基于Arduino的光敏電阻實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及其應(yīng)用探究*

滕帆帆 牛慧君 王 群 韓彩芹

(江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 江蘇 徐州 221116；江蘇省先進(jìn)激光材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 徐州 221116)

國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，倡導(dǎo)在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的人工智能知識(shí)得到了重視，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科技創(chuàng)新能力.高中生課業(yè)繁重，可以從簡(jiǎn)單的硬件編程知識(shí)入手，Arduino作為一個(gè)簡(jiǎn)單易上手、靈活便捷的控制器適宜高中學(xué)生學(xué)習(xí).新課程改革將傳感器技術(shù)編寫進(jìn)高中物理教材，課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳感器知識(shí)出現(xiàn)了“制作”等教學(xué)要求，在學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)中也加入了“利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置”實(shí)驗(yàn)[1].光敏電阻是傳感器章節(jié)中的重要內(nèi)容，在自動(dòng)控制和非電量的測(cè)量中有著重要的作用.

在實(shí)際的教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)條件等因素限制，教師難以對(duì)光敏電阻光照特性進(jìn)行定量研究，也難以完成引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)制作自動(dòng)化控制裝置這類教學(xué)目標(biāo).針對(duì)目前教學(xué)中遇到的問(wèn)題，本文將在光敏電阻實(shí)驗(yàn)教學(xué)中嵌入Arduino硬件與編程知識(shí)，在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的同時(shí)，將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)直接呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)書本上的知識(shí)，又向?qū)W生普及了人工智能方面的知識(shí)，從更大程度上鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力與科技創(chuàng)新能力，筆者認(rèn)為這種嘗試還是很有意義的.

1 Arduino與智能手機(jī)在物理教學(xué)中的應(yīng)用

1.1 Arduino開(kāi)發(fā)板的簡(jiǎn)單介紹及應(yīng)用

Arduino是一款產(chǎn)自于意大利的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，包含硬件(各種型號(hào)的Arduino板)和軟件(ArduinoIDE)，本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用的是UNO型號(hào).人腦可以利用各種工具來(lái)完成自己想要做的事情，Arduino就相當(dāng)于機(jī)器的大腦，它具有13個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口與5個(gè)模擬輸入/輸出端口，可以連接不同的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能[2].

Arduino在人工智能領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，利用它進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)在我國(guó)高中物理教學(xué)中已初步開(kāi)展研究.研究?jī)?nèi)容主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：

第一，制作實(shí)驗(yàn)裝置，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路.

第二，設(shè)置活動(dòng)課程，讓學(xué)生在具體的情境中發(fā)展科技創(chuàng)新能力與動(dòng)手能力.

第三，對(duì)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，彌補(bǔ)部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的不足.

1.2 智能手機(jī)在物理教學(xué)中的應(yīng)用

人教版高中物理新版教材在“做一做”欄目中加入了用智能手機(jī)探究物理實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)，要求學(xué)生利用智能手機(jī)開(kāi)發(fā)物理實(shí)驗(yàn)，并在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中理解物理知識(shí)，感受物理的應(yīng)用性.智能手機(jī)中有多種傳感器，比如壓力傳感器、光傳感器、GPS傳感器、陀螺儀、加速度傳感器、磁感應(yīng)傳感器等.德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)第二物理研究所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的Phyphox軟件將智能手機(jī)中的傳感器集成了一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)近30種功能，滲透到光學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域教學(xué)之中[3].物理課堂有了Phyphox的加入更加情境化、生動(dòng)化、趣味化，提高了教學(xué)效果，對(duì)于學(xué)生創(chuàng)意物化能力的培養(yǎng)起到了積極的作用[4].

