将创客融入地理课堂教学—探究气压与温度垂直方向的变化

邢延刚

一、研究背景

Arduino是意大利设计学校的教师Massimo Banzi为解决学生找不到便宜好用的微控制器的问题，与他的几位朋友合作开发设计的电路板。Arduino是基于开源(Open Source)精神的一个电子原型平台，包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)。任何人都可以免费下载并自行修改，制作出符合需求的Arduino应用装置。因此，Arduino成为创客运动不可或缺的工具，在创客风潮中扮演着举足轻重的角色。

2011年，日本东北地区近海发生9级大地震，其所引起的海啸造成福岛第一核电厂的紧急事故，引起全球关注。事件发生后，部分日本民众担心政府所公布的信息不够完整或正确，于是将盖格计数器(用于侦测辐射)与Ardunio结合，并将所侦测到的数据通过网络模块上传到网络上，以便社会大众了解灾后最实时的信息。

2016年，中国台湾的几名创客教师，鉴于气象局的空气指标不够详细，发起了一个雾霾地图运动，让有条件的教师和学生，利用Arduino和传感器，制作空气质量检测设备，并将数据上传到网络上，形成实时的台湾雾霾地图。

由上述的两个例子可以得出，Arduino能连接多种传感器并加以控制。例如，环境感测模块、显示模块、数据传输模块以及通信模块。由此，选择适合的传感器并加入数据显示与记录等功能，便能进行简单的环境观测活动，并应用于地理的课堂教学中，观察课本中所涉及的自然现象。

二、活动设计

大气压力的垂直变化是地理课程中大气的结构单元的重要的知识点。为了让学生了解学习内容，需要举例说明。

例如，低海拔地区购买的零食在带往高山的途中，其外包装往往会膨胀甚至撑破；在高海拔地区的超市，经常出现零食胀袋现象。但是并非每名学生都经历过这样的生活体验，那如何在时间有限的课堂中让学生直接观察到气压在垂直方向的改变呢？笔者任教学校的教学楼有5层楼高，因此，利用教学楼的高度差，设计使用Arduino结合大气压传感器观察高低楼层间气压变化的实践活动。

1.准备工作

(1)课前将Arduino开发环境(IDE)与驱动程序(Driver)安装及测试，安装方法可于https://www.arduino.cc查询，笔者所使用的Arduino IDE版本为1.7.8。

(2)将大气压传感器的程序代码及库分发到学生机器上。

(3)实验系统采用9 V电池供电，保证电量充足。需要的器材见表1。

表1 器材列表

2.活动步骤

(1)将BMP085气压感测模块程序代码与函式库下载到计算机中，程序代码存放在桌面或其他方便存取的位置，库则复制到C:ProgramFiles(x86)Arduinolibraries路径下的文件夹。本文以Win10 64位操作系统为例，其他版本操作系统的路径可能稍有不同。

(2)使用BMP085气压感测模块

①使用杜邦线连接BMP085与Arduino主控制板，对应脚位见表2。BMP085气压感测模组对应到Arduino UNO R3的接线脚位。

表2 对应脚位表

②利用USB连接线将Arduino主控板与计算机连接。

③打开BMP085的程序代码，验证无误后单击“上传”按钮。

④上传成功后，单击“串口监视器”图标，在计算机上查看传感器测得的温度与气压数值。

⑤确认BMP085正常运作后，先关闭序列端口监控窗口，再移除Arduinoboard的USB连接线，最后移除BMP085与Arduino间的连接线。

⑥在时间允许的情况下，可与学生解释说明程序代码。

(3)使用SD读卡模块

①杜邦线连接Arduino主控板与SD读卡模块，对应脚位见表3。

表3 SD读卡模组对应Arduino UNO R3的接线脚位

②用USB连接线连接计算机与Arduino主控板。

③Arduino主控板与计算机连接后开启SD读卡模块程序代码，程序代码ArduinoIDE已内建，开启方式如下，依序选择Arduino IDE选单列中的档案→范例→SD→ReadWrite。

④由Arduino IDE验证无误后按下ArduinoIDE的“上传”按钮，上传成功后按下Arduino IDE的“串口监视器”图标，由计算机屏幕观看SD读卡模块运作情况。

⑤时间允许的话可逐行解释程序代码，并试着让学生修改写入字符串的内容。

(4)压感测模块与SD读卡模块

根据扩展板将SD读卡模块与气压感测模块组装在一起，接线方式如图1所示。若时间允许，可让学生试着将上述两个程序代码合并，制作出观测及记录频率为每秒1组数据的简易型气压传感器。如果时间有限，教师可先将程序代码合并好后让学生于课堂中直接使用。

