基于開源硬件的光的三原色實(shí)驗(yàn)探究

張創(chuàng)婷 徐敬洪

教學(xué)背景

18世紀(jì)，牛頓通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種色光中只有紅、綠、藍(lán)三種色光無法被分解，而其他四種色光均可由這三種色光以不同比例相合而成。于是紅、綠、藍(lán)被稱為“光的三原色”，即RGB（Red， Green， Blue）。

但是在科學(xué)課教學(xué)過程中，光的三原色實(shí)驗(yàn)往往只能通過三棱鏡進(jìn)行光的散射實(shí)驗(yàn)來觀察。雖然能看到光的散射現(xiàn)象，操作上也沒有太大的難度，但是該實(shí)驗(yàn)無法量化，而且無法反向進(jìn)行，只能觀察到光的散射，無法觀察到光的合成。在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們結(jié)合開源硬件設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，既能直觀地看到合成的光色的改變，也能通過R、G、B的數(shù)值對(duì)合成的光色進(jìn)行量化，讓實(shí)驗(yàn)變得非常直觀。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能 知道太陽光中包含不同顏色的光，通過色散實(shí)驗(yàn)可以把太陽光分解成七種顏色的光，其中紅、綠、藍(lán)無法再被分解，成為光的三原色，其余四種顏色的光以及白光可以通過紅、綠、藍(lán)三種色光以不同比例合成。

過程與方法 使用開源硬件并編程模擬三原色，合成彩色RGB燈，從而直觀地觀察到三原色如何合成其他不同顏色的色光;記錄實(shí)驗(yàn)?zāi)M的過程，分析橙、黃、靛、紫以及白光等色光合成需要三原色光的不同比例，并分析數(shù)據(jù);根據(jù)模擬活動(dòng)和生活經(jīng)驗(yàn)解釋彩色電視機(jī)、顯示器等的顯色原理。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 能從身邊的自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)其科學(xué)原理，并積極結(jié)合現(xiàn)代化信息技術(shù)開展科學(xué)探究活動(dòng)，從而產(chǎn)生對(duì)自然探究的興趣。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 理解太陽光中包含不同顏色的光以及三原色光可以合成其他色光的原理。

教學(xué)難點(diǎn) 探究不同色光的合成所需的三原色光的比例。

教學(xué)準(zhǔn)備

一、材料準(zhǔn)備

1個(gè)數(shù)字食人魚紅色LED發(fā)光模塊，1個(gè)數(shù)字食人魚綠色LED發(fā)光模塊，1個(gè)數(shù)字食人魚藍(lán)色LED發(fā)光模塊，3個(gè)模擬角度傳感器Rotation Sensor V1，1個(gè)掌控板2.0編程入門學(xué)習(xí)主控板，1個(gè)Micro：bit掌控I/O擴(kuò)展板，椴木板若干。

二、制作實(shí)驗(yàn)裝置

利用LaserMaker軟件設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)裝置，然后用激光切割機(jī)切割好椴木板，隨后將各種材料進(jìn)行組裝，組裝后實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖如圖1。

三、編寫硬件程序

實(shí)驗(yàn)裝置搭建好后，就需要編寫程序來實(shí)現(xiàn)功能。掌控板的程序如圖2，需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有模式選擇、連接Wi-Fi與SIoT服務(wù)器、實(shí)驗(yàn)操作獲取并顯示R、G、B三種顏色的值，同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到SIoT服務(wù)器。

考慮到實(shí)際情況，學(xué)生不一定具有電腦及網(wǎng)絡(luò)等條件，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢?shí)現(xiàn)了學(xué)生按鍵選擇“服務(wù)器模式”或“離線模式”，實(shí)驗(yàn)過程中，還可以按“A+B”重新選擇模式。“模式選擇”功能模塊程序可掃描右側(cè)實(shí)驗(yàn)硬件程序二維碼查閱。

3個(gè)旋鈕的亮度值對(duì)應(yīng)著3個(gè)LED燈的亮度值，轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，改變旋鈕的值，就能改變紅綠藍(lán)3個(gè)LED燈的亮度。我們通過編寫“實(shí)驗(yàn)操作”程序，讓實(shí)驗(yàn)裝置獲取3個(gè)LED燈的亮度值并能實(shí)時(shí)顯示出來，“實(shí)驗(yàn)操作”功能模塊程序可掃描右側(cè)實(shí)驗(yàn)硬件程序二維碼查閱。

