王國芳

《中小學(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》的附件中提供了一個活動范例，名稱為《用計算機(jī)做科學(xué)實驗》?；顒觾?nèi)容是借助計算機(jī)程序獲取傳感器實時采集的信息，并把這些信息記錄在數(shù)據(jù)庫中，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析，驗證假設(shè)甚至發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律。通過這一活動讓學(xué)生體驗大數(shù)據(jù)時代的研究方法，提高探究真實問題、發(fā)現(xiàn)新規(guī)律的能力。

計算機(jī)采集實驗數(shù)據(jù)的一般方式

科學(xué)實驗的數(shù)據(jù)采集需要借助傳感器，而現(xiàn)在絕大多數(shù)的計算機(jī)沒有傳感器的接口，一般的做法是利用具備模數(shù)轉(zhuǎn)換器（也稱A/D轉(zhuǎn)換器）功能的單片機(jī)來讀取傳感器的數(shù)值，再通過通信技術(shù)將數(shù)值傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上。Arduino、micro：bit和掌控板等開源硬件就是中小學(xué)教學(xué)中最常用的單片機(jī)。

按照通信的方式，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)大致分為有線傳輸、短距離無線傳輸、長距離無線傳輸和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸四類。在如下表所示的通信技術(shù)中，采用USB線虛擬串行通信和Wi-Fi最為常用，如Arduino和micro：bit采用的是串行通信，而掌控板不僅支持串行通信，還支持藍(lán)牙和Wi-Fi。

不管采用的是下表中哪一種通信方式，計算機(jī)端都需要采用專業(yè)工具，或者編寫程序來讀取并存儲數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。對于這些技術(shù)普通的信息技術(shù)教師來說都有點陌生，更不用說科學(xué)、數(shù)學(xué)學(xué)科的教師了。其實大可不必?fù)?dān)心，完成這類實驗還有更加簡單的實施方案，如采用藍(lán)牙鍵盤的方式。

用藍(lán)牙鍵盤方式采集實驗數(shù)據(jù)的方案分析

掌控板采用的是ESP32芯片，本來就自帶了藍(lán)牙4.0，而且能夠模擬為HID設(shè)備，如PPT遙控器、空中飛鼠等。那么，一個大膽的想法就產(chǎn)生了：既然可以將掌控板模擬為一個藍(lán)牙鍵盤或者鼠標(biāo)，那能不能將傳感器的數(shù)據(jù)，以鍵盤輸入的形式傳送給電腦？

答案當(dāng)然是肯定的。我們可以將借助于藍(lán)牙鍵盤方式采集數(shù)據(jù)的方式，想象成一個工作敏捷的“輸入員”一邊看傳感器數(shù)據(jù)，一邊用藍(lán)牙鍵盤將其快速輸入到電腦中，工作流程如圖1所示。

這樣的做法雖然看起來有點“另類”，但優(yōu)勢卻非常明顯。

首先是通用性好。HID設(shè)備在不同操作系統(tǒng)下都是通用的，不用考慮操作系統(tǒng)，不用考慮硬件的兼容問題，電腦端也不需要做任何設(shè)置，只要連接上掌控板這一藍(lán)牙設(shè)備即可。

其次是操作簡單。因為數(shù)據(jù)是以鍵盤的形式輸入，所以對數(shù)據(jù)的存儲軟件沒有任何特殊要求。如果僅僅需要記錄數(shù)據(jù)的“和”，就只需要用計算器軟件即可。當(dāng)然，對于科學(xué)實驗中的數(shù)據(jù)，肯定需要保存下來，進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計，如平均值、最大值、最小值、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等，還要繪制如柱狀圖、折線圖之類的各種圖形。那么普通用戶只要打開Excel或者WPS軟件即可完成。

模擬藍(lán)牙鍵盤采集數(shù)據(jù)的代碼實現(xiàn)

新版本的Mind+和mPython都提供了將掌控板模擬為HID設(shè)備的語句。這里強(qiáng)烈推薦創(chuàng)客鐵熊為Mind+編寫的“ESP32藍(lán)牙鍵盤”庫。筆者以Mind+為例，編寫了一個很簡單的程序：按下B開始采集光線數(shù)據(jù)，按下A鍵則停止，每隔5秒鐘采集并輸出一次數(shù)據(jù)，并用回車鍵進(jìn)行換行。參考代碼如圖2所示。

將代碼下載到掌控板上，重新啟動后，電腦很快就能發(fā)現(xiàn)名稱為“handpy”的藍(lán)牙設(shè)備。連接方式、使用方法和其他藍(lán)牙鍵盤、音箱幾乎完全一致。

電腦端接收實驗數(shù)據(jù)的多種方案

當(dāng)藍(lán)牙鍵盤不斷輸入數(shù)字，并且按下回車時，電腦端應(yīng)該如何接收數(shù)據(jù)呢？方法當(dāng)然很多了，這里提供三種方案，供大家參考。

方案1：使用Excel軟件

Excel是最常見的數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具，當(dāng)藍(lán)牙鍵盤連接上后，新建一個表格，選中“A1”單元格后按下掌控板的B鍵，每隔5秒鐘光線傳感器的數(shù)據(jù)就會自動輸入到單元格中，并會自動換行，如圖3所示。

方案2：用Mind+編程

因為Mind+中不能識別回車鍵這一動作，所以掌控板的代碼中除了輸出回車鍵外，還要輸出另一種按鍵信息，如空格、箭頭等。筆者寫了一個簡單的程序，能夠?qū)?shù)據(jù)存到列表，并且能夠?qū)崟r統(tǒng)計，如圖4所示。

方案3：用Python編程

用Python編程肯定是一個不錯的選擇，如圖5所示。如果想更加直觀一些，還可以利用Matplotlib庫進(jìn)行實時的繪圖。

結(jié)語和啟示

《用計算機(jī)做科學(xué)實驗》是一個經(jīng)典的STEM案例，涉及數(shù)據(jù)探究、傳感器、開源硬件等方面的知識，甚至可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)做實驗數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集。本文提供了一個操作簡單且切實可行的解決方案，旨在降低技術(shù)門檻，讓更多的老師對用傳感器做科學(xué)實驗產(chǎn)生興趣。當(dāng)然，用藍(lán)牙鍵盤方式發(fā)送數(shù)據(jù)也有缺點，那就是兩次發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔時間不能太短，不能做頻率特別快的實驗。俗話說“尺有所短，寸有所長”。我們要根據(jù)真實的實驗需求來選擇合適的技術(shù)，沒有必要追求高端和新奇。