一種在初中開展數字化家庭實驗的低成本方案

劉作志 梅曉璇

家庭實驗是指教師補充學生在校學習之需，以課外作業的形式，讓學生按照作業要求，選擇家庭生活物品，自制實驗儀器，自主開展的實驗探究活動。家庭實驗具有在校常規實驗所不具備的特殊教育價值。當前，數字技術正深刻改變著教育的面貌，適應數字化變革成為教育的重大主題之一。目前數字化實驗的教學研究多集中于在校實驗，對家庭實驗關注不夠。數字化實驗走入家庭仍面臨一些亟待解決的問題。市面上的數字化實驗設備每套動輒上萬元，價格高昂。低成本是家庭實驗得以廣泛開展的基本前提。智能手機的普及為人們使用數字化手段降低實驗成本創造了條件。但是對于初中物理實驗而言，仍有兩個問題有待解決：一是手機傳感器門類不全，像溫度、力、電壓、電流等主要物理量難以直接測量；二是手機傳感器均為內置，不便探針式測量。為解決上述問題，筆者整合esp32開源硬件與Phyphox軟件，構建數字化實驗系統，以數顯模式為家庭實驗提供簡單易用的定量測量工具，以Phyphox模式為瞬態或長時段的數據采集與分析提供方便，以物聯網模式開創家庭實驗跨時空的新形態，賦予家庭實驗開放合作、深度學習、學科融合及實踐創新等教育內涵。

一、家用數字化實驗系統的設計

（一）家用數字化實驗系統的設計思路

近年來，國際數字化實驗教學有兩大研究熱點：一是基于Phyphox的手機數字化實驗；二是基于Arduino開源硬件的數字化實驗。Phyphox的突出優勢在于將傳感器、數據采集器、數據處理器、顯示器整合為一，其數據處理和圖像顯示非常簡便，支持用戶線上編程，自主設計實驗。如前所述，手機傳感器內置且門類不全，不能滿足初中生的基本測量需求。以微控制器系統（MCU）為代表的開源硬件，可以集成的傳感器門類十分豐富，經過簡單編程制作即可打造為集合模數轉換器、藍牙模塊、數顯模塊的數據采集器。但目前缺乏簡單易用、適合初中生操作的上位機。筆者參考上述兩類數字化實驗的研究成果，揚長避短，設計了初中物理家庭數字化實驗系統。

（二）家用數字化實驗系統的架構與功能

數字化實驗系統的核心是esp32開發板，它是一款享譽國際的國產微控制器芯片。與Arduino開發板相比，esp32開發板價格極低，但性能卻優于前者。esp32開發板集成了藍牙和無線網絡（Wi-Fi）模組，可實現實驗數據的無線傳輸。筆者圍繞esp32模組集成鋰電池、充放電模塊、OLED顯示屏和控制按鍵，引出三種常用接口，將它們整合成小巧便攜的數據采集器；將7類傳感器（可拓展）通過I/O或IC接口接入esp32開發板，使用手機內置傳感器測量聲波、光強；借助數據采集器采集數據，通過OLED屏顯示數據，將藍牙接口與智能手機或平板電腦的Phyphox軟件相連，實時傳送數據。此外，數據采集器還可通過Wi-Fi接口與MQTT應用進行連接，實現物聯網實驗功能（如圖1）。

二、開展數字化家庭實驗的基本模式

（一）基礎應用——數顯模式

在數顯模式下，家用數字化實驗系統可快捷地測量距離、質量、力、溫度、壓強、電流、電壓、磁感應強度等物理量。學生只需將傳感器模塊插入對應接口，按照OLED屏幕引導選擇對應的傳感器模式，長按即可測量。每種傳感器對應多種模式，如壓強傳感器有絕對壓強模式、相對壓強模式和水深測量模式。另外，此系統支持同時插接兩傳感器，這種模式更加自由。筆者指導學生在數顯模式下開展了如下實驗（如圖2），其中（a）為測量定值電阻阻值，（b）為測量液體壓強，（c）為測量滑動摩擦力，（d）為測量磁感應強度。

