基于開源硬件的力學實驗創意設計

黃萍萍 李敦勇

黃萍萍 浙江省溫州市平陽縣水頭鎮第五小學教師。溫州市教壇中堅、學科骨干教師，平陽縣學科課堂教學一等獎獲得者，指導的學生在各類比賽中獲獎。

李敦勇 浙江省溫州市平陽縣新紀元雙語學校教師。全國青少年電子信息智能創新大賽優秀指導師，指導的學生在各級比賽中獲得一等獎獎項。撰寫的《設計一個智能家居模型》等多篇案例在《中國信息技術教育》刊物上發表。

教學背景

“我們的小纜車”是教科版科學五年級上冊第四單元第一課時的內容，主要研究拉力大小與小車的運動之間的關系。通過本課學習，學生能理解物體重力的產生，墊圈重力與小車所受拉力的轉換，以及拉力大小和小車運動快慢的關系。但在原型實驗中，學生需要用秒表測量小車每次從起點到終點用的時間，記錄每次實驗的數據，而秒表計時可能存在誤差問題。另外，實驗結束時需要匯集全班各小組的數據，觀察分析規律，消耗不少時間，導致研討時間不夠。通過開源硬件和物聯網技術簡化實驗操作，可以很好地解決這些問題，使實驗數據更為準確、直觀，更容易分析。

教學目標

知識與技能 了解重力是物體由于地球吸引而受到的向下的拉力;知道一定的拉力能夠使靜止的小車運動起來，拉力越大，小車運動得越快。

過程與方法 安裝用重力拉動的小車;制訂研究計劃，做拉力大小與小車運動快慢關系的實驗;用實驗數據驗證自己的推測。

情感態度與價值觀 注重獲取證據，用證據來證明觀點。

教學重點與難點

教學重點 拉力大小與小車運動速度快慢關系的實驗設計與實施。

教學難點 用實驗數據驗證推測。

教學準備

一、材料準備

掌控板1個，N+百靈鴿擴展板1個，數字大按鈕模塊3個，數字防跌落傳感器2個，小車1個，椴木板和棉線若干。

二、制作實驗平臺

利用LaserMaker軟件設計出整個實驗平臺。然后用激光切割機切割好椴木板，隨后將各種材料進行組裝，組裝后如圖1。其中，連接硬件時，起點（防跌落傳感器）接P7引腳，終點（防跌落傳感器）接P16引腳，紅色按鈕接P0引腳，白色按鈕接P2引腳，黃色按鈕接P13引腳。

三、編寫硬件程序

硬件程序實現的主要功能如圖2，詳細程序可掃描右側實驗硬件程序二維碼獲取。

教學過程

一、談話導入

師：生活中我們會用到許多交通工具，請同學們思考下面這幾種交通工具是靠什么動力前進的。（課件出示自行車、電瓶車、轎車、馬車等圖片）

生：自行車靠人力，電瓶車靠電力，轎車靠動力（有可能說汽油給發動機動力，帶動汽車前進），馬車靠馬的拉力。

師：車可以靠不同的動力前進，而纜車是被鋼纜繩拉著前進的，它可以很輕松地爬上陡坡，是一種很有特色的交通工具。今天這節課我們就一起來研究小纜車的運動。

二、認識重力

教師直接出示一輛小纜車，提問學生：用什么方法，可以讓小纜車動起來？

生：可以拉動或者推動小纜車。

師：這里有一些鐵墊圈（多準備一點），你能用這個讓小車動起來嗎？需要用幾個？

學生猜測：1個、2個……

教師演示實驗，學生觀察。

師：請你們思考一下，是什么力量使小纜車運動起來的呢？

教師介紹重力的概念：物體這種向下的力，我們把它叫作重力。我們的小纜車正是因墊圈所受到的重力通過繩的牽引轉化為拉力，才運動起來的。

三、探究拉力大小與小纜車運動的關系

（一）實驗猜測與假設

師：剛才我們用拉力讓小車運動起來了，那怎樣做才能讓小車運動得更快呢？請同學們猜測一下，拉力大小與小車的運動速度快慢有什么關系？

學生猜測：拉力大，速度快;拉力小，速度慢。

（二）制訂實驗計劃

為了保證實驗順利進行，在實驗前，教師應安排學生小組合作，制訂合適的實驗計劃，以保證后期能夠有序高效地完成實驗。教師可以找2～3組匯報研究計劃，并指出優點和不足，然后出示完整的研究計劃。

教師出示實驗器材，演示器材使用方法，下發實驗記錄單。

（三）實驗實施與驗證

學生分組實驗，做好實驗記錄，教師巡視指導。

1.編寫數據呈現程序

開始實驗后，電腦端先在Mind+舞臺上利用畫筆功能繪制出坐標軸，橫坐標為實驗次數，縱坐標為時間（程序如圖3）。分別創建“實驗次數”“時間”“墊圈個數”等角色，當實驗硬件平臺每次測得結果后，電腦端將從SIoT服務器上訂閱消息，然后進行分析，得出實驗次數、時間、墊圈個數等數據（如果墊圈個數與上次實驗不一樣，將最新的個數顯示在舞臺指定位置），然后以拆線圖的形式展現在舞臺上。“墊圈個數”角色程序如圖4。

2.實驗驗證展示

在電腦端單擊“開始”按鈕，開始實驗操作，同時舞臺界面畫好坐標系。學生通過按鈕，選擇墊圈個數，按紅色按鈕開始實驗，將小車移至起點，然后放開，小車在墊圈的拉力作用下移至終點。同時，實驗數據在等待時間內通過SIoT平臺發送至電腦端，然后電腦根據所訂閱到的信息進行拆線的繪制。每種墊圈數重復實驗3次。重復上一步操作完成3種墊圈個數的實驗，最終結果如圖5。

3.實驗總結

學生分析實驗數據，討論交流實驗心得，匯報實驗結果，得出結論。

教學反思

本次實驗通過開源硬件和物聯網技術來實現，提高了實驗的準確性，同時生成的可視化數據，讓結果呈現得一目了然。可見開源硬件不僅可以創作出一些創意的作品，同時也可與科學實驗進行整合，從而使實驗數據更為準確、直觀，更容易分析。

（本課件由DF創客社區推薦）