結合Arduino開源電子平臺探究聲速與溫度之間的關系*

康 順

(上海市浦東模范中學東校 上海 201209)

培養學生的科學探究能力是科學學科最重要的育人目標之一，也是教師認為比較難落實的教學任務.科學探究能力的培養不同于科學知識的學習那樣容易直接傳授，換句話說，科學探究能力是一種綜合性較強的能力，不可能用同一個范式進行講解，只能通過實驗實踐體驗來內化.這就意味著，教師需要通過不同的課堂表現形式，融合現代化技術手段作為有效支撐，細化教學過程、加強點撥指導、總結提煉后才能讓學生逐漸形成科學探究思想.通過調查發現，教師對科學探究能力所持的觀點十分復雜.一般來說，人們對科學探究能力通常持有以下觀點，科學探究能力是過程技能的集合，科學探究能力是科學方法的集合，科學探究能力是要素化的能力，科學探究能力是科學思維和科學推理能力，科學探究能力是問題解決能力和科學探究式整體性能力等6類觀點[1].

教育現代化是助推科學教育深層次變革的重要動力，其核心要素是促進信息技術與教學的深度融合.目前，以人工智能、大數據、云計算、物聯網、5G技術、虛擬現實等為代表的現代新興技術正在與日常教學密切銜接.全世界的新興技術正抓緊發展浪潮，瞄準教育信息化產業，研發了一大批新技術應用.這為一線教師帶來了整合技術與應用的可能性[2].科學教育工作者是教育信息化的排頭兵，也無時無刻不在感受到多元化的信息技術帶來的機遇與挑戰，這便是教師和學習者可以參與創新教育資源建設.一般來說，創新型的教師都具備以下3個主要特征：創新意識、創新行動、創新素質.創新意識是指教師具有豐富的想象力和強烈的好奇心，對新鮮事物有強烈的探究意識；創新行動是指教師具備實踐創新能力，能夠在教育教學的實踐過程中打破常規、創造性地解決學科問題；創新素質是指擁有扎實的科學研究素養，自主自覺地對自身的專業實踐進行重構.在溫·哈倫編著的《以大概念理念進行科學教育》一書中確定了科學教育的指導原則，以及10個科學知識中的大概念和4個有關科學本身及其應用方面的大概念.所謂大概念是指在一個學科領域中最精華、最有價值的學科內容.科學學科是認識客觀世界和解釋自然現象的學科[3].自然現象具有多樣性，因此它的研究方法也并不是一成不變的.教師可以采取不同的研究方法和實驗儀器對科學解釋進行解釋和驗證.科學理論模型能表達自然現象與環境變量之間的關系，因此具有認識客觀世界和解釋自然現象的功能.教師如果能幫助學生構建起科學模型，將有助于促進學生科學認知、科學探究能力和科學情感、態度和價值觀等方面的發展，有助于提高學生的科學素養.

下文將介紹借助Arduino開源電子平臺，探究并驗證空氣中的聲速與溫度之間的關系，建立起數學模型著力實現數據可視化，培養學生科學探究能力和實驗創新精神.

上教版八年級物理(上冊)教材第一章中提到了聲現象，主要介紹了聲波的產生和傳播以及聲音的特征.其中，關于聲波在不同介質中的傳播速度的相關知識點，如“聲音在15 ℃空氣中的傳播速度是340米/秒”.若教師將其直接作為客觀規律教授給學生，學生便無法真正理解數據的含義，也不會知道這個數據是如何得來的.如果教師想通過實驗加以驗證，常常又因為沒有配套的實驗設備無法進行實驗，極大阻礙了學生的好奇心和求知欲.

1 DS18B20溫度傳感器的工作原理及引腳說明

如圖1所示，DS18B20是一種數字溫度傳感器，它具有3個引腳，GND(負極接口)、DQ(數據接收口)、VCC(正極接口).電壓范圍為3.0 V至5.5 V，測量溫度范圍為-55 ℃至+125 ℃ .在-10 ℃至+85 ℃范圍內精度為±0.5 ℃，溫度傳感器可編程的分辨率為9至12位，為了獲得更可靠數據，可將溫度傳感器分辨率轉換為12位數字格式，此時的分辨率為0.05 ℃，將延時750 ms后，獲得環境溫度數據并輸出.

圖1 DS18B20數字溫度傳感器

2 HC-SR04超聲波傳感器的工作原理及引腳說明

如圖2所示，HC-SR04是一種超聲波測距模塊，可提供非接觸式距離感測功能，測距范圍在2 cm～400 cm之間，測距精度可達到3 mm.模塊包括超聲波發射器、接收器和控制電路，共有4個引腳，GND(負極接口)、TRIG(數據輸入口)、ECHO(數據輸出口)、VCC(正極接口).

