基于STEM理念的高中物理實驗教具制作綜述

楊磊

特色與亮點

本教具設計融高中物理實驗單擺測重力加速度、開源硬件設計、手機APP開發等多學科知識于一體，讓學生通過動手實踐學習物理知識，體會動手制作的樂趣，實現“做中學、用中學”的教育理念。課程設計分兩個層次：針對全體學生的課堂演示教具和針對部分學生的創客開發案例。

1.課堂演示亮點

①學生對新教具充滿好奇感，爭先恐后地嘗試操作，可見學生對新鮮事物還是充滿好奇心的，他們的求知欲被激發。

②學生的動手能力、數據處理能力、觀察能力以及分析判斷能力在分工協作下都得到不同程度的訓練和提升。

③以學生為主體的教學形式可最大程度地調動學生的思維活動，讓學生的“腦”跟著他們的“手”動起來，再由他們的“腦”去指導他們的“手”。

2.創客案例亮點

①Arduino簡便的開發方式使開發者更能關注創意與實現，高效地完成項目的開發任務，大大節約學習成本，縮短項目的開發周期。

②教具的底座由環保塑料積木搭建而成，整體無焊接，無膠水，內部硬件通過杜邦線連接，體現即拆即用的設計風格，可實現核心組件及傳感器的重復利用。

③新教具的部分自動化、過程可視化、與電子白板的應用達到了很好的教學效果，讓學生認識到科技進步帶來的便捷。

④通過編程解決實際問題，培養學生計算思維。

制作背景

STEM是一種教育理念，有別于傳統的單學科、重書本知識的教育方式。這是一種重實踐的超學科教育概念。任何事情的成功都不是依靠某一種能力來實現，而是需要借助多種能力來完成，如高科技電子產品的建造過程中，不但需要科學技術，運用高科技手段創新產品功能，還需要好看的外觀，也就是藝術等方面的綜合才能，所以單一技能的運用已經無法支撐未來人才的發展。未來，我們需要的是多方面的綜合型人才，STEM教育理念的提出便是這一人才需求形勢的產物。

計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。它通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看似困難的問題重新闡釋成一個我們知道問題怎樣解決的方法，還可通過利用啟發式推理尋求解答，即它是在不確定情況下的規劃、學習和調度的思維方法，同時也是利用海量數據來加快計算，即在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行折衷的思維方法。

本教具設計是基于STEM理念體現計算思維培養的教學示范。單擺測量加速度實驗是高中物理最經典的實驗之一，它在各級公開課、各省市高考中頻繁出現，是高中物理教學的重點內容之一。本教具將開源控制平臺Arduino控制器結合傳感器融入實驗，既可提高學生學習興趣，開闊實驗思路，也可讓學生在做實驗的同時，改進并創新出自己的實驗新思路。

因傳統的實驗設計利用秒表作為重要的實驗器材，通過記錄時間和記錄單擺次數，進行重力加速度的求解，能很好地讓學生體會實驗操作樂趣，故而本實驗設計并沒有在原理上做改動，而是思考如何讓學生使用傳感器及編程方法，部分代替人工，實現部分功能的自動化，爭取提升傳統實驗過程的有效性。本實驗充分利用開源硬件的優勢，并將計算思維融入教具研發的全過程，使用C語言進行軟件開發，實現數學計算；它通過運用蜂鳴器、數碼顯示管和藍牙傳感器等，使其全過程高度自動化、細節可視化。不僅如此，它能克服使用傳統教具過程中的人為干擾因素：紅外傳感器代替人工計數，消除計數過程中的人為誤差；利用電磁鐵釋放金屬小球能避免因人為釋放導致單擺變成螺旋擺的失誤。

設計思路及內容結構

1.硬件部分

利用Arduino開源硬件平臺，結合傳感器的使用，將傳統的以人工為主的實驗過程，通過硬件的方式完成。

（1）外觀設計（如圖1、圖2）

（2）硬件設計（如圖3）

（3）硬件連接（如圖4）

2.軟件部分

（1）Arduino IDE基于Processing IDE開發

對于初學者來說，它不僅極易掌握，而且具有足夠的靈活性。Arduino語言基于Wiring語言開發，是對avr-gcc庫的二次封裝，它不需要太多的單片機基礎及編程基礎，就可快速地進行開發（如下頁圖5）。本教具的程序用C語言編寫而成，由四大功能模塊組成：①初始化模塊，對傳感器引腳進行定義及賦初值；②輸入輸出模塊，為用戶提供清晰的操作提示，實現在數碼管及外接終端上整個計數過程的可視化，并將輸出結果分別顯示在數碼管及終端上；③傳感器功能模塊，負責紅外傳感器、電磁鐵、超聲波傳感器的功能實現；④藍牙通信模塊，實現與藍牙終端設備的連接。

（2）APP Inventor

APP Inventor原是Google實驗室（Google Lab）的一個子計劃，由一群Google工程師和勇于挑戰的Google使用者共同參與設計完成。Google App Inventor是一個完全在線開發的Android編程環境，它拋棄復雜的程式代碼而使用積木式的堆疊法來完成Android程式。因為對于想要用手機控制機器人的使用者而言，他們不大需要太華麗的界面，只要使用基本元件如按鈕、文字輸入輸出即可。本教具開發手機端是為了讓學生可以利用手機與教具產生交互功能，實現遠距離控制和數據傳輸（如圖6、圖7）。