（二）進階應用——Phyphox模式

Phyphox軟件可以調用手機內置傳感器的數據，從而實現對物理量的測量。這款軟件是開源的，教師可用其官網提供的線上編輯器添加自己設計的實驗，除可調用手機內置傳感器外，還可用Phyphox的低功耗藍牙（BLE）接口實現數據采集器與手機的無線連接，根據實驗需求實時繪制數據圖像。對于數據采集器設計的數據分析程序，筆者利用線上編輯器，將其加載到Phyphox后，簡單選擇和點擊便實現對實驗數據的無線接收、實時分析和圖像繪制（掃碼查看）。

下面以運動圖像繪制為例，介紹操作步驟。第一步，將超聲波傳感器插接到數據采集器上，將數據采集器固定在遙控玩具車上。第二步，將數據采集器工作模式設置為位移傳感器模式，打開Phyphox軟件，選擇“為藍牙設備添加實驗”，連接數據采集器。第三步，在Phyphox中打開預先加載的數據采集器應用界面，選擇運動圖像繪制模式。第四步，點擊按鈕開始繪制，使遙控小車正對墻面做直線運動，生成實時的、、圖像（如圖3）。

師生如按常規思路用手機內置傳感器做實驗，需將手機與運動物體固定在一起，這樣操作存在弊端：一是增加手機意外損壞的風險；二是不便于在實驗進程中將物體運動狀態與圖像變化實時對應。上述案例中，筆者利用Phyphox藍牙接口將傳感器獨立出來，解決了以上問題。

另舉一例：筆者將口服液小瓶裝滿水，將溫度傳感器插入小瓶并固定，置于冰箱冷凍室40 min，借助Phyphox測得水凝固的溫度變化圖像（如圖4）。常規的長時段測溫實驗十分耗時耗力，而筆者利用改進后的數據采集器可自行完成數據采集和圖像繪制。

（三）拓展應用——物聯網模式與自主開發

esp32開發板自帶Wi-Fi模組，而Phyphox具備MQTT網絡接口（1.1.10以上版本），筆者整合兩者優勢，借由MQTT服務器實現跨時空的物聯網數據采集（如圖5）。原理如下：處于不同空間位置的數據采集器通過發布數據主題，將傳感器采集到的實驗數據發送到MQTT服務器，處于其他位置的手機客戶端通過訂閱對應的數據主題即可獲取實時的實驗數據；一旦數據采集器訂閱了手機客戶端發布的控制主題，手機客戶端即可實現對數據采集器的遠程控制。物聯網實驗是全新的實驗形態，它將突破時空局限，助力家庭實驗，實現廣空間、長時段的協作探究。

例如，師生可以在物聯網模式下開展“探究溫度變化與物質比熱容的關系”的實驗。第一步，利用校園Wi-Fi環境，建立兩只數據采集器與MQTT服務器的連接，如不具備校園網條件，可利用移動Wi-Fi模塊配合充電寶完成網絡環境的簡單搭建。第二步，在物聯網模式下設置兩只數據采集器的溫度測量模式，設置溫度采集間隔為10 min。第三步，將一只數據采集器放置于校內混凝土路邊，另一只數據采集器放置在附近光照條件相近的草地上，放置好提醒標識。第四步，任何一部手機加載相應的Phyphox實驗程序后，均可隨時作為客戶端連接到服務器，支持操作者查看當前采集到的實驗數據和實時圖像，監測數據采集器是否正常，或遠程控制暫停實驗。

MQTT本身就是為硬件性能低下的遠程設備，針對網絡狀況不佳的情況而設計的發布/訂閱型消息協議，具有數據流量小、功耗低的特點，有完善的中斷機制。這樣，配合esp32的休眠功能，不必額外供電，就可以完成長時段、間歇性的數據采集。這為戶外嚴酷環境下采集數據提供了可能。上例中，學生不必長時間蹲守在烈日下或嚴寒中進行數據采集或設備控制。

