基于創(chuàng)客技術(shù)對傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

王成武 傅求寶 邢海根

摘 要：近年來，創(chuàng)客教育是在中小學(xué)教育中正在興起的一種教學(xué)模式，包括物理知識應(yīng)用的創(chuàng)客教學(xué)、物理概念構(gòu)建的創(chuàng)客教學(xué)等等.本文以“研究物質(zhì)的比熱容——基于創(chuàng)客技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)”為例，談?wù)勅绾我腴_源電子技術(shù)、3D打印技術(shù)等創(chuàng)客技術(shù)和Excel實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)來闡述創(chuàng)客技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育;物理實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號：1008-4134（2020）06-0014 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的反思

研究物質(zhì)比熱容一節(jié)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示（標(biāo)注為常規(guī)實(shí)驗(yàn)）.此實(shí)驗(yàn)用到了控制變量法和轉(zhuǎn)換法.用同一酒精燈給兩只完全相同的分別盛有質(zhì)量相等的水和砂石加熱，升高相同的溫度，判斷所用時(shí)間是否相等.在具體的操作中可以發(fā)現(xiàn)，用同一盞酒精燈依次給水和砂石加熱，每種物質(zhì)加熱6分鐘，一共12分鐘.這樣就出現(xiàn)三種現(xiàn)象：（1）加熱時(shí)間較長，火焰高度、大小在變化;（2）砂石作為加熱物質(zhì)，需要攪拌，操作不便;（3）物體隨著溫度的升高，熱損失就越來越大.這三種現(xiàn)象導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)存在兩點(diǎn)缺陷：（1）相同時(shí)間內(nèi)，質(zhì)量相同的不同物質(zhì)在相等時(shí)間內(nèi)由于火焰的差異，吸收的熱量并不相同;（2）同種物質(zhì)在相等時(shí)間內(nèi)吸收的熱量也不相同.比如，同一杯水，在第1分鐘內(nèi)和第6分鐘內(nèi)，由于同樣原因，吸收的熱量不同.這兩個(gè)缺陷，最終使得實(shí)驗(yàn)誤差過大，影響結(jié)論的可靠性.

同時(shí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)得出近似的定量的實(shí)驗(yàn)結(jié)論后，就直接定義比熱容概念，過渡不自然、生硬，不利于同學(xué)們的理解.

2 基于創(chuàng)客教育的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 創(chuàng)客教育

“創(chuàng)客”源于英語單詞“Maker”意為制造者，其最早起源于麻省理工學(xué)院（MIT）比特和原子研究中心（CBA）發(fā)起的AabLab（個(gè)人制造實(shí)驗(yàn)室）.“創(chuàng)客”現(xiàn)在一般被認(rèn)為是利用開源硬件或數(shù)字技術(shù)等現(xiàn)代科技把創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的人.創(chuàng)客教育，指培養(yǎng)“創(chuàng)客”為目的，以把“創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)”作為手段的教育模式.創(chuàng)客教育背后蘊(yùn)含著豐富的教育理念，其中最突出的是美國實(shí)用主義教育家杜威提出的“做中學(xué)”思想.它是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，基于學(xué)生興趣，倡導(dǎo)造物，鼓勵(lì)分享，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育，被認(rèn)為是未來教育發(fā)展的趨勢之一.

2.2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的反思，我們引入創(chuàng)客技術(shù)和信息技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性、實(shí)驗(yàn)操作的便捷性、數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，使該實(shí)驗(yàn)真正做到定量研究.

2.2.1 方法上的改進(jìn)

“用同一盞酒精燈對兩個(gè)完全相同的燒杯分別加熱”改為“用同一盞酒精燈對兩只對稱地放置在石棉網(wǎng)上的相同的燒杯同時(shí)加熱”.由于石棉網(wǎng)受熱均勻，燒杯底面積相同;所以他們吸收的熱量相同.

2.2.2 研究對象的改變

把砂石替換成煤油，避免攪拌帶來的不便.同時(shí)，煤油、水的密度相差不大，質(zhì)量少的情況下（100克），在溫度不太高的情況下（不超過60攝氏度），他們的熱損失大致相同.

