用物理學(xué)科視角講解創(chuàng)客教育中的傳感器知識

揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué)(225002) 顧 青

基于開源硬件的創(chuàng)客教育過去一直以校本課程或興趣小組的形式在部分有條件的學(xué)校中開展。2017年版的《信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》把開源硬件的項(xiàng)目設(shè)計(jì)列為選擇性必修模塊。從此基于開源硬件的創(chuàng)客教育在國家層面的課程體系中有了自己的位置。它可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，是進(jìn)行STEM教育和提高學(xué)生核心素養(yǎng)的理想載體。

開源硬件的創(chuàng)客作品一般都有三個(gè)部分：第一是獲取信息的傳感器，第二是處理信息的以單片機(jī)為核心的主控板，第三是主控板控制下的執(zhí)行部件。傳感器把探測到的數(shù)據(jù)傳給主控板上的單片機(jī)，單片機(jī)通過設(shè)計(jì)者編寫的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算后得到控制結(jié)果去驅(qū)動(dòng)控制部件完成某一項(xiàng)控制任務(wù)。這就是基于開源硬件創(chuàng)客作品的一般結(jié)構(gòu)。在這三個(gè)部分中，傳感器非常重要，因?yàn)樗歉鞣N創(chuàng)意的源頭。創(chuàng)客作品的大部分創(chuàng)意和靈感的產(chǎn)生都是建立在對傳感器物理原理的理解和性能的把握之上的。所以，我們可以在創(chuàng)客教育中結(jié)合物理學(xué)科知識對傳感器的工作原理進(jìn)行講解，讓學(xué)生從物理原理的視角去學(xué)習(xí)和理解傳感器，在創(chuàng)客教育的過程中完成學(xué)科融合和知識遷移，踐行素質(zhì)教育的理念。

下面，筆者結(jié)合具體課例探討一下如何從物理學(xué)科的視角來講解傳感器知識，讓學(xué)生從低到高依次達(dá)到掌握傳感器知識的三種境界。

1 了解傳感器的物理原理，掌握常用傳感器的基本使用方法

對于Arduino電路板來說，所有的傳感器都是輸入設(shè)備。一種傳感器輸入的是模擬量，另一種傳感器輸入的是數(shù)字量。

從本質(zhì)上講，大部分非集成電路的模擬傳感器就是一個(gè)傳感器元件和一個(gè)電阻串聯(lián)，然后兩端加上5 V電壓構(gòu)成分壓電路(如圖1)。分壓電路在初中物理電學(xué)中是學(xué)生最熟悉的電路之一。而傳感器元件其實(shí)就是一個(gè)電阻隨著某個(gè)物理量變化的可變電阻。當(dāng)可變電阻的阻值變化時(shí)，與它串聯(lián)電阻間的電壓也會(huì)隨之變化，把這個(gè)變化的電壓輸入主控板，通過編程就可以計(jì)算出所測物理量的值了。以上對模擬傳感器的講述我們用到了很多學(xué)生熟悉的物理知識，通過這個(gè)講解過程不但讓學(xué)生了解了傳感器的電路結(jié)構(gòu)，還實(shí)現(xiàn)了知識的遷移與融合，使學(xué)生對過去學(xué)過的物理知識有了更深刻的理解。

圖1 電路圖

當(dāng)學(xué)生掌握了這類利用分壓電路實(shí)現(xiàn)的傳感器的物理原理后就可以繼續(xù)向他們介紹采用相同原理制成的其他常用傳感器的相關(guān)知識了。比如聲音傳感器就是一個(gè)駐極體話筒和一個(gè)電阻串聯(lián)，駐極體話筒就是一個(gè)隨著聲音強(qiáng)弱變化的可變電阻。聲音變化會(huì)使得其輸出的電壓發(fā)生變化從而測量出音量。光線傳感器也是一樣的原理，只不過其等效的可變電阻是一個(gè)反向偏置的光敏二極管，它的等效電阻會(huì)隨光線變化而發(fā)生改變，于是我們就可以根據(jù)輸入主控板的電壓計(jì)算出光線強(qiáng)度了。這部分知識可以讓學(xué)生自主探究和分析。

以上的講解是從傳感器的物理原理和功能使用層面學(xué)習(xí)傳感器，只能算是掌握傳感器的初級階段。如果想要更好地使用傳感器，解決創(chuàng)客活動(dòng)中使用傳感器時(shí)遇到的各種問題就需要從實(shí)現(xiàn)傳感功能的物理原理上去了解它了。

2 運(yùn)用物理知識解釋和解決傳感器使用中遇到的現(xiàn)象和問題

就拿最常用的超聲波測距傳感器來說。如果我們只是告訴學(xué)生超聲波傳感器可以探測傳感器和障礙物之間的距離而不向?qū)W生解釋超聲波傳感器背后的物理原理，那么學(xué)生可能只是簡單地知道如何使用它來測量距離。當(dāng)我們轉(zhuǎn)動(dòng)超聲波傳感器，并與被測物體表面的垂直方向有一定夾角的時(shí)候，測量的誤差就會(huì)很大，大于45°以后測量數(shù)值就會(huì)爆表。學(xué)生會(huì)因?yàn)樽x數(shù)的異常而感到疑惑。自然更不會(huì)解釋這個(gè)現(xiàn)象。

