《利用Arduino探究單擺周期》教學(xué)實(shí)踐及反思

張敬云 鐘柏昌 李守良 謝作如

選題背景

隨著機(jī)器人技術(shù)的普及，機(jī)器人進(jìn)課堂成為一種趨勢。但是，從目前的機(jī)器人教學(xué)的內(nèi)容來看，機(jī)器人只是作為學(xué)習(xí)的對象，有關(guān)機(jī)器人技術(shù)的本體知識構(gòu)成了機(jī)器人課程的核心或全部內(nèi)容，模擬實(shí)驗(yàn)或模擬再現(xiàn)生產(chǎn)生活中的科技產(chǎn)品成為機(jī)器人課程的主要教學(xué)方式。盡管這對學(xué)習(xí)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識和基本技能來說非常有效，但不應(yīng)該成為機(jī)器人教學(xué)的全部。而科學(xué)探究，作為一個世紀(jì)以來國際基礎(chǔ)教育改革所努力追求的方向，卻在教學(xué)實(shí)踐層面沒有得到足夠的重視。

實(shí)際上，世界各國一直提倡學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，我國的新課程改革也特別強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究活動。我們認(rèn)為，將機(jī)器人作為科學(xué)探究的一種工具和平臺，開展科學(xué)探究活動，是中小學(xué)機(jī)器人教育的一個重要發(fā)展方向。因此，在探究單擺周期的課堂活動中，我們將紅外數(shù)字避障傳感器作為科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的一種工具，搭建探究單擺周期的實(shí)驗(yàn)裝置。這將不僅能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識和基本技能，掌握與單擺實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，提高他們學(xué)習(xí)機(jī)器人的積極性。

方案設(shè)計

1. 教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生情況分析

本課的教學(xué)內(nèi)容是利用Arduino探究單擺的周期，并學(xué)會紅外數(shù)字避障傳感器的使用方法。本課的教學(xué)對象是溫州中學(xué)高一學(xué)生，他們已經(jīng)對Arduino機(jī)器人產(chǎn)生了濃厚的興趣，并已理解了Arduino機(jī)器人的輸入輸出，掌握了傳感器及串口監(jiān)視器的使用方法，熟悉了Mixly的基本模塊。

2. 教學(xué)目標(biāo)

（1）掌握Arduino機(jī)器人中紅外數(shù)字避障傳感器的使用。

（2）通過自主設(shè)計探究單擺實(shí)驗(yàn)的方案，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程和方法。

（3）通過利用Arduino做科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)，感受傳感器為工作帶來的便利，使學(xué)生對學(xué)習(xí)機(jī)器人產(chǎn)生積極的態(tài)度。

3. 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

本課的教學(xué)重點(diǎn)是通過利用Arduino探究單擺周期的實(shí)驗(yàn)，理解科學(xué)探究的一般過程與方法，難點(diǎn)是自主制定計劃、設(shè)計探究實(shí)驗(yàn)方案。

4. 探究單擺周期實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計

由教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)可知，本課題最重要的是讓學(xué)生在理解單擺實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，自主制定探究活動的實(shí)驗(yàn)方案，從而體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過程與方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣。因此，綜合考慮教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)及課堂時間等因素，本課題設(shè)計了如表1所示的實(shí)驗(yàn)方案。

硬件搭建

利用Arduino探究單擺的周期實(shí)驗(yàn)所用到的硬件器材有：Romeo控制器、紅外數(shù)字避障傳感器、USB數(shù)據(jù)線以及3P線等。

1. 紅外數(shù)字避障傳感器

紅外數(shù)字避障傳感器也稱紅外接近開關(guān)，是一種集發(fā)射與接收于一體的光電開關(guān)傳感器。傳感器在接收到信號后，會引起后測指示燈的亮滅。這款傳感器背面有一個電位器，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)障礙的檢測距離。當(dāng)探頭前方無障礙時，紅外數(shù)字避障傳感器輸出高電平，有障礙時則相反。

2. 硬件搭建

紅外數(shù)字避障傳感器自帶了3P接線，其中紅線對應(yīng)5V，綠線對應(yīng)GND，黃線對應(yīng)信號線，將其按照對應(yīng)顏色的接線接在Romeo控制器的數(shù)字針腳即可。本文中接線接在了2號數(shù)字針腳，接線圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 接線圖

