基于Arduino的光敏電阻實驗改進及其應用探究*

滕帆帆 牛慧君 王 群 韓彩芹

(江蘇師范大學物理與電子工程學院 江蘇 徐州 221116；江蘇省先進激光材料與器件重點實驗室 江蘇 徐州 221116)

國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，倡導在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，學生學習基礎的人工智能知識得到了重視，其目的在于培養學生的科學思維與科技創新能力.高中生課業繁重，可以從簡單的硬件編程知識入手，Arduino作為一個簡單易上手、靈活便捷的控制器適宜高中學生學習.新課程改革將傳感器技術編寫進高中物理教材，課程標準對傳感器知識出現了“制作”等教學要求，在學生必做實驗中也加入了“利用傳感器制作簡單的自動控制裝置”實驗[1].光敏電阻是傳感器章節中的重要內容，在自動控制和非電量的測量中有著重要的作用.

在實際的教學中，由于實驗儀器與實驗條件等因素限制，教師難以對光敏電阻光照特性進行定量研究，也難以完成引導學生利用所學知識制作自動化控制裝置這類教學目標.針對目前教學中遇到的問題，本文將在光敏電阻實驗教學中嵌入Arduino硬件與編程知識，在改進實驗裝置的同時，將現代科學技術直接呈現在學生眼前，促進學生學習書本上的知識，又向學生普及了人工智能方面的知識，從更大程度上鍛煉學生的動手能力與科技創新能力，筆者認為這種嘗試還是很有意義的.

1 Arduino與智能手機在物理教學中的應用

1.1 Arduino開發板的簡單介紹及應用

Arduino是一款產自于意大利的開源電子原型平臺，包含硬件(各種型號的Arduino板)和軟件(ArduinoIDE)，本文實驗設計使用的是UNO型號.人腦可以利用各種工具來完成自己想要做的事情，Arduino就相當于機器的大腦，它具有13個數字輸入/輸出端口與5個模擬輸入/輸出端口，可以連接不同的傳感器來實現不同功能[2].

Arduino在人工智能領域中應用廣泛，利用它進行物理實驗在我國高中物理教學中已初步開展研究.研究內容主要體現在3個方面：

第一，制作實驗裝置，為物理實驗教學提供了新的思路.

第二，設置活動課程，讓學生在具體的情境中發展科技創新能力與動手能力.

第三，對傳統物理實驗的改進，彌補部分傳統實驗儀器的不足.

1.2 智能手機在物理教學中的應用

人教版高中物理新版教材在“做一做”欄目中加入了用智能手機探究物理實驗的活動，要求學生利用智能手機開發物理實驗，并在開發的過程中理解物理知識，感受物理的應用性.智能手機中有多種傳感器，比如壓力傳感器、光傳感器、GPS傳感器、陀螺儀、加速度傳感器、磁感應傳感器等.德國亞琛工業大學第二物理研究所設計開發的Phyphox軟件將智能手機中的傳感器集成了一個應用系統，可以實現近30種功能，滲透到光學、力學、聲學、電磁學等領域教學之中[3].物理課堂有了Phyphox的加入更加情境化、生動化、趣味化，提高了教學效果，對于學生創意物化能力的培養起到了積極的作用[4].

2 光敏電阻光照特性實驗改進

2.1 實驗儀器設計及其原理

光敏電阻光照特性定量研究實驗的目的是要測出某一光照強度下具體光敏電阻的值.故本次實驗將利用智能手機Phyphox軟件測出光照強度，利用Arduino開發板測出光敏電阻的阻值，將二者組裝便可以制成整個實驗裝置.測光敏電阻阻值部分是由Arduino、光敏電阻RL、330 Ω電阻R、面包板和杜邦線搭建而成.電路原理如圖1所示.電路中總電壓E為5 V,在負極和模擬口A0之間所輸出的電壓Uout為光敏電阻兩端的電壓，根據串聯電路電壓特點，總電壓減去Uout就是電阻R兩端的電壓.電阻R的阻值已知，從而得到該串聯電路的電流.最后根據電流算出光敏電阻的阻值RL.

圖1 測光敏電阻阻值電路原理圖

2.2 操作步驟及注意事項

根據實驗原理圖連接好實驗電路，實驗裝置如圖2所示.經過多次檢查確認無誤后連接電腦燒錄程序，記錄、分析數據.具體實驗步驟為：

圖2 實驗裝置圖

(1)按照實驗原理圖搭建硬件電路，在IDE內調試程序，并編譯；

(2)檢查硬件電路確認無誤后，通過串口將Arduino UNO板與電腦相連，燒錄程序；

(3)不斷改變光照強度，在顯示屏中讀取光照強度及與之相對應的光敏電阻的阻值，并記錄數據；

(4)用Origin軟件分析實驗數據.

