用SloT與掌控板做熱輻射實(shí)驗(yàn)

狄勇 謝作如

熱輻射問題在小學(xué)五年級(jí)、初中科學(xué)課中都有涉及。科學(xué)課堂上的實(shí)驗(yàn)方法，一般是采用不同顏色的紙袋包裹溫度計(jì)，或者將溫度計(jì)插入外表涂上不同顏色的燒瓶，放太陽下暴曬，隨時(shí)間推移記錄溫度數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證不同顏色物體吸熱本領(lǐng)的大小（如下頁圖1）。

傳統(tǒng)教學(xué)中做熱輻射實(shí)驗(yàn)，需要學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間在陽光下暴曬觀察，涉及學(xué)科：物理、技術(shù)依靠人工讀數(shù)、計(jì)時(shí)、記錄，不但精度不夠，而且難以在有限的課堂時(shí)間內(nèi)獲得明顯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中還會(huì)因?qū)W生不經(jīng)意對(duì)陽光的遮擋等因素，影響了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。如果利用一套可自動(dòng)計(jì)時(shí)、記錄溫度的裝置，來做這類與數(shù)據(jù)探究相關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，能夠大大降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施成本。其實(shí)，借助SloT開源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，小學(xué)生也能夠利用掌控板之類的開源硬件，自主搭建這樣的實(shí)驗(yàn)裝置。

用SloT與掌控板做熱輻射實(shí)驗(yàn)的原理

在動(dòng)手搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)前，我們先梳理—下制作思路。參考教育科學(xué)出版社出版的小學(xué)《科學(xué)》五年級(jí)上冊(cè)《怎樣得到更多的光和熱》一課的實(shí)驗(yàn)記錄表（如下頁表），可知在裝置設(shè)計(jì)時(shí)，需要在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)記錄時(shí)間和對(duì)應(yīng)的溫度兩項(xiàng)數(shù)據(jù)。教材中設(shè)計(jì)的2分鐘間隔，對(duì)于已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)而言有些過長(zhǎng)，我們可以設(shè)計(jì)為1分鐘，甚至10秒鐘的時(shí)間間隔，讓細(xì)微的溫度變化都得以呈現(xiàn)。

用于記錄數(shù)據(jù)的SloT服務(wù)器應(yīng)與掌控板部署在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，我們可以在教室里的臺(tái)式機(jī)上、教師的筆記本電腦上輕松搭建SloT服務(wù)器，其他設(shè)備在知道路由器分配給這臺(tái)電腦的IP地址后，可以利用WIFI訪問SloT服務(wù)器。這些設(shè)備可以是電腦、手機(jī)、micro：bit、Arduino等，當(dāng)然也包括本文采用的自帶WIFI模塊的掌控板。裝置工作流程如圖2所示。

用于檢測(cè)溫度的傳感器有不少選擇，如DHT11、BMP280、LM35等。考慮到LM35傳感器更為常見，幾乎是所有Arduino套件的標(biāo)配，且測(cè)量溫度范圍滿足需求，所以本實(shí)驗(yàn)采用LM35線性溫度傳感器。

檢測(cè)裝置的硬件搭建

我們的實(shí)驗(yàn)是面向全體學(xué)生，采用大班授課的形式。器材需求視實(shí)驗(yàn)分組數(shù)量而定，建議每個(gè)小組與測(cè)試的顏色一一對(duì)應(yīng)。單組所需材料包括掌控板1爪、掌控板的擴(kuò)展板1個(gè)：LM35線性溫度傳感器1個(gè)：燒瓶1個(gè)、輕質(zhì)黏土若干。圖3為掌控板和傳感器的連接，將LM35傳感器放入燒瓶后，需要用輕質(zhì)黏土封堵瓶口（如圖4），避免瓶?jī)?nèi)空氣與外界對(duì)流，以獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果。

