創(chuàng)客教育與自制教具的融合—以拱橋承重能力探究裝置為例

梁賢慧

（中山市黃圃鎮(zhèn)培紅小學(xué)，廣東中山，528400）

創(chuàng)客源自英語單詞“Maker”，原意是指“制造者”或“創(chuàng)造者”。近年來，創(chuàng)客專門用于指利用Arduino 等開源硬件、3D打印機(jī)和各種工具將自身的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際產(chǎn)品的勇于創(chuàng)新的一群人[1]。創(chuàng)客教育繼承了創(chuàng)新教育的理念，是一項(xiàng)具有高度的跨學(xué)科性、綜合性、實(shí)踐性的創(chuàng)造性教育活動[2]。因此，創(chuàng)客教育必定對自制教具設(shè)計(jì)注入新的活力。

創(chuàng)客強(qiáng)調(diào)的“造物”恰好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教育“重理論、輕實(shí)踐，重動腦、輕動手，重學(xué)習(xí)、輕應(yīng)用”的不足。筆者認(rèn)為基于創(chuàng)客理念改進(jìn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，從而提升實(shí)驗(yàn)探究的直觀性、趣味性和探究性等是教師開展創(chuàng)客教育的重要切入點(diǎn)之一。創(chuàng)客教育中，教師時(shí)刻面臨著新挑戰(zhàn)。這就要求教師應(yīng)以身作則，多“創(chuàng)”多“造”，在創(chuàng)造的過程不斷磨練，不斷提升自己的多學(xué)科綜合應(yīng)用能力。經(jīng)過多次實(shí)踐后，筆者在日常教學(xué)中運(yùn)用創(chuàng)客理念自制了一款拱橋承重能力探究裝置。

1 設(shè)計(jì)背景

《彎彎的拱橋》一課是粵教科技版小學(xué)科學(xué)五年級下冊第二單元橋梁中的第3課，是在學(xué)生學(xué)習(xí)了《平直的梁橋》的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究拱橋的承重能力[3]。教材中本課主要有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，活動一分別搭建梁橋和拱橋，比較它們的承重能力；活動二，探究有無拱座支撐時(shí)，拱橋承重能力的變化（如圖1）。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是通過橋面可以承受的墊圈個(gè)數(shù)，來反映橋的承重能力。

可是，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中，存在以下困難：

（1）兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量方法都是將墊圈放置在橋面上，逐漸增加墊圈，直到橋面倒塌時(shí)，記錄墊圈個(gè)數(shù)以表示橋的承重能力。這種測量方法所得的數(shù)據(jù)是橋梁承重的極限值，與現(xiàn)實(shí)生活中測量橋梁承重的實(shí)驗(yàn)方法截然不同。再加上所得數(shù)據(jù)單一，假如學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作稍有不慎極容易造成數(shù)據(jù)誤差，干擾學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出。

（2）當(dāng)橋面受到壓力發(fā)生輕微形變時(shí)，學(xué)生用肉眼難以觀察，導(dǎo)致他們無法準(zhǔn)確判斷拱橋是否發(fā)生了形變。

圖1 教材中的實(shí)驗(yàn)

針對這些問題，筆者嘗試運(yùn)用創(chuàng)客教育中的開源硬件和電子元件，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了拱橋承重能力探究裝置。

2 自制裝置的介紹

■2.1 裝置的優(yōu)點(diǎn)

本裝置創(chuàng)新地應(yīng)用應(yīng)變片，將橋面的形變量轉(zhuǎn)換為電阻變化量。自制裝置能精確地測量出橋面的形變程度，所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、更充足，有利于學(xué)生準(zhǔn)確比較橋的承重能力，令實(shí)驗(yàn)結(jié)論更具有說服力。

筆者通過編程設(shè)計(jì)，使得裝置能將難以觀察的橋面形變轉(zhuǎn)化為直觀的聲光提示，令實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、實(shí)驗(yàn)探究更有趣。

