項目式學習視域下物理實驗的可視化探究與創新＊
——以“微小形變”為例

楊東鵬，楊超芳，陳海深

（廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

項目式學習以建構主義理論為指導，以某一具體問題或目標為導向，引導學生在真實情境中以小組合作的方式進行項目規劃及解決項目任務，學生通過實踐體驗、分析討論、探索創新等環節，積極主動地建構有意義的學習[1]。基于項目任務驅動下的實驗探究可以推動教師立足于學生真實學習情境，不斷開展物理實驗的探究與反思，開發物理實驗可視化教學資源，克服傳統實驗教學中存在的諸如實驗效果不明顯、實驗裝置陳舊、實驗方案不完善等問題。

2017 年版《普通高中物理課程標準》強調核心素養的培養，其中“科學探究”要求教師注重培養學生收集與處理信息、分析和解決問題的能力，以便學生能夠獲取新知識，并且積極分享探究成果、反思科學探究[2]。可視化實驗演示可為學生收集信息時提供感性素材，化抽象為具體，學生依據可視化實驗呈現給他們的信息對科學探究進行更為精準的分析與論證，從而建構有意義學習。

人教版高中物理《重力與彈力》一節主要采用單級光杠桿實驗演示微小形變，讓學生“觀察”到這種微小形變的發生對彈力概念的形成起著至關重要的作用，但演示實驗的單一性與教學的多樣化之間存在矛盾，因此對微小形變可視化系列實驗的探究與實踐可以為教學的多樣化提供系統的借鑒素材，從而促進教與學的效果。其中運用開源硬件Arduino 等現代化技術進行“可視化”實驗的創新，不僅具有直觀、高效、簡潔易懂的特點，還增強學生在真實的復雜問題情境中分析信息以及利用信息技術設計與創新“可視化”實驗的探究能力。

1 系列“形變放大”演示實驗的探析

根據前人提出的部分“微小形變放大”演示實驗及原理進行梳理分類，共分為五大類：（1）力學放大；（2）杠桿放大；（3）多媒體技術放大；（4）電學放大；（5）光學放大。每個類別中的實驗不勝枚舉，因此以下各類別中僅列舉其中具有代表性的實驗。

1.1 力學原理放大

1.1.1 “形變放大”演示儀

實驗材料：一塊表面光滑的塑料板（或玻璃板）、兩個光滑小球

實驗步驟：①把板的四個角等高懸空墊起；②兩小球按兩指（食指和中指）寬的距離水平放置，并同時處于靜止；③手指輕輕按壓兩球之間的板；④觀察兩球的運動狀態[3]。

實驗現象：如圖1 所示手指未按壓板時兩球保持靜止狀態，如圖2 所示手指按壓板時觀察到小球沿著手按壓的地方滾動。

圖1 按壓前兩球保持靜止狀態

圖2 按壓時小球沿著手按壓方向滾動

圖3 形變放大演示儀示意圖

實驗原理：當手指按壓板面時，由于外力的作用，板面會發生微小的形變。此時，小球在板面上所受到的向內的力（即重力的分力）將導致其運動狀態從靜止轉變為運動。

實驗反思：盡管力學放大實驗使用的材料簡單，效果明顯，但是選材要求較高。例如，若選用過厚的塑料板或玻璃板，則無法達到放大的效果；而過薄的板子雖然變形后肉眼可見，但是無法體現形變“微小”的特點。

1.2 杠桿原理放大

1.2.1 “形變放大”演示儀

實驗材料：支架、形變板、刻度板、杠桿放大結構、掛盤

實驗步驟：①將實驗材料組裝成圖4所示裝置；②掛盤上掛上重物；③觀察指針偏轉情況。

圖4 形變放大演示儀實物圖

實驗現象：掛鉤上掛一個重物后，形變板發生微小形變，指針通過杠桿原理被放大，通過刻度板可以觀察到指針明顯偏轉[4]。

實驗原理：裝置整體采用了二次杠桿放大原理。如圖3 所示，第一杠桿兩臂比例為7:1，第二杠桿兩臂比例為8:1 的結構，同時第二杠桿的阻力臂被設計成指針，它們根據不同的力臂比例將力臂末端的微小位移放大。