SloT服務(wù)器搭建

SloT的使用手冊(cè)可通過網(wǎng)站查看（網(wǎng)址：https：//SloT.readthedocs.io/zh_CN/latest/）。作為一個(gè)開源項(xiàng)目，SIoT存放于GitHub，點(diǎn)擊使用手冊(cè)的“文件下載”，根據(jù)計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)選擇相應(yīng)版本軟件包即可獲得服務(wù)器程序。SloT支持Linux、Mac、Windows，全面覆蓋了常見操作系統(tǒng)。不同于通常配置服務(wù)器的繁冗，部署SIoT服務(wù)器只需解壓文件包后，雙擊運(yùn)行服務(wù)器端程序即可（如圖5）。隨后系統(tǒng)會(huì)彈出一個(gè)控制臺(tái)窗口，滾屏顯示日志信息，這樣就算部署完畢了。

實(shí)驗(yàn)裝置的程序設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置的程序使用了DFrobot的Mind+來編寫。為了實(shí)驗(yàn)中可以將燒瓶擺放到位后再記錄數(shù)據(jù)，程序設(shè)計(jì)為如果裝置接收到“START”指令，才開始發(fā)送數(shù)據(jù)給SloT，避免了通電就發(fā)送無效數(shù)據(jù)。完整程序如上頁圖6所示。

要確保掌控板連上SloT，務(wù)必正確配置MQTT的初始化參數(shù)，具體請(qǐng)參考SloT的文檔。

將程序上傳到掌控板后，如果配置正確，且局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通暢，根據(jù)設(shè)計(jì)的程序，掌控板的OLED屏應(yīng)顯示提示信息——“SIoT已連接”。

系統(tǒng)測(cè)試

1.登錄SloT服務(wù)器

打開瀏覽器，如在服務(wù)器端，訪問http：//localhost：8080，如通過局域網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備訪問，將地址中的“l(fā)ocalhost”替換為服務(wù)器IP地址即可。

2.定位項(xiàng)目和設(shè)備

登錄后可以看到項(xiàng)目列表中出現(xiàn)了myPython，這便是新建的項(xiàng)目（如圖7）。在掌控板向SloT服務(wù)器發(fā)送第一條數(shù)據(jù)時(shí)（一般會(huì)將這個(gè)“握手信息”放在主程序MQTT連接成功后），便會(huì)在服務(wù)器建立掌控板程序中項(xiàng)目ID對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目。

3.發(fā)送采集指令

點(diǎn)擊“查看項(xiàng)目列表”——“查看消息”，根據(jù)設(shè)計(jì)的程序，發(fā)送消息“START”后，實(shí)驗(yàn)裝置開始上傳數(shù)據(jù)。刷新頁面后，可以看到更新后的數(shù)據(jù)記錄（如圖8）。這些數(shù)據(jù)都可以導(dǎo)出為Excel表格，以便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

總結(jié)

通過測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)，SloT的出現(xiàn)讓課堂搭建物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器輕而易舉，即便是沒有任何信息技術(shù)學(xué)科背景的師生也可一鍵完成服務(wù)器部署突破了公網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用于課堂教學(xué)時(shí)賬號(hào)注冊(cè)、賬號(hào)管理、數(shù)據(jù)容量限制的掣肘，恰到好處地滿足了日常教學(xué)需求。人民教育出版社出版的高中《物理》第一冊(cè)《借助傳感器用計(jì)算機(jī)測(cè)速度》一課中提到，“隨著信息技術(shù)的發(fā)展，中學(xué)物理的實(shí)驗(yàn)手段也在不斷進(jìn)步”，并指出這種實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步，使得“同學(xué)們可以減少重復(fù)性操作，用更多的時(shí)間和精力對(duì)物理過程進(jìn)行分析”。從中我們可以看到科學(xué)學(xué)科對(duì)信息技術(shù)的關(guān)注，而信息技術(shù)也推動(dòng)和影響著其他學(xué)科的變革，SloT的出現(xiàn)將加速這種變革。如果我們從STEM的角度出發(fā)，讓孩子們自行DIY數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置，其過程價(jià)值更是不言而喻。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室因?yàn)槌杀靖咭恢彪y以普及，但是掌控板+SloT可以替代其中很大一部分功能，加上擴(kuò)展板后，原有的Arduino傳感器基本上可以通用，輕松實(shí)現(xiàn)編程、接線、聯(lián)網(wǎng)，小學(xué)生都容易上手，成本低到農(nóng)村學(xué)校也買得起。這將是國內(nèi)STEM課程普及和落地的一條可行路徑。