Arduino開源平臺在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

趙瀾斌

（廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 廣西 桂林 541004）

1 高中物理課標(biāo)以及教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 課程標(biāo)準(zhǔn)

2017年版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》將“傳感器”這個(gè)主題放在選擇性必修2教學(xué)參考書中，內(nèi)容要求為“知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義；通過實(shí)驗(yàn)，了解常見傳感器的工作原理.會(huì)利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置，列舉傳感器在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用和通過實(shí)驗(yàn)了解傳感器的工作原理，學(xué)會(huì)利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置［1］.

課程標(biāo)準(zhǔn)中不僅要求學(xué)生理解一部分常見傳感器的工作原理，還要讓他們學(xué)以致用，將傳感器知識與生活中的實(shí)例相結(jié)合，將自己的創(chuàng)設(shè)和理解賦予現(xiàn)實(shí)當(dāng)中.與此同時(shí)，教師們可以將傳感器教學(xué)的最終成果與高中物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)掛鉤，讓學(xué)生通過自我探索達(dá)成“物理、傳感器知識學(xué)習(xí)—知識的實(shí)際運(yùn)用—物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新”的學(xué)習(xí)循環(huán).

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀

在高中物理教學(xué)選擇性必修2教材“傳感器”這一章節(jié)中，教材是以傳感器在現(xiàn)代社會(huì)中的實(shí)際運(yùn)用為主線介紹了不同種傳感器的功能和基本原理，具有較強(qiáng)的時(shí)代性和實(shí)用性.但是在高中物理的學(xué)業(yè)測評中很少會(huì)涉及考核學(xué)生對傳感器工作原理的認(rèn)識以及如何在生活實(shí)際中控制和運(yùn)用傳感器，這就導(dǎo)致了傳感器在高中物理的教學(xué)當(dāng)中所發(fā)揮的教育價(jià)值減小.

如今學(xué)校購買的現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)儀器能夠幫助學(xué)生一步到位做完相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)，對于教師而言他們在儀器的搭配、組合使用上變得局限，對于學(xué)生而言在完成學(xué)習(xí)過程后得到的是使用實(shí)驗(yàn)儀器的操作經(jīng)驗(yàn)和曇花一現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，他們并不能了解到實(shí)驗(yàn)儀器本身的構(gòu)造、運(yùn)行方式及其這樣設(shè)計(jì)對于物理實(shí)驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)有何優(yōu)勢.拘泥于怎樣操作實(shí)驗(yàn)器材和獲得理想的現(xiàn)象或數(shù)據(jù)成果，忽略了組合、創(chuàng)設(shè)出實(shí)驗(yàn)器材本身的原理知識，會(huì)使學(xué)生的學(xué)習(xí)停留在表面.

在國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，浙江省率先將“編程”納入高考內(nèi)容（包含于“技術(shù)”—信息技術(shù)部分試題中）等信息科技大發(fā)展的時(shí)代背景下，使用Arduino開發(fā)平臺也將有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語言和編程的興趣［2］.興趣是學(xué)生最好的老師，運(yùn)用前沿的信息、工程技術(shù)不僅能提升學(xué)習(xí)的積極性，還能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)成果循環(huán)轉(zhuǎn)化成對物理知識、物理實(shí)驗(yàn)的二次學(xué)習(xí)、探索，形成可持續(xù)性的學(xué)習(xí).

2 Arduino簡介及已有應(yīng)用

Arduino是以單片機(jī)系統(tǒng)為根基進(jìn)行研發(fā)的微控制器，其包含硬件上的Arduino開發(fā)板以及軟件上的Arduino IDE.人們能夠通過軟件燒錄代碼并使用連接上傳感器的這一款電子原型平臺進(jìn)行與環(huán)境之間的交互，獲得、分析并使用這些采集到的數(shù)據(jù).“現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器（sensor）是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等物理量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的另一個(gè)物理量（通常是電壓、電流等電學(xué)量），或轉(zhuǎn)換為電路的通斷［3］.開源硬件作為基礎(chǔ)教學(xué)工具，能夠降低學(xué)生理解程序設(shè)計(jì)相關(guān)知識的難度，同時(shí)為學(xué)生的編程提供更為廣闊的動(dòng)手操作空間，對學(xué)生學(xué)業(yè)成就、問題解決能力、認(rèn)知能力等方面的提高具有顯著促進(jìn)作用［4］.

