《利用Arduino探究單擺周期》教學實踐及反思

張敬云 鐘柏昌 李守良 謝作如

選題背景

隨著機器人技術的普及，機器人進課堂成為一種趨勢。但是，從目前的機器人教學的內容來看，機器人只是作為學習的對象，有關機器人技術的本體知識構成了機器人課程的核心或全部內容，模擬實驗或模擬再現生產生活中的科技產品成為機器人課程的主要教學方式。盡管這對學習機器人的基礎知識和基本技能來說非常有效，但不應該成為機器人教學的全部。而科學探究，作為一個世紀以來國際基礎教育改革所努力追求的方向，卻在教學實踐層面沒有得到足夠的重視。

實際上，世界各國一直提倡學生科學探究能力的培養，我國的新課程改革也特別強調科學探究活動。我們認為，將機器人作為科學探究的一種工具和平臺，開展科學探究活動，是中小學機器人教育的一個重要發展方向。因此，在探究單擺周期的課堂活動中，我們將紅外數字避障傳感器作為科學探究實驗的一種工具，搭建探究單擺周期的實驗裝置。這將不僅能夠幫助學生學習機器人的基礎知識和基本技能，掌握與單擺實驗相關的知識，還能夠培養學生的科學探究能力，提高他們學習機器人的積極性。

方案設計

1. 教學內容和學生情況分析

本課的教學內容是利用Arduino探究單擺的周期，并學會紅外數字避障傳感器的使用方法。本課的教學對象是溫州中學高一學生，他們已經對Arduino機器人產生了濃厚的興趣，并已理解了Arduino機器人的輸入輸出，掌握了傳感器及串口監視器的使用方法，熟悉了Mixly的基本模塊。

2. 教學目標

（1）掌握Arduino機器人中紅外數字避障傳感器的使用。

（2）通過自主設計探究單擺實驗的方案，體驗科學探究的過程和方法。

（3）通過利用Arduino做科學探究的實驗，感受傳感器為工作帶來的便利，使學生對學習機器人產生積極的態度。

3. 教學重點和難點

本課的教學重點是通過利用Arduino探究單擺周期的實驗，理解科學探究的一般過程與方法，難點是自主制定計劃、設計探究實驗方案。

4. 探究單擺周期實驗的方案設計

由教學內容及教學目標可知，本課題最重要的是讓學生在理解單擺實驗原理的基礎上，自主制定探究活動的實驗方案，從而體驗科學探究的一般過程與方法，提高學生學習機器人的興趣。因此，綜合考慮教學內容、教學目標及課堂時間等因素，本課題設計了如表1所示的實驗方案。

硬件搭建

利用Arduino探究單擺的周期實驗所用到的硬件器材有：Romeo控制器、紅外數字避障傳感器、USB數據線以及3P線等。

1. 紅外數字避障傳感器

紅外數字避障傳感器也稱紅外接近開關，是一種集發射與接收于一體的光電開關傳感器。傳感器在接收到信號后，會引起后測指示燈的亮滅。這款傳感器背面有一個電位器，可以根據需要調節障礙的檢測距離。當探頭前方無障礙時，紅外數字避障傳感器輸出高電平，有障礙時則相反。

2. 硬件搭建

紅外數字避障傳感器自帶了3P接線，其中紅線對應5V，綠線對應GND，黃線對應信號線，將其按照對應顏色的接線接在Romeo控制器的數字針腳即可。本文中接線接在了2號數字針腳，接線圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 接線圖

圖2 實物圖

程序編寫

程序編寫需解決兩個問題：一是記錄單擺來回擺動的次數和時間；二是根據檢測到的次數和時間自動輸出單擺的周期。由于單擺剛開始擺動時不很穩定，因此有必要略過前幾次擺動的次數及時間。這里，我們從單擺擺動的第三次開始計時和計數。測出需要擺動的次數和時間后，就可以用總時間除以總次數，求出單擺的周期。要注意的是，每次傳感器檢測到小球經過最低點時，是經過了半個周期，因此在計算單擺周期時，需將次數除以2，具體程序如圖3所示。

圖3 程序代碼

教學實踐

在本次教學實踐中，教師主要通過以下四個環節完成教學。

1. 拋出問題 引入新課

教師出示一張鐘擺的PPT，同時給學生拋出一個問題：有同學注意到家里擺鐘的鐘擺在有規律地擺動，經認真觀察發現，鐘擺來回擺動一次的時間剛好是1秒。那么，是不是所有的鐘擺來回擺動一次的時間都是1秒呢？教師讓學生上網查找資料并以小組為單位展開討論，最后請小組代表發表組內意見，同時對學生的觀點給予肯定或者糾正。教師再以PPT的形式展示物理實驗中單擺實驗的示意圖，并向學生解釋周期的概念及鐘擺的工作原理。教師接著向學生展示傳統單擺實驗的裝置，并引導學生思考這樣做實驗可能產生的誤差和不足。經各抒己見后，教師做出總結：當人觀察到小球到達最低點時，開始用秒表計時并人為計數，這樣操作存在很大的人為誤差。那么能否利用Arduino制作一套這樣的實驗裝置，避免人為誤差呢？即這套裝置應該具有如下功能：檢測到小球擺到最低點時，次數自動加1，同時自動計時，自動求出單擺的周期時長。

