江蘇省杭州市蕭山區(qū)第三高級(jí)中學(xué) 周 洪

21世紀(jì)是科技時(shí)代，為了強(qiáng)國興國，國家迫切需要大量科技人才，需要學(xué)校培養(yǎng)懂科技也能創(chuàng)新的學(xué)生。21世紀(jì)同樣也是信息時(shí)代，但是筆者看到現(xiàn)在的學(xué)生卻大多只會(huì)玩游戲，入寶山而空回。從教育的角度來看電腦和手機(jī)不是不能給學(xué)生使用，學(xué)生將來的工作和學(xué)習(xí)將會(huì)與其產(chǎn)生千絲萬縷的聯(lián)系。其實(shí)學(xué)生也想開發(fā)電腦手機(jī)的其他功能，只是缺乏開發(fā)的機(jī)會(huì)和氛圍，所以筆者平時(shí)就盡可能地使用電腦和手機(jī)演示一些實(shí)驗(yàn)，希望學(xué)生挖掘出寶藏來。本文就主要采用Arduino平臺(tái)加若干傳感器與電腦手機(jī)的配合來設(shè)計(jì)高中物理某些實(shí)驗(yàn)。

一、研究理論

1.物理核心素養(yǎng)

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力。在實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)是科學(xué)思維和科學(xué)探究。

（1）科學(xué)思維之一是質(zhì)疑創(chuàng)新。青少年剛好處于好奇心最強(qiáng)烈、最容易推陳出新的時(shí)期，教師要有意識(shí)啟發(fā)學(xué)生對于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)手段以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的思考，引導(dǎo)學(xué)生接觸現(xiàn)有科技手段做實(shí)驗(yàn)，把質(zhì)疑并能創(chuàng)新的火種埋入學(xué)生心中。

（2）科學(xué)探究過程講究證據(jù)。實(shí)驗(yàn)證據(jù)越準(zhǔn)確越好，那么獲取證據(jù)的手段要向前沿科技靠攏，舊土壤上開不出更鮮艷的花朵，電腦、單片機(jī)、傳感器、手機(jī)的配合能大大更新和改進(jìn)獲取證據(jù)的手段，也更加具有時(shí)代性。

2.物理實(shí)驗(yàn)

愛因斯坦說，實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)是任何理論的前提和試金石。物理實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)著科學(xué)的發(fā)展，很多研究都是從實(shí)驗(yàn)開始，又回歸實(shí)驗(yàn)。核心素養(yǎng)對于實(shí)驗(yàn)的要求則是能靈活選用合適的器材或得數(shù)據(jù)，能用多種方法分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。所以現(xiàn)階段的物理學(xué)習(xí)越來越重視實(shí)驗(yàn)室的硬件配置，也有越來越多的科學(xué)儀器參與到高中物理實(shí)驗(yàn)中來，為其注入科技的力量，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的信心和興趣。

二、研究手段

1.電腦或手機(jī)，作為數(shù)據(jù)獲取和處理的終端。電腦需要裝上ArduinoIDE，用來進(jìn)行Arduino有關(guān)的編譯，手機(jī)上需下載blinker·點(diǎn)燈app，連接平臺(tái)。

2.Arduino平臺(tái)，Arduino是單片機(jī)的一種，而單片機(jī)就是只為一種目的開發(fā)出來的集中芯片，它和電腦的不同之處在于只處理較單一的命令，用來高效控制生產(chǎn)生活的一個(gè)方面。比如一臺(tái)電冰箱的溫度控制不需要專門裝上一臺(tái)電腦來處理?，F(xiàn)在的很多產(chǎn)品都基于Arduino平臺(tái)制作，比如大疆無人機(jī)，Markbot3d打印機(jī)，智能手表，等等，遍及生產(chǎn)生活各個(gè)方面。單片機(jī)中Arduino則是一個(gè)比較適合初學(xué)者使用的平臺(tái)，原因有：

