基于STEM理念的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐
——利用3D打印的傳感器與Arduino測量重力加速度

顧 青

(揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225002)

1 引言

STEM教育采用學(xué)科整合的項(xiàng)目學(xué)習(xí)模式,是提高學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑之一。然而，在高中階段由于升學(xué)的壓力,學(xué)生對參與STEM課程學(xué)習(xí)的積極性并不高。如果把STEM的探究領(lǐng)域聚焦到學(xué)生的高考學(xué)科內(nèi)容上來,引導(dǎo)學(xué)生用STEM的理念去學(xué)習(xí)學(xué)科知識，既能培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng),又能夠助力學(xué)科知識的理解和掌握，這種一舉兩得的學(xué)習(xí)形式會得到學(xué)生的積極響應(yīng)。

本課例利用Arduino平臺的開源硬件和3D打印技術(shù)，改進(jìn)高中物理中重力加速度的測量實(shí)驗(yàn)。在傳統(tǒng)STEM教育理念的基礎(chǔ)上加入創(chuàng)客元素,讓學(xué)生運(yùn)用學(xué)科知識，創(chuàng)新設(shè)計、制作傳感器去探究物理問題。

2 問題聚焦

在力學(xué)的學(xué)習(xí)中，測量加速度的常用器材是紙帶和打點(diǎn)計時器。紙帶連在被測物體上跟著物體一起運(yùn)動，每隔0.02s在紙帶上打一個小點(diǎn)，測量相關(guān)小點(diǎn)間的距離，就可以計算出勻加速直線運(yùn)動的加速度，實(shí)驗(yàn)中測定小點(diǎn)間的距離和計算都比較繁瑣。筆者利用開源硬件和Arduino平臺，結(jié)合3D打印技術(shù)，設(shè)計、制作了檢測紙帶運(yùn)動的傳感器,可以更方便地測量物體的加速度。

3 創(chuàng)新思路和實(shí)施過程

3.1 創(chuàng)新思路

受光電門原理的啟發(fā),可以在紙帶上等距離打出3、4個小孔,然后利用發(fā)光二極管發(fā)出光線,在發(fā)光二極管的對面安裝一個光敏二極管接收光線,讓紙帶在發(fā)光二極管和光敏二極管之間穿過。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光線穿過紙帶上的小孔照射到光敏二極管時,反向偏置的光敏二極管的電阻就會發(fā)生變化，通過適當(dāng)?shù)碾娐肪涂梢园央娮璧淖兓D(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓\(yùn)用這個原理就設(shè)計出了一種傳感器。在實(shí)驗(yàn)中把這個電壓輸出到Arduino主控板進(jìn)行處理,就可以知道紙帶上的小孔到達(dá)光敏二極管位置的具體時刻。由于每個小孔之間的距離相等,所以只要測量出各個小孔通過光敏二極管的具體時刻,就可以通過聯(lián)立方程計算出加速度。

3.2 實(shí)施過程

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1) 在紙帶上等間距打4個小孔(間距為0.20m)；

(2) 制作一個能讓紙帶通過的狹縫裝置,在紙帶上的小孔將要通過的位置處分別正對安放發(fā)光二極管和光敏二極管；

(3) 讓學(xué)生設(shè)計并打印出一個3D結(jié)構(gòu)去支撐以上裝置。

圖1是筆者設(shè)計的一種結(jié)構(gòu)，供學(xué)生參考。在教學(xué)中，教師要讓學(xué)生自主設(shè)計，因?yàn)镾TEM和創(chuàng)客教育培養(yǎng)的是有創(chuàng)意的設(shè)計者，而不是熟練的裝配工。

圖1

3.2.2 電路設(shè)計

電路原理如圖2所示，電路設(shè)計思路如下：

圖2

(1) 將發(fā)光二極管與限流電阻相串聯(lián)；

(2) 使對面的光敏二極管反向偏置，光敏二極管可視為用光線強(qiáng)弱調(diào)節(jié)的可變電阻，將它和一個大小相近的電阻相串聯(lián)。當(dāng)光敏二極管的電阻因?yàn)楣饩€強(qiáng)度改變而發(fā)生變化時,它和串聯(lián)電阻兩端的電壓也會發(fā)生變化。把這個電壓輸入到Arduino的模擬輸入口,通過編程就可以記錄下紙帶上的小孔經(jīng)過光敏二極管位置的具體時刻了。

有學(xué)生可能會提出問題：是不是可以用光敏電阻代替光敏二極管？這時教師不要直接給出答案,而是鼓勵學(xué)生將這個問題作為一個“子問題”去探究,嘗試設(shè)計實(shí)驗(yàn)，尋找問題的答案。

3.2.3 探究“子問題”

是不是可以用光敏電阻代替光敏二極管？教師可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識設(shè)計電路,通過探究得到結(jié)論,體驗(yàn)主動建構(gòu)知識的過程，參考方案如下:

