基于開源硬件的力學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)意設(shè)計(jì)

黃萍萍 李敦勇

黃萍萍 浙江省溫州市平陽縣水頭鎮(zhèn)第五小學(xué)教師。溫州市教壇中堅(jiān)、學(xué)科骨干教師，平陽縣學(xué)科課堂教學(xué)一等獎(jiǎng)獲得者，指導(dǎo)的學(xué)生在各類比賽中獲獎(jiǎng)。

李敦勇 浙江省溫州市平陽縣新紀(jì)元雙語學(xué)校教師。全國青少年電子信息智能創(chuàng)新大賽優(yōu)秀指導(dǎo)師，指導(dǎo)的學(xué)生在各級(jí)比賽中獲得一等獎(jiǎng)獎(jiǎng)項(xiàng)。撰寫的《設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居模型》等多篇案例在《中國信息技術(shù)教育》刊物上發(fā)表。

教學(xué)背景

“我們的小纜車”是教科版科學(xué)五年級(jí)上冊(cè)第四單元第一課時(shí)的內(nèi)容，主要研究拉力大小與小車的運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。通過本課學(xué)習(xí)，學(xué)生能理解物體重力的產(chǎn)生，墊圈重力與小車所受拉力的轉(zhuǎn)換，以及拉力大小和小車運(yùn)動(dòng)快慢的關(guān)系。但在原型實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要用秒表測(cè)量小車每次從起點(diǎn)到終點(diǎn)用的時(shí)間，記錄每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，而秒表計(jì)時(shí)可能存在誤差問題。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)需要匯集全班各小組的數(shù)據(jù)，觀察分析規(guī)律，消耗不少時(shí)間，導(dǎo)致研討時(shí)間不夠。通過開源硬件和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，可以很好地解決這些問題，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確、直觀，更容易分析。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能 了解重力是物體由于地球吸引而受到的向下的拉力;知道一定的拉力能夠使靜止的小車運(yùn)動(dòng)起來，拉力越大，小車運(yùn)動(dòng)得越快。

過程與方法 安裝用重力拉動(dòng)的小車;制訂研究計(jì)劃，做拉力大小與小車運(yùn)動(dòng)快慢關(guān)系的實(shí)驗(yàn);用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證自己的推測(cè)。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 注重獲取證據(jù)，用證據(jù)來證明觀點(diǎn)。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 拉力大小與小車運(yùn)動(dòng)速度快慢關(guān)系的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施。

教學(xué)難點(diǎn) 用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證推測(cè)。

教學(xué)準(zhǔn)備

一、材料準(zhǔn)備

掌控板1個(gè)，N+百靈鴿擴(kuò)展板1個(gè)，數(shù)字大按鈕模塊3個(gè)，數(shù)字防跌落傳感器2個(gè)，小車1個(gè)，椴木板和棉線若干。

二、制作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

利用LaserMaker軟件設(shè)計(jì)出整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。然后用激光切割機(jī)切割好椴木板，隨后將各種材料進(jìn)行組裝，組裝后如圖1。其中，連接硬件時(shí)，起點(diǎn)（防跌落傳感器）接P7引腳，終點(diǎn)（防跌落傳感器）接P16引腳，紅色按鈕接P0引腳，白色按鈕接P2引腳，黃色按鈕接P13引腳。

三、編寫硬件程序

硬件程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能如圖2，詳細(xì)程序可掃描右側(cè)實(shí)驗(yàn)硬件程序二維碼獲取。

教學(xué)過程

一、談話導(dǎo)入

師：生活中我們會(huì)用到許多交通工具，請(qǐng)同學(xué)們思考下面這幾種交通工具是靠什么動(dòng)力前進(jìn)的。（課件出示自行車、電瓶車、轎車、馬車等圖片）

生：自行車靠人力，電瓶車靠電力，轎車靠動(dòng)力（有可能說汽油給發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，帶動(dòng)汽車前進(jìn)），馬車靠馬的拉力。

師：車可以靠不同的動(dòng)力前進(jìn)，而纜車是被鋼纜繩拉著前進(jìn)的，它可以很輕松地爬上陡坡，是一種很有特色的交通工具。今天這節(jié)課我們就一起來研究小纜車的運(yùn)動(dòng)。

