課時。在器材的選擇方面，除了pcDuino外，還需要一系列的傳感器，教學計劃如下表所示。

● 案例展示

1.實驗名稱

PH值趣味實驗（測定不同溶液的PH值、中和反應過程中的PH變化）。

實驗目的：了解PH傳感器的實時檢測功能，并借助Scratch圖形化編程功能進行數據采集和分析感受數字化實驗的方法、原理。進一步認識酸堿中和反應過程中的PH變化情況，加深理解在現代教育技術條件下學科學實驗的直觀過程。

2.實驗器材

醋、自來水、食鹽水、洗衣粉溶液、潔廁凈溶液、橙汁、石灰漿、草木灰溶液、硫酸銅溶液。鐵架臺、50ml酸式和堿式滴定管、0.1mol/L鹽酸溶液、0.1mol/LNaOH溶液。PH值傳感器、燒杯。

3.課時

2課時。

4.實驗過程

實驗1：傳統的PH值檢測方式。

檢驗溶液酸堿度的常見“尺子”是廣泛PH試紙（如圖3）。這是一種現成的試紙，使用時撕下一條，放在表面皿中，用一支潔凈的玻璃棒蘸取一滴溶液滴在試紙上，再與標準比色卡進行對比，就可以知道溶液的酸堿度，十分方便，但精確度不高。

實驗2：基于PH值傳感器的檢測。

①用蒸餾水沖洗傳感器電極，校準傳感器，分別放進待測樣本溶液。②啟動pcDuino上的Scratch，采集數據（如圖4）。

實驗結果：醋的PH值是2.97、自來水的PH值是7.52、食鹽水的PH值是7.12、洗衣粉溶液的PH值是8.26、潔廁凈溶液的PH值是1.31、橙汁的PH值是3.51、石灰漿的PH值是12.65、草木灰溶液的PH值是12.13、硫酸銅溶液的PH值是5.72。

在平常的酸堿中和反應中我們將無色酚酞試液滴到NaOH里。但是，在實際操作中，不可避免會有稍微的酸過量，實際上此時溶液顯弱酸性。溶液成紅色時，可逐滴加入鹽酸溶液，當紅色恰好褪去，說明此時酸堿剛好發生了中和反應。

實驗3：酸堿中和反應過程中的PH值測定。

①如圖5所示連接pcDuino迷你PC平臺及實驗裝置，并用標準溶液校正PH傳感器。②在潔凈的燒杯中加入鹽酸溶液，放入PH傳感器的電極。③用標準NaOH溶液滴定待測鹽酸溶液，在此過程中用玻璃棒不斷攪拌燒杯中溶液。④用Scratch進行描點繪圖，得到中和反應過程中的溶液PH值的變化曲線（如圖6）。⑤重復上述步驟用酸滴定堿，同樣描出曲線。

實驗結果參見圖7。

● 課程展望

科學家需要兩種品質：一種是創新，即對未知領域的探索和思考，數字化信息系統簡化了實驗工序，為創新提供了足夠的空間；另一種是鉆研，即對結論的步步求證直至獲得真理，而數字化信息系統則為這個過程提供了載體。數據探究作為一種信息時代應用計算機的探究教學模式，其必要性不言而喻。利用傳感器技術設計科學探究實驗，對學生的科技創新能力的培養，同樣非常重要。

選擇pcDuino作為DIS實驗的軟硬件平臺，建立數字化實驗平臺，使DIS實驗室進入普通學校成為可能，如果配上小型的顯示器，可以在普通的教室使用。學生通過數字探究實驗課程的學習，能同時提高自身的技術水平。對于動手能力較好，并且具備一定編程能力的學生，完全可以使用Arduino和Python研究精確度更高的復雜實驗。我們深信，數字探究實驗課程和數據探究教學模式的研究，將為學校培養科技創新后備人才提供新的思路。

參考文獻：

[1]Scratch官方網站，[EB/OL].http：//scratch.mit.edu.

[2]項華，梁森山，吳俊杰.Ledong Scratch互動教學平臺的應用與研究[J].教學儀器與實驗，2011.

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[4]吳俊杰，項華，付雷.Scratch及其硬件在數據探究中的教學設計與嘗試[C].第一屆全球華人探究學習創新應用大會論文集，2010.

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[6]陸趙華.用“DIS數字化信息系統”開展高中科技創新實驗的研究[EB/OL].http：//www.doc88.com/p-5087302916171.html.