基于創客技術對傳統物理實驗的改進

王成武 傅求寶 邢海根

摘 要：近年來，創客教育是在中小學教育中正在興起的一種教學模式，包括物理知識應用的創客教學、物理概念構建的創客教學等等.本文以“研究物質的比熱容——基于創客技術的物理實驗改進”為例，談談如何引入開源電子技術、3D打印技術等創客技術和Excel實驗數據處理技術來闡述創客技術在物理實驗中的應用.

關鍵詞：創客教育;物理實驗;實驗改進

文章編號：1008-4134（2020）06-0014 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

1 對傳統實驗的反思

研究物質比熱容一節，傳統實驗裝置如圖1所示（標注為常規實驗）.此實驗用到了控制變量法和轉換法.用同一酒精燈給兩只完全相同的分別盛有質量相等的水和砂石加熱，升高相同的溫度，判斷所用時間是否相等.在具體的操作中可以發現，用同一盞酒精燈依次給水和砂石加熱，每種物質加熱6分鐘，一共12分鐘.這樣就出現三種現象：（1）加熱時間較長，火焰高度、大小在變化;（2）砂石作為加熱物質，需要攪拌，操作不便;（3）物體隨著溫度的升高，熱損失就越來越大.這三種現象導致實驗存在兩點缺陷：（1）相同時間內，質量相同的不同物質在相等時間內由于火焰的差異，吸收的熱量并不相同;（2）同種物質在相等時間內吸收的熱量也不相同.比如，同一杯水，在第1分鐘內和第6分鐘內，由于同樣原因，吸收的熱量不同.這兩個缺陷，最終使得實驗誤差過大，影響結論的可靠性.

同時傳統實驗得出近似的定量的實驗結論后，就直接定義比熱容概念，過渡不自然、生硬，不利于同學們的理解.

2 基于創客教育的實驗改進

2.1 創客教育

“創客”源于英語單詞“Maker”意為制造者，其最早起源于麻省理工學院（MIT）比特和原子研究中心（CBA）發起的AabLab（個人制造實驗室）.“創客”現在一般被認為是利用開源硬件或數字技術等現代科技把創意變為現實的人.創客教育，指培養“創客”為目的，以把“創意變為現實”作為手段的教育模式.創客教育背后蘊含著豐富的教育理念，其中最突出的是美國實用主義教育家杜威提出的“做中學”思想.它是創客文化與教育的結合，基于學生興趣，倡導造物，鼓勵分享，培養跨學科解決問題能力、團隊協作能力和創新能力的一種素質教育，被認為是未來教育發展的趨勢之一.

2.2 實驗改進

基于傳統實驗的反思，我們引入創客技術和信息技術等，實現實驗設計的嚴謹性、實驗操作的便捷性、數據采集的準確性，使該實驗真正做到定量研究.

2.2.1 方法上的改進

“用同一盞酒精燈對兩個完全相同的燒杯分別加熱”改為“用同一盞酒精燈對兩只對稱地放置在石棉網上的相同的燒杯同時加熱”.由于石棉網受熱均勻，燒杯底面積相同;所以他們吸收的熱量相同.

2.2.2 研究對象的改變

把砂石替換成煤油，避免攪拌帶來的不便.同時，煤油、水的密度相差不大，質量少的情況下（100克），在溫度不太高的情況下（不超過60攝氏度），他們的熱損失大致相同.

2.2.3 技術上的創新

引入開源硬、軟件和3D打印等創客技術，把實驗時間從12分鐘縮短為120秒，用機器每20秒讀取一組數據，避免人工讀數的較大誤差.通過三個方面的改進，就解決了相同時間內，不同物質和相同物質吸熱不同的缺陷，改善了常規實驗誤差過大的問題，真正做到定量研究.

如圖2所示（標注為創新實驗），把兩只分別盛有相同質量、不同種物質的相同燒杯對稱地放置在石棉網上，用酒精燈加熱.鐵架臺上方是一個3D打印的盒子，做成盒子的材料可降解、綠色環保，里面有Ardunio主板（程序用軟件寫好下載到板上）.圖3為積木化的工作程序，配有發聲的蜂鳴器和接受信號的無線接收器，外面引出兩只數字溫度傳感器，盒上的顯示屏每隔20秒顯示出兩種物質的溫度.接上電源，按下遙控器，機器開始工作.每次呈現新的數據之前，蜂鳴器會響三聲，提示學生記錄;每次數據在屏幕上停留20秒，便于學生記錄和簡單計算.

3 揭示物質特性的拓展創新實驗

為了說明比熱容是物質的特性，我們增加了拓展實驗.拓展實驗的裝置與創新實驗完全相同，不同的地方在于實驗的數據處理.

實驗過程如下：首先用同一酒精燈，對兩只完全相同的盛有不等質量水（分別為40克、50克）的盒子同時加熱，收集六組數據;再對質量不等的煤油加熱（分別為30克、40克），收集六組數據.引導同學們回歸密度實驗中的數據處理（比較質量與體積的比值，同種物質的比值是相同的，不同種物質的比值一般是不同的）.在本實驗中，請同學們計算加熱時間t與質量和溫度變化乘積（m·Δt）的比值，由于數據組數多，計算比值麻煩，所以我們用Excel數據處理技術，很容易得出如圖4所示的關系圖像.

在實驗誤差允許范圍內，通過圖像可以看出，對于同種物質，這個比值是相同的;對不同物質，這個比值一般是不同的.由于在實驗中物質吸收的熱量與時間成正比，Q=Q（t），因此比值tm·△t與Qm·△t成正比，類比密度的定義，Qm·△t也反映了物質的特性，它反映了物質的吸熱（或放熱）能力.我們給這個比值定義一個名稱，去描述物質吸熱（或放熱）能力的大小，從而自然地引入了比熱容的概念.

4 結束語

改進后實驗的優點：（1）實驗內容豐富，突出了重點，突破了難點，有利于實現教學目標;（2） 在創新實驗中，通過方法的改進、研究對象的改變和創客技術與信息處理技術的引入，節省了時間，減小了實驗誤差，提高了課堂效率;（3）在拓展實驗中，通過與密度定義的類比，借助信息技術，定量地計算，自然地引入物質的比熱容的概念;（4）新材料、新技術（創客技術與數據處理技術）的引入，激發學生對物理實驗的興趣和對現代技術的熱愛;（5）本實驗創客技術都是開源的（編程軟件也是免費的），成本低廉，有利于推廣.

基于創客技術對傳統實驗的改進，本質上屬于數字化實驗系統.數字化實驗系統（即DIS系統），DIS 實驗系統的優點是可以快速、準確、動態地采集實驗信息，并實現數字化顯示，由計算機輔助進行分析處理.

傳統實驗與數字化實驗各有優缺點，在實際教學中應該根據教學目標靈活運用.使用替代、保持、融合三種策略，以期發揮他們各自的優勢，實現教學設計的最優化.

參考文獻：

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（收稿日期：2019-12-12）