基于開(kāi)源硬件的光的三原色實(shí)驗(yàn)探究

張創(chuàng)婷 徐敬洪

教學(xué)背景

18世紀(jì)，牛頓通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種色光中只有紅、綠、藍(lán)三種色光無(wú)法被分解，而其他四種色光均可由這三種色光以不同比例相合而成。于是紅、綠、藍(lán)被稱為“光的三原色”，即RGB（Red， Green， Blue）。

但是在科學(xué)課教學(xué)過(guò)程中，光的三原色實(shí)驗(yàn)往往只能通過(guò)三棱鏡進(jìn)行光的散射實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察。雖然能看到光的散射現(xiàn)象，操作上也沒(méi)有太大的難度，但是該實(shí)驗(yàn)無(wú)法量化，而且無(wú)法反向進(jìn)行，只能觀察到光的散射，無(wú)法觀察到光的合成。在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們結(jié)合開(kāi)源硬件設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，既能直觀地看到合成的光色的改變，也能通過(guò)R、G、B的數(shù)值對(duì)合成的光色進(jìn)行量化，讓實(shí)驗(yàn)變得非常直觀。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能 知道太陽(yáng)光中包含不同顏色的光，通過(guò)色散實(shí)驗(yàn)可以把太陽(yáng)光分解成七種顏色的光，其中紅、綠、藍(lán)無(wú)法再被分解，成為光的三原色，其余四種顏色的光以及白光可以通過(guò)紅、綠、藍(lán)三種色光以不同比例合成。

過(guò)程與方法 使用開(kāi)源硬件并編程模擬三原色，合成彩色RGB燈，從而直觀地觀察到三原色如何合成其他不同顏色的色光;記錄實(shí)驗(yàn)?zāi)M的過(guò)程，分析橙、黃、靛、紫以及白光等色光合成需要三原色光的不同比例，并分析數(shù)據(jù);根據(jù)模擬活動(dòng)和生活經(jīng)驗(yàn)解釋彩色電視機(jī)、顯示器等的顯色原理。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 能從身邊的自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)其科學(xué)原理，并積極結(jié)合現(xiàn)代化信息技術(shù)開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)，從而產(chǎn)生對(duì)自然探究的興趣。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 理解太陽(yáng)光中包含不同顏色的光以及三原色光可以合成其他色光的原理。

教學(xué)難點(diǎn) 探究不同色光的合成所需的三原色光的比例。

教學(xué)準(zhǔn)備

一、材料準(zhǔn)備

1個(gè)數(shù)字食人魚(yú)紅色LED發(fā)光模塊，1個(gè)數(shù)字食人魚(yú)綠色LED發(fā)光模塊，1個(gè)數(shù)字食人魚(yú)藍(lán)色LED發(fā)光模塊，3個(gè)模擬角度傳感器Rotation Sensor V1，1個(gè)掌控板2.0編程入門(mén)學(xué)習(xí)主控板，1個(gè)Micro：bit掌控I/O擴(kuò)展板，椴木板若干。

二、制作實(shí)驗(yàn)裝置

利用LaserMaker軟件設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)裝置，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，組裝后實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖如圖1。

三、編寫(xiě)硬件程序

實(shí)驗(yàn)裝置搭建好后，就需要編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。掌控板的程序如圖2，需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有模式選擇、連接Wi-Fi與SIoT服務(wù)器、實(shí)驗(yàn)操作獲取并顯示R、G、B三種顏色的值，同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到SIoT服務(wù)器。

考慮到實(shí)際情況，學(xué)生不一定具有電腦及網(wǎng)絡(luò)等條件，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?shí)現(xiàn)了學(xué)生按鍵選擇“服務(wù)器模式”或“離線模式”，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還可以按“A+B”重新選擇模式?！澳Ｊ竭x擇”功能模塊程序可掃描右側(cè)實(shí)驗(yàn)硬件程序二維碼查閱。

3個(gè)旋鈕的亮度值對(duì)應(yīng)著3個(gè)LED燈的亮度值，轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，改變旋鈕的值，就能改變紅綠藍(lán)3個(gè)LED燈的亮度。我們通過(guò)編寫(xiě)“實(shí)驗(yàn)操作”程序，讓實(shí)驗(yàn)裝置獲取3個(gè)LED燈的亮度值并能實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，“實(shí)驗(yàn)操作”功能模塊程序可掃描右側(cè)實(shí)驗(yàn)硬件程序二維碼查閱。