第一，硬件便宜可拓展，網(wǎng)上購買的兼容版有些只需要100元左右，已經(jīng)能有較好的精度，國外的板也就200元左右，低于其他類似開發(fā)板，而且其電路圖是公開的，也可以自己買材料做一塊，那就更便宜，還可以鍛煉動(dòng)手能力。

第二，語言簡單易學(xué)習(xí)，對于老師和學(xué)生們來說，很容易學(xué)會(huì)processing為基礎(chǔ)的編程環(huán)境，無需學(xué)習(xí)復(fù)雜的C++等編程語言。也可以直接下載打包完成的驅(qū)動(dòng)庫，下載網(wǎng)址www.Arduino.cn。

如果說以前的電子硬件和軟件從入門到成為武林高手需要學(xué)習(xí)多年的內(nèi)功和外功，那么現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了槍械時(shí)代，你只要會(huì)扣扳機(jī)就行，Arduino就是那個(gè)扳機(jī)。如果真有那么一天普及單片機(jī)輔助課堂教學(xué)，Arduino是在成本上，學(xué)習(xí)難度上最適合的平臺(tái)。本文主要采用Arduino UNO板，適合入門。

3.超聲波探測器，探測器向一個(gè)方向發(fā)射超聲波，記錄發(fā)射時(shí)刻，碰到障礙物反射，記錄接收時(shí)刻，獲得時(shí)間t，超聲波的空氣傳播速度為340m/s，則位移=340t/2m。

4.HM-10藍(lán)牙模塊，通過藍(lán)牙這種短距離無線通訊技術(shù)，可以在Arduino，電腦，手機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。該模塊支持4.0技術(shù)，具備更高的數(shù)據(jù)傳輸率，更大的傳輸范圍。

5.3144霍爾元件模塊，當(dāng)一塊通電金屬片或半導(dǎo)體片垂直地放在磁場中時(shí)，兩端就會(huì)產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)?；魻柲K則是利用霍爾效應(yīng)檢測磁場的一種傳感器，它可以很方便地把磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

三、研究過程

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)課程中，比如研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，小車在斜面上運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與小車相連，獲得紙帶，用毫米刻度尺在紙帶上測量位移數(shù)據(jù)，通過畫圖和計(jì)算的方式獲得規(guī)律和加速度，這個(gè)方法很好地鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和紙筆運(yùn)算能力，但是也有缺陷：一是經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)不夠用的情況，因?yàn)橐扛魩讉€(gè)點(diǎn)取計(jì)數(shù)點(diǎn)，二是想多取幾個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的話，位移小了，數(shù)據(jù)又不夠精確，三是在探究規(guī)律時(shí)基本采用紙筆畫V-t圖的方式，對于x-t圖的探究則對于大部分學(xué)生來說比較有難度。而本文希望在進(jìn)行了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)后，引導(dǎo)學(xué)生交流反思，意識(shí)到以上問題，教師從而把Arduino平臺(tái)引入實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)搭載超聲波傳感器，通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)相連，手機(jī)儲(chǔ)存位移和時(shí)間數(shù)據(jù)，然后可以在手機(jī)上觀測數(shù)據(jù)。先讓學(xué)生進(jìn)行觀察和紙上畫圖推理數(shù)據(jù)符合的規(guī)律，再一次鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本能力，再輸入電腦Excel獲取x-t圖像和方程，得出規(guī)律。勻變速直線運(yùn)動(dòng)探究實(shí)驗(yàn)是高中物理的入門實(shí)驗(yàn)，筆者試圖在高中的開端打好學(xué)生開發(fā)的基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生開發(fā)興趣，筆者在學(xué)習(xí)過程中也會(huì)逐漸介紹其他Arduino平臺(tái)上的模塊。比如用霍爾元件檢測磁場的有無，等等，并拓展介紹其在生產(chǎn)生活上的功能，使學(xué)生用科技的眼光觀察身邊的事物，堅(jiān)定其開發(fā)的信心。

