Arduino在科学探究实验中的应用研究

Arduino在科学探究实验中的应用研究

摘 要：Arduino控制板是一款可编程的开源硬件电路制作平台，Arduino作为一款开源硬件，其成本低廉，可使用的传感器丰富，图形化的编程软件进一步降低了编程难度。借助Arduino与相应的传感器，教师可以自制演示教具，学生也可以自己设计实验装置用于科学探究，极大地调动了学生的探究积极性。通过Arduino以数字化的手段采集实验数据，有效地解决了部分科学探究活动效率低、探究不够深入、实验难度大、学生在生活中的自主探究活动缺乏器材支持等问题，有力地促进科学探究活动深入高效地开展。

 

关键词：Arduino;传感器;科学探究;科学实验

 

小学科学课程标准明确指出，“探究式学习是学生学习科学的重要方式”^[1]。在小学科学探究实验活动中，由于实验器材、实验方法等因素的限制造成实验数据采集困难，直接导致部分科学探究活动存在效率低、探究不够深入、实验难度大、学生在生活中的自主探究活动缺乏器材支持等问题。专业的数字化实验平台虽然可以让学生方便地采集实验数据，提高探究效率，但由于其价格昂贵，一般情况下仅限于在教师的监督下使用，学生无法将其带出校园去探究生活中遇到的问题。那么，如何改进实验数据的采集方式，让课堂上的科学探究活动深入高效开展，让生活中的自主探究活动随时随地发生呢？笔者多次尝试将Arduino控制板应用于科学探究实验，通过数字化的手段采集实验数据，发现Arduino确实能够为科学探究活动提供极大的便利。

 

Arduino控制板是一款可编程的开源硬件电路制作平台，可以连接多种类型的传感器，使用方便，成本低廉。教师或学生可以通过图形化的编程软件对Arduino进行编程，以实现所需的功能。借助Arduino与相应的传感器，教师可以自制演示教具，学生也可以自己设计实验装置用于科学探究，为科学课堂教学与学生的自主探究活动提供支持。

 

一、即时获取数据，提高实验效率

 

在传统的科学探究实验中，探究实践过程往往涉及到重复而繁琐的操作步骤，学生在操作过程中需要耗费大量的精力和时间，由于课堂时间有限，学生便没有充足的时间进行观察、思考与分析。使用Arduino与传感器，我们可以采用数字化的手段即时地获取数据，减少重复劳动，提高实验效率，让学生把更多的时间花在对问题本质的研究上。

 

如教科版《科学（三年级下册）》第三单元“温度与水的变化”中的“测量热水温度的变化”实验，学生需要使用红液温度计测量水温的变化。但是，热水在室温下的自然冷却过程十分缓慢，实验的持续时间相当长，实验操作者既要每隔一个特定的时间段进行一次温度计的读数，又要将数据记录到表格中，耗时耗神。借助Arduino与DS18B20温度传感器，我们可以将实验操作者从繁琐单调的计时、读数操作中解放出来，实现自动计时和温度数据的自动测量与记录。

 

我们通过编写程序，让Arduino每隔1分钟进行一次温度数据的读取。实验时，将DS18B20温度传感器的探头置于热水中，并将传感器固定好，使探头既不接触杯壁也不接触杯底。

 

一段时间之后，我们将Arduino采集到的数据导入到Excel表格中，生成水温变化曲线图（见图1）。结合曲线图我们可以直观地看到，热水温度下降的速度越来越缓慢，其温度越来越接近室温^[2]。用类似的方法还可以探究水沸腾、冰融化过程中的温度变化，以及一天的气温变化等。

 

图1热水在室温下的温度变化曲线图

 

二、提高测量精度，引导深入探究

 

在小学科学实验中，采用人工测量获取数据时，一方面由于测量工具的限制导致采集到的数据精度不高，另一方面由于操作者的人为因素造成不可避免的人为误差。采用Arduino这样的数字化工具，可以极大地提高测量精度，避免人为误差，将学生的探究引向深入。

 

在教科版《科学（五年级下册）》中的《机械摆钟》一课，摆在摆动时，由于空气阻力等因素的影响，摆动幅度会越来越小，摆动快慢是否会因摆幅的减小而发生变化呢？为了研究摆在摆动过程中的快慢变化，教材中提供的方法是比较连续且相等的时间段内摆的摆动次数。采用教材中的方法时需要实验小组内各成员分工合作，分别安排人员用秒表计时、数摆动次数、记录数据等，这种方法对学生的团队协作能力提出了巨大的挑战。然而，由于学生操作秒表时存在人为误差，并且摆在某一时间段内的摆动次数往往又不是整数，而学生通过肉眼观察只能获得整数次的摆动数据，这便造成人工计时、人工计数的双重巨大误差，最终导致采集到的数据的可靠性大打折扣，通过这样的数据所得出的“单摆的摆动具有等时性”的结论显然是不具说服力的。在课堂上，即使学生在实验的过程中规范、细致地操作，最终获得了每个相等时间段内摆的摆动次数相同的数据，依然会有学生提出质疑：“是不是因为我们采集的数据不够多呢？如果我们多采集一些数据，会不会发现数据减小呢？”