在實驗過程中，由于光照強度分布不均勻，光敏電阻阻值會受到影響.在搭建實驗儀器時我們應該將手機的光傳感器與光敏電阻保持在一個水平高度，并將手機上的光照強度探測點無限靠近光敏電阻，保證讓光傳感器與光敏電阻接受同樣的光照強度.另外，手機的屏幕也有一定的亮度，因此要在實驗前將手機的亮度調到最暗，減小手機屏幕亮度對光敏電阻的影響.

2.3 實驗結果及數據分析

經過多次實驗，記錄光照強度L與相應光照強度下的光敏電阻阻值RL，取9組數據，將光敏電阻阻值取平均數X并求出標準差S如表1所示.

表1 相應光照強度下阻值的均值與標準差

圖3 光敏電阻光照特性曲線

3 光敏電阻的應用制作----光敏報警器

學生通過對光敏電阻光照特性的探究，知道非電量向電量轉化的意義，知道光敏電阻的開關作用.在此知識基礎上，讓學生利用光敏電阻工作原理制作簡易的光敏報警裝置，從生活中具體的情境出發提出問題、解決問題.具體探究步驟與學生活動流程如圖4所示.

圖4 探究步驟、學生活動流程圖

3.1 設置情境 提出問題

通過日常生活中的具體情境引出問題的探究，能夠激發學生的探究興趣，引起學生的求知欲.在光敏報警器的制作中，可以設置情境為：在智能花棚中，花卉的生長對光照強度、濕度、溫度等外界環境要求很高.那么，人們為了及時調整花卉生長的光照環境會安裝一個光敏報警器.當花卉處于不適宜的光照環境中時會報警提醒人們.

通過結合生活中具體的問題引起學生的關注，并引出探究問題：能否應用所學的知識制作光敏報警器？

3.2 收集資料 設計方案

在制作光敏報警器之前，教師要引導學生思考光敏報警器的具體功能是什么，確定具體設計目標.學生回到情境得出結論：當光照環境不在花卉生長的范圍內時，光敏報警器發出聲音，提醒人們及時調整光照.

經過前面的鋪墊，學生對光敏電阻已經有了一定的認識，對于利用Arduino開發板采集光敏電阻數據也有了知識基礎.根據報警電路的性質，引導學生查閱關于蜂鳴器的用法與實現功能的編程原理.

根據學生的資料收集與整理，設計出實驗方案.蜂鳴器工作原理是硬件電路中的基礎原理，它的連接方法是將其正極接入Arduino的信號引腳，負極接入Arduino的負極.其編程原理是：先定義使蜂鳴器工作的引腳，將蜂鳴器引腳設置為輸出的狀態；再將發聲頻率賦值給蜂鳴器，在發聲后寫上延遲函數；最后關閉蜂鳴器.編程代碼為：

int buzzer = 8;//定義蜂鳴器引腳

void setup() {

pinMode(buzzer,OUTPUT);//設置蜂鳴器引腳為輸出狀態

}

void loop() {

long frequency =300;//設置蜂鳴器發聲頻率為300 Hz

tone(buzzer,frequency);//將頻率賦值給蜂鳴器

delay(500);

noTone(buzzer);//停止發聲

}

3.3 動手制作 合作交流

經過方案的設計以及改進，引導學生根據設計好的接線圖組裝硬件電路.提醒學生正確連接電路，防止電子元器件的燒毀，培養學生科學嚴謹的實驗態度.

學生最終制成光敏報警器實物圖如圖5所示，電路連接圖如圖6所示.在光敏報警器調試階段，學生最大的障礙就是if條件語句的使用.經過多次調試，學生最終克服困難調試成功.

圖5 光敏報警器實物圖

圖6 光敏報警器電路連接圖

Arduino開發的實驗課程能有效促進學生間的交流協作[5].在合作探究中，學生們的思想產生摩擦碰撞，同一個問題，可以從他人的角度看到不同的方面，開闊學生思維.

4 結束語

本文將人工智能技術與物理教學相結合，利用Arduino UNO開發板與智能手機對光敏電阻光照特性進行定量研究，展現出一種新型的實驗方式，彌補了傳統實驗裝置的部分不足，充分體現了現代科學技術在物理學科中的運用.在學生掌握光敏電阻工作原理后融入具體的生活情境，引導學生自主完成光敏報警器的制作，聯系生活實際，實現了跨學科整合.在動手制作中，學生不僅學習了書本知識，還經歷了科學探究的過程，發展了科技創新能力與創意物化的能力.