2 光敏電阻光照特性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)及其原理

光敏電阻光照特性定量研究實(shí)驗(yàn)的目的是要測(cè)出某一光照強(qiáng)度下具體光敏電阻的值.故本次實(shí)驗(yàn)將利用智能手機(jī)Phyphox軟件測(cè)出光照強(qiáng)度，利用Arduino開(kāi)發(fā)板測(cè)出光敏電阻的阻值，將二者組裝便可以制成整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置.測(cè)光敏電阻阻值部分是由Arduino、光敏電阻RL、330 Ω電阻R、面包板和杜邦線搭建而成.電路原理如圖1所示.電路中總電壓E為5 V,在負(fù)極和模擬口A0之間所輸出的電壓Uout為光敏電阻兩端的電壓，根據(jù)串聯(lián)電路電壓特點(diǎn)，總電壓減去Uout就是電阻R兩端的電壓.電阻R的阻值已知，從而得到該串聯(lián)電路的電流.最后根據(jù)電流算出光敏電阻的阻值RL.

圖1 測(cè)光敏電阻阻值電路原理圖

2.2 操作步驟及注意事項(xiàng)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖連接好實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.經(jīng)過(guò)多次檢查確認(rèn)無(wú)誤后連接電腦燒錄程序，記錄、分析數(shù)據(jù).具體實(shí)驗(yàn)步驟為：

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(1)按照實(shí)驗(yàn)原理圖搭建硬件電路，在IDE內(nèi)調(diào)試程序，并編譯；

(2)檢查硬件電路確認(rèn)無(wú)誤后，通過(guò)串口將Arduino UNO板與電腦相連，燒錄程序；

(3)不斷改變光照強(qiáng)度，在顯示屏中讀取光照強(qiáng)度及與之相對(duì)應(yīng)的光敏電阻的阻值，并記錄數(shù)據(jù)；

(4)用Origin軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于光照強(qiáng)度分布不均勻，光敏電阻阻值會(huì)受到影響.在搭建實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)我們應(yīng)該將手機(jī)的光傳感器與光敏電阻保持在一個(gè)水平高度，并將手機(jī)上的光照強(qiáng)度探測(cè)點(diǎn)無(wú)限靠近光敏電阻，保證讓光傳感器與光敏電阻接受同樣的光照強(qiáng)度.另外，手機(jī)的屏幕也有一定的亮度，因此要在實(shí)驗(yàn)前將手機(jī)的亮度調(diào)到最暗，減小手機(jī)屏幕亮度對(duì)光敏電阻的影響.

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，記錄光照強(qiáng)度L與相應(yīng)光照強(qiáng)度下的光敏電阻阻值RL，取9組數(shù)據(jù)，將光敏電阻阻值取平均數(shù)X并求出標(biāo)準(zhǔn)差S如表1所示.

表1 相應(yīng)光照強(qiáng)度下阻值的均值與標(biāo)準(zhǔn)差

圖3 光敏電阻光照特性曲線

3 光敏電阻的應(yīng)用制作----光敏報(bào)警器

學(xué)生通過(guò)對(duì)光敏電阻光照特性的探究，知道非電量向電量轉(zhuǎn)化的意義，知道光敏電阻的開(kāi)關(guān)作用.在此知識(shí)基礎(chǔ)上，讓學(xué)生利用光敏電阻工作原理制作簡(jiǎn)易的光敏報(bào)警裝置，從生活中具體的情境出發(fā)提出問(wèn)題、解決問(wèn)題.具體探究步驟與學(xué)生活動(dòng)流程如圖4所示.

圖4 探究步驟、學(xué)生活動(dòng)流程圖

3.1 設(shè)置情境 提出問(wèn)題

通過(guò)日常生活中的具體情境引出問(wèn)題的探究，能夠激發(fā)學(xué)生的探究興趣，引起學(xué)生的求知欲.在光敏報(bào)警器的制作中，可以設(shè)置情境為：在智能花棚中，花卉的生長(zhǎng)對(duì)光照強(qiáng)度、濕度、溫度等外界環(huán)境要求很高.那么，人們?yōu)榱思皶r(shí)調(diào)整花卉生長(zhǎng)的光照環(huán)境會(huì)安裝一個(gè)光敏報(bào)警器.當(dāng)花卉處于不適宜的光照環(huán)境中時(shí)會(huì)報(bào)警提醒人們.

