湖北省武漢市武昌區(qū)南湖第二小學(xué)(430070) 李 核

1 問題的提出

教科版小學(xué)科學(xué)6年級(jí)下冊(cè)第3單元第6課“擺的研究”要求：“通過改變擺錘的質(zhì)量、擺繩的長度，在15 s數(shù)出擺來回?cái)[動(dòng)的次數(shù)，收集15個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，發(fā)現(xiàn)擺的快慢與擺錘的重量無關(guān)，與擺繩的長度有關(guān)?！痹谡n堂教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生分別負(fù)責(zé)發(fā)指令、放擺、按秒表和讀數(shù)，合作完成實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)有超前或者滯后的情況發(fā)生，導(dǎo)致學(xué)生記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確；一節(jié)課時(shí)間內(nèi)小組同伴還要共同合作完成15個(gè)實(shí)驗(yàn)，直接導(dǎo)致很多學(xué)生無法完整地完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集。究其原因，是常規(guī)課堂使用的教具無法落實(shí)最基本的認(rèn)知目標(biāo)。

2 文獻(xiàn)綜述

筆者查閱文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)單擺周期的讀取不精確是老師們普遍關(guān)注的問題。知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中對(duì)“單擺周期”的研究及單擺周期的測(cè)定全部都是針對(duì)大學(xué)生或者高中生的測(cè)量方案。其中安學(xué)立老師在《一種簡易單擺周期測(cè)量裝置》介紹了自制測(cè)量電路，他用到了放大器電路實(shí)驗(yàn)測(cè)量。任孝有老師在《利用手機(jī)近距離傳感器測(cè)量單擺周期》中通過利用安卓手機(jī)傳感器來實(shí)驗(yàn)近距離測(cè)量單擺周期，用到了手機(jī)傳感器，但是下載安裝程序比較繁瑣。李學(xué)等老師在《應(yīng)用App提高物理實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性——以“用單擺測(cè)重力加速度”為例》中介紹了通過下載物理教學(xué)用App——Physics Toolbox Sensor Suite Pro，讀出單擺的周期。在優(yōu)質(zhì)課的觀摩現(xiàn)場(chǎng)，筆者發(fā)現(xiàn)有的學(xué)校把大學(xué)物理Dislab實(shí)驗(yàn)室里的電腦和傳感器帶進(jìn)了課堂，有的老師利用Dislab實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行單擺周期的測(cè)量。

以上這些方案雖然都能夠精確測(cè)量單擺的周期，但是不容易普及。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的器材小學(xué)科學(xué)老師很難得到，高中物理教學(xué)會(huì)用到學(xué)生常用的手機(jī)，需要下載相應(yīng)的App，小學(xué)生操作起來較為困難。

3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 創(chuàng)新思路

基于這些教學(xué)困惑，筆者聯(lián)想到在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室見過的單擺測(cè)試儀器，它在最低點(diǎn)安裝了磁感應(yīng)器來計(jì)數(shù)，磁感應(yīng)器“一看到”單擺就計(jì)數(shù)，時(shí)間也可以顯示。受此啟發(fā)，筆者努力尋找合適的感應(yīng)器，并設(shè)法讓它把識(shí)別到的單擺信號(hào)變成可視化的數(shù)字顯示出來。筆者通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，將身邊的物品進(jìn)行了巧妙的組裝，成功地利用了光電感應(yīng)器識(shí)別單擺通過，并且讓單片機(jī)在15 s時(shí)間內(nèi)，單擺每次通過光電感應(yīng)器時(shí)計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1(見圖1)。

圖1 組裝成果

3.2 所用零件

組裝的零件包括：手機(jī)用移動(dòng)電源、光電感應(yīng)器、單片機(jī)、鐵架臺(tái)和單擺，并利用電腦編程進(jìn)行了總體控制。下面對(duì)組裝零件做出詳細(xì)介紹。

