一種在初中開展數(shù)字化家庭實驗的低成本方案

劉作志 梅曉璇

家庭實驗是指教師補充學(xué)生在校學(xué)習(xí)之需，以課外作業(yè)的形式，讓學(xué)生按照作業(yè)要求，選擇家庭生活物品，自制實驗儀器，自主開展的實驗探究活動。家庭實驗具有在校常規(guī)實驗所不具備的特殊教育價值。當(dāng)前，數(shù)字技術(shù)正深刻改變著教育的面貌，適應(yīng)數(shù)字化變革成為教育的重大主題之一。目前數(shù)字化實驗的教學(xué)研究多集中于在校實驗，對家庭實驗關(guān)注不夠。數(shù)字化實驗走入家庭仍面臨一些亟待解決的問題。市面上的數(shù)字化實驗設(shè)備每套動輒上萬元，價格高昂。低成本是家庭實驗得以廣泛開展的基本前提。智能手機的普及為人們使用數(shù)字化手段降低實驗成本創(chuàng)造了條件。但是對于初中物理實驗而言，仍有兩個問題有待解決：一是手機傳感器門類不全，像溫度、力、電壓、電流等主要物理量難以直接測量；二是手機傳感器均為內(nèi)置，不便探針式測量。為解決上述問題，筆者整合esp32開源硬件與Phyphox軟件，構(gòu)建數(shù)字化實驗系統(tǒng)，以數(shù)顯模式為家庭實驗提供簡單易用的定量測量工具，以Phyphox模式為瞬態(tài)或長時段的數(shù)據(jù)采集與分析提供方便，以物聯(lián)網(wǎng)模式開創(chuàng)家庭實驗跨時空的新形態(tài)，賦予家庭實驗開放合作、深度學(xué)習(xí)、學(xué)科融合及實踐創(chuàng)新等教育內(nèi)涵。

一、家用數(shù)字化實驗系統(tǒng)的設(shè)計

（一）家用數(shù)字化實驗系統(tǒng)的設(shè)計思路

近年來，國際數(shù)字化實驗教學(xué)有兩大研究熱點：一是基于Phyphox的手機數(shù)字化實驗；二是基于Arduino開源硬件的數(shù)字化實驗。Phyphox的突出優(yōu)勢在于將傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理器、顯示器整合為一，其數(shù)據(jù)處理和圖像顯示非常簡便，支持用戶線上編程，自主設(shè)計實驗。如前所述，手機傳感器內(nèi)置且門類不全，不能滿足初中生的基本測量需求。以微控制器系統(tǒng)（MCU）為代表的開源硬件，可以集成的傳感器門類十分豐富，經(jīng)過簡單編程制作即可打造為集合模數(shù)轉(zhuǎn)換器、藍(lán)牙模塊、數(shù)顯模塊的數(shù)據(jù)采集器。但目前缺乏簡單易用、適合初中生操作的上位機。筆者參考上述兩類數(shù)字化實驗的研究成果，揚長避短，設(shè)計了初中物理家庭數(shù)字化實驗系統(tǒng)。

（二）家用數(shù)字化實驗系統(tǒng)的架構(gòu)與功能

數(shù)字化實驗系統(tǒng)的核心是esp32開發(fā)板，它是一款享譽國際的國產(chǎn)微控制器芯片。與Arduino開發(fā)板相比，esp32開發(fā)板價格極低，但性能卻優(yōu)于前者。esp32開發(fā)板集成了藍(lán)牙和無線網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）模組，可實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的無線傳輸。筆者圍繞esp32模組集成鋰電池、充放電模塊、OLED顯示屏和控制按鍵，引出三種常用接口，將它們整合成小巧便攜的數(shù)據(jù)采集器；將7類傳感器（可拓展）通過I/O或IC接口接入esp32開發(fā)板，使用手機內(nèi)置傳感器測量聲波、光強；借助數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)，通過OLED屏顯示數(shù)據(jù)，將藍(lán)牙接口與智能手機或平板電腦的Phyphox軟件相連，實時傳送數(shù)據(jù)。此外，數(shù)據(jù)采集器還可通過Wi-Fi接口與MQTT應(yīng)用進(jìn)行連接，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實驗功能（如圖1）。

二、開展數(shù)字化家庭實驗的基本模式

（一）基礎(chǔ)應(yīng)用——數(shù)顯模式

在數(shù)顯模式下，家用數(shù)字化實驗系統(tǒng)可快捷地測量距離、質(zhì)量、力、溫度、壓強、電流、電壓、磁感應(yīng)強度等物理量。學(xué)生只需將傳感器模塊插入對應(yīng)接口，按照OLED屏幕引導(dǎo)選擇對應(yīng)的傳感器模式，長按即可測量。每種傳感器對應(yīng)多種模式，如壓強傳感器有絕對壓強模式、相對壓強模式和水深測量模式。另外，此系統(tǒng)支持同時插接兩傳感器，這種模式更加自由。筆者指導(dǎo)學(xué)生在數(shù)顯模式下開展了如下實驗（如圖2），其中（a）為測量定值電阻阻值，（b）為測量液體壓強，（c）為測量滑動摩擦力，（d）為測量磁感應(yīng)強度。