教學(xué)過(guò)程

一、課題引入

教師通過(guò)演示彩虹實(shí)驗(yàn)（利用噴壺在陽(yáng)光下“制造”彩虹），引出驅(qū)動(dòng)任務(wù)：在自然界中什么情況下才能看到彩虹？彩虹的形成需要什么條件？學(xué)生思考并回答。教師講解色散實(shí)驗(yàn)，利用三棱鏡等工具分離陽(yáng)光，讓學(xué)生知道陽(yáng)光有不同的顏色。隨后，教師提出問(wèn)題：如何把分離的七彩光線合成白光？學(xué)生思考并討論。

二、自主學(xué)習(xí)

學(xué)生自行閱讀關(guān)于牛頓的光的色彩論的資料，了解到太陽(yáng)光分解的七種光線經(jīng)過(guò)三棱鏡的反向折射之后，又會(huì)合成一束白光;且牛頓通過(guò)進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)，紅、綠、藍(lán)三種色光無(wú)法再分解，反而可以合成其他的色光。

三、實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，教師展示光的三原色實(shí)驗(yàn)裝置，并講解裝置的實(shí)驗(yàn)原理。

（一）教師演示實(shí)驗(yàn)

1.打開(kāi)裝置，可按A鍵或B鍵選擇模式。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨時(shí)可以按“A+B”重新選擇模式，如圖3。電腦啟動(dòng)SIoT服務(wù)器，選擇“服務(wù)器模式”，裝置自動(dòng)連接Wi-Fi和SIoT服務(wù)器。

2.連接Wi-Fi和服務(wù)器后，裝置開(kāi)始工作，分別轉(zhuǎn)動(dòng)紅、綠、藍(lán)3個(gè)LED燈的旋鈕，即可改變R、G、B三種顏色的值，結(jié)果會(huì)在掌控板的OLED屏幕顯示出來(lái)，3個(gè)LED燈直觀地顯示出紅、綠、藍(lán)三種顏色的光色，合成的RGB顏色也會(huì)通過(guò)掌控板的RGB燈顯示出來(lái)。

3.觀察掌控板上RGB彩燈的顏色，Mind+通過(guò)串口通訊，程序自動(dòng)將R、G、B的值以及所記錄的顏色一并發(fā)送到SIoT服務(wù)器。

4.導(dǎo)出SIoT服務(wù)器的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單整理后就能輕松得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如下表。

（二）學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究

教師演示完畢，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在有條件的情況下，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，教師可以給每個(gè)小組各分發(fā)一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，配套電腦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速記錄;在條件不允許（如電腦、Wi-Fi條件不滿足）的情況下，可以只分發(fā)裝置給學(xué)生，不配備電腦，學(xué)生通過(guò)裝置觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)紙質(zhì)表格記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

四、分享交流

以小組為單位分析數(shù)據(jù)，討論并總結(jié)光的三原色合成的規(guī)律。然后，教師邀請(qǐng)小組代表在全班同學(xué)面前分享探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果以及感受。

教學(xué)反思

傳統(tǒng)的光的三原色實(shí)驗(yàn)無(wú)法量化，而且無(wú)法反向進(jìn)行，只能觀察到光的散射，無(wú)法觀察到光的合成。本裝置創(chuàng)造性地解決了這一問(wèn)題，而且成本低、效果好。物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)用讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄變得非?？旖莺秃?jiǎn)單，大大提高了實(shí)驗(yàn)的效率。

本裝置同時(shí)設(shè)置“服務(wù)器模式”和“離線模式”，確保在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)或者電腦的情況下也能夠照常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，降低了裝置使用的門(mén)檻，只要帶上充電寶，任何條件下都可以通過(guò)本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）

張創(chuàng)婷 廣東省佛山市順德區(qū)李介甫小學(xué)科學(xué)教師，致力于STEM項(xiàng)目化課程學(xué)習(xí)研究，撰寫(xiě)的STEM研究論文獲國(guó)家級(jí)、省級(jí)、市級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。多次帶領(lǐng)學(xué)生獲得省、市、區(qū)級(jí)科技競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)，多次獲得省、市、區(qū)級(jí)科技競(jìng)賽“優(yōu)秀科技輔導(dǎo)員”稱號(hào)。

徐敬洪 廣東省佛山市順德區(qū)李介甫小學(xué)信息技術(shù)教師，順德區(qū)創(chuàng)客教育聯(lián)盟講師團(tuán)成員，公眾號(hào)“玩轉(zhuǎn)信息技術(shù)”創(chuàng)辦人，致力于創(chuàng)客教育和人工智能的研究，曾多次輔導(dǎo)學(xué)生在省、市、區(qū)級(jí)創(chuàng)客競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)。