圖2 HC-SR04超聲波測距模塊

超聲波測距模塊的基本工作原理采用I/O接口TRIG觸發測距，給至少10μs的高電平信號，模塊自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回.若有信號返回，則通過I/O接口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，以此來計算距離.超聲波傳感器測距時，被測物體的面積不少于0.5 m2，且平面盡量要求平整，否則影響測量的結果.

3 實驗數據采集及注意事項

Arduino硬件平臺本質上是一種以AVR系列微處理為核心的單片機開發板，具有13個數字I/O端口和 5 個模擬I/O端口，可以通過外接傳感器實現對各類物理量的測量和數據采集，由于應用廣泛、用戶眾多，配套或兼容的傳感器和外接設備非常多，只要合理利用，完全可以實現中學科學實驗所需要的各類功能．本實驗采用Arduino UNO板作為數據采集器.接線方法如圖3所示，在測試環境范圍內均勻放置4個DS18B20溫度傳感器(T1，T2，T3，T4)監測環境溫度并取溫度平均值(T)以增加實驗可信度.

圖3 控制板接線方法

Serial.print(" ; T1: ");

Serial.print(T1);

Serial.print(" ; T2: ");

Serial.print(T2);

Serial.print(" ; T3: ");

Serial.print(T3);

Serial.print(" ; T4: ");

Serial.print(T4);

Serial.print(" ; Average Temp: ");

float AverageTemp=(T1+T2+T3+T4)/4;

Serial.print(AverageTemp);

圖4 控制板和傳感器放置位置

for (int x = 0; x < 500; x++)

duration = duration * 0.0001;

vel = 2 * 60 / duration;

average = average + vel;

average = average / 500;

Serial.print(" ; Duration: ");

Serial.print(duration);

Serial.print(" ; Speed: ");

Serial.print(average);

Serial.println(" ; ");

在采集數據時，不可將超聲波測距傳感器放置在密封的容器內，這樣會干擾距離數據的準確度.此外，不應使用取暖器快速升高溫度，這樣也會使數據偏差較大.在收集了平均溫度的數據后，我們將數據代入的理想表達式(1)求得聲速理論值v.

(1)

其中T0=273.15 K,v0=331.45 m/s.

4 實驗數據處理與分析

圖5 聲速隨溫度變化的線性擬合圖

根據圖5可知，聲音在空氣中的傳播速度基本滿足y=0.61x+331.45函數,隨著溫度的升高而增大，在一定范圍內，溫度每升高1 ℃，聲速增加約0.61 m/s.教師可適時引導學生嘗試使用粒子模型解釋原因.聲波的傳遞需要介質，在空氣介質中存在著數量巨大、體積微小的氣體分子，當溫度升高時，氣體粒子間的間隙增大，表現為體積增大，加之溫度升高亦會使空氣粒子運動加劇，聲音的傳播速度自然增大.基于事實證據構建的科學模型可以預測部分科學現象，從而可以讓學生推測出環境溫度為28 ℃時的聲速為多少，學生不難算出v=348.53 m/s了.

運用事實證據進行描述、解釋、預測和構建模型，將數學思維運用于科學探究的各個方面也是科學探究能力的表現形式.2013年4月，《美國下一代的科學標準》(NGSS)發布，而NGSS是以《K-12科學教育框架：實踐、跨領域概念和核心概念》為藍圖編制的.NGSS的出臺不僅標志著美國新一輪科學教育改革正式拉開帷幕，而且還在世界科學教育領域掀起了關注熱潮，引領了國際科學教育的研究方向.美國教育者提出了美國基礎教育階段學生在科學探究能力應有的發展目標[4].如果將1996年版的《美國國家科學課程標準》與2013版的《下一代的科學標準》進行比較，不難發現，美國對探究能力的要求在不斷提高，將科學探究能力定位在技能的綜合運用上.基于《K-12科學教育框架：實踐、跨領域概念和核心概念》視域對上述實驗內容進行比對，學生可以得到如表1所示的相關概念基礎框架.

表1 本實驗在NGSS視域下的基礎框架

5 結束語

身為一線教師都有以下體會，學生都喜歡那些熟練掌握信息技術的老師，也崇拜那些善于培養學生學習興趣的老師.一名能適應信息社會發展不斷探索教育技術、善于合作的教師培養出的學生肯定能適應這個新時代！聲現象貼近學生日常生活，因此聲學是初中科學教學中較易被接受的科學概念之一.教師應把握住良機，進行一些有必要、有深度的拓展型實驗探究，避免照搬書本上的概念和實驗結論.教師應在學生知其然的基礎上，順水推舟讓學生知其所以然，以此培養學生創造性思維和嚴謹的科學態度.

本文所述的實驗不但很好地發揮了低成本實驗器材的價值.同時，本實驗還巧妙地運用了Arduino作為數據自動采集器，避免讓學生參與機械式的數據收集過程，簡化了實驗步驟，而且也能讓學生在實驗中體會建立數學模型的必要性，感受實驗數據的重要性.