本裝置操作方法非常簡便，借助其測量出的精確數(shù)據(jù)，學(xué)生對所得結(jié)果進(jìn)行分析，即可構(gòu)建有關(guān)拱橋承重的基礎(chǔ)認(rèn)識。

■2.2 裝置的硬件材料

2.2.1 制作材料

Arduino Nano一塊、應(yīng)變片一塊、AD620電壓放大模塊一個(gè)、LCD1602液晶顯示屏一塊、蜂鳴器一個(gè)、LED燈3個(gè)、塑料橋面一塊、杜邦線若干。

2.2.2 重要部件介紹

（1）應(yīng)變片

應(yīng)變片是一種基于應(yīng)變效應(yīng)制作而成的高精度力學(xué)量傳感元件，其作用是把被測構(gòu)件的形變量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺斎胂嚓P(guān)儀器儀器進(jìn)行分析。應(yīng)變片主要由敏感柵、基底、覆蓋層及引出線所組成（如圖2）。其中，敏感柵是應(yīng)變片的核心組成部分。在實(shí)際應(yīng)用中，將應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件上，當(dāng)應(yīng)變片隨著被測構(gòu)件表面發(fā)生輕微形變時(shí)，敏感柵內(nèi)部的電阻絲也會隨著構(gòu)件發(fā)生相同的形變，引起應(yīng)變片電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)受外力伸張時(shí)，電阻絲長度增加，橫截面積減少，電阻值增大；當(dāng)受壓力縮短時(shí)，長度減小，橫截面積增大，電阻值減小。應(yīng)變片的應(yīng)用范圍十分廣泛，適用結(jié)構(gòu)包括橋梁、道路、房屋等多種建筑物，適用材料包括鋼、鐵、塑料、玻璃等各種金屬及非金屬材料。

本裝置創(chuàng)新地運(yùn)用應(yīng)變片測量塑料橋的承重能力。使用時(shí)，只需將應(yīng)變片牢固地黏在橋面上，隨著橋面受外力作用，應(yīng)變片的敏感柵會隨著橋面發(fā)生形變，從而使其電阻發(fā)生變化。因此，只要能測出應(yīng)變片的電阻值變化，便能測量出橋面的形變程度。但由于應(yīng)變片感受應(yīng)變之后，產(chǎn)生的電阻變化十分微小，故應(yīng)變片還需用電壓放大模塊對信號進(jìn)行處理，將微弱的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?/p>

（2）AD620電壓放大模塊

現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，電信號的產(chǎn)生、發(fā)送、接收、變換和處理，幾乎都以放大電路為基礎(chǔ)。AD620電壓放大模塊放大倍數(shù)1-10000倍可調(diào)，具有體積小、精度高、線性好等優(yōu)點(diǎn)，可調(diào)校零，提高精度。其輸出信號失真小，頻率高，具有噪聲濾除能力，適合多種需放大微小信號的應(yīng)用場合。

將應(yīng)變片與電壓放大模塊連接，提供穩(wěn)定的工作電壓，就能實(shí)現(xiàn)將微弱的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓．?dāng)橋面受外力作用發(fā)生形變時(shí)，借助應(yīng)變片將橋面的形變量轉(zhuǎn)換為變化的電信號后，裝置就能精確地測量出橋面的形變程度，還可通過編程設(shè)計(jì)，使裝置根據(jù)所測得的電壓變化并作出相應(yīng)的反饋。

（3）LCD1602液晶顯示屏

針對小學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和心理特點(diǎn)，本裝置起初只通過聲光提示反映數(shù)據(jù)。但為了滿足更深層次的探究，筆者使用LCD1602液晶顯示屏把裝置測量出的橋面形變數(shù)據(jù)清晰地實(shí)時(shí)顯示出來，方便使用者分析數(shù)據(jù)，得出使用結(jié)論。

