借助開源硬件制作教具

李劍

〔摘? ? 要〕? 本文基于小學(xué)科學(xué)部分實(shí)驗(yàn)教具存在的操作煩瑣、數(shù)據(jù)誤差大、不便于觀察等問題，借鑒教材實(shí)驗(yàn)的原理，以開源硬件Arduino、傳感器、觸摸屏等為硬件構(gòu)造，通過圖形化編程軟件mind+，實(shí)現(xiàn)軟硬件實(shí)時(shí)互聯(lián)，從而有效提升科學(xué)探究活動(dòng)的有效性，更好地完成教學(xué)目標(biāo)。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；開源硬件；圖形化編程；自制教具

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? （2023）? 11-0004-03

《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》（以下簡(jiǎn)稱《意見》）明確指出：注重加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與多學(xué)科融合教育、編程教育、創(chuàng)客教育、人工智能教育、社會(huì)實(shí)踐等有機(jī)融合……開展優(yōu)秀自制教具評(píng)選，鼓勵(lì)教師自制實(shí)驗(yàn)教具。2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)需要，本著科學(xué)合理、安全可靠的要求開發(fā)實(shí)驗(yàn)教具。集合開放、易用、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)的開源硬件是教具開發(fā)的較好選擇。Arduino作為一款普及多學(xué)科融合教育、編程教育、STEAM創(chuàng)客教育、人工智能教育的開源智能硬件，有著豐富、完善的軟硬件開發(fā)平臺(tái)、技術(shù)資料、配件等。圖形化的編程工具，讓編程像“搭積木”一樣簡(jiǎn)單，根據(jù)想完成的功能更直觀地完成程序搭建，即可實(shí)現(xiàn)所需的功能?；陂_源硬件進(jìn)行教具的設(shè)計(jì)制作，可以創(chuàng)新教法學(xué)法，激發(fā)學(xué)生興趣，有效完成教學(xué)目標(biāo)，高效突破教學(xué)重難點(diǎn)。以教科版小學(xué)科學(xué)三年級(jí)下冊(cè)“物體的運(yùn)動(dòng)”單元第5課《比較相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)的快慢》為例，學(xué)生通過前一節(jié)課觀察物體在斜面上運(yùn)動(dòng)情況的活動(dòng)，留意到斜面上物體的運(yùn)動(dòng)有快有慢。本課將引導(dǎo)學(xué)生探究運(yùn)動(dòng)快慢的問題，借助時(shí)間、長(zhǎng)度測(cè)量工具，使用“當(dāng)運(yùn)動(dòng)距離相同時(shí)，比較運(yùn)動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短”的方法，比較物體運(yùn)動(dòng)的快慢并能描述其運(yùn)動(dòng)速度的大小。教材中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法在實(shí)際教學(xué)中，會(huì)出現(xiàn)以下幾個(gè)問題：1.手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大；2.普通斜面距離短，不適合實(shí)驗(yàn)；3.使用2米左右長(zhǎng)度的直線軌道笨重，搬動(dòng)不方便；4.三年級(jí)學(xué)生計(jì)算能力較弱，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法受到限制。為了解決以上問題，筆者基于開源硬件開發(fā)了探究比較相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)快慢的創(chuàng)新教具——Arduino多功能計(jì)時(shí)器。

一、開源硬件在教具制作中的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)比較相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)快慢的探究活動(dòng)中，學(xué)生應(yīng)用“相同距離比時(shí)間”的方法判斷物體運(yùn)動(dòng)快慢，用秒表，人工對(duì)乒乓球、木球分別在同一條軌道上相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，用比較運(yùn)動(dòng)時(shí)間的方法來(lái)比較不同物體運(yùn)動(dòng)的快慢。此類傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，手動(dòng)計(jì)時(shí)誤差大，所需要的軌道比較笨重，通常在2米左右。三年級(jí)學(xué)生因計(jì)算能力的限制，不會(huì)小數(shù)乘除法，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理上，只能以取中間數(shù)的方式解決。以Arduino、傳感器、觸摸屏等開源電子設(shè)備為硬件的創(chuàng)新教具，很好地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的人工計(jì)時(shí)誤差大、器材笨重、學(xué)生計(jì)算能力不足等問題。Arduino?是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)。它通過各類各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，經(jīng)過控制燈光、馬達(dá)和其余的裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。主板上的微控制器經(jīng)過Arduino的編程語(yǔ)言來(lái)編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，刻錄進(jìn)微控制器。各種圖形化編程軟件，如mind+、mixly等，讓編程像“搭積木”一樣簡(jiǎn)單，適合一線教師電子硬件設(shè)計(jì)及編程的入門學(xué)習(xí)。