然而，如果我們講解超聲波傳感器的時(shí)候告訴學(xué)生其中的物理原理是超聲波傳感器通過超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波以音速碰到障礙物后反彈回來被超聲波接收器接收到，通過測量從發(fā)射超聲波到接收超聲波經(jīng)歷的時(shí)間，把這個(gè)時(shí)間乘以聲音在空氣中的速度并除以二就得到距離值(如圖2)。由于中學(xué)物理中有機(jī)械波及其傳播特性的內(nèi)容，學(xué)生就可以把機(jī)械波的知識遷移到這里來。用物理課上的知識通過建構(gòu)獲取新的傳感器知識：當(dāng)超聲波的入射角過大時(shí)，反射角也增大，以至于接收超聲波的接收器無法收到返回的超聲波而得到距離無窮大的錯(cuò)誤結(jié)果。

圖2 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)模型

在這里我們還可以讓學(xué)生用這個(gè)原理逆向思維：思考如何能夠不被超聲波傳感器探測到。學(xué)生或許會(huì)想到設(shè)計(jì)出外形平面夾角大于45°的物體就可以在超聲波傳感器面前實(shí)現(xiàn)隱身。這樣學(xué)生就可以理解為什么隱形飛機(jī)輪廓是那種奇怪的形狀。此外，聲波碰到柔軟的物體也會(huì)被吸收，以至于接收器也收不到返回的超聲波，這是另一種在超聲波傳感器面前實(shí)現(xiàn)隱身的思路。與柔軟物體吸收超聲波同樣的道理，隱形飛機(jī)表面也是涂上了吸收電磁波的涂料實(shí)現(xiàn)隱身的，這又是一次成功的知識遷移。

中學(xué)物理教材上還介紹了波的衍射問題。根據(jù)波的衍射知識，學(xué)生知道波可以繞過尺寸小于波長的物體而很少被反射。于是我們就可以讓學(xué)生計(jì)算出超聲波的波長，從而計(jì)算出能被超聲波傳感器探測到的最小物體的尺寸。如果我們只是單純用信息技術(shù)的方法講解傳感器，學(xué)生就不會(huì)了解超聲波傳感器的這些特性。他們在物理課上學(xué)到的知識也就變成了孤立存在于腦海中的“惰性知識”，而當(dāng)我們聯(lián)袂物理知識來講解傳感器就可以有效避免學(xué)生在物理課上學(xué)到的知識發(fā)生“惰化”的情況。

3 設(shè)計(jì)制作屬于自己的個(gè)性化傳感器

創(chuàng)客活動(dòng)的主旨是創(chuàng)新和實(shí)踐。如果我們能夠運(yùn)用掌握的物理知識設(shè)計(jì)制作出一種自制的個(gè)性化傳感器，那將是一種高層級創(chuàng)客精神的彰顯。每一種傳感器都有自己的物理原理，教師可以通過引導(dǎo)學(xué)生利用掌握的物理知識和傳感器知識設(shè)計(jì)出新的個(gè)性化傳感器。

比如前面講到了光敏傳感器的原理，我們就可以通過在光敏傳感器的對面放置一個(gè)發(fā)光二極管，從而制作一個(gè)光電門傳感器來測量時(shí)間，甚至用這個(gè)光電門去服務(wù)于物理實(shí)驗(yàn)。再比如我們知道人體和金屬片都是導(dǎo)體，都是有電容的，而給電容充電需要時(shí)間。知道這些知識就可以利用Arduino的數(shù)字引腳串聯(lián)一個(gè)合適的電阻去給一個(gè)金屬片充電，用另一個(gè)引腳檢測電壓。當(dāng)人體沒有觸碰到這個(gè)金屬片時(shí)，電容很小，充電延時(shí)就很短。而當(dāng)人體觸碰到金屬片，金屬片接入人體這個(gè)大電容，充電延時(shí)變長，通過編程可以測量出充電時(shí)間從而設(shè)計(jì)制作出個(gè)性化的觸摸傳感器。

通過這種創(chuàng)客教育和物理學(xué)科知識互相融合的教學(xué)模式，我們不僅能做出屬于自己的個(gè)性化傳感器為我們的創(chuàng)客活動(dòng)服務(wù)，同時(shí)也能夠激活平時(shí)所學(xué)的物理知識，學(xué)以致用。這樣不但培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力，還可以增強(qiáng)他們對所學(xué)物理知識的理解和掌握。

4 對創(chuàng)客和物理兩個(gè)學(xué)科互相融合學(xué)習(xí)模式的思考

物理和創(chuàng)客這兩個(gè)原本獨(dú)立的課程之間其實(shí)有著千絲萬縷的聯(lián)系。所以在教學(xué)實(shí)踐過程中，我們不能把兩門課的知識獨(dú)立開來。信息技術(shù)教師要主動(dòng)聯(lián)袂物理學(xué)科，主動(dòng)學(xué)習(xí)更多的物理知識，把物理學(xué)科知識引入到創(chuàng)客教育的過程中來。一方面可以服務(wù)于創(chuàng)客教育，另一方面也能引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)到的物理知識學(xué)以致用，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科間的融合，這和素質(zhì)教育的理念是一致的。學(xué)生的創(chuàng)客活動(dòng)離不開物理知識作為基礎(chǔ)，物理知識也需要在學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)客活動(dòng)的過程中得到充分的理解和運(yùn)用。