通過(guò)結(jié)合生活中具體的問(wèn)題引起學(xué)生的關(guān)注，并引出探究問(wèn)題：能否應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)制作光敏報(bào)警器？

3.2 收集資料 設(shè)計(jì)方案

在制作光敏報(bào)警器之前，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考光敏報(bào)警器的具體功能是什么，確定具體設(shè)計(jì)目標(biāo).學(xué)生回到情境得出結(jié)論：當(dāng)光照環(huán)境不在花卉生長(zhǎng)的范圍內(nèi)時(shí)，光敏報(bào)警器發(fā)出聲音，提醒人們及時(shí)調(diào)整光照.

經(jīng)過(guò)前面的鋪墊，學(xué)生對(duì)光敏電阻已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，對(duì)于利用Arduino開(kāi)發(fā)板采集光敏電阻數(shù)據(jù)也有了知識(shí)基礎(chǔ).根據(jù)報(bào)警電路的性質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生查閱關(guān)于蜂鳴器的用法與實(shí)現(xiàn)功能的編程原理.

根據(jù)學(xué)生的資料收集與整理，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案.蜂鳴器工作原理是硬件電路中的基礎(chǔ)原理，它的連接方法是將其正極接入Arduino的信號(hào)引腳，負(fù)極接入Arduino的負(fù)極.其編程原理是：先定義使蜂鳴器工作的引腳，將蜂鳴器引腳設(shè)置為輸出的狀態(tài)；再將發(fā)聲頻率賦值給蜂鳴器，在發(fā)聲后寫上延遲函數(shù)；最后關(guān)閉蜂鳴器.編程代碼為：

int buzzer = 8;//定義蜂鳴器引腳

void setup() {

pinMode(buzzer,OUTPUT);//設(shè)置蜂鳴器引腳為輸出狀態(tài)

}

void loop() {

long frequency =300;//設(shè)置蜂鳴器發(fā)聲頻率為300 Hz

tone(buzzer,frequency);//將頻率賦值給蜂鳴器

delay(500);

noTone(buzzer);//停止發(fā)聲

}

3.3 動(dòng)手制作 合作交流

經(jīng)過(guò)方案的設(shè)計(jì)以及改進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)好的接線圖組裝硬件電路.提醒學(xué)生正確連接電路，防止電子元器件的燒毀，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度.

學(xué)生最終制成光敏報(bào)警器實(shí)物圖如圖5所示，電路連接圖如圖6所示.在光敏報(bào)警器調(diào)試階段，學(xué)生最大的障礙就是if條件語(yǔ)句的使用.經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，學(xué)生最終克服困難調(diào)試成功.

圖5 光敏報(bào)警器實(shí)物圖

圖6 光敏報(bào)警器電路連接圖

Arduino開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)課程能有效促進(jìn)學(xué)生間的交流協(xié)作[5].在合作探究中，學(xué)生們的思想產(chǎn)生摩擦碰撞，同一個(gè)問(wèn)題，可以從他人的角度看到不同的方面，開(kāi)闊學(xué)生思維.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將人工智能技術(shù)與物理教學(xué)相結(jié)合，利用Arduino UNO開(kāi)發(fā)板與智能手機(jī)對(duì)光敏電阻光照特性進(jìn)行定量研究，展現(xiàn)出一種新型的實(shí)驗(yàn)方式，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的部分不足，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在物理學(xué)科中的運(yùn)用.在學(xué)生掌握光敏電阻工作原理后融入具體的生活情境，引導(dǎo)學(xué)生自主完成光敏報(bào)警器的制作，聯(lián)系生活實(shí)際，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科整合.在動(dòng)手制作中，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了書本知識(shí)，還經(jīng)歷了科學(xué)探究的過(guò)程，發(fā)展了科技創(chuàng)新能力與創(chuàng)意物化的能力.