二、借助開源硬件制作教具

以Arduino、傳感器、觸摸屏等開源電子設(shè)備為硬件的創(chuàng)新教具Arduino多功能計(jì)時(shí)器，是以《比較相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)的快慢》一課教學(xué)內(nèi)容為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)制作的。具體過程如下。

（一）教具設(shè)計(jì)思路及工作原理

1.教具設(shè)計(jì)思路

《比較相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)的快慢》的傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)，是用秒表，人工對(duì)乒乓球、木球分別在同一條軌道上相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。實(shí)驗(yàn)中，一人發(fā)令一人操作一人計(jì)時(shí)的方式所獲得的數(shù)據(jù)誤差較大，因此通常通過延長(zhǎng)軌道的方式減小誤差，但收效甚微。在數(shù)據(jù)的處理方面，學(xué)生因計(jì)算能力的限制不會(huì)求平均值。針對(duì)以上問題，以Arduino、傳感器、觸摸屏等開源電子設(shè)備為硬件進(jìn)行教具開發(fā)，使用紅外傳感器，在被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)到起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)，精準(zhǔn)控制計(jì)時(shí)器的“開始”與“停止”。隨著計(jì)時(shí)精度的提高，軌道長(zhǎng)度由2米縮短至1米，設(shè)計(jì)為折疊形，折疊收納后長(zhǎng)度為0.5米，并能根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，調(diào)整斜面的長(zhǎng)度和高度，可供多個(gè)實(shí)驗(yàn)使用，讓學(xué)生有豐富的探索機(jī)會(huì)。在程序編寫方面，利用mind+編寫自動(dòng)記錄各次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)求出平均值，并實(shí)現(xiàn)軟硬件實(shí)時(shí)交互，將數(shù)據(jù)以柱形圖的形式呈現(xiàn)在觸摸屏上，更利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較分析。觸摸屏以簡(jiǎn)潔的UI界面設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單易懂，更符合當(dāng)代學(xué)生的使用習(xí)慣。

2.工作原理

以Arduino為核心，連接紅外傳感器、觸摸屏制成集成化的教具，再通過圖形化編程軟件mind+實(shí)現(xiàn)軟硬件的實(shí)時(shí)互動(dòng)。設(shè)計(jì)手動(dòng)計(jì)時(shí)、自動(dòng)計(jì)時(shí)兩種模式，在自動(dòng)計(jì)時(shí)模式下，被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)到起點(diǎn)處時(shí)，紅外傳感器觸發(fā)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)處時(shí)，紅外傳感器觸發(fā)計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，觸摸屏顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)確認(rèn)本次數(shù)據(jù)有效時(shí)，進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)，如本次數(shù)據(jù)無(wú)效，則重新實(shí)驗(yàn)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，觸摸屏以柱形圖+數(shù)值的方式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)探究比較相同距離內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)快慢的目的。

（二）教具制作材料與制作過程

1.教具制作所需材料

基礎(chǔ)材料：亞克力板、乒乓球、木球等

硬件：Arduino主板、紅外傳感器、觸摸屏、杜邦線

軟件：Mind+、mixly

2.教具制作過程

亞克力板制作長(zhǎng)約1米的軌道及軌道支架，軌道支架可調(diào)整高度分別為10cm、15cm、20cm，以滿足不同斜面的需求。

測(cè)試紅外傳感器靈敏度，并設(shè)置檢測(cè)距離閾值。

Arduino?主板連接傳感器、觸摸屏等所需電子元件。編寫程序，使被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)到起點(diǎn)處紅外傳感器時(shí)，觸發(fā)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)處時(shí)，紅外傳感器觸發(fā)計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。設(shè)計(jì)觸摸屏UI界面。

