高中物理實驗創(chuàng)新的實踐研究
——Arduino平臺在實驗改進中的應(yīng)用

江蘇省杭州市蕭山區(qū)第三高級中學 周 洪

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

一、研究理論

1.物理核心素養(yǎng)

學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力。在實驗中重點是科學思維和科學探究。

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

（2）科學探究過程講究證據(jù)。實驗證據(jù)越準確越好，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、傳感器、手機的配合能大大更新和改進獲取證據(jù)的手段，也更加具有時代性。

2.物理實驗

愛因斯坦說，實驗的檢驗是任何理論的前提和試金石。物理實驗驅(qū)動著科學的發(fā)展，很多研究都是從實驗開始，又回歸實驗。核心素養(yǎng)對于實驗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)階段的物理學習越來越重視實驗室的硬件配置，也有越來越多的科學儀器參與到高中物理實驗中來，為其注入科技的力量，提高學生學習物理的信心和興趣。

二、研究手段

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

2.Arduino平臺，Arduino是單片機的一種，而單片機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)生活的一個方面。比如一臺電冰箱的溫度控制不需要專門裝上一臺電腦來處理?，F(xiàn)在的很多產(chǎn)品都基于Arduino平臺制作，比如大疆無人機，Markbot3d打印機，智能手表，等等，遍及生產(chǎn)生活各個方面。單片機中Arduino則是一個比較適合初學者使用的平臺，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，還可以鍛煉動手能力。

第二，語言簡單易學習，對于老師和學生們來說，很容易學會processing為基礎(chǔ)的編程環(huán)境，無需學習復(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習多年的內(nèi)功和外功，那么現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了槍械時代，你只要會扣扳機就行，Arduino就是那個扳機。如果真有那么一天普及單片機輔助課堂教學，Arduino是在成本上，學習難度上最適合的平臺。本文主要采用Arduino UNO板，適合入門。

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

4.HM-10藍牙模塊，通過藍牙這種短距離無線通訊技術(shù)，可以在Arduino，電腦，手機上進行數(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，當一塊通電金屬片或半導(dǎo)體片垂直地放在磁場中時，兩端就會產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。霍爾模塊則是利用霍爾效應(yīng)檢測磁場的一種傳感器，它可以很方便地把磁信號轉(zhuǎn)換成電信號。

三、研究過程

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

為了進一步促進學生開發(fā)興趣，筆者在學習過程中也會逐漸介紹其他Arduino平臺上的模塊。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，使學生用科技的眼光觀察身邊的事物，堅定其開發(fā)的信心。

實驗一：勻變速直線運動規(guī)律探究

1.實驗搭配

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，手機下載點燈·blinker，通過藍牙技術(shù)與平臺連接。硬件上則Arduinouno板通過面包板裝配上超聲波探測器和藍牙hm-10模塊，放置于斜坡上，獲取小車位置和時間信息，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-散點圖-帶平滑線的散點圖。如果物體做勻加速直線運動，按物理規(guī)律來說位移時間規(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，點擊趨勢線，選擇多項式，輸出數(shù)學函數(shù)，如圖表3中所示，數(shù)學函數(shù)和圖像基本符合。

圖表3

第二步 進一步驗證運動規(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)學函數(shù)，如果符合勻加速直線運動規(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.實驗結(jié)論

一是實驗數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)實驗要多，從而形成的曲線方程和直線方程更準確說明了在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，小車的運動情況是符合勻變速直線運動的規(guī)律的，二是驗證實驗的精確性結(jié)果說明Arduino提高了實驗精度，三是單片機輔助教育是十分現(xiàn)實的，教師和學生已能比較輕松的掌握硬件和軟件知識。

5.拓展展示

Arduino與藍牙模塊在生活中的應(yīng)用很廣泛，比如智能藍牙防跟丟器、智能藥盒、智能家居等，適當展示引起學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。

實驗二、Arduino與霍爾效應(yīng)傳感器配合測磁場有無

1.實驗搭配

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.實驗過程

磁鐵靠近和遠離傳感器過程，使用霍爾效應(yīng)傳感器來檢測磁鐵是否存在。每當磁鐵移過該傳感器時，LED燈亮，并延時2秒，就能檢測到磁場的存在?；蛘卟捎酶呒壍腗LX90393三軸霍爾傳感器模塊，能檢測出磁場的強弱及方向。

3.實驗結(jié)果

（1）拉近學生與科技的距離。通過展示在生活中的霍爾元件，比如坐車時升降車窗、測量車速，家中的報警器，做飯時的微波爐，手機中點亮屏幕等，讓學生體會到平時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，讓學生體會傳感器早進入我們的生產(chǎn)生活，科技無處不在。促進學生客觀認識現(xiàn)在這個科技世界。

（2）降低霍爾效應(yīng)有關(guān)題目難度，霍爾效應(yīng)有時候?qū)τ趯W生的難處在于電磁場看不見摸不著，而且連霍爾元件實物都沒看到過，學生可能在想我學這個干嘛，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，提高學生解題興趣。

（3）兩點思考：一是學校對于采購有關(guān)儀器的態(tài)度還需要加強，其實也和教學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驗的思路和實踐，如果能有更多的考題能與傳感器相關(guān)，學校也會加快進程，二是教師的教學能力也要有所更新，如果更多的老師有興趣學習有關(guān)知識，如果學校大量組織一線教師進行有關(guān)培訓，局面也能越鋪越開。筆者覺得在當今局勢下這個時代不遠了。

四、使用電腦和手機教學中的反思

1.會不會讓本來對電腦手機不感興趣的學生產(chǎn)生與學習無關(guān)的癡迷？所以教師要正確引導(dǎo)，講清利弊，培養(yǎng)學生正確的世界觀、人生觀、價值觀，使之符合課程標準核心素養(yǎng)科學思維的要求。

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

3.學生學習了電腦手機開發(fā)能力，也不能就止步不前，變成個大胖子，躺在現(xiàn)成的技術(shù)上坐享其成，以后有更先進的技術(shù)也要與時俱進，這才是核心素養(yǎng)需要的科學態(tài)度和責任感。

教育要培養(yǎng)滿足社會要求的人，更要培養(yǎng)能推動社會發(fā)展的人，而在目前這個科技時代，社會的要求和發(fā)展都離不開科學技術(shù)。所以學生要多與科技設(shè)備打交道，培養(yǎng)科學思維，發(fā)展科學探究能力，努力成為具備核心素養(yǎng)的人。因此學校應(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驗形式，讓學生愛實驗，會實驗，享受實驗，愛學習，會學習，享受學習，愛科技，會科研，促進科學發(fā)展，成為國家十四五規(guī)劃的有力建設(shè)者。