（二）進(jìn)階應(yīng)用——Phyphox模式

Phyphox軟件可以調(diào)用手機內(nèi)置傳感器的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對物理量的測量。這款軟件是開源的，教師可用其官網(wǎng)提供的線上編輯器添加自己設(shè)計的實驗，除可調(diào)用手機內(nèi)置傳感器外，還可用Phyphox的低功耗藍(lán)牙（BLE）接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器與手機的無線連接，根據(jù)實驗需求實時繪制數(shù)據(jù)圖像。對于數(shù)據(jù)采集器設(shè)計的數(shù)據(jù)分析程序，筆者利用線上編輯器，將其加載到Phyphox后，簡單選擇和點擊便實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的無線接收、實時分析和圖像繪制（掃碼查看）。

下面以運動圖像繪制為例，介紹操作步驟。第一步，將超聲波傳感器插接到數(shù)據(jù)采集器上，將數(shù)據(jù)采集器固定在遙控玩具車上。第二步，將數(shù)據(jù)采集器工作模式設(shè)置為位移傳感器模式，打開Phyphox軟件，選擇“為藍(lán)牙設(shè)備添加實驗”，連接數(shù)據(jù)采集器。第三步，在Phyphox中打開預(yù)先加載的數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用界面，選擇運動圖像繪制模式。第四步，點擊按鈕開始繪制，使遙控小車正對墻面做直線運動，生成實時的、、圖像（如圖3）。

師生如按常規(guī)思路用手機內(nèi)置傳感器做實驗，需將手機與運動物體固定在一起，這樣操作存在弊端：一是增加手機意外損壞的風(fēng)險；二是不便于在實驗進(jìn)程中將物體運動狀態(tài)與圖像變化實時對應(yīng)。上述案例中，筆者利用Phyphox藍(lán)牙接口將傳感器獨立出來，解決了以上問題。

另舉一例：筆者將口服液小瓶裝滿水，將溫度傳感器插入小瓶并固定，置于冰箱冷凍室40 min，借助Phyphox測得水凝固的溫度變化圖像（如圖4）。常規(guī)的長時段測溫實驗十分耗時耗力，而筆者利用改進(jìn)后的數(shù)據(jù)采集器可自行完成數(shù)據(jù)采集和圖像繪制。

（三）拓展應(yīng)用——物聯(lián)網(wǎng)模式與自主開發(fā)

esp32開發(fā)板自帶Wi-Fi模組，而Phyphox具備MQTT網(wǎng)絡(luò)接口（1.1.10以上版本），筆者整合兩者優(yōu)勢，借由MQTT服務(wù)器實現(xiàn)跨時空的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集（如圖5）。原理如下：處于不同空間位置的數(shù)據(jù)采集器通過發(fā)布數(shù)據(jù)主題，將傳感器采集到的實驗數(shù)據(jù)發(fā)送到MQTT服務(wù)器，處于其他位置的手機客戶端通過訂閱對應(yīng)的數(shù)據(jù)主題即可獲取實時的實驗數(shù)據(jù)；一旦數(shù)據(jù)采集器訂閱了手機客戶端發(fā)布的控制主題，手機客戶端即可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集器的遠(yuǎn)程控制。物聯(lián)網(wǎng)實驗是全新的實驗形態(tài)，它將突破時空局限，助力家庭實驗，實現(xiàn)廣空間、長時段的協(xié)作探究。

例如，師生可以在物聯(lián)網(wǎng)模式下開展“探究溫度變化與物質(zhì)比熱容的關(guān)系”的實驗。第一步，利用校園Wi-Fi環(huán)境，建立兩只數(shù)據(jù)采集器與MQTT服務(wù)器的連接，如不具備校園網(wǎng)條件，可利用移動Wi-Fi模塊配合充電寶完成網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的簡單搭建。第二步，在物聯(lián)網(wǎng)模式下設(shè)置兩只數(shù)據(jù)采集器的溫度測量模式，設(shè)置溫度采集間隔為10 min。第三步，將一只數(shù)據(jù)采集器放置于校內(nèi)混凝土路邊，另一只數(shù)據(jù)采集器放置在附近光照條件相近的草地上，放置好提醒標(biāo)識。第四步，任何一部手機加載相應(yīng)的Phyphox實驗程序后，均可隨時作為客戶端連接到服務(wù)器，支持操作者查看當(dāng)前采集到的實驗數(shù)據(jù)和實時圖像，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器是否正常，或遠(yuǎn)程控制暫停實驗。

MQTT本身就是為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備，針對網(wǎng)絡(luò)狀況不佳的情況而設(shè)計的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議，具有數(shù)據(jù)流量小、功耗低的特點，有完善的中斷機制。這樣，配合esp32的休眠功能，不必額外供電，就可以完成長時段、間歇性的數(shù)據(jù)采集。這為戶外嚴(yán)酷環(huán)境下采集數(shù)據(jù)提供了可能。上例中，學(xué)生不必長時間蹲守在烈日下或嚴(yán)寒中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或設(shè)備控制。