教學(xué)過程

一、課題引入

教師通過演示彩虹實(shí)驗(yàn)（利用噴壺在陽光下“制造”彩虹），引出驅(qū)動(dòng)任務(wù)：在自然界中什么情況下才能看到彩虹？彩虹的形成需要什么條件？學(xué)生思考并回答。教師講解色散實(shí)驗(yàn)，利用三棱鏡等工具分離陽光，讓學(xué)生知道陽光有不同的顏色。隨后，教師提出問題：如何把分離的七彩光線合成白光？學(xué)生思考并討論。

二、自主學(xué)習(xí)

學(xué)生自行閱讀關(guān)于牛頓的光的色彩論的資料，了解到太陽光分解的七種光線經(jīng)過三棱鏡的反向折射之后，又會(huì)合成一束白光;且牛頓通過進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)，紅、綠、藍(lán)三種色光無法再分解，反而可以合成其他的色光。

三、實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)開始前，教師展示光的三原色實(shí)驗(yàn)裝置，并講解裝置的實(shí)驗(yàn)原理。

（一）教師演示實(shí)驗(yàn)

1.打開裝置，可按A鍵或B鍵選擇模式。實(shí)驗(yàn)過程中，隨時(shí)可以按“A+B”重新選擇模式，如圖3。電腦啟動(dòng)SIoT服務(wù)器，選擇“服務(wù)器模式”，裝置自動(dòng)連接Wi-Fi和SIoT服務(wù)器。

2.連接Wi-Fi和服務(wù)器后，裝置開始工作，分別轉(zhuǎn)動(dòng)紅、綠、藍(lán)3個(gè)LED燈的旋鈕，即可改變R、G、B三種顏色的值，結(jié)果會(huì)在掌控板的OLED屏幕顯示出來，3個(gè)LED燈直觀地顯示出紅、綠、藍(lán)三種顏色的光色，合成的RGB顏色也會(huì)通過掌控板的RGB燈顯示出來。

3.觀察掌控板上RGB彩燈的顏色，Mind+通過串口通訊，程序自動(dòng)將R、G、B的值以及所記錄的顏色一并發(fā)送到SIoT服務(wù)器。

4.導(dǎo)出SIoT服務(wù)器的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單整理后就能輕松得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如下表。

（二）學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究

教師演示完畢，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在有條件的情況下，實(shí)驗(yàn)操作過程中，教師可以給每個(gè)小組各分發(fā)一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，配套電腦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速記錄;在條件不允許（如電腦、Wi-Fi條件不滿足）的情況下，可以只分發(fā)裝置給學(xué)生，不配備電腦，學(xué)生通過裝置觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過紙質(zhì)表格記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

四、分享交流

以小組為單位分析數(shù)據(jù)，討論并總結(jié)光的三原色合成的規(guī)律。然后，教師邀請(qǐng)小組代表在全班同學(xué)面前分享探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果以及感受。

教學(xué)反思

傳統(tǒng)的光的三原色實(shí)驗(yàn)無法量化，而且無法反向進(jìn)行，只能觀察到光的散射，無法觀察到光的合成。本裝置創(chuàng)造性地解決了這一問題，而且成本低、效果好。物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)用讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄變得非常快捷和簡(jiǎn)單，大大提高了實(shí)驗(yàn)的效率。

本裝置同時(shí)設(shè)置“服務(wù)器模式”和“離線模式”，確保在沒有網(wǎng)絡(luò)或者電腦的情況下也能夠照常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，降低了裝置使用的門檻，只要帶上充電寶，任何條件下都可以通過本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）

張創(chuàng)婷 廣東省佛山市順德區(qū)李介甫小學(xué)科學(xué)教師，致力于STEM項(xiàng)目化課程學(xué)習(xí)研究，撰寫的STEM研究論文獲國(guó)家級(jí)、省級(jí)、市級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。多次帶領(lǐng)學(xué)生獲得省、市、區(qū)級(jí)科技競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)，多次獲得省、市、區(qū)級(jí)科技競(jìng)賽“優(yōu)秀科技輔導(dǎo)員”稱號(hào)。

徐敬洪 廣東省佛山市順德區(qū)李介甫小學(xué)信息技術(shù)教師，順德區(qū)創(chuàng)客教育聯(lián)盟講師團(tuán)成員，公眾號(hào)“玩轉(zhuǎn)信息技術(shù)”創(chuàng)辦人，致力于創(chuàng)客教育和人工智能的研究，曾多次輔導(dǎo)學(xué)生在省、市、區(qū)級(jí)創(chuàng)客競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)。