2.2.3 技術(shù)上的創(chuàng)新

引入開源硬、軟件和3D打印等創(chuàng)客技術(shù)，把實(shí)驗(yàn)時(shí)間從12分鐘縮短為120秒，用機(jī)器每20秒讀取一組數(shù)據(jù)，避免人工讀數(shù)的較大誤差.通過三個(gè)方面的改進(jìn)，就解決了相同時(shí)間內(nèi)，不同物質(zhì)和相同物質(zhì)吸熱不同的缺陷，改善了常規(guī)實(shí)驗(yàn)誤差過大的問題，真正做到定量研究.

如圖2所示（標(biāo)注為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)），把兩只分別盛有相同質(zhì)量、不同種物質(zhì)的相同燒杯對稱地放置在石棉網(wǎng)上，用酒精燈加熱.鐵架臺上方是一個(gè)3D打印的盒子，做成盒子的材料可降解、綠色環(huán)保，里面有Ardunio主板（程序用軟件寫好下載到板上）.圖3為積木化的工作程序，配有發(fā)聲的蜂鳴器和接受信號的無線接收器，外面引出兩只數(shù)字溫度傳感器，盒上的顯示屏每隔20秒顯示出兩種物質(zhì)的溫度.接上電源，按下遙控器，機(jī)器開始工作.每次呈現(xiàn)新的數(shù)據(jù)之前，蜂鳴器會響三聲，提示學(xué)生記錄;每次數(shù)據(jù)在屏幕上停留20秒，便于學(xué)生記錄和簡單計(jì)算.

3 揭示物質(zhì)特性的拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

為了說明比熱容是物質(zhì)的特性，我們增加了拓展實(shí)驗(yàn).拓展實(shí)驗(yàn)的裝置與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)完全相同，不同的地方在于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理.

實(shí)驗(yàn)過程如下：首先用同一酒精燈，對兩只完全相同的盛有不等質(zhì)量水（分別為40克、50克）的盒子同時(shí)加熱，收集六組數(shù)據(jù);再對質(zhì)量不等的煤油加熱（分別為30克、40克），收集六組數(shù)據(jù).引導(dǎo)同學(xué)們回歸密度實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理（比較質(zhì)量與體積的比值，同種物質(zhì)的比值是相同的，不同種物質(zhì)的比值一般是不同的）.在本實(shí)驗(yàn)中，請同學(xué)們計(jì)算加熱時(shí)間t與質(zhì)量和溫度變化乘積（m·Δt）的比值，由于數(shù)據(jù)組數(shù)多，計(jì)算比值麻煩，所以我們用Excel數(shù)據(jù)處理技術(shù)，很容易得出如圖4所示的關(guān)系圖像.

在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，通過圖像可以看出，對于同種物質(zhì)，這個(gè)比值是相同的;對不同物質(zhì)，這個(gè)比值一般是不同的.由于在實(shí)驗(yàn)中物質(zhì)吸收的熱量與時(shí)間成正比，Q=Q（t），因此比值tm·△t與Qm·△t成正比，類比密度的定義，Qm·△t也反映了物質(zhì)的特性，它反映了物質(zhì)的吸熱（或放熱）能力.我們給這個(gè)比值定義一個(gè)名稱，去描述物質(zhì)吸熱（或放熱）能力的大小，從而自然地引入了比熱容的概念.

4 結(jié)束語

改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，突出了重點(diǎn)，突破了難點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo);（2） 在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，通過方法的改進(jìn)、研究對象的改變和創(chuàng)客技術(shù)與信息處理技術(shù)的引入，節(jié)省了時(shí)間，減小了實(shí)驗(yàn)誤差，提高了課堂效率;（3）在拓展實(shí)驗(yàn)中，通過與密度定義的類比，借助信息技術(shù)，定量地計(jì)算，自然地引入物質(zhì)的比熱容的概念;（4）新材料、新技術(shù)（創(chuàng)客技術(shù)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)）的引入，激發(fā)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的興趣和對現(xiàn)代技術(shù)的熱愛;（5）本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)客技術(shù)都是開源的（編程軟件也是免費(fèi)的），成本低廉，有利于推廣.

基于創(chuàng)客技術(shù)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，本質(zhì)上屬于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（即DIS系統(tǒng)），DIS 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地采集實(shí)驗(yàn)信息，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示，由計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行分析處理.

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)該根據(jù)教學(xué)目標(biāo)靈活運(yùn)用.使用替代、保持、融合三種策略，以期發(fā)揮他們各自的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化.

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（收稿日期：2019-12-12）