基于單片機控制的太陽照射智能教具開發研究

袁小玲

【摘要】創新是時代發展的需要，小學科學課程作為整個科學課程的基石，實驗教學在科學教學中具有舉足輕重的作用。利用信息技術開發富有創新的實驗，應用在教學上，能使學生掌握科學的探究方法和技能，本文以《直射與斜射》實驗為例，利用信息技術創新地開發實驗，并用于日常教學探究，更利于達到教學目標。

【關鍵詞】信息技術;創新實驗;教學應用

引言

在小學階段，兒童對周圍的世界有著強烈的好奇心和探究欲望，他們樂于動手操作具體形象的物體或教具。目前小學《科學》教材各課題設置形象生動，能夠引導學生熱愛科學，使學生對科學現象有著強烈的好奇心和求知欲望。但是，有些實驗項目由于各種條件的限制，如果按照教材操作很難實現。同時隨著科學技術的不斷進步，人工智能、物聯網等高新技術已經進入我們日常生活。如何利用新技術創新現有的科學實驗，成為目前科學教師研究的熱門課題。

創新實驗，不但能使學生全面認識事物，掌握科學的探究方法和技能，還能發展學生的科學探究實踐能力，使學生親身感受前沿科技對日常生活和學習帶來的改變，從而促進學生的創造力態度和思維的發展，培養學生科學探索精神。因此，針對傳統實驗的不足進行改進，通過信息技術把實驗創新地開發并應用于日常教學探究中，可以大大地提高教學效果。

一、“直射與斜射”實驗中存在的弊端

“直射與斜射”實驗作為“四季成因”的活動二，通過探究光照射角度不同，認識地面所獲得的熱量不同，從而很好地認識四季成因。按教材中講解，該實驗常用的方法是把溫度計直接放在太陽光下直接照射，根據時間的不同來確定太陽照射角度不同，得出不同的地面溫度。 然而，筆者在教學實踐中發現了該傳統實驗存在一些不足之處：1.光源獲取困難。2.溫度變化不明顯。3.角度定位不準確。4.短時間內難以實現角度連續變化。

由于實驗效果不明顯，學生覺得該實驗枯燥無趣，難以引起學生的探究欲望，教學效果比較差。于是，筆者嘗試運用單片機、物聯網等新興信息技術對該實驗進行改進，開發制作了太陽照射智能教具并成功應用于教學中。

二、太陽照射智能教具的開發

（一）制作材料：利用量角器、主控板、電動機、高亮度LED燈、光敏傳感器、液晶顯示系統、開關按鍵等設計了一款智能控制陽光直射和斜射演示系統。

（二）制作原理：這款太陽照射智能演示系統能夠智能控制陽光直射和斜射，使用高亮度LED燈模擬太陽，通過按鍵控制，按太陽變化規律，自動實現東升西落。使用光敏傳感器收集光照度變化，通過信息技術編程技術，將光信號轉為電信號，從而轉為溫度變化信號，最后液晶顯示屏直觀顯示溫度變化過程。同時，使用按鍵精確控制太陽照射角度，且能直觀顯示太陽照射角度，便于學生記錄實驗結果。

（三）結構框圖：太陽照射智能演示系統教具控制電路組成如書中圖3所示，USB電源供電，控制按鍵設置有三個，既正轉、反轉和停止，通過光敏傳感器采集太陽照射光輸入給主板。主板輸出信號分別給電動機和液晶顯示屏，液晶顯示屏上的溫度可以隨電動機轉動的角度實時改變，從而演示太陽照射角度不同地面獲得的熱量不同。

四、太陽照射智能教具的教學應用

探究一：比較光照射角度和光覆蓋的范圍

由于本實驗是在剛剛研究過的實驗“根據影長不同判斷不同的季節”，學生自然而然猜想同一束光直射地面和斜射地面時，哪個光覆蓋的范圍更多？接著，引導學生自主設計實驗方案，明確對比實驗中控制變量的重要性：同一束光，光照角度雖然不一樣，但與照射地的距離一致。師生共同設計相應表格，并利用直射與斜射演示系統進行對比實驗探究。分析實驗數據，得出實驗結論：光照射角度越大，光覆蓋的范圍越小。

探究二：探究光照射角度與地面的溫度

在活動一中，學生通過觀察非常清楚地認識到光照射角度越大，光覆蓋的范圍越小。于是學生會猜想，光覆蓋的范圍越小，那光的熱量是否越集中，溫度是否越高？進行探究光照射角度與溫度的變化。引導學生設計相應表格，利用直射和斜射演示系統，進行對比實驗探究。分析實驗數據，得出結論：光照射角度越大，地面的溫度越高。

五、創新實驗與傳統實驗的對比

經過教學的實際應用，利用新開發的智能教具能夠很好演示教材中的實驗內容，同時學生的好奇心非常濃重，能夠引起學生對高科技的探究欲望。由于各種條件所限，我們只做出一臺智能教具，做實驗時，每個學生都想第一個利用該教具做實驗。與傳統實驗相比，利用新的智能教具的教學效果非常好。

通過創新實驗和傳統實驗的對比分析，得出創新實驗的存在著以下的優點：（1）效果直觀;（2）操作方便;（3）原理創新;（4）實時顯示;（5）成本較低。

六、結論

經過教學驗證，使用基于單片機控制的太陽照射智能演示系統教學，學生探究興趣濃厚，實驗效果明顯，較好實現了本課題的教學目標。下一步我們將繼續對該教具進行升級改進，例如，使用手機遠程無線控制;利用物聯網技術將實驗數據傳至云端，可以用手機實時查看;將該教具小型化，爭取實現量產等。

【參考文獻】

[1]狄一中.用創新實驗實現靜電感應的體驗教學[J].中學物理教學參考，2014，43（1-2）：61-63.

[2]尤愛惠，陳顯盈.利用生活用品自制教具改進[J].物理教師，2015（5）：39.

[3]王永剛.中學物理自制教具研究[D] 成都：四川師范大學，2009.

（責任編輯：鄧羽婷）