三、借助開源硬件自制教具教學(xué)案例

以Arduino計(jì)時(shí)器為例，介紹基于開源硬件的小學(xué)科學(xué)創(chuàng)新自制教具教學(xué)案例。

（一）教具使用方法

將教具水平放置于桌面，取出被測(cè)小球，調(diào)整坡度。打開電源，觀察觸摸屏是否正常顯示首頁(yè)，若顯示即表示計(jì)時(shí)器正常。

在首頁(yè)點(diǎn)擊“自動(dòng)模式”，進(jìn)入選擇頁(yè)面。

點(diǎn)擊測(cè)量“乒乓球”或“木球”，進(jìn)入測(cè)試頁(yè)面。

如選擇測(cè)量“乒乓球”運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)：

第一次測(cè)量，讓乒乓球從軌道頂端滾下，經(jīng)過起點(diǎn)處紅外傳感器時(shí)，計(jì)時(shí)器開始自動(dòng)記錄乒乓球滾動(dòng)的時(shí)間，觸摸屏顯示隨乒乓球運(yùn)動(dòng)所變化的時(shí)間數(shù)值；當(dāng)乒乓球經(jīng)過終點(diǎn)處紅外傳感器時(shí)，自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，觸摸屏記錄并顯示第一次乒乓球運(yùn)動(dòng)用時(shí)。

第二次測(cè)量，點(diǎn)擊“繼續(xù)”，重復(fù)第一次測(cè)量操作。當(dāng)自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，觸摸屏此時(shí)顯示第一次小球運(yùn)動(dòng)用時(shí)以及第二次小球運(yùn)動(dòng)用時(shí)。

第三次測(cè)量，點(diǎn)擊“繼續(xù)”，重復(fù)第二次測(cè)量操作。當(dāng)自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，觸摸屏此時(shí)顯示第一、二、三次小球運(yùn)動(dòng)用時(shí)。

測(cè)量“木球”運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，用木球按測(cè)量“乒乓球”運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行操作。

測(cè)量結(jié)束后，觸摸屏以柱形圖+數(shù)值的方式顯示測(cè)量結(jié)果。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.回顧舊知，引出研究?jī)?nèi)容

在上節(jié)課中，學(xué)生利用多功能斜面進(jìn)行拓展研究——發(fā)現(xiàn)物體在不同高度的斜面上運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生了變化。引出本課的研究?jī)?nèi)容：運(yùn)用比較運(yùn)動(dòng)時(shí)間的方法來(lái)比較運(yùn)動(dòng)的快慢。

2.研討交流，確定實(shí)驗(yàn)方案

學(xué)生利用秒表計(jì)時(shí)，測(cè)量三次乒乓球在斜面上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，并記錄下來(lái)。

對(duì)比秒表和Arduino多功能計(jì)時(shí)器。學(xué)生發(fā)現(xiàn)人工秒表計(jì)時(shí)誤差大，數(shù)據(jù)難處理。順勢(shì)向?qū)W生介紹計(jì)時(shí)器，演示教具的使用方法。學(xué)生對(duì)比兩種計(jì)時(shí)方式精確度的差異，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器使用方便、計(jì)時(shí)精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)。

使用Arduino多功能計(jì)時(shí)器開展研究。學(xué)生掌握自動(dòng)計(jì)時(shí)器使用方法后，分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量乒乓球和木球在相同距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)所需要的時(shí)間。

3.對(duì)比數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過觀察分析觸屏上顯示的柱形圖及數(shù)值，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

4.拓展研究，激發(fā)研究興趣

改變斜面的高度，測(cè)量乒乓球、木球在不同高度的斜面上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，結(jié)合柱形圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)快慢的變化規(guī)律，激發(fā)研究興趣。

四、教學(xué)效果分析

本課實(shí)驗(yàn)借助時(shí)間測(cè)量工具，使用“當(dāng)運(yùn)動(dòng)距離相同時(shí)，比較運(yùn)動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短”的方法，比較物體運(yùn)動(dòng)的快慢，描述其運(yùn)動(dòng)速度的大小，因此運(yùn)動(dòng)時(shí)間的測(cè)量精準(zhǔn)度直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的成效。在三年級(jí)設(shè)置了2個(gè)班以6人小組的形式開展探究活動(dòng)，其中一個(gè)班使用原有教具開展探究活動(dòng)，另一個(gè)班使用創(chuàng)新教具開展探究活動(dòng)。在教學(xué)實(shí)踐過程中，通過過程性評(píng)價(jià)、終結(jié)性評(píng)價(jià)，分別觀察記錄了各班人數(shù)、完成實(shí)驗(yàn)平均用時(shí)、實(shí)驗(yàn)成功組數(shù)、實(shí)驗(yàn)記錄完成份數(shù)、拓展實(shí)驗(yàn)完成組數(shù)等情況。