實驗反思：因為指針自身具有一定質量，即使是通過杠桿，指針也可能不發生偏轉。并且組裝此類二次杠桿放大裝置需要高精度實驗材料，細節繁瑣，教學演示存在不確定性。

1.3 利用多媒體技術放大

1.3.1 “投影放大”演示儀

實驗材料：攝像頭、電腦顯示器、桌面、物理課本

實驗步驟：①按照圖5 所示，將攝像頭準確地安放在桌面上；②連接電腦顯示器與攝像頭；③將物理課本放置于攝像頭的精確攝像范圍內，并將其固定；④調整攝像頭的位置，以顯示“物理”二字；⑤輕觸并釋放攝像頭與課本之間的桌面，以引起微小形變；⑥觀察圖像在按壓前后的變化[5]。

圖5 “投影放大”裝置示意圖

實驗現象：通過對桌面施加壓力，可以觀察到攝像頭捕捉到的圖像發生了變化。

實驗原理：攝像頭的微小偏移由于按壓桌面而發生，導致其攝像范圍發生變化。通過對比變化前后的圖像處理，學生可以認識到微小形變的影響。

實驗反思：雖然該實驗材料易得、操作簡單，但其簡單性可能會降低學生的課堂參與度與活躍度。并且桌面的微小形變導致攝像頭發生微小位移，其攝像范圍的變化也是微小的。

1.4 電學原理放大

1.4.1 “電信號放大”演示儀

實驗材料：電阻應變片、帶LCD 顯示的單片機、高精度A/D 轉換芯片、信號線、剛體

實驗步驟：①將以上材料組裝成如下圖6 所示裝置；②利用橋式放大電路[6]放大電信號的微弱變化。

圖6 “電信號放大”裝置示意圖

實驗原理：電阻應變片是一種導體或半導體材料，在外界力的作用下產生機械變形時，其電阻值相應發生變化，根據歐姆定律可知當電路電壓不變，電阻改變的同時其電流也相應的跟著改變。利用應變片的原理，通過放大其微小的電信號變化，實現對微小形變量的放大。

實驗反思：通過將微小的電信號進行模數轉換和單片機的處理以放大電信號，這種直觀的數字顯示方法可以有效地展示剛體的微小形變，甚至可以呈現形變數值的變化。但完成該實驗需要結合高精度的儀器設備，不利于課堂教學的普及。

1.5 光學原理放大

1.5.1 “單極光杠桿放大”演示儀

實驗步驟：傳統的光杠桿法如圖7 所示，一束光線依次被平面鏡M 和N 反射，最后射到刻度尺L 上，形成一個光點。當用力下壓桌面（箭頭所示），鏡子就會向內側傾斜，由于兩面鏡子間的距離較大，光點在刻度尺上有明顯的移動，而由此把桌面的微小形變顯示出來[7]。

圖7 傳統光杠桿實物圖

實驗原理：通過利用光在平面鏡上的多次反射，該實驗將微小形變的信息以光點的移動形式展現在刻度尺上，使得學生可以直觀地觀察到物體的微小形變。

實驗反思：這個實驗需要在局部遮光的房間或暗室中操作并結合噴霧效果，激光的“可視化”路徑才清晰可見。并且光點的位置變化依舊不夠理想。

1.5.2 “多級光杠桿放大”演示儀

實驗材料：兩面帶有標尺的反射鏡（鏡面需要較長）、激光光源

實驗步驟：如圖8 所示，①設置好反射鏡a、b 的位置，使兩鏡處于同一直線上并與桌面垂直，a 為調節反射鏡，b 為光杠桿反射鏡；②調節反射鏡a 和激光，使激光光線垂直于反射鏡b，記錄下此時光點的位置；③在反射鏡b 后的桌面上放置重物（此時反射鏡b 如圖所示微微傾斜），觀察光點的位置變化情況[8]。實驗現象：放置重物前后光點位置不一樣，且光點的上移程度較為明顯。

圖8 多級光杠桿反射示意圖

實驗原理：傳統的光杠桿，光只在偏轉的鏡面上反射一次，可稱為一級光杠桿，反射光偏轉2θ。在不改變D 和d 的情況下，反射光在偏轉鏡面上反射一次，反射光線的偏轉角就增大2 倍,通過改變反射光偏轉角來提高放大倍數。多級光杠桿極大提高了微小形變的放大倍數，并且能夠根據公式：

實驗反思：雖然在單級光杠桿的基礎上提高了微小形變演示實驗的精度，但該實驗組裝過程難度較大，需要進行多次反射鏡位置和長度的微調，以確保發射光點與反射光點在同一直線上。因此，需要具有較高的實驗技能和經驗，且時間成本較高。

