基于创客技术对传统物理实验的改进

王成武 傅求宝 邢海根

摘 要：近年来，创客教育是在中小学教育中正在兴起的一种教学模式，包括物理知识应用的创客教学、物理概念构建的创客教学等等.本文以“研究物质的比热容——基于创客技术的物理实验改进”为例，谈谈如何引入开源电子技术、3D打印技术等创客技术和Excel实验数据处理技术来阐述创客技术在物理实验中的应用.

关键词：创客教育;物理实验;实验改进

文章编号：1008-4134（2020）06-0014    中图分类号：G633.7    文献标识码：B

1 对传统实验的反思

研究物质比热容一节，传统实验装置如图1所示（标注为常规实验）.此实验用到了控制变量法和转换法.用同一酒精灯给两只完全相同的分别盛有质量相等的水和砂石加热，升高相同的温度，判断所用时间是否相等.在具体的操作中可以发现，用同一盏酒精灯依次给水和砂石加热，每种物质加热6分钟，一共12分钟.这样就出现三种现象：（1）加热时间较长，火焰高度、大小在变化;（2）砂石作为加热物质，需要搅拌，操作不便;（3）物体随着温度的升高，热损失就越来越大.这三种现象导致实验存在两点缺陷：（1）相同时间内，质量相同的不同物质在相等时间内由于火焰的差异，吸收的热量并不相同;（2）同种物质在相等时间内吸收的热量也不相同.比如，同一杯水，在第1分钟内和第6分钟内，由于同样原因，吸收的热量不同.这两个缺陷，最终使得实验误差过大，影响结论的可靠性.

同时传统实验得出近似的定量的实验结论后，就直接定义比热容概念，过渡不自然、生硬，不利于同学们的理解.

2 基于创客教育的实验改进

2.1 创客教育

“创客”源于英语单词“Maker”意为制造者，其最早起源于麻省理工学院（MIT）比特和原子研究中心（CBA）发起的AabLab（个人制造实验室）.“创客”现在一般被认为是利用开源硬件或数字技术等现代科技把创意变为现实的人.创客教育，指培养“创客”为目的，以把“创意变为现实”作为手段的教育模式.创客教育背后蕴含着丰富的教育理念，其中最突出的是美国实用主义教育家杜威提出的“做中学”思想.它是创客文化与教育的结合，基于学生兴趣，倡导造物，鼓励分享，培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育，被认为是未来教育发展的趋势之一.

2.2 实验改进

基于传统实验的反思，我们引入创客技术和信息技术等，实现实验设计的严谨性、实验操作的便捷性、数据采集的准确性，使该实验真正做到定量研究.

2.2.1 方法上的改进

“用同一盏酒精灯对两个完全相同的烧杯分别加热”改为“用同一盏酒精灯对两只对称地放置在石棉网上的相同的烧杯同时加热”.由于石棉网受热均匀，烧杯底面积相同;所以他们吸收的热量相同.

2.2.2 研究对象的改变

把砂石替换成煤油，避免搅拌带来的不便.同时，煤油、水的密度相差不大，质量少的情况下（100克），在温度不太高的情况下（不超过60摄氏度），他们的热损失大致相同.

2.2.3 技术上的创新

引入开源硬、软件和3D打印等创客技术，把实验时间从12分钟缩短为120秒，用机器每20秒读取一组数据，避免人工读数的较大误差.通过三个方面的改进，就解决了相同时间内，不同物质和相同物质吸热不同的缺陷，改善了常规实验误差过大的问题，真正做到定量研究.

如图2所示（标注为创新实验），把两只分别盛有相同质量、不同种物质的相同烧杯对称地放置在石棉网上，用酒精灯加热.铁架台上方是一个3D打印的盒子，做成盒子的材料可降解、绿色环保，里面有Ardunio主板（程序用软件写好下载到板上）.图3为积木化的工作程序，配有发声的蜂鸣器和接受信号的无线接收器，外面引出两只数字温度传感器，盒上的显示屏每隔20秒显示出两种物质的温度.接上电源，按下遥控器，机器开始工作.每次呈现新的数据之前，蜂鸣器会响三声，提示学生記录;每次数据在屏幕上停留20秒，便于学生记录和简单计算.

3 揭示物质特性的拓展创新实验

为了说明比热容是物质的特性，我们增加了拓展实验.拓展实验的装置与创新实验完全相同，不同的地方在于实验的数据处理.

实验过程如下：首先用同一酒精灯，对两只完全相同的盛有不等质量水（分别为40克、50克）的盒子同时加热，收集六组数据;再对质量不等的煤油加热（分别为30克、40克），收集六组数据.引导同学们回归密度实验中的数据处理（比较质量与体积的比值，同种物质的比值是相同的，不同种物质的比值一般是不同的）.在本实验中，请同学们计算加热时间t与质量和温度变化乘积（m·Δt）的比值，由于数据组数多，计算比值麻烦，所以我们用Excel数据处理技术，很容易得出如图4所示的关系图像.

在实验误差允许范围内，通过图像可以看出，对于同种物质，这个比值是相同的;对不同物质，这个比值一般是不同的.由于在实验中物质吸收的热量与时间成正比，Q=Q（t），因此比值tm·△t与Qm·△t成正比，类比密度的定义，Qm·△t也反映了物质的特性，它反映了物质的吸热（或放热）能力.我们给这个比值定义一个名称，去描述物质吸热（或放热）能力的大小，从而自然地引入了比热容的概念.

4 结束语

改进后实验的优点：（1）实验内容丰富，突出了重点，突破了难点，有利于实现教学目标;（2） 在创新实验中，通过方法的改进、研究对象的改变和创客技术与信息处理技术的引入，节省了时间，减小了实验误差，提高了课堂效率;（3）在拓展实验中，通过与密度定义的类比，借助信息技术，定量地计算，自然地引入物质的比热容的概念;（4）新材料、新技术（创客技术与数据处理技术）的引入，激发学生对物理实验的兴趣和对现代技术的热爱;（5）本实验创客技术都是开源的（编程软件也是免费的），成本低廉，有利于推广.

基于创客技术对传统实验的改进，本质上属于数字化实验系统.数字化实验系统（即DIS系统），DIS 实验系统的优点是可以快速、准确、动态地采集实验信息，并实现数字化显示，由计算机辅助进行分析处理.

传统实验与数字化实验各有优缺点，在实际教学中应该根据教学目标灵活运用.使用替代、保持、融合三种策略，以期发挥他们各自的优势，实现教学设计的最优化.

参考文献：

[1]刘晓冬，李德前.初中学段开展创客教育的实践探索[J].实验教学与仪器，2018，35（12）：68-70.

[2]李艳.初中物理教学中融入创客教育的有效尝试[J].中小学信息技术教育，2018（11）：61-62.

[3]赵惠松，黄文俊.传统实验与数字化实验定位分析和整合研究[J].中小学数字化教学，2018（01）：40-42.

[4]黎钲潮. 以问题引导的创客教学与STEM教学的融合方式——以创新课例Lets save the fish为例[C]. 人民教育出版社人教数字研究院、《中小学数字化教学》编辑部.数字化教学探索与创新——第二届全国中小学数字化教学研讨会论文集.人民教育出版社人教数字研究院、《中小学数字化教学》编辑部：中小学数字化教学研讨会，2017：183-191.

（收稿日期：2019-12-12）