基于pcDuino的數(shù)字探究實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

王國(guó)芳

摘要：Scratch是MIT推出的編程平臺(tái)，結(jié)合其專用的傳感器板，能實(shí)時(shí)采集外界的各種物理、化學(xué)數(shù)據(jù)。它采用簡(jiǎn)易的圖形化編程語(yǔ)言，開(kāi)放硬件接口，易于拓展，有助于促進(jìn)信息技術(shù)和理科教學(xué)的整合。數(shù)字探究實(shí)驗(yàn)課程以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)探究理論為指導(dǎo)，在Scratch for pcDuino平臺(tái)的支持下，設(shè)計(jì)了多個(gè)趣味性、實(shí)踐性、綜合性強(qiáng)的探究實(shí)驗(yàn)，在獲取、鞏固科學(xué)知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：STEM；Scratch；探究實(shí)驗(yàn)；傳感器技術(shù)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2015）13/14-0141-03

● 背景

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，帶動(dòng)著人類社會(huì)不斷進(jìn)步和飛速發(fā)展，在學(xué)校教育連接科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)（STS）的中心紐帶中，課程的作用是巨大的。美國(guó)華裔學(xué)者包雷在Science發(fā)表文章，調(diào)查顯示雖然中國(guó)學(xué)生的物理考試水平顯著優(yōu)于美國(guó)學(xué)生，但分析和推理能力卻與美國(guó)學(xué)生無(wú)明顯差異，這不能不讓我們對(duì)現(xiàn)有的課程和教學(xué)方式進(jìn)行反思。

在學(xué)習(xí)科學(xué)課程的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)觀察已經(jīng)獲得一些規(guī)律性的知識(shí)，也就有了驗(yàn)證規(guī)律的渴望，但在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，由于條件的限制或者知識(shí)的不全面，學(xué)生“求證”往往不能得到滿足，而數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）則為學(xué)生提供了“求證”的條件。如何通過(guò)教師的指導(dǎo)，結(jié)合學(xué)?？萍冀逃奶攸c(diǎn)，引導(dǎo)對(duì)科技活動(dòng)感興趣的學(xué)生開(kāi)展科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的研究？我們的做法是打造低成本的數(shù)字化探究平臺(tái)，設(shè)計(jì)一系列趣味實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生探究如何用這一探究平臺(tái)開(kāi)展科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)研究中的創(chuàng)新能力與創(chuàng)新精神。

● 研究平臺(tái)

數(shù)字化信息系統(tǒng)是用傳感器獲取信息，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器由計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形處理的數(shù)學(xué)技術(shù)平臺(tái)，是為實(shí)現(xiàn)理科教學(xué)和信息技術(shù)整合而開(kāi)發(fā)的。其利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，稱為DIS實(shí)驗(yàn)（Digital Information System）。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中有許多數(shù)據(jù)，如距離、位移、力、速度、溫度、壓強(qiáng)、電壓、電流、濕度，甚至二氧化碳、氧氣濃度、化學(xué)PH值等，都可以用這類儀器進(jìn)行測(cè)量。

我們選擇了pcDuino作為DIS實(shí)驗(yàn)的軟硬件平臺(tái)。pcDuino是一種高性能、高性價(jià)比的迷你PC的平臺(tái)，能夠運(yùn)行PC操作系統(tǒng)。pcDuino內(nèi)置了Scratch軟件。我們把Scratch作為傳感器數(shù)據(jù)采集和分析的工具，用于數(shù)據(jù)探究（Dataquset）實(shí)驗(yàn)中。用Scratch編制的一個(gè)顯示聲音強(qiáng)度的示波器，通過(guò)非常簡(jiǎn)單的代碼，就可以實(shí)現(xiàn)波形顯示、數(shù)據(jù)采集和輸出（如圖1）。

● 課程設(shè)計(jì)

數(shù)字探究實(shí)驗(yàn)課程基于傳感器技術(shù)，以數(shù)據(jù)探究為特色，選擇了一些系列趣味實(shí)驗(yàn)組成。數(shù)據(jù)探究主要包含數(shù)據(jù)的獲?。ㄟx定待研究的數(shù)據(jù)集、選擇合適的信息源）、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)（剔除冗余數(shù)據(jù)、選擇易用的存儲(chǔ)形式）、數(shù)據(jù)的分析（選定分析方法、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、找到或修正研究問(wèn)題）、數(shù)據(jù)的表達(dá)（選定表達(dá)形式、共享成果）等方面，蘊(yùn)含了大量數(shù)據(jù)探究方法和技巧。學(xué)生還要善于選用文字處理、圖像處理、信息集成的數(shù)字化工具，對(duì)科學(xué)知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行重組、創(chuàng)作和研究。