之后，接上9 V电池，如图2所示。在教室内测试气压感测模块与SD读卡模块能否顺利运行。

图1

图2

(5)测量5楼至1楼间的气压变化

首先，将Arduino简易型气压传感器置于塑料容器中。用一根长绳系好，勿垂直晃动。其次，按下Arduino Board上的“Reset”键开始测量，并纪录开始时刻。从5楼的教室开始记录，将绳逐步向下一层楼移动。移动过程中保持稳定，各楼层停留20秒，最后放置于地面停留20秒，测量此处的温度及气压值。最后，测量完成后拔掉电源停止纪录，纪录停止时刻后，将设备取回。

(6)绘制气压及温度变化图

将SD卡从读卡模块中取出。复制SD卡中的观测数据文件至计算机。利用Excel绘制气压及温度的变化曲线，如图3、图4所示。

图3 教学楼温度变化值

图4 教学楼气压变化值

(7)问题与讨论

若时间允许，可于气压及温度变化图绘制完成后，请学生讨论以下问题。

一是，描述所量测到的气压变化趋势如何变化？

二是，测量过程中的前4/5，为什么气压值会呈现梯度变化？

三是，查校舍资料得出创客教室距地面的高度，进一步计算气压随高度的变化率。

四是，比较此次观测结果所计算出的气压随高度变化率与理论值有何不同，并思考可能的影响因素。

大气压与海拔高度的关系是：高度增加，大气压减小；在2 000 m范围内，每升高12 m，大气压减小1 mmHg，大约133 Pa，根据公式计算：

h/12=100/133，h=9.0 m

笔者所在创客教室位于教学楼的5楼，若每层楼(含楼板)的高度以约数3.2 m计算，4层楼的高度差约为12.8 m，带入高度1 500 m以下的底层大气气压变化率，由此得出，4层楼的理论气压差约为1.42 hPa。

本课程经笔者实践于校内选修课教学，利用2节课约100分钟的时间，介绍气压感测模块及SD读卡模块的使用，进一步合并上述两个模块，最后使用组装好的Arduino简易型气压传感器测量建筑物5楼至1楼的气压变化。授课过程中学生曾出现下列不恰当操作。

其一，活动过程中，学生常将SD读卡模块3.3 V与GND的接线接反，插入SD卡后SD卡出现高温，造成SD卡损毁而无法读取数据。

其二，学生在合并程序代码的过程，常忘记行末的分号、循环结束的大括号等程序代码既定格式，使得Arduino IDE验证出现错误。

其三，手持气压传感器从建筑物5楼往1楼移动过程中，气压传感器并未固定好，产生晃动，导致气压测量出现误差。

其四，测量结束拔掉电源时，正好SD卡模块尚在写入数据，容易让数据文件损毁，此部分的改进方法将于未来工作中加以说明。

本课程所设计的Arduino气压传感器属于简易型，仍有相当大的扩充空间。若出现测量结束，拔掉电源而造成SD卡模块数据写入失败的问题，可以加入控制按钮控制；除了加入实体按钮外，还可加入不同颜色的LED灯以便显示气压感测器的运作状态，例如，黄色LED灯闪烁表示正常写入、黄色LED灯长亮代表停止写入、红色LED灯长亮则是传感器出了问题，此设计可增加学生使用过程中的便利性。

若要得到环境的潮湿程度，可以加入湿度传感器。想得到精准的观测日期与时间，则可加入RTC时间模块。如果有实时显示气压及温度数据的需求，可以加入LCD显示模块。当上述模块整合后，便是一个简单的气象观测装置，利用此装置能够更进一步观测身边的大气环境，观察冷风过境前后的温湿度与气压变化、背风面空气沉降所造成的增温现象、某观测点在台风接近与远离过程中气压的改变等。

以上的举例，都是日常生活中常见的地理科学现象，学生通过实际测量，能够对课本所涉及的知识更感兴趣、掌握的更牢固。

三、结语

价格低廉是Arduino的一个强大优势，本活动的材料费经估算后大约是130元，这与科学仪器厂商所提供动辄数万元的实验仪器相比，价格优势明显，适合中小学师生使用。而且，只要将各个模块换成其他便宜的品牌，不用扩展板，材料费就能降至90元左右。如要测量其他的环境信息，只须购买相关传感器即可，例如：光照传感器、防水型温度传感器等，这些传感器的价位大约十几元至数十元不等，也在可接受的范围内。根据上述优势，教师还可以采购更多组的实验器材，降低各组仪器所分配的使用人数，增强学习效果，尽量让每名学生都能体验自己动手做的乐趣，将创客精神带入学生的心中，极大地激发学生的积极性与参与热情，促进创新思维、计算思维的培养，以及创造能力的提高。希望这种形式的创客类课程能够为课程的深化改革奠定一定的基础。