二、認(rèn)識(shí)重力

教師直接出示一輛小纜車，提問學(xué)生：用什么方法，可以讓小纜車動(dòng)起來？

生：可以拉動(dòng)或者推動(dòng)小纜車。

師：這里有一些鐵墊圈（多準(zhǔn)備一點(diǎn)），你能用這個(gè)讓小車動(dòng)起來嗎？需要用幾個(gè)？

學(xué)生猜測(cè)：1個(gè)、2個(gè)……

教師演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察。

師：請(qǐng)你們思考一下，是什么力量使小纜車運(yùn)動(dòng)起來的呢？

教師介紹重力的概念：物體這種向下的力，我們把它叫作重力。我們的小纜車正是因墊圈所受到的重力通過繩的牽引轉(zhuǎn)化為拉力，才運(yùn)動(dòng)起來的。

三、探究拉力大小與小纜車運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

（一）實(shí)驗(yàn)猜測(cè)與假設(shè)

師：剛才我們用拉力讓小車運(yùn)動(dòng)起來了，那怎樣做才能讓小車運(yùn)動(dòng)得更快呢？請(qǐng)同學(xué)們猜測(cè)一下，拉力大小與小車的運(yùn)動(dòng)速度快慢有什么關(guān)系？

學(xué)生猜測(cè)：拉力大，速度快;拉力小，速度慢。

（二）制訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

為了保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)前，教師應(yīng)安排學(xué)生小組合作，制訂合適的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，以保證后期能夠有序高效地完成實(shí)驗(yàn)。教師可以找2～3組匯報(bào)研究計(jì)劃，并指出優(yōu)點(diǎn)和不足，然后出示完整的研究計(jì)劃。

教師出示實(shí)驗(yàn)器材，演示器材使用方法，下發(fā)實(shí)驗(yàn)記錄單。

（三）實(shí)驗(yàn)實(shí)施與驗(yàn)證

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，做好實(shí)驗(yàn)記錄，教師巡視指導(dǎo)。

1.編寫數(shù)據(jù)呈現(xiàn)程序

開始實(shí)驗(yàn)后，電腦端先在Mind+舞臺(tái)上利用畫筆功能繪制出坐標(biāo)軸，橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縱坐標(biāo)為時(shí)間（程序如圖3）。分別創(chuàng)建“實(shí)驗(yàn)次數(shù)”“時(shí)間”“墊圈個(gè)數(shù)”等角色，當(dāng)實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)每次測(cè)得結(jié)果后，電腦端將從SIoT服務(wù)器上訂閱消息，然后進(jìn)行分析，得出實(shí)驗(yàn)次數(shù)、時(shí)間、墊圈個(gè)數(shù)等數(shù)據(jù)（如果墊圈個(gè)數(shù)與上次實(shí)驗(yàn)不一樣，將最新的個(gè)數(shù)顯示在舞臺(tái)指定位置），然后以拆線圖的形式展現(xiàn)在舞臺(tái)上?！皦|圈個(gè)數(shù)”角色程序如圖4。

2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證展示

在電腦端單擊“開始”按鈕，開始實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)舞臺(tái)界面畫好坐標(biāo)系。學(xué)生通過按鈕，選擇墊圈個(gè)數(shù)，按紅色按鈕開始實(shí)驗(yàn)，將小車移至起點(diǎn)，然后放開，小車在墊圈的拉力作用下移至終點(diǎn)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在等待時(shí)間內(nèi)通過SIoT平臺(tái)發(fā)送至電腦端，然后電腦根據(jù)所訂閱到的信息進(jìn)行拆線的繪制。每種墊圈數(shù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。重復(fù)上一步操作完成3種墊圈個(gè)數(shù)的實(shí)驗(yàn)，最終結(jié)果如圖5。

3.實(shí)驗(yàn)總結(jié)

學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，討論交流實(shí)驗(yàn)心得，匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。

教學(xué)反思

本次實(shí)驗(yàn)通過開源硬件和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，同時(shí)生成的可視化數(shù)據(jù)，讓結(jié)果呈現(xiàn)得一目了然。可見開源硬件不僅可以創(chuàng)作出一些創(chuàng)意的作品，同時(shí)也可與科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，從而使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確、直觀，更容易分析。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）