學生還可以跨空間合作探究，例如將兩個數據采集器分別布置在城區和農村，利用各自家中的Wi-Fi連接服務器，完成探究任務。

與商用數字化實驗設備不同，esp32與Phyphox均是開源的，這意味著教師和學生可以隨時根據實驗需求，重新編制數據采集器和Phyphox程序。esp32支持Arduino（C語言）、Micropython等多種語言與工具編程。Mixly等圖形化編程特別適合初中生學習。數據采集器和傳感器等均可模塊化組裝，學生可以通過拆裝了解各部分的功能和作用。這樣，數字化實驗的自主設計將超越物理學科，成為一項跨學科的綜合實踐活動。

三、家用數字化實驗系統的教育價值

（一）由定性到定量

實事求是地講，生活化的器材選用也有其局限性，由于缺乏定量的測量工具，實驗主題多局限在定性的趣味小實驗。定量研究是物理學的基本范式，《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）中規定的21個必做實驗中有18個用到定量測量工具。若能開發一種集成幾種基本物理量測量支持家庭實驗定量研究的基本工具，使家庭實驗的主題從定性探究、半定量探究拓展到定量探究，則家庭實驗的范圍將大大擴展，活動方式更加多樣，更貼合信息化的時代需求。

（二）由淺表到深層

家庭實驗貼近生活，寓教于樂，趣味性是其典型特征。然而如果僅停留在興趣和體驗層面，家庭實驗的教育價值將大打折扣。當前的家庭實驗在“激趣—體驗—提問”之后缺乏進一步探究的縱深空間。家庭實驗的數字化不只在工具層面，還將在方法層面為學生提供探究活動空間，引導學生更多應用科學方法，對實驗生成問題進行深度探究。教師要提高學生利用信息化手段獲取和處理實驗數據的能力，將證據的層次由現象提升到數據，發展學生基于實驗數據得出結論、做出解釋的能力。

（三）由獨立到合作

受時間、空間及器材的局限，學生在校的實驗探究活動多是在教師的裁割、誘導、約束下匆忙完成的。家庭實驗為學生完整、自主、獨立探究提供了機會，它在發展學生科學探究素養方面有不可替代的價值。但也應看到，在家庭實驗中，合作的因素被削弱了：學生缺少與同伴的合作交流，缺少教師的針對性指導，常常導致家庭實驗效率低下。上述案例中，MQTT物聯網技術的應用，為跨越時空的數字化實驗設計和小組合作探究提供了可能。這一技術創新有利于彌補家庭實驗在合作探究上的缺失，并催生新的教學形態。

（四）由學科到融合

課標將跨學科實踐列為課程內容的一級主題，包括物理學與日常生活、工程實踐及社會發展的融合。家庭實驗作為一項學科綜合實踐活動，本身就是將科學探究融入日常生活的一種極好的方式。教師如果能從開源的微控制器技術入手，結合創客教育，引導學生在家庭中開展簡易的數字化實驗，甚至自主開發數字化實驗，那么家庭實驗就由單一的學科實踐升級為融合工程教育的跨學科實踐，與當下流行的項目式學習、STEAM教育異曲同工。教師合理利用信息技術引導學生做實驗—設計實驗—開發實驗，不失為一種由學科分立到課程融合的可行路徑。

注：本文系山東省教育科學“十四五”規劃課題“基于學生自主創新實驗的教學評研究”（項目批準號：2021ZC220）、山東省教育發展研究微課題“中學數字化實驗課程資源的整合與創新應用研究”（項目批準號：FJ192）的階段性成果。

參考文獻

[1] 麥賜球.關于中學生家庭物理實驗[J].物理教師，1980（Z1）： 86-88.

[2] 劉作志，萬勇.國外數字化實驗教學研究的回顧與展望——基于VOSviewer可視化分析[J].中小學數字化教學，2022（6）： 88-93.

（作者劉作志系山東省濰坊市高密市崇文中學教師；梅曉璇系北京市和平街第一中學高級教師）

責任編輯：祝元志