Arduino開源平臺在高中物理實驗教學中的應用

趙瀾斌

（廣西師范大學物理科學與技術學院 廣西 桂林 541004）

1 高中物理課標以及教學現狀

1.1 課程標準

2017年版的《普通高中物理課程標準》將“傳感器”這個主題放在選擇性必修2教學參考書中，內容要求為“知道非電學量轉換成電學量的技術意義；通過實驗，了解常見傳感器的工作原理.會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置，列舉傳感器在生產生活中的應用和通過實驗了解傳感器的工作原理，學會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置［1］.

課程標準中不僅要求學生理解一部分常見傳感器的工作原理，還要讓他們學以致用，將傳感器知識與生活中的實例相結合，將自己的創(chuàng)設和理解賦予現實當中.與此同時，教師們可以將傳感器教學的最終成果與高中物理的實驗教學掛鉤，讓學生通過自我探索達成“物理、傳感器知識學習—知識的實際運用—物理實驗創(chuàng)新”的學習循環(huán).

1.2 教學現狀

在高中物理教學選擇性必修2教材“傳感器”這一章節(jié)中，教材是以傳感器在現代社會中的實際運用為主線介紹了不同種傳感器的功能和基本原理，具有較強的時代性和實用性.但是在高中物理的學業(yè)測評中很少會涉及考核學生對傳感器工作原理的認識以及如何在生活實際中控制和運用傳感器，這就導致了傳感器在高中物理的教學當中所發(fā)揮的教育價值減小.

如今學校購買的現成的實驗儀器能夠幫助學生一步到位做完相應的物理實驗，對于教師而言他們在儀器的搭配、組合使用上變得局限，對于學生而言在完成學習過程后得到的是使用實驗儀器的操作經驗和曇花一現的實驗現象，他們并不能了解到實驗儀器本身的構造、運行方式及其這樣設計對于物理實驗的復現有何優(yōu)勢.拘泥于怎樣操作實驗器材和獲得理想的現象或數據成果，忽略了組合、創(chuàng)設出實驗器材本身的原理知識，會使學生的學習停留在表面.

在國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，浙江省率先將“編程”納入高考內容（包含于“技術”—信息技術部分試題中）等信息科技大發(fā)展的時代背景下，使用Arduino開發(fā)平臺也將有效激發(fā)學生學習計算機語言和編程的興趣［2］.興趣是學生最好的老師，運用前沿的信息、工程技術不僅能提升學習的積極性，還能夠促進學習成果循環(huán)轉化成對物理知識、物理實驗的二次學習、探索，形成可持續(xù)性的學習.

2 Arduino簡介及已有應用

Arduino是以單片機系統(tǒng)為根基進行研發(fā)的微控制器，其包含硬件上的Arduino開發(fā)板以及軟件上的Arduino IDE.人們能夠通過軟件燒錄代碼并使用連接上傳感器的這一款電子原型平臺進行與環(huán)境之間的交互，獲得、分析并使用這些采集到的數據.“現代技術中，傳感器（sensor）是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等物理量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉換為便于傳送和處理的另一個物理量（通常是電壓、電流等電學量），或轉換為電路的通斷［3］.開源硬件作為基礎教學工具，能夠降低學生理解程序設計相關知識的難度，同時為學生的編程提供更為廣闊的動手操作空間，對學生學業(yè)成就、問題解決能力、認知能力等方面的提高具有顯著促進作用［4］.

本研究選取硬件Arduino UNO R3開發(fā)板以及軟件Arduino IDE 1.7.8作為開發(fā)的基礎工具，如圖1和圖2所示.通過軟件編寫代碼燒錄進連接好傳感器的Arduino開發(fā)板，從串口中就可以實時監(jiān)測傳感器發(fā)送回來的數據.

圖1 Arduino UNO R3開發(fā)板

圖2 Arduino IDE 1.7.8

3 Arduino在高中物理實驗教學中的運用

3.1 運用Arduino的優(yōu)勢

運用Arduino操控傳感器可以在短時間內獲得大量的實驗數據，極大程度地提高了實驗效率.同時，開源軟件及傳感器的大眾化使得在社會中所有對物理實驗教學改進或者是對物理研究有需求的老師、學生都可以通過Arduino進行物理實驗的研究.最后，Arduino開發(fā)平臺價格低廉、操作便捷、功能多樣，學生只需掌握基礎的計算機語言知識和編程技術即可自主設計搭建諸多傳感器的基本工作環(huán)境進行實驗［5］.

在高中物理實驗器材、實驗過程年年變化不大的情況下，利用多元而又豐富的傳感器進行新型的物理教學設計既能夠提升學生運用現代化技術解決實際問題的能力，又能夠使學生通過接觸新事物提高學生學習的積極性.在明確和學習了Arduino與各種傳感器共同感知和反饋環(huán)境變化的原理以后，學生也能夠動手創(chuàng)造，運用所學知識和已有傳感器素材進行舊物理實驗的新改造，達到靈活遷移所學知識以及有所學有所用的學習效果.正是由于其簡單易學有趣，將其融入實驗當中則會起到降低學習門檻、開闊實驗思路的作用.下面介紹兩種高中物理實驗演示器.

3.2 基于Arduino的胡克定律演示裝置

基于Arduino的胡克定律實驗演示裝置是由UNO R3開發(fā)板、壓力傳感器、超聲波測距模塊、彈簧、砝碼以及亞克力主板組成的，如圖3所示.