(1) 通過編程，用Arduino主板的數(shù)字引腳點(diǎn)亮發(fā)光二極管,記錄此刻系統(tǒng)的時間；

(2) 分別檢測利用光敏二極管和光敏電阻時的電壓，利用Arduino輸入模擬口電壓的讀數(shù)、達(dá)到各自閾值時分別記錄系統(tǒng)的時間，最后與點(diǎn)亮發(fā)光二極管的時刻比較，就得到兩個元器件的延時。可以看出，光敏二極管的反應(yīng)時間在1ms內(nèi)，光敏電阻的反應(yīng)時間是30ms,所以使用光敏二極管比較合適。

對在探究主課題的過程中遇到的新問題,引導(dǎo)學(xué)生把這個新問題作為“子問題”進(jìn)行研究,并把研究成果應(yīng)用于主問題的研究。在實(shí)際的科學(xué)研究中也會出現(xiàn)這種情況，這樣的教學(xué)情境設(shè)置可讓學(xué)生初步體驗(yàn)科研的方法和過程。

3.2.4 程序設(shè)計

int val; //val存放光線強(qiáng)度值

int t[4]; //數(shù)組t存放紙帶上4個小孔通過光敏二極管的時刻

int tn; //tn是數(shù)組t的指針,存放當(dāng)前寫入數(shù)組單元的下標(biāo)

void setup()

{ Serial.begin(9600);

tn=0; } //指向存放時間數(shù)組的第一個單元

void loop()

{ val=analogRead(1); //讀取輸入的電壓并轉(zhuǎn)換成整數(shù)

if(val>=850) //光線達(dá)到閾值,紙帶上的小孔正好通過光敏二極管

{ t[tn]=millis(); //記錄下這個小孔通過光敏二極管的系統(tǒng)時間

tn=tn+1; //指針加1

delay(30); } //延時30ms，防止紙帶上的小孔通過時重復(fù)記錄時間

if(tn==4) //記錄完第四個小孔通過測量點(diǎn)的時刻就開始打印結(jié)果

{ Serial.print("t1="); //打印四個小孔之間的三個時間間隔t1、t2、t3

Serial.println(t[1]-t[0]);

Serial.print("t2=");

Serial.println(t[2]-t[1]);

Serial.print("t3=");

Serial.println(t[3]-t[2]);

while(1){delay(100);} } } //打印結(jié)束，讓程序進(jìn)入循環(huán)，防止重復(fù)打印

3.2.5 測試優(yōu)化

在實(shí)驗(yàn)中需準(zhǔn)確記錄紙帶上的小孔通過光敏二極管的時刻，方法如下：

(1) 讓光線直接照射在光敏二極管上,編寫測試程序把光敏二極管兩端的模擬電壓數(shù)字化輸入到串口上,觀察串口監(jiān)視器上的讀數(shù)(大概為800～900)；

(2) 塞入紙帶,看有紙帶阻隔的時候串口上的讀數(shù)。接著慢慢拉動紙帶,觀察紙帶上的小孔經(jīng)過光敏二極管的過程中讀數(shù)的變化情況,記錄下讀數(shù)的最大值。由于紙帶是白的,對光線的阻隔效果不明顯。學(xué)生會想到把紙帶中間用筆涂黑，以增加對光線阻隔的效果。在此過程中確定光線強(qiáng)度的閾值(如選用850)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：選擇比最大值小10左右的值作為閾值，實(shí)驗(yàn)效果較好。因?yàn)橄到y(tǒng)循環(huán)需要時間,這樣可以防止錯過紙帶上的小孔。此外，為了確保一個小孔通過的時候不會記錄兩次,在記錄一次時間后要設(shè)置一個30ms的延時。

以上過程建議讓學(xué)生自主完成，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)態(tài)度、思維品質(zhì)和實(shí)踐能力，圖3為裝配調(diào)試好的實(shí)驗(yàn)裝置。

圖3

學(xué)生進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)，獲得了如表1所示的數(shù)據(jù),其中t1、t2、t3是相鄰兩個小孔通過發(fā)光二極管位置的時間間隔。

表1

4 結(jié)語

在物理教學(xué)中引入STEM教育方式，學(xué)生在參與STEM項(xiàng)目的過程中，既養(yǎng)成了良好的科學(xué)態(tài)度和思維品質(zhì),又有利于對學(xué)科知識的理解與掌握,還提高了學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。在探究過程中學(xué)生用到了多個學(xué)科的知識,體現(xiàn)了STEM教育強(qiáng)調(diào)多學(xué)科融合的核心教學(xué)理念。

在本課例中,學(xué)生在探究和解決“主問題”的過程中，又發(fā)現(xiàn)了新的“子問題”，通過探究“子問題”的答案,并把獲得的答案作為新知識又運(yùn)用到“主問題”的探究活動中,最終解決問題。在這個過程中，學(xué)生的知識和能力會隨著建構(gòu)過程的迭代得到提升，這些知識和能力會讓學(xué)生終生受益。