實(shí)驗(yàn)一：勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律探究

1.實(shí)驗(yàn)搭配

軟件上需要電腦下載ArduinoIDE，電腦和Arduino通過USB連接，燒制入超聲波模塊程序，手機(jī)下載點(diǎn)燈·blinker，通過藍(lán)牙技術(shù)與平臺(tái)連接。硬件上則Arduinouno板通過面包板裝配上超聲波探測器和藍(lán)牙hm-10模塊，放置于斜坡上，獲取小車位置和時(shí)間信息，軌道長度為1.22m，高度為0.29m，如圖表1。

圖表1

2.研究數(shù)據(jù)

3.數(shù)據(jù)處理

第一步 把數(shù)據(jù)填入Excel，全選數(shù)據(jù)，插入-散點(diǎn)圖-帶平滑線的散點(diǎn)圖。如果物體做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，按物理規(guī)律來說位移時(shí)間規(guī)律符合二次函數(shù)觀察函數(shù)曲線是否符合其規(guī)律。然后右鍵選中圖形，點(diǎn)擊趨勢線，選擇多項(xiàng)式，輸出數(shù)學(xué)函數(shù)，如圖表3中所示，數(shù)學(xué)函數(shù)和圖像基本符合。

圖表3

第二步 進(jìn)一步驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在Excel中新建t2數(shù)據(jù)，給出x-t2圖像，給出趨勢線，選擇線型，輸出數(shù)學(xué)函數(shù)，如果符合勻加速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，圖像呈現(xiàn)直線圖像，函數(shù)為一次函數(shù)，如圖表4所示，函數(shù)和圖像基本符合。

圖表4

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

一是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要多，從而形成的曲線方程和直線方程更準(zhǔn)確說明了在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，小車的運(yùn)動(dòng)情況是符合勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律的，二是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的精確性結(jié)果說明Arduino提高了實(shí)驗(yàn)精度，三是單片機(jī)輔助教育是十分現(xiàn)實(shí)的，教師和學(xué)生已能比較輕松的掌握硬件和軟件知識(shí)。

5.拓展展示

Arduino與藍(lán)牙模塊在生活中的應(yīng)用很廣泛，比如智能藍(lán)牙防跟丟器、智能藥盒、智能家居等，適當(dāng)展示引起學(xué)生更深層次的興趣和思考。并為以后再次引入其他傳感器鋪路。

實(shí)驗(yàn)二、Arduino與霍爾效應(yīng)傳感器配合測磁場有無

1.實(shí)驗(yàn)搭配

ArduinoUNO板與LED燈、3144E霍爾效應(yīng)傳感器及若干電阻配合，板通過USB接口與電腦連接，如圖表5，通過ArduinoIDE將代碼燒制入板，如圖表6

圖表5

圖表6

2.實(shí)驗(yàn)過程

磁鐵靠近和遠(yuǎn)離傳感器過程，使用霍爾效應(yīng)傳感器來檢測磁鐵是否存在。每當(dāng)磁鐵移過該傳感器時(shí)，LED燈亮，并延時(shí)2秒，就能檢測到磁場的存在。或者采用更高級(jí)的MLX90393三軸霍爾傳感器模塊，能檢測出磁場的強(qiáng)弱及方向。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）拉近學(xué)生與科技的距離。通過展示在生活中的霍爾元件，比如坐車時(shí)升降車窗、測量車速，家中的報(bào)警器，做飯時(shí)的微波爐，手機(jī)中點(diǎn)亮屏幕等，讓學(xué)生體會(huì)到平時(shí)題目中高大上的霍爾效應(yīng)竟然在生活中如此的普遍，親切感一下子就上來了。同時(shí)教師還趁熱打鐵通過展示紅外線探測、溫度探測、濕度探測等其他Arduino配合的傳感器及其在生產(chǎn)生活的應(yīng)用，讓學(xué)生體會(huì)傳感器早進(jìn)入我們的生產(chǎn)生活，科技無處不在。促進(jìn)學(xué)生客觀認(rèn)識(shí)現(xiàn)在這個(gè)科技世界。