圖2 應(yīng)變片

3 制作方法

（1）本教具的測量元件連線示意圖，如圖3所示。

圖3 元件連線示意圖

（2）確保橋面材料相同，橋面厚度相同，橋的跨度相同，測試承重能力所用的墊圈大小、重量也相同。并將應(yīng)變片黏在塑料橋面背后，將各元件連接，見圖4。

圖4 元件實(shí)物連接圖

（3）安裝支架座，將顯示屏、蜂鳴器、指示燈等固定在支架上，見圖5。

圖5 拱橋承重能力探究裝置

（4）編程設(shè)計(jì)，如圖6所示。

筆者通過編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)本裝置能對橋的不同程度形變作出相應(yīng)反饋：當(dāng)橋發(fā)生輕微形變時(shí)，點(diǎn)亮一盞指示燈；發(fā)生中等形變時(shí)，點(diǎn)亮兩盞指示燈；嚴(yán)重形變時(shí)點(diǎn)亮三盞指示燈，蜂鳴器還會發(fā)出警報(bào)聲，直觀地將難以觀察的拱橋形變轉(zhuǎn)化為有趣的聲光提示。

（5）程序調(diào)試

由于市面上測試橋面承重能力所用的墊圈有多種型號，其大小不一，質(zhì)量不同，將其放置在橋面上所壓力也不盡相同。假如使用不同型號的墊圈必定引起橋面形變程度不同，因此，本程序需要進(jìn)行預(yù)測試，及時(shí)調(diào)整程序中電壓范圍，正確地對橋面三種形變程度作出反饋，以保障裝置的使用效果。

4 使用方法

■4.1 探究活動一：比較梁橋和拱橋的承重能力

由于本課是在剛剛研究過梁橋之后，學(xué)生自然而然猜想梁橋和拱橋相比，哪個(gè)承重能力更強(qiáng)。接著，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，明確對比實(shí)驗(yàn)中控制變量的重要性：搭建梁橋和拱橋時(shí)需要保證橋的跨度、橋面材料、承重用的墊圈相同。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）分別搭建梁橋和拱橋。

圖6 編程設(shè)計(jì)圖

（2）往梁橋上放置墊圈，逐漸增加墊圈，依次記錄點(diǎn)亮第一、第二、第三盞指示燈時(shí)，承受的墊圈個(gè)數(shù)。

（3）往拱橋上放置墊圈，逐漸增加墊圈，依次記錄點(diǎn)亮第一、第二、第三盞指示燈時(shí)，承受的墊圈個(gè)數(shù)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見圖7。

圖7 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 比較梁橋和拱橋的承重能力

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：與梁橋?qū)Ρ龋皹虻某兄啬芰Ω鼜?qiáng)。

■4.2 探究活動二：比較有拱座拱橋與無拱座拱橋的承重能力

而在活動一中，學(xué)生通過觀察非常清楚地認(rèn)識到拱橋受壓后，拱腳會向外移動。于是學(xué)生會猜想，要使拱橋承重能力更加就需要用拱座頂住拱腳，阻止拱橋形變。進(jìn)而，探究有無拱座支撐時(shí)拱橋承重能力的變化。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）分別搭建無拱座支撐的拱橋和有拱座支撐的拱橋。

（2）往無拱座拱橋上放置墊圈，逐漸增加墊圈，依次記錄點(diǎn)亮第一、第二、第三盞指示燈時(shí)，承受的墊圈個(gè)數(shù)。

（3）往有拱座拱橋上放置墊圈，逐漸增加墊圈，依次記錄點(diǎn)亮第一、第二、第三盞指示燈時(shí)，承受的墊圈個(gè)數(shù)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見圖8。

圖8 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 探究有無拱座支撐時(shí)，拱橋承重能力的變化

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：有拱座支撐的拱橋承重能力更強(qiáng)。

5 設(shè)備二次開發(fā)的設(shè)想

本裝置還留有更多的探究空間，如測量多種材料橋面的承重能力，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更豐富，更有力地支撐拱橋承重能力更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論；還可以依次改變橋的跨度、厚度等，繼續(xù)深入探究這些因素對橋承重能力的影響。此外，本裝置能激發(fā)學(xué)生利于應(yīng)變片作為核心元件制作科技小發(fā)明，是拋磚引玉的設(shè)計(jì)。