周偉明

實(shí)驗(yàn)原型及不足

《擺的研究》一課，安排了改變擺錘重量及改變擺繩長(zhǎng)度兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際教學(xué)中存在以下問(wèn)題：學(xué)生在做兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)的時(shí)候都需要多次記錄15秒內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)，會(huì)存在漏數(shù)或多數(shù)的情況;實(shí)驗(yàn)裝置上沒(méi)有測(cè)量擺動(dòng)幅度的工具，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生只能估計(jì)幅度大小;在改變擺錘重量的實(shí)驗(yàn)中，用到一個(gè)墊圈和多個(gè)墊圈進(jìn)行對(duì)比（如圖1），這雖然改變了擺錘的重量，但也改變了擺錘的大小;無(wú)論是將擺繩固定在鐵架臺(tái)上，還是用擺繩連接擺錘，都需要用打結(jié)的方式來(lái)固定，這對(duì)部分學(xué)生來(lái)說(shuō)存在困難。

實(shí)驗(yàn)器材

鐵架臺(tái)、智能計(jì)次器硬件（各種基于Arduino的主控板、紅外接近傳感器、1602LCD顯示屏或四位數(shù)碼管）、量角器、大小相同的帶孔金屬球和塑料球各一個(gè)、細(xì)繩收納盤、扭簧或一字形的發(fā)卡、防干擾實(shí)驗(yàn)箱（選用）等。

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.自制智能計(jì)次器

（1）用智能計(jì)次器硬件制作智能計(jì)次器（如圖2）。

（2）用可視化編程軟件（如mPython0.4.1，編程界面簡(jiǎn)單易學(xué)）編寫自動(dòng)計(jì)次程序，并用數(shù)據(jù)線將程序上傳到主控板，一個(gè)具有自動(dòng)計(jì)次功能的計(jì)次器就完成了。

（3）用一個(gè)打孔的塑料瓶固定紅外接近傳感器，將智能計(jì)次器安裝在鐵架臺(tái)上（如圖3）。塑料瓶可以上下移動(dòng)，便于研究改變擺繩長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)。

2.安裝量角器

在鐵架臺(tái)上安裝量角器，可直觀、定量地測(cè)量出擺幅大小，解決研究改變擺錘重量和改變擺繩長(zhǎng)度兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中擺幅不變的公平性問(wèn)題。

由于普通的量角器刻度復(fù)雜、數(shù)字倒立、不易于固定在鐵架臺(tái)上，因此可利用畫圖等軟件繪制易于讀數(shù)的量角器，再利用激光切割機(jī)切割出亞力克材質(zhì)的量角器（如圖4）。

3.安裝擺錘

在改變擺錘重量的實(shí)驗(yàn)中，用網(wǎng)上購(gòu)買的兩個(gè)大小一樣、材質(zhì)不一樣的帶孔小球代替墊圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（如圖5），更能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的公平性。

4.安裝細(xì)繩收納盤

在改變擺繩長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)中，用細(xì)繩收納盤收放細(xì)繩（如圖6），便于改變擺繩的長(zhǎng)度，而且擺繩上每10？cm用不同的顏色標(biāo)明長(zhǎng)度，學(xué)生不用測(cè)量就知道每次實(shí)驗(yàn)的擺繩長(zhǎng)度。

5.安裝扭簧

擺繩的收納盤直接固定在實(shí)驗(yàn)裝置的頂端，解決了打結(jié)固定擺繩不牢固的問(wèn)題，擺繩另一端連接一個(gè)很小的扭簧（如圖7），扭簧具有一定的彈力，捏住扭簧插入帶孔的小球（擺錘），自動(dòng)卡住了小球（擺錘），需要更換擺錘的時(shí)候，輕輕一拔即可，非常快捷、方便，解決了打結(jié)不容易綁住擺錘的問(wèn)題。

除了以上的改進(jìn)，我還自制了防干擾透明實(shí)驗(yàn)箱（如圖8），所有的實(shí)驗(yàn)都在實(shí)驗(yàn)箱里面完成，不但可以防止人為因素的干擾，還可以防止風(fēng)力等自然因素的干擾。實(shí)驗(yàn)箱可以根據(jù)實(shí)際情況選用。

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

1.實(shí)驗(yàn)裝置綜合性強(qiáng)，不但能完成本節(jié)課的所有實(shí)驗(yàn)，還能用于《機(jī)械鐘擺》和《做一個(gè)鐘擺》等課的實(shí)驗(yàn)研究。

2.在測(cè)15秒內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)的時(shí)候，運(yùn)用AI技術(shù)輔助記錄，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄更加便捷準(zhǔn)確，自制的計(jì)次器還可用于解決生活中的其他問(wèn)題。

3.操作簡(jiǎn)單方便，有利于學(xué)生把精力放在實(shí)驗(yàn)探究本身而非組裝調(diào)試器材上。

4.實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)過(guò)程中運(yùn)用了人工智能技術(shù)，體現(xiàn)了科技創(chuàng)新、與時(shí)俱進(jìn)的理念，有利于培養(yǎng)學(xué)生利用科技解決生活中遇到的問(wèn)題的能力。