 

为了解决上述问题，我们可以借助Arduino与红外避障传感器（见图2），直接测量出每一次摆动所花的精确到微秒级别的时间值，通过这种方式便捷地采集更多更精确的实验数据。

 

图2研究单摆等时性的实验装置

 

将采集到的295个数据在Excel中生成曲线（见图3）。

 

图3单摆周期变化曲线图

 

通过实验，我们惊奇地发现，摆在实际摆动的过程中，其周期的整体变化趋势是逐渐减小的，也就是说摆在摆动时是逐渐变快的，这与课堂上我们通过人工计时、人工计数所获得的“摆的摆动具有等时性”的结论并不一致。这是什么原因呢？

 

实际上，在图3中，纵坐标的范围是1296000μs~1314000μs，我们将纵坐标的范围改为0~1400000μs（见图4）。从图4中我们可以看到一条几乎水平的直线，也就是说，摆在实际摆动过程中其周期虽然在减小，但相较于整个周期而言其变化是非常微小的。我们依然可以认为摆的周期恒定不变，不会因为摆角的减小而发生变化，摆的这种性质被称为等时性。

 

图4纵坐标范围是0-1400000μs的单摆周期变化图

 

学生借助Arduino对摆的运动进行深入探究之后，对摆的等时性的认识才更加完整，通过这种方式得出的结论才更具说服力。进一步，学生可以通过Arduino去研究影响摆的摆动快慢的因素，感兴趣的学生还可以借助Arduino与摆测量当地重力加速度。

 

三、突破技术障碍，降低实验难度

 

学生在学习教科版《科学（四年级下册）》第二单元“声音”时，往往会产生疑问：“声音的速度是多少？怎么测量？”实际上测量声音在空气中传播速度的方法有很多，常用的有驻波法、相位法等，但这些方法对实验操作者的理论要求和实验操作要求均较高，不适合小学生进行实践操作。借助Arduino与声音传感器，我们可以自制实验装置测量声音在空气中的传播速度。

 

将声音传感器1与声音传感器2相距d同向放置在一条直线上，声音传感器1离声源较近，声音传感器2离声源较远（见图5）。在声音传感器1的正前方制造一声音，当发出的声音被声音传感器1接收到时，Arduino记录下此时的系统运行时间t1，当声音被声音传感器2接收到时，Arduino记录下此时的系统运行时间t2，那么声音从声音传感器1处传播到声音传感器2处所用的时间t=t2-t1，由v=d/t即可计算出声音在空气中的传播速度^[3]。

 

图5声速测量装置图

 

四、打破器材壁垒，激发自主探究

 

小学科学课程既倡导探究式学习，又强调与实际生活的联系。探究活动往往需要用到一些专门的器材，这些器材往往又只有学校才具备，那么，当学生发现生活中的问题时，如何方便及时地开展探究活动呢？使用Arduino作为数字化探究工具不失为一个很好的选择，由于Arduino成本低，可扩展性强，操作简单方便，极大地激发了学生的探究欲，让学生随时随地都可以开展实践探究。

 

例如，生活中我们发现乒乓球从某一高度自由下落至坚硬平面会发生反弹，乒乓球的下落高度与反弹高度之间存在着怎样的联系呢？借助Arduino与超声波传感器，我们可以方便地测量乒乓球的下落高度与反弹高度。将Arduino采集到的乒乓球在木质桌面上反弹的高度数据生成曲线图（见图6），只需通过进一步的数据处理与分析即可发现乒乓球反弹高度与下落高度之间的关系。

 

图6乒乓球在木质桌面上反弹时的高度变化曲线图

 

Arduino开发板作为一款开源硬件，其成本低廉，可使用的传感器丰富，图形化的编程软件进一步降低了编程难度，为学生采用数字化的手段进行科学探究活动提供了便利，极大地调动了学生自主探究的积极性。Arduino在更多科学探究实验中的应用值得进一步深入研究。

 

参考文献

 

[1]中华人民共和国教育部制定. 义务教育小学科学课程标准[M]. 北京：北京师范大学出版社, 2011：3-4.

[2]贾皓云. 用Arduino做科学实验研究热水与冰在室温下的温度变化[J]. 无线电, 2018(1):76-78.

[3]贾皓云. 基于Arduino的声速测量装置[J]. 中小学信息技术教育, 2018(2、3合):134-136.

转自公众号：
皓云工作室