本研究選取硬件Arduino UNO R3開發(fā)板以及軟件Arduino IDE 1.7.8作為開發(fā)的基礎(chǔ)工具，如圖1和圖2所示.通過軟件編寫代碼燒錄進(jìn)連接好傳感器的Arduino開發(fā)板，從串口中就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器發(fā)送回來的數(shù)據(jù).

圖1 Arduino UNO R3開發(fā)板

圖2 Arduino IDE 1.7.8

3 Arduino在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

3.1 運(yùn)用Arduino的優(yōu)勢

運(yùn)用Arduino操控傳感器可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，極大程度地提高了實(shí)驗(yàn)效率.同時(shí)，開源軟件及傳感器的大眾化使得在社會(huì)中所有對物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)或者是對物理研究有需求的老師、學(xué)生都可以通過Arduino進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的研究.最后，Arduino開發(fā)平臺價(jià)格低廉、操作便捷、功能多樣，學(xué)生只需掌握基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)語言知識和編程技術(shù)即可自主設(shè)計(jì)搭建諸多傳感器的基本工作環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［5］.

在高中物理實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)過程年年變化不大的情況下，利用多元而又豐富的傳感器進(jìn)行新型的物理教學(xué)設(shè)計(jì)既能夠提升學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，又能夠使學(xué)生通過接觸新事物提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.在明確和學(xué)習(xí)了Arduino與各種傳感器共同感知和反饋環(huán)境變化的原理以后，學(xué)生也能夠動(dòng)手創(chuàng)造，運(yùn)用所學(xué)知識和已有傳感器素材進(jìn)行舊物理實(shí)驗(yàn)的新改造，達(dá)到靈活遷移所學(xué)知識以及有所學(xué)有所用的學(xué)習(xí)效果.正是由于其簡單易學(xué)有趣，將其融入實(shí)驗(yàn)當(dāng)中則會(huì)起到降低學(xué)習(xí)門檻、開闊實(shí)驗(yàn)思路的作用.下面介紹兩種高中物理實(shí)驗(yàn)演示器.

3.2 基于Arduino的胡克定律演示裝置

基于Arduino的胡克定律實(shí)驗(yàn)演示裝置是由UNO R3開發(fā)板、壓力傳感器、超聲波測距模塊、彈簧、砝碼以及亞克力主板組成的，如圖3所示.

圖3 胡克定律演示裝置

這里使用的是HC-SR04超聲波傳感器，可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)±3 mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、超聲波接收器及控制電路.通過控制電路記錄超聲波發(fā)送及返回的時(shí)間，從而獲得距離［6］.在測量壓力上使用的是40 mm×40 mm大小的FSR406薄膜壓力傳感器以及電阻電壓轉(zhuǎn)換模塊，當(dāng)薄膜感應(yīng)區(qū)受壓時(shí)，薄膜底層彼此分離的線路導(dǎo)通使得金屬端口輸出電阻隨著壓力的變化而發(fā)生改變，這時(shí)在電腦端則可以監(jiān)測串口收發(fā)處理的數(shù)據(jù).

在豎直方向上用亞克力板雕刻出含有卡槽的主體并卡入底座上，再將超聲波傳感器放在雕刻好的亞克力托盤上，使得發(fā)射聲波的傳感器探測頭豎直向下.亞克力底座上放置有連接UNO R3開發(fā)板的壓力傳感器.在傳感器托盤上定點(diǎn)打出小孔并掛好彈簧的一端，另一端掛上相應(yīng)質(zhì)量的砝碼，砝碼靜置于壓力傳感器上，移動(dòng)砝碼位置使得托盤插入卡槽時(shí)彈簧處于豎直狀態(tài).

在代碼的編寫中可以通過計(jì)算直接讓串口顯示測距模塊所測長度減去彈簧原長及砝碼高度的數(shù)值，以此作為彈簧的伸長量.根據(jù)受力分析以及牛頓第三定律可以得出彈簧所具有的彈力數(shù)值大小為砝碼所受重力減去壓力傳感器直接測得的數(shù)值，將公式寫入代碼中即可使得串口直接顯示彈簧所受彈力的數(shù)值.因此，在實(shí)際測量數(shù)據(jù)中，串口可以顯示彈簧伸長量的變化以及彈力的數(shù)值大小，最后根據(jù)胡克定律在代碼中加入F=κx這一原始公式即可使得每次移動(dòng)砝碼時(shí)串口顯示的數(shù)值為彈簧具有的彈力數(shù)值與伸長量之間的比值.改變傳感器托盤插入的槽位可以使得彈簧伸長量及彈力相應(yīng)改變，在串口中可以讀出彈簧彈力與伸長量之間的多組比值.