2 基于開源硬件Arduino 的微小形變“可視化”實驗創新

基于現代化技術的物理實驗“可視化”具有實驗效果傳遞快、數據反饋效率高等顯在優勢，有助于提高教學效果以及為學生科學概念的形成提供有意義證據[9]。Arduino 是一款以AVR 單片機為核心控制器的應用開發板，其應用于教學中匯集了編程、電路等教學為一體的優勢，基于開源硬件Arduino 的優勢，本文利用開源硬件Arduino 與超聲波測距模塊開發微小形變演示儀。

2.1 基于開源硬件Arduino 的微小形變演示儀

材料準備：①Arduino 開發板（型號為Arduino Uno）；②規格為800 孔(165*55 mm)的面包板；③型號為US-015的超聲波測距模塊；④（藍屏）IIC/I2C 1602液晶顯示屏，40P（彩色）杜邦線；⑤通用無源蜂鳴器（3 V、5 V 通用），5MM 發光管；⑥透明亞克力板（作為形變板），三合板（作為包裝材料）。

設計原理：基于開源硬件Arduino 的微小形變演示儀主要基于超聲波測距模塊能夠滿足對測量距離實時反饋的需求，用于教學演示微小形變，可直觀且持續的反映形變情況。當測距值小于初始設定值時，則觸發燈光以及蜂鳴器提示程序，超聲波測距模塊測出形變板的形變量，實時顯示在液晶顯示屏上，（數據的精度可達小數點后2 位）。

程序設計：程序設計包括主程序、超聲波測距程序、系統處理程序等。各程序模塊的功能如下:（1）主程序：對程序進行初始化操作，控制超聲波測距程序以及系統程序。（2）超聲波測距程序：控制完成超聲波測距模塊，包含中斷服務、距離計算等。（3）系統處理程序：包括蜂鳴器報警程序、LED 燈發光程序和LCD 顯示程序。具體程序代碼如圖9 所示。

圖9 （a）超聲波測距程序；（b）系統處理程序

具體操作步驟如下：（1）按照圖10 將各模塊、元件正確接入Uno 板；（2）使用圖9（a）程序代碼對超聲波測距模塊到形變板的距離進行測量和設定，得到一個初始距離并為后續系統測出的“形變量”提供對照參數；（3）使用圖9（b）所示的程序代碼給整個系統輸入需要執行的功能的命令。

圖10 Arduino 數字化電路圖

實驗效果：如圖11 所示，利用Mixly 串口監視器繪圖模式實時反映演示儀形變板的微小形變情況。通過串口監視器數據反映，可以看到圖中第一次明顯下降的數據是由于放置重物時形變板所反饋的數據，而第二次明顯上升的數據則是由于取走重物時形變板恢復原狀所導致。學生通過串口數據可以直觀且連續地觀察到微小形變的變化過程。

圖11 演示儀實物

2.2 誤差探究

根據圖12 的實驗數據分析，可以發現超聲波模塊在反饋數據時呈現出一定的波動性。可以基于超聲波原理對該誤差進行探究，并通過實驗測試進行驗證，以為可視化效果的優化提供參考。在教學實踐中可借鑒該思路引導學生在演示實驗中開展深度科學探究。

圖12 串口數據監測實況

超聲波模塊的工作原理是在系統程序觸發后，超聲波模塊的Trig 管腳會輸入10us 以上的高電平信號，然后發出8 個4HKZ 的超聲波脈沖，當回波被檢測到后，Echo 管腳會輸出高電平。根據測距公式，測量距離=(高電平輸入到輸出的時間 * 340 m/s)/2。

實驗猜想：影響數據波動的因素可能來自于距離。當距離減小時，高電平輸入到輸出時間減短或由于電路靈敏度不高，導致對更短的電信號反饋存在偏差。基于猜想，推測當形變板到超聲波距離變短時，數據波動會變大，反之則越穩定。

探究與結論：通過改變超聲波模塊到形變板距離以及監測數據反饋情況進行探究驗證猜想，發現當測量距離小于未放置重物前的初始距離時，監測數據波動明顯變大；而測量距離大于初始距離時，反之變小。通過多次改變距離并反復測試，發現實驗結果符合上述推測。

3 結語

在項目式學習視域下，本研究通過實驗探究探索了現代化技術在物理教學中的應用，展現了基于現代化技術的物理實驗可視化創新的潛力和優勢。基于現代化技術的實驗創新不僅有助于教師尋求傳統教學實驗與學生認知需求沖突的最優解，更重要的是它可以促進教與學的深度化，增強學生信息素養、科學素養、創新素養和探究能力。因此，基于現代化技術的物理實驗可視化創新是傳統教學實驗走向現代化、數字化和可視化的催化劑，能更好地滿足信息時代背景下學生認知發展和個性化學習的需求。