圖2 實(shí)物圖

程序編寫

程序編寫需解決兩個問題：一是記錄單擺來回擺動的次數(shù)和時間；二是根據(jù)檢測到的次數(shù)和時間自動輸出單擺的周期。由于單擺剛開始擺動時不很穩(wěn)定，因此有必要略過前幾次擺動的次數(shù)及時間。這里，我們從單擺擺動的第三次開始計時和計數(shù)。測出需要擺動的次數(shù)和時間后，就可以用總時間除以總次數(shù)，求出單擺的周期。要注意的是，每次傳感器檢測到小球經(jīng)過最低點(diǎn)時，是經(jīng)過了半個周期，因此在計算單擺周期時，需將次數(shù)除以2，具體程序如圖3所示。

圖3 程序代碼

教學(xué)實(shí)踐

在本次教學(xué)實(shí)踐中，教師主要通過以下四個環(huán)節(jié)完成教學(xué)。

1. 拋出問題 引入新課

教師出示一張鐘擺的PPT，同時給學(xué)生拋出一個問題：有同學(xué)注意到家里擺鐘的鐘擺在有規(guī)律地擺動，經(jīng)認(rèn)真觀察發(fā)現(xiàn)，鐘擺來回擺動一次的時間剛好是1秒。那么，是不是所有的鐘擺來回擺動一次的時間都是1秒呢？教師讓學(xué)生上網(wǎng)查找資料并以小組為單位展開討論，最后請小組代表發(fā)表組內(nèi)意見，同時對學(xué)生的觀點(diǎn)給予肯定或者糾正。教師再以PPT的形式展示物理實(shí)驗(yàn)中單擺實(shí)驗(yàn)的示意圖，并向?qū)W生解釋周期的概念及鐘擺的工作原理。教師接著向?qū)W生展示傳統(tǒng)單擺實(shí)驗(yàn)的裝置，并引導(dǎo)學(xué)生思考這樣做實(shí)驗(yàn)可能產(chǎn)生的誤差和不足。經(jīng)各抒己見后，教師做出總結(jié)：當(dāng)人觀察到小球到達(dá)最低點(diǎn)時，開始用秒表計時并人為計數(shù)，這樣操作存在很大的人為誤差。那么能否利用Arduino制作一套這樣的實(shí)驗(yàn)裝置，避免人為誤差呢？即這套裝置應(yīng)該具有如下功能：檢測到小球擺到最低點(diǎn)時，次數(shù)自動加1，同時自動計時，自動求出單擺的周期時長。

2. 講解新知 制訂計劃

通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已了解到傳感器最大的優(yōu)勢在于能夠自動獲取數(shù)據(jù)，因此教師向?qū)W生提問“可以利用哪種傳感器檢測小球是否到達(dá)了最低點(diǎn)，并開始自動計時、計數(shù)呢”，引發(fā)學(xué)生思考。學(xué)生討論后，教師向?qū)W生介紹一款新的傳感器——紅外數(shù)字避障傳感器。在為學(xué)生簡單介紹其使用方法之后，教師讓學(xué)生自己完成傳感器與Romeo控制器的連接并編寫程序，通過串口監(jiān)視器觀察當(dāng)傳感器檢測到障礙物和檢測不到障礙物時的輸出值。

接著，學(xué)生以小組合作的形式制定探究計劃并設(shè)計實(shí)驗(yàn)。由于之前學(xué)生沒有接觸過科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)，為鼓勵學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，教師為學(xué)生提供了一份有關(guān)科學(xué)探究一般步驟的表格，作為他們的學(xué)習(xí)支架，如表2所示。在學(xué)生制定探究計劃的過程中，教師要作為參與者參與其中。當(dāng)學(xué)生探究遇到問題時，教師也要作為引導(dǎo)者引導(dǎo)學(xué)生走出困境。教師請小組代表匯報本組的探究計劃，并請其他小組成員對他們的匯報內(nèi)容進(jìn)行評價，最后教師對學(xué)生的計劃進(jìn)行總結(jié)。探究活動結(jié)束之后，教師要給學(xué)生留一定的時間，讓他們結(jié)合剛才同學(xué)及教師的意見，對探究計劃做進(jìn)一步的修改和完善。