3.操作步驟

將本教具放置在水平桌面，用數據線連接電腦或藍牙連接手機、Pad。安裝鐵架臺和單擺裝置。單擺小球球心與教具的紅外線傳感器探頭保持水平，以紅外線紅色指示燈長亮為準。本教具利用串口與終端進行通信，終外端需安裝敞口通信軟件，如sscom32等。通電后，計算機終端會顯示歡迎界面和操作選項。如事前已知擺長（100cm以內），請在終端上輸入“Y”；然后按儀器上第二個按鈕，調節數碼管，使顯示屏顯示已知擺長的數值；再按第三個按鈕確定。如需測量擺長，請在終端上輸入“N”；然后把超聲波傳感器放置在小球底端并長按第二個按鈕，當終端上重復顯示測量值時松開按鈕；再將小球移到懸點處，按第三個按鈕重復之前步驟。該過程可借助CD碟盤托住小球，便于測量。當擺長確定，電磁鐵通電開始工作。將小球靠近電磁鐵，使其被電磁鐵吸住。在終端上輸入“A”，電磁鐵斷電停止工作，小球開始做單擺運動。紅外線傳感器開始計數，并在終端上顯示計數過程，當計數達到40次，蜂鳴器響起。在終端上（電子白板或手機屏幕）顯示測量結果：擺長、周期和重力加速度。

關鍵技術處理

實驗原理：在偏角小于5°的情況下，單擺近似做簡諧運動，其周期，由此可得重力加速度，測出擺長L、周期T，代入上式，可算出g值。

與傳統實驗進行對比：①秒表由Arduino內部的計時器取代；②可利用超聲波傳感器測量擺長；③人工計數部分使用紅外傳感器進行計數并將計數過程在數碼管上呈現出來；④人工釋放小球容易導致運動形式發生變化，采用電磁鐵控制小球釋放，可避免運動偏差；⑤利用藍牙將數據傳送到手機端，開發APP實現手機端控制，并接收數據；⑥計數過程和測量結果可在教具端、手機端、電腦端同時呈現。

幕前幕后

本教具設計初衷是基于STEM理念將高中物理、開源硬件搭建、編程等多學科知識進行融合，讓學生通過不同的角度體會科技的發展及對學習方式方法的影響。本教具可讓不懂技術的教師和學生很方便地使用，同時，整個設計過程一直考慮能否讓學生參與到教具的開發和設計中去。參與創客學習的學生，經過教師的講解能掌握基本原理，并在教師的幫助下順地利完成開發過程。學生完成該教具的制作后，還可以在班級其他同學面前進行演示和講解，從中收獲知識帶給他的榮譽感。所以它既是物理課上的演示教具，同時也是一個很好的創客學習的教學案例。

本教具的設計和開發過程是對STEM教育的一次嘗試。本教具結構簡單，操作方便，便于教學推廣，其全部過程高度自動化，細節可視化，減少操作者進行手動操作和人工計算時產生的誤差，驗證結果準確，能夠讓學生直觀、明了地理解利用單擺原理測量重力加速度的方法和步驟，有利于學生主動參與、師生互動、合作交流，激發學生和教師的創作熱情，因此本教具在教學應用過程中得到學生和教師的好評。因利用多個傳感器之間協同工作完成基礎物理實驗，所以它對學生產生積極影響和深深觸動。創客課程的開發，將教具的教學功能以不同的角度呈現，讓學生充分認識到“用中學、學中用”的真正內涵。

評委印象

作為高中物理兼信息技術學科教師，作者從教14年，在編程教學和基于STEM促進信息技術與物理和數學學科教學深度融合方面有較深的理論研究和嚴謹的教學實踐。

該項作品是基于STEM理念的教具設計。作品對傳統單擺實驗教具進行了優化升級和空間拓展，雖然相關主題的實驗教具已經很多，但作品更加注重過程的精準性和可視化，并結合電子白板、手機等多個終端進行交互。作品在誤差控制上，引入電磁鐵釋放單擺小球，利用紅外線低點計數，有效降低偶然誤差的產生。在實際教學中，作品既可以作為物理課堂教具，又可以作為綜合實踐活動的教學課程。從教學案例的角度講，作品使用了Arduino開源硬件、多個數字傳感器的組合、樂高風格的外觀、C語言編程和圖形可視化APP手機編程等元素，便于教師以此設計教學活動，讓學生自己動手，將物理和數學與信息技術有機融合，實現了“學中做，做中學”。利用作品將數字化學習應用于教學實踐之中，既很好地完成了課堂教學任務，又激發了學生學習興趣，開闊了學生視野，點燃了學生創新熱情。該作品是第十六屆NOC活動數字化學習工具評優賽項中的典型案例。

（點評人：NOC活動數字化學習工具評優賽項裁判長/湖北省教育信息化發展中心 雷春）