2. 講解新知 制訂計劃

通過前面的學習，學生已了解到傳感器最大的優勢在于能夠自動獲取數據，因此教師向學生提問“可以利用哪種傳感器檢測小球是否到達了最低點，并開始自動計時、計數呢”，引發學生思考。學生討論后，教師向學生介紹一款新的傳感器——紅外數字避障傳感器。在為學生簡單介紹其使用方法之后，教師讓學生自己完成傳感器與Romeo控制器的連接并編寫程序，通過串口監視器觀察當傳感器檢測到障礙物和檢測不到障礙物時的輸出值。

接著，學生以小組合作的形式制定探究計劃并設計實驗。由于之前學生沒有接觸過科學探究的實驗，為鼓勵學生順利完成實驗任務，教師為學生提供了一份有關科學探究一般步驟的表格，作為他們的學習支架，如表2所示。在學生制定探究計劃的過程中，教師要作為參與者參與其中。當學生探究遇到問題時，教師也要作為引導者引導學生走出困境。教師請小組代表匯報本組的探究計劃，并請其他小組成員對他們的匯報內容進行評價，最后教師對學生的計劃進行總結。探究活動結束之后，教師要給學生留一定的時間，讓他們結合剛才同學及教師的意見，對探究計劃做進一步的修改和完善。

表2 利用Arduino探究單擺周期導引

科學探究的步驟 具體內容

提出問題 擺鐘來回擺動一次的時間都是1秒嗎

形成假設 查找資料，形成自己的假設

制定計劃和設計實驗 1.所需器材

2.所需控制的變量

3.實驗步驟

進行實驗和收集數據 數據記錄表

分析數據和得出結論 數據可視化、假設正確與否

評價與反思 對實驗進行總結

3. 進行實驗 收集數據

讓學生按照制定好的實驗步驟，以小組的形式進行具體的實驗操作，并在實驗過程中做好相關的數據記錄。最后，通過對數據的處理分析，各小組得出實驗結論，驗證或證偽假設。

4. 得出結論 評價交流

學生以小組為單位匯報本組獲取的實驗數據以及得出的實驗結論，并能夠對本組和其他小組的探究實驗做出正確的評價。

教師首先讓完成探究實驗的小組展示他們的實驗裝置，再匯報他們獲得的數據和分析結論。本次教學，全班一共30名學生，3名學生為一組，一共10組。在這10個組中，單擺來回擺動一次的時間都不是1秒，并且有5個小組經過控制變量的方法得出：當擺角和小球的質量一定時，擺線越長，單擺的周期越長，反之則越短；當擺線和小球的質量一定時，單擺的周期與擺角無關；當擺線與擺角一定時，單擺的周期與小球質量無關。最后，教師選取了一個小組的探究實驗作為范例，從器材選取、變量控制、程序算法、數據處理、誤差分析等多個角度對作品進行了評價。在學生掌握了評價尺度后，再讓各個小組對其他小組的實驗過程及結論進行評價，并投票選出最佳的探究實驗方案。

5. 拓展提升 課堂總結

單擺在擺角小于5°時，可近似認為是簡諧運動。此時，單擺運動的周期公式為：T=2π√（L/g），其中L指擺長，g是當地重力加速度。為了鼓勵學生利用已有知識，提高上網查閱資料的能力，在完成單擺周期的實驗探究之后，教師提出了一個新問題：如何利用單擺實驗測出當地的重力加速度？

最后，教師對本課進行總結：本課重點是掌握科學探究的一般過程和方法。因此，不僅要學習Arduino機器人本身的知識與技能，更希望大家在遇到問題時，將它作為探究過程中強有力的輔助工具，幫助我們更準確地獲取數據、更方便地解決問題。

本次教學主要是讓學生通過自主設計探究單擺實驗的方案，體驗科學探究的一般過程與方法，并能感受利用Arduino自動獲取數據的優勢及其給我們的工作帶來的便利，從而激發學生學習機器人的興趣。從學生的任務完成情況來看，全班一共30名學生，全都制定了探究實驗的方案，并得出了實驗結論。對于拓展任務，由于時間原因，許多學生只查閱了相關資料。但令人欣喜的是，有2組學生在好奇心的驅動下，利用課余時間完成了測量重力加速度的任務。另外，本次教學還有一些需要改進之處。比如，在讓學生制定探究計劃之前，對知識點的講解不夠全面；在編寫程序的環節，對學生的提示和引導不夠細致等。

注：本文受教育部人文社會科學研究青年基金項目“義務教育STEM校本課程的開發與應用研究”（項目編號：13YJC880121）資助。

（作者單位：南京師范大學教育科學學院 南京師范大學教育科學學院 北京師范大學教育技術學院 浙江溫州中學）