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測量伸長量以及彈力使用的是刻度尺以及彈簧測力器，這兩種測量工具在精度和測量閾值上已經(jīng)落后于傳感器.在數(shù)據(jù)的測量中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)比較依賴實(shí)驗(yàn)者規(guī)范的操作以及細(xì)致的讀數(shù)，這使得人工讀數(shù)的誤差放大，而使用傳感器則能夠減少由人工引起的讀數(shù)誤差.最后，基于Arduino并使用傳感器測量數(shù)據(jù)可以提高獲取數(shù)據(jù)的效率，軟件可以短時(shí)間實(shí)時(shí)顯示多組串口監(jiān)測到的數(shù)據(jù)并代替人工進(jìn)行運(yùn)算處理，大大加快了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程.

3.3 基于Arduino的查理定律演示裝置

基于Arduino的查理定律實(shí)驗(yàn)演示裝置是由UNO R3開發(fā)板、BMP280溫度氣壓傳感器以及密閉容器組成.

如圖4所示，將通過杜邦線連接UNO R3開發(fā)板的BMP280溫度氣壓傳感器密封于氣密性良好的容器內(nèi)，這里使用的是亞克力盒.在軟件中編寫代碼燒錄進(jìn)開發(fā)板中，使得BMP280溫度氣壓傳感器能夠正常測量不同時(shí)刻的氣溫以及氣壓值，同時(shí)在代碼中代入公式使得串口直接顯示測量出的密封容器內(nèi)氣體壓強(qiáng)p與熱力學(xué)溫度T的比值.

圖4 查理定律演示裝置

運(yùn)用水浴或者其他均勻的加熱方式對密閉容器進(jìn)行儀器可正常工作的溫度范圍內(nèi)的加熱，在電腦中則可以直接顯示等容情況下，容器內(nèi)壓強(qiáng)與熱力學(xué)溫度比值的變化，如圖5所示.

圖5 氣體壓強(qiáng)與熱力學(xué)溫度的串口數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)使用溫度計(jì)以及氣壓計(jì)進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性依舊受限于儀器本身以及實(shí)驗(yàn)者的操作，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集效率也因人工而比較低下.由于溫度計(jì)和氣壓計(jì)具有一定的形狀和體積，在找到合適的密封容器的同時(shí)保證測量工具能夠測量到密封容器內(nèi)溫度、氣壓變化就更加困難了.使用傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)既能夠省時(shí)高效地完成任務(wù)，又能夠縮小占地空間.

運(yùn)用Arduino開發(fā)的查理定律實(shí)驗(yàn)演示裝置直觀地展示了儀器的構(gòu)造，使測量方法變得透明化、一目了然，在所用空間上僅僅是一張課桌的大小.利用Arduino控制器的實(shí)驗(yàn)在器材上拋棄了“鐵箱子”，在思想上拋棄了“黑箱子”，將實(shí)驗(yàn)儀器小型集成化、實(shí)驗(yàn)過程創(chuàng)新化、實(shí)驗(yàn)課堂化［7］.

借助Arduino平臺經(jīng)歷了傳感器原理的學(xué)習(xí)、傳感器與物理理論知識的融合物化以后，學(xué)生在理論方面對知識有了更深層次的理解，在實(shí)踐方面又學(xué)會(huì)了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、制定方案、獲取數(shù)據(jù)并處理、反思并改進(jìn)，最后在整個(gè)探索的過程中逐漸養(yǎng)成格物窮理、知行合一的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提升自身的科學(xué)素養(yǎng).

4 總結(jié)

Arduino在高中物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能夠引導(dǎo)學(xué)生探索學(xué)習(xí)時(shí)代背景下的前沿知識，拓寬知識的深度和廣度.當(dāng)下已經(jīng)研究組合成的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了物理學(xué)與時(shí)俱進(jìn)、跟隨時(shí)代潮流發(fā)展的前瞻性.整個(gè)具有STEAM探究特征的學(xué)習(xí)過程對于促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展、提升科學(xué)素養(yǎng)有很大的幫助.因此，將Arduino運(yùn)用到高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有極大的教育價(jià)值.