學(xué)生還可以跨空間合作探究，例如將兩個數(shù)據(jù)采集器分別布置在城區(qū)和農(nóng)村，利用各自家中的Wi-Fi連接服務(wù)器，完成探究任務(wù)。

與商用數(shù)字化實驗設(shè)備不同，esp32與Phyphox均是開源的，這意味著教師和學(xué)生可以隨時根據(jù)實驗需求，重新編制數(shù)據(jù)采集器和Phyphox程序。esp32支持Arduino（C語言）、Micropython等多種語言與工具編程。Mixly等圖形化編程特別適合初中生學(xué)習(xí)。數(shù)據(jù)采集器和傳感器等均可模塊化組裝，學(xué)生可以通過拆裝了解各部分的功能和作用。這樣，數(shù)字化實驗的自主設(shè)計將超越物理學(xué)科，成為一項跨學(xué)科的綜合實踐活動。

三、家用數(shù)字化實驗系統(tǒng)的教育價值

（一）由定性到定量

實事求是地講，生活化的器材選用也有其局限性，由于缺乏定量的測量工具，實驗主題多局限在定性的趣味小實驗。定量研究是物理學(xué)的基本范式，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）中規(guī)定的21個必做實驗中有18個用到定量測量工具。若能開發(fā)一種集成幾種基本物理量測量支持家庭實驗定量研究的基本工具，使家庭實驗的主題從定性探究、半定量探究拓展到定量探究，則家庭實驗的范圍將大大擴(kuò)展，活動方式更加多樣，更貼合信息化的時代需求。

（二）由淺表到深層

家庭實驗貼近生活，寓教于樂，趣味性是其典型特征。然而如果僅停留在興趣和體驗層面，家庭實驗的教育價值將大打折扣。當(dāng)前的家庭實驗在“激趣—體驗—提問”之后缺乏進(jìn)一步探究的縱深空間。家庭實驗的數(shù)字化不只在工具層面，還將在方法層面為學(xué)生提供探究活動空間，引導(dǎo)學(xué)生更多應(yīng)用科學(xué)方法，對實驗生成問題進(jìn)行深度探究。教師要提高學(xué)生利用信息化手段獲取和處理實驗數(shù)據(jù)的能力，將證據(jù)的層次由現(xiàn)象提升到數(shù)據(jù)，發(fā)展學(xué)生基于實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論、做出解釋的能力。

（三）由獨立到合作

受時間、空間及器材的局限，學(xué)生在校的實驗探究活動多是在教師的裁割、誘導(dǎo)、約束下匆忙完成的。家庭實驗為學(xué)生完整、自主、獨立探究提供了機會，它在發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)方面有不可替代的價值。但也應(yīng)看到，在家庭實驗中，合作的因素被削弱了：學(xué)生缺少與同伴的合作交流，缺少教師的針對性指導(dǎo)，常常導(dǎo)致家庭實驗效率低下。上述案例中，MQTT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，為跨越時空的數(shù)字化實驗設(shè)計和小組合作探究提供了可能。這一技術(shù)創(chuàng)新有利于彌補家庭實驗在合作探究上的缺失，并催生新的教學(xué)形態(tài)。

（四）由學(xué)科到融合

課標(biāo)將跨學(xué)科實踐列為課程內(nèi)容的一級主題，包括物理學(xué)與日常生活、工程實踐及社會發(fā)展的融合。家庭實驗作為一項學(xué)科綜合實踐活動，本身就是將科學(xué)探究融入日常生活的一種極好的方式。教師如果能從開源的微控制器技術(shù)入手，結(jié)合創(chuàng)客教育，引導(dǎo)學(xué)生在家庭中開展簡易的數(shù)字化實驗，甚至自主開發(fā)數(shù)字化實驗，那么家庭實驗就由單一的學(xué)科實踐升級為融合工程教育的跨學(xué)科實踐，與當(dāng)下流行的項目式學(xué)習(xí)、STEAM教育異曲同工。教師合理利用信息技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生做實驗—設(shè)計實驗—開發(fā)實驗，不失為一種由學(xué)科分立到課程融合的可行路徑。

注：本文系山東省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“基于學(xué)生自主創(chuàng)新實驗的教學(xué)評研究”（項目批準(zhǔn)號：2021ZC220）、山東省教育發(fā)展研究微課題“中學(xué)數(shù)字化實驗課程資源的整合與創(chuàng)新應(yīng)用研究”（項目批準(zhǔn)號：FJ192）的階段性成果。

參考文獻(xiàn)

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[2] 劉作志，萬勇.國外數(shù)字化實驗教學(xué)研究的回顧與展望——基于VOSviewer可視化分析[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2022（6）： 88-93.

（作者劉作志系山東省濰坊市高密市崇文中學(xué)教師；梅曉璇系北京市和平街第一中學(xué)高級教師）

責(zé)任編輯：祝元志