(1)光電感應(yīng)器

筆者用到的光電感應(yīng)器(見圖2)，成本不足3元，可網(wǎng)購得到。它的功能與“眼睛”一樣，用來“看”單擺是否通過。在單擺擋住黑色二極管時(shí)，就會(huì)發(fā)射信號(hào)，白色二極管反射信號(hào)后迅速在單片機(jī)上顯示數(shù)據(jù)，整個(gè)感應(yīng)過程只要10-10s，反應(yīng)非常靈敏。

(2)單片機(jī)

單片機(jī)是本次設(shè)計(jì)的核心。編程語言是讓單片機(jī)實(shí)現(xiàn)功能的主要部分，筆者用c語言編輯好命令程序后，就能讓單片機(jī)的數(shù)碼管模塊顯示讀數(shù)。開關(guān)打開后，計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器顯示都為零。單擺第一次經(jīng)過光電感應(yīng)器時(shí)，計(jì)時(shí)器從“00.0 s開始計(jì)時(shí)直到15.0 s。計(jì)數(shù)器也隨著擺每次通過感應(yīng)器時(shí)依次加1。通過編程把計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器的功能合二為一，左邊的數(shù)字用來計(jì)數(shù)，右邊的數(shù)字用來計(jì)時(shí)(見圖3)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一目了然。

(3)復(fù)位開關(guān)

在此基礎(chǔ)上，還增設(shè)了復(fù)位開關(guān)(見圖4)，它被按下時(shí)，計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器通通歸零，學(xué)生可以快速重復(fù)實(shí)驗(yàn)，再測(cè)一次。

圖4 復(fù)位開關(guān)

4 實(shí)測(cè)效果

4.1 操作簡單，快速準(zhǔn)確

計(jì)數(shù)器最“智能”之處就是15 s之后示數(shù)發(fā)生了鎖定。開關(guān)打開后，學(xué)生只需要在放擺之后等著計(jì)數(shù)器最后的示數(shù)，用顯示的數(shù)據(jù)除以2就是單擺來回的次數(shù)。為了方便學(xué)生重復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的復(fù)位開關(guān)被按下后，計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器都清零，可以輕松實(shí)現(xiàn)多次測(cè)量。智能化單擺周期計(jì)數(shù)裝置操作簡單，計(jì)數(shù)精確，可以留出更多的時(shí)間讓學(xué)生去驗(yàn)證個(gè)性化和多元化的猜想，幫助學(xué)生形成更加正確的科學(xué)概念。

4.2 成本低廉，易于制作

智能化單擺周期計(jì)數(shù)裝置的亮點(diǎn)就是器材易得、成本很低、組裝方便。一線科學(xué)教師都擁有自己的單片機(jī)或者開發(fā)板，通過自己動(dòng)手編程，再網(wǎng)購一個(gè)成本不足3元的光電感應(yīng)器，就能搭建“電腦編程+傳感器+開發(fā)板”的智能計(jì)數(shù)體系，很好地落實(shí)了“教學(xué)成本最低化，教學(xué)成果最優(yōu)化”的高效課堂理念。

5 拓展應(yīng)用

課后學(xué)生對(duì)“智能化單擺周期計(jì)數(shù)裝置”很好奇，筆者適時(shí)抓住教育的契機(jī)，給學(xué)生介紹單片機(jī)計(jì)數(shù)的原理，即擺通過光電感應(yīng)器時(shí)就會(huì)被計(jì)數(shù)。啟發(fā)學(xué)生自己動(dòng)手，設(shè)計(jì)出新的單擺周期計(jì)數(shù)裝置。通過給他們提供光電感應(yīng)器，讓學(xué)生自己用編程套材中的開發(fā)板和數(shù)碼管等零件組裝起來，用scratch編程語言進(jìn)行總體控制，來實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能，圖5是學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，它是用來顯示30 s內(nèi)單擺通過的次數(shù)。

圖5 學(xué)生自制智能化計(jì)數(shù)器

學(xué)生的創(chuàng)造力有無限可能。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置不僅能更好地落實(shí)教學(xué)目標(biāo)，更能激活學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力，讓學(xué)生在動(dòng)手動(dòng)腦過程中提高實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。