圖3 胡克定律演示裝置

這里使用的是HC-SR04超聲波傳感器，可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達±3 mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、超聲波接收器及控制電路.通過控制電路記錄超聲波發(fā)送及返回的時間，從而獲得距離［6］.在測量壓力上使用的是40 mm×40 mm大小的FSR406薄膜壓力傳感器以及電阻電壓轉換模塊，當薄膜感應區(qū)受壓時，薄膜底層彼此分離的線路導通使得金屬端口輸出電阻隨著壓力的變化而發(fā)生改變，這時在電腦端則可以監(jiān)測串口收發(fā)處理的數據.

在豎直方向上用亞克力板雕刻出含有卡槽的主體并卡入底座上，再將超聲波傳感器放在雕刻好的亞克力托盤上，使得發(fā)射聲波的傳感器探測頭豎直向下.亞克力底座上放置有連接UNO R3開發(fā)板的壓力傳感器.在傳感器托盤上定點打出小孔并掛好彈簧的一端，另一端掛上相應質量的砝碼，砝碼靜置于壓力傳感器上，移動砝碼位置使得托盤插入卡槽時彈簧處于豎直狀態(tài).

在代碼的編寫中可以通過計算直接讓串口顯示測距模塊所測長度減去彈簧原長及砝碼高度的數值，以此作為彈簧的伸長量.根據受力分析以及牛頓第三定律可以得出彈簧所具有的彈力數值大小為砝碼所受重力減去壓力傳感器直接測得的數值，將公式寫入代碼中即可使得串口直接顯示彈簧所受彈力的數值.因此，在實際測量數據中，串口可以顯示彈簧伸長量的變化以及彈力的數值大小，最后根據胡克定律在代碼中加入F=κx這一原始公式即可使得每次移動砝碼時串口顯示的數值為彈簧具有的彈力數值與伸長量之間的比值.改變傳感器托盤插入的槽位可以使得彈簧伸長量及彈力相應改變，在串口中可以讀出彈簧彈力與伸長量之間的多組比值.

傳統(tǒng)實驗測量伸長量以及彈力使用的是刻度尺以及彈簧測力器，這兩種測量工具在精度和測量閾值上已經落后于傳感器.在數據的測量中，傳統(tǒng)實驗比較依賴實驗者規(guī)范的操作以及細致的讀數，這使得人工讀數的誤差放大，而使用傳感器則能夠減少由人工引起的讀數誤差.最后，基于Arduino并使用傳感器測量數據可以提高獲取數據的效率，軟件可以短時間實時顯示多組串口監(jiān)測到的數據并代替人工進行運算處理，大大加快了實驗的進程.

3.3 基于Arduino的查理定律演示裝置

基于Arduino的查理定律實驗演示裝置是由UNO R3開發(fā)板、BMP280溫度氣壓傳感器以及密閉容器組成.

如圖4所示，將通過杜邦線連接UNO R3開發(fā)板的BMP280溫度氣壓傳感器密封于氣密性良好的容器內，這里使用的是亞克力盒.在軟件中編寫代碼燒錄進開發(fā)板中，使得BMP280溫度氣壓傳感器能夠正常測量不同時刻的氣溫以及氣壓值，同時在代碼中代入公式使得串口直接顯示測量出的密封容器內氣體壓強p與熱力學溫度T的比值.

圖4 查理定律演示裝置

運用水浴或者其他均勻的加熱方式對密閉容器進行儀器可正常工作的溫度范圍內的加熱，在電腦中則可以直接顯示等容情況下，容器內壓強與熱力學溫度比值的變化，如圖5所示.

圖5 氣體壓強與熱力學溫度的串口數據

傳統(tǒng)實驗使用溫度計以及氣壓計進行測量，實驗數據的精準性依舊受限于儀器本身以及實驗者的操作，實驗數據的采集效率也因人工而比較低下.由于溫度計和氣壓計具有一定的形狀和體積，在找到合適的密封容器的同時保證測量工具能夠測量到密封容器內溫度、氣壓變化就更加困難了.使用傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗既能夠省時高效地完成任務，又能夠縮小占地空間.

運用Arduino開發(fā)的查理定律實驗演示裝置直觀地展示了儀器的構造，使測量方法變得透明化、一目了然，在所用空間上僅僅是一張課桌的大小.利用Arduino控制器的實驗在器材上拋棄了“鐵箱子”，在思想上拋棄了“黑箱子”，將實驗儀器小型集成化、實驗過程創(chuàng)新化、實驗課堂化［7］.

借助Arduino平臺經歷了傳感器原理的學習、傳感器與物理理論知識的融合物化以后，學生在理論方面對知識有了更深層次的理解，在實踐方面又學會了設計實驗、制定方案、獲取數據并處理、反思并改進，最后在整個探索的過程中逐漸養(yǎng)成格物窮理、知行合一的學習習慣，提升自身的科學素養(yǎng).

4 總結

Arduino在高中物理的實驗教學中能夠引導學生探索學習時代背景下的前沿知識，拓寬知識的深度和廣度.當下已經研究組合成的實驗設計體現了物理學與時俱進、跟隨時代潮流發(fā)展的前瞻性.整個具有STEAM探究特征的學習過程對于促進學生全面發(fā)展、提升科學素養(yǎng)有很大的幫助.因此，將Arduino運用到高中物理實驗教學中有極大的教育價值.