參考北京景山學(xué)校吳俊杰老師的“數(shù)字科學(xué)家”課程，數(shù)字探究實(shí)驗(yàn)課程選擇了8個(gè)實(shí)驗(yàn)，從淺到深，每個(gè)實(shí)驗(yàn)安排2課時(shí)，加上最后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)，共18課時(shí)。在器材的選擇方面，除了pcDuino外，還需要一系列的傳感器，教學(xué)計(jì)劃如下表所示。

● 案例展示

1.實(shí)驗(yàn)名稱

PH值趣味實(shí)驗(yàn)（測(cè)定不同溶液的PH值、中和反應(yīng)過(guò)程中的PH變化）。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私釶H傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，并借助Scratch圖形化編程功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析感受數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的方法、原理。進(jìn)一步認(rèn)識(shí)酸堿中和反應(yīng)過(guò)程中的PH變化情況，加深理解在現(xiàn)代教育技術(shù)條件下學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的直觀過(guò)程。

2.實(shí)驗(yàn)器材

醋、自來(lái)水、食鹽水、洗衣粉溶液、潔廁凈溶液、橙汁、石灰漿、草木灰溶液、硫酸銅溶液。鐵架臺(tái)、50ml酸式和堿式滴定管、0.1mol/L鹽酸溶液、0.1mol/LNaOH溶液。PH值傳感器、燒杯。

3.課時(shí)

2課時(shí)。

4.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)1：傳統(tǒng)的PH值檢測(cè)方式。

檢驗(yàn)溶液酸堿度的常見(jiàn)“尺子”是廣泛PH試紙（如圖3）。這是一種現(xiàn)成的試紙，使用時(shí)撕下一條，放在表面皿中，用一支潔凈的玻璃棒蘸取一滴溶液滴在試紙上，再與標(biāo)準(zhǔn)比色卡進(jìn)行對(duì)比，就可以知道溶液的酸堿度，十分方便，但精確度不高。

實(shí)驗(yàn)2：基于PH值傳感器的檢測(cè)。

①用蒸餾水沖洗傳感器電極，校準(zhǔn)傳感器，分別放進(jìn)待測(cè)樣本溶液。②啟動(dòng)pcDuino上的Scratch，采集數(shù)據(jù)（如圖4）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：醋的PH值是2.97、自來(lái)水的PH值是7.52、食鹽水的PH值是7.12、洗衣粉溶液的PH值是8.26、潔廁凈溶液的PH值是1.31、橙汁的PH值是3.51、石灰漿的PH值是12.65、草木灰溶液的PH值是12.13、硫酸銅溶液的PH值是5.72。

在平常的酸堿中和反應(yīng)中我們將無(wú)色酚酞試液滴到NaOH里。但是，在實(shí)際操作中，不可避免會(huì)有稍微的酸過(guò)量，實(shí)際上此時(shí)溶液顯弱酸性。溶液成紅色時(shí)，可逐滴加入鹽酸溶液，當(dāng)紅色恰好褪去，說(shuō)明此時(shí)酸堿剛好發(fā)生了中和反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)3：酸堿中和反應(yīng)過(guò)程中的PH值測(cè)定。

①如圖5所示連接pcDuino迷你PC平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)裝置，并用標(biāo)準(zhǔn)溶液校正PH傳感器。②在潔凈的燒杯中加入鹽酸溶液，放入PH傳感器的電極。③用標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定待測(cè)鹽酸溶液，在此過(guò)程中用玻璃棒不斷攪拌燒杯中溶液。④用Scratch進(jìn)行描點(diǎn)繪圖，得到中和反應(yīng)過(guò)程中的溶液PH值的變化曲線（如圖6）。⑤重復(fù)上述步驟用酸滴定堿，同樣描出曲線。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)圖7。

● 課程展望

科學(xué)家需要兩種品質(zhì)：一種是創(chuàng)新，即對(duì)未知領(lǐng)域的探索和思考，數(shù)字化信息系統(tǒng)簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)工序，為創(chuàng)新提供了足夠的空間；另一種是鉆研，即對(duì)結(jié)論的步步求證直至獲得真理，而數(shù)字化信息系統(tǒng)則為這個(gè)過(guò)程提供了載體。數(shù)據(jù)探究作為一種信息時(shí)代應(yīng)用計(jì)算機(jī)的探究教學(xué)模式，其必要性不言而喻。利用傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，同樣非常重要。

選擇pcDuino作為DIS實(shí)驗(yàn)的軟硬件平臺(tái)，建立數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使DIS實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入普通學(xué)校成為可能，如果配上小型的顯示器，可以在普通的教室使用。學(xué)生通過(guò)數(shù)字探究實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，能同時(shí)提高自身的技術(shù)水平。對(duì)于動(dòng)手能力較好，并且具備一定編程能力的學(xué)生，完全可以使用Arduino和Python研究精確度更高的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)。我們深信，數(shù)字探究實(shí)驗(yàn)課程和數(shù)據(jù)探究教學(xué)模式的研究，將為學(xué)校培養(yǎng)科技創(chuàng)新后備人才提供新的思路。

參考文獻(xiàn)：

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