將使用原有教具與使用改進(jìn)教具的兩個(gè)班級(jí)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，使用創(chuàng)新教具?Arduino多功能計(jì)時(shí)器的教學(xué)效果特別突出。兩個(gè)對(duì)比班級(jí)人數(shù)均為?48人，使用創(chuàng)新教具教學(xué)班級(jí)學(xué)生的各項(xiàng)觀察指標(biāo)數(shù)據(jù)，均高于或優(yōu)于使用原來(lái)教具教學(xué)班學(xué)生的指標(biāo)數(shù)據(jù)。使用創(chuàng)新教具教學(xué)的學(xué)生在探究過程中，完成實(shí)驗(yàn)速度快、用時(shí)短，探究活動(dòng)的有效性得到明顯提升。教師不僅完成了教學(xué)目標(biāo)，突破了教學(xué)重難點(diǎn)，還給學(xué)生提供了充足的時(shí)間和機(jī)會(huì)進(jìn)行拓展研究。

五、實(shí)踐反思

基于開源硬件的自制教具緊跟時(shí)代步伐，符合多學(xué)科融合教育、編程教育、創(chuàng)客教育、人工智能教育的需求。開源硬件，教師易于習(xí)得，使用范圍廣，圖形化編程入門門檻低，程序編寫簡(jiǎn)單直觀。自制教具的設(shè)計(jì)制作立足課堂教學(xué)需要，有效改進(jìn)了教師的教法和學(xué)生的學(xué)法，實(shí)驗(yàn)效果準(zhǔn)確直觀。針對(duì)該案例的反思如下。

（一）實(shí)驗(yàn)高效精準(zhǔn)，有效提升了教學(xué)效率

針對(duì)課堂探究活動(dòng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作教具，再到課堂中進(jìn)行檢驗(yàn)?；陂_源硬件的自制創(chuàng)新教具，通過紅外傳感器控制計(jì)時(shí)器自動(dòng)計(jì)時(shí)，精準(zhǔn)直觀地記錄物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，程序自動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值，以柱形圖+數(shù)值的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，便于學(xué)生對(duì)比數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，提升了實(shí)驗(yàn)效率，突破了教學(xué)重難點(diǎn)，培養(yǎng)了學(xué)生認(rèn)真細(xì)致、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

（二）創(chuàng)新教具帶動(dòng)教學(xué)和學(xué)科的改變

自制創(chuàng)新教具在設(shè)計(jì)制作時(shí)就充分考慮到課堂教學(xué)需要，改進(jìn)原有的教法和學(xué)法。在原有教具教學(xué)中，教師需要花費(fèi)大量時(shí)間引導(dǎo)學(xué)生分析影響實(shí)驗(yàn)的因素、解釋實(shí)驗(yàn)不成功的原因。使用以開源硬件核心的創(chuàng)新教具后，教師只需組織學(xué)生研討交流確定實(shí)驗(yàn)方案，明確注意事項(xiàng)。在探究過程中。適時(shí)對(duì)個(gè)別小組進(jìn)行技術(shù)支持和方法指導(dǎo)便能完成教學(xué)目標(biāo)，突破教學(xué)重難點(diǎn)。此外，學(xué)生還可利用創(chuàng)新自制教具開展拓展探究，滿足學(xué)生個(gè)性化的探究需求。在使用創(chuàng)新教具過程中，學(xué)生積極參與，在獲取科學(xué)知識(shí)的同時(shí)，還學(xué)習(xí)、嘗試了更多種科學(xué)探究方法。

（三）感受科技的魅力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

學(xué)生在使用創(chuàng)新教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，進(jìn)一步了解了實(shí)驗(yàn)原理，知道可以借助開源硬件、傳感器、編寫程序來(lái)提高科學(xué)探究的效率。使用創(chuàng)新教具優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生在“收集證據(jù)”“處理信息”的過程中，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)證的科學(xué)思維，并且樂于嘗試運(yùn)用多種方法完成科學(xué)探究，體會(huì)創(chuàng)新的樂趣，感受科技的魅力。

參考文獻(xiàn)

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