表2 利用Arduino探究單擺周期導(dǎo)引

科學(xué)探究的步驟 具體內(nèi)容

提出問題 擺鐘來回擺動一次的時間都是1秒嗎

形成假設(shè) 查找資料，形成自己的假設(shè)

制定計劃和設(shè)計實(shí)驗(yàn) 1.所需器材

2.所需控制的變量

3.實(shí)驗(yàn)步驟

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)記錄表

分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論 數(shù)據(jù)可視化、假設(shè)正確與否

評價與反思 對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)

3. 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 收集數(shù)據(jù)

讓學(xué)生按照制定好的實(shí)驗(yàn)步驟，以小組的形式進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)操作，并在實(shí)驗(yàn)過程中做好相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄。最后，通過對數(shù)據(jù)的處理分析，各小組得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，驗(yàn)證或證偽假設(shè)。

4. 得出結(jié)論 評價交流

學(xué)生以小組為單位匯報本組獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并能夠?qū)Ρ窘M和其他小組的探究實(shí)驗(yàn)做出正確的評價。

教師首先讓完成探究實(shí)驗(yàn)的小組展示他們的實(shí)驗(yàn)裝置，再匯報他們獲得的數(shù)據(jù)和分析結(jié)論。本次教學(xué)，全班一共30名學(xué)生，3名學(xué)生為一組，一共10組。在這10個組中，單擺來回擺動一次的時間都不是1秒，并且有5個小組經(jīng)過控制變量的方法得出：當(dāng)擺角和小球的質(zhì)量一定時，擺線越長，單擺的周期越長，反之則越短；當(dāng)擺線和小球的質(zhì)量一定時，單擺的周期與擺角無關(guān)；當(dāng)擺線與擺角一定時，單擺的周期與小球質(zhì)量無關(guān)。最后，教師選取了一個小組的探究實(shí)驗(yàn)作為范例，從器材選取、變量控制、程序算法、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等多個角度對作品進(jìn)行了評價。在學(xué)生掌握了評價尺度后，再讓各個小組對其他小組的實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)論進(jìn)行評價，并投票選出最佳的探究實(shí)驗(yàn)方案。

5. 拓展提升 課堂總結(jié)

單擺在擺角小于5°時，可近似認(rèn)為是簡諧運(yùn)動。此時，單擺運(yùn)動的周期公式為：T=2π√（L/g），其中L指擺長，g是當(dāng)?shù)刂亓铀俣?。為了鼓勵學(xué)生利用已有知識，提高上網(wǎng)查閱資料的能力，在完成單擺周期的實(shí)驗(yàn)探究之后，教師提出了一個新問題：如何利用單擺實(shí)驗(yàn)測出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋?/p>

最后，教師對本課進(jìn)行總結(jié)：本課重點(diǎn)是掌握科學(xué)探究的一般過程和方法。因此，不僅要學(xué)習(xí)Arduino機(jī)器人本身的知識與技能，更希望大家在遇到問題時，將它作為探究過程中強(qiáng)有力的輔助工具，幫助我們更準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)、更方便地解決問題。

本次教學(xué)主要是讓學(xué)生通過自主設(shè)計探究單擺實(shí)驗(yàn)的方案，體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過程與方法，并能感受利用Arduino自動獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢及其給我們的工作帶來的便利，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣。從學(xué)生的任務(wù)完成情況來看，全班一共30名學(xué)生，全都制定了探究實(shí)驗(yàn)的方案，并得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)論。對于拓展任務(wù)，由于時間原因，許多學(xué)生只查閱了相關(guān)資料。但令人欣喜的是，有2組學(xué)生在好奇心的驅(qū)動下，利用課余時間完成了測量重力加速度的任務(wù)。另外，本次教學(xué)還有一些需要改進(jìn)之處。比如，在讓學(xué)生制定探究計劃之前，對知識點(diǎn)的講解不夠全面；在編寫程序的環(huán)節(jié)，對學(xué)生的提示和引導(dǎo)不夠細(xì)致等。

注：本文受教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目“義務(wù)教育STEM校本課程的開發(fā)與應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號：13YJC880121）資助。

（作者單位：南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院 南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院 北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院 浙江溫州中學(xué)）