（2）降低霍爾效應(yīng)有關(guān)題目難度，霍爾效應(yīng)有時(shí)候?qū)τ趯W(xué)生的難處在于電磁場看不見摸不著，而且連霍爾元件實(shí)物都沒看到過，學(xué)生可能在想我學(xué)這個(gè)干嘛，跟我有關(guān)么？解題有厭煩情緒。把霍爾傳感器擺在面前，把其有關(guān)應(yīng)用擺在面前，原來霍爾效應(yīng)就在身邊，提高學(xué)生解題興趣。

（3）兩點(diǎn)思考：一是學(xué)校對于采購有關(guān)儀器的態(tài)度還需要加強(qiáng)，其實(shí)也和教學(xué)氛圍和考試目的有關(guān)，如果能有更多的老師能有信息化實(shí)驗(yàn)的思路和實(shí)踐，如果能有更多的考題能與傳感器相關(guān)，學(xué)校也會(huì)加快進(jìn)程，二是教師的教學(xué)能力也要有所更新，如果更多的老師有興趣學(xué)習(xí)有關(guān)知識(shí)，如果學(xué)校大量組織一線教師進(jìn)行有關(guān)培訓(xùn)，局面也能越鋪越開。筆者覺得在當(dāng)今局勢下這個(gè)時(shí)代不遠(yuǎn)了。

四、使用電腦和手機(jī)教學(xué)中的反思

1.會(huì)不會(huì)讓本來對電腦手機(jī)不感興趣的學(xué)生產(chǎn)生與學(xué)習(xí)無關(guān)的癡迷？所以教師要正確引導(dǎo)，講清利弊，培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀，使之符合課程標(biāo)準(zhǔn)核心素養(yǎng)科學(xué)思維的要求。

2.學(xué)生學(xué)會(huì)了便利手段來測量有關(guān)物理量，會(huì)不會(huì)喪失了用最基本的儀器和思維來研究問題的能力？教師在教學(xué)時(shí)要有意識(shí)雙管齊下，既要鍛煉其紙筆能力，又要加強(qiáng)其使用科學(xué)儀器的能力，這也是核心素養(yǎng)科學(xué)探究的要求。

3.學(xué)生學(xué)習(xí)了電腦手機(jī)開發(fā)能力，也不能就止步不前，變成個(gè)大胖子，躺在現(xiàn)成的技術(shù)上坐享其成，以后有更先進(jìn)的技術(shù)也要與時(shí)俱進(jìn)，這才是核心素養(yǎng)需要的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感。

教育要培養(yǎng)滿足社會(huì)要求的人，更要培養(yǎng)能推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的人，而在目前這個(gè)科技時(shí)代，社會(huì)的要求和發(fā)展都離不開科學(xué)技術(shù)。所以學(xué)生要多與科技設(shè)備打交道，培養(yǎng)科學(xué)思維，發(fā)展科學(xué)探究能力，努力成為具備核心素養(yǎng)的人。因此學(xué)校應(yīng)支持教師開發(fā)新的教具和新的教法，教師更要提高自己的相關(guān)能力，創(chuàng)設(shè)與科技接軌的豐富多彩的實(shí)驗(yàn)形式，讓學(xué)生愛實(shí)驗(yàn)，會(huì)實(shí)驗(yàn)，享受實(shí)驗(yàn)，愛學(xué)習(xí)，會(huì)學(xué)習(xí)，享受學(xué)習(xí)，愛科技，會(huì)科研，促進(jìn)科學(xué)發(fā)展，成為國家十四五規(guī)劃的有力建設(shè)者。