结合Arduino开源电子平台探究声速与温度之间的关系*

康 顺

(上海市浦东模范中学东校 上海 201209)

培养学生的科学探究能力是科学学科最重要的育人目标之一，也是教师认为比较难落实的教学任务.科学探究能力的培养不同于科学知识的学习那样容易直接传授，换句话说，科学探究能力是一种综合性较强的能力，不可能用同一个范式进行讲解，只能通过实验实践体验来内化.这就意味着，教师需要通过不同的课堂表现形式，融合现代化技术手段作为有效支撑，细化教学过程、加强点拨指导、总结提炼后才能让学生逐渐形成科学探究思想.通过调查发现，教师对科学探究能力所持的观点十分复杂.一般来说，人们对科学探究能力通常持有以下观点，科学探究能力是过程技能的集合，科学探究能力是科学方法的集合，科学探究能力是要素化的能力，科学探究能力是科学思维和科学推理能力，科学探究能力是问题解决能力和科学探究式整体性能力等6类观点[1].

教育现代化是助推科学教育深层次变革的重要动力，其核心要素是促进信息技术与教学的深度融合.目前，以人工智能、大数据、云计算、物联网、5G技术、虚拟现实等为代表的现代新兴技术正在与日常教学密切衔接.全世界的新兴技术正抓紧发展浪潮，瞄准教育信息化产业，研发了一大批新技术应用.这为一线教师带来了整合技术与应用的可能性[2].科学教育工作者是教育信息化的排头兵，也无时无刻不在感受到多元化的信息技术带来的机遇与挑战，这便是教师和学习者可以参与创新教育资源建设.一般来说，创新型的教师都具备以下3个主要特征：创新意识、创新行动、创新素质.创新意识是指教师具有丰富的想象力和强烈的好奇心，对新鲜事物有强烈的探究意识；创新行动是指教师具备实践创新能力，能够在教育教学的实践过程中打破常规、创造性地解决学科问题；创新素质是指拥有扎实的科学研究素养，自主自觉地对自身的专业实践进行重构.在温·哈伦编著的《以大概念理念进行科学教育》一书中确定了科学教育的指导原则，以及10个科学知识中的大概念和4个有关科学本身及其应用方面的大概念.所谓大概念是指在一个学科领域中最精华、最有价值的学科内容.科学学科是认识客观世界和解释自然现象的学科[3].自然现象具有多样性，因此它的研究方法也并不是一成不变的.教师可以采取不同的研究方法和实验仪器对科学解释进行解释和验证.科学理论模型能表达自然现象与环境变量之间的关系，因此具有认识客观世界和解释自然现象的功能.教师如果能帮助学生构建起科学模型，将有助于促进学生科学认知、科学探究能力和科学情感、态度和价值观等方面的发展，有助于提高学生的科学素养.

下文将介绍借助Arduino开源电子平台，探究并验证空气中的声速与温度之间的关系，建立起数学模型着力实现数据可视化，培养学生科学探究能力和实验创新精神.

上教版八年级物理(上册)教材第一章中提到了声现象，主要介绍了声波的产生和传播以及声音的特征.其中，关于声波在不同介质中的传播速度的相关知识点，如“声音在15 ℃空气中的传播速度是340米/秒”.若教师将其直接作为客观规律教授给学生，学生便无法真正理解数据的含义，也不会知道这个数据是如何得来的.如果教师想通过实验加以验证，常常又因为没有配套的实验设备无法进行实验，极大阻碍了学生的好奇心和求知欲.

1 DS18B20温度传感器的工作原理及引脚说明

如图1所示，DS18B20是一种数字温度传感器，它具有3个引脚，GND(负极接口)、DQ(数据接收口)、VCC(正极接口).电压范围为3.0 V至5.5 V，测量温度范围为-55 ℃至+125 ℃ .在-10 ℃至+85 ℃范围内精度为±0.5 ℃，温度传感器可编程的分辨率为9至12位，为了获得更可靠数据，可将温度传感器分辨率转换为12位数字格式，此时的分辨率为0.05 ℃，将延时750 ms后，获得环境温度数据并输出.

图1 DS18B20数字温度传感器

2 HC-SR04超声波传感器的工作原理及引脚说明

如图2所示，HC-SR04是一种超声波测距模块，可提供非接触式距离感测功能，测距范围在2 cm～400 cm之间，测距精度可达到3 mm.模块包括超声波发射器、接收器和控制电路，共有4个引脚，GND(负极接口)、TRIG(数据输入口)、ECHO(数据输出口)、VCC(正极接口).

图2 HC-SR04超声波测距模块

超声波测距模块的基本工作原理采用I/O接口TRIG触发测距，给至少10μs的高电平信号，模块自动发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回.若有信号返回，则通过I/O接口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，以此来计算距离.超声波传感器测距时，被测物体的面积不少于0.5 m2，且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果.

3 实验数据采集及注意事项

Arduino硬件平台本质上是一种以AVR系列微处理为核心的单片机开发板，具有13个数字I/O端口和 5 个模拟I/O端口，可以通过外接传感器实现对各类物理量的测量和数据采集，由于应用广泛、用户众多，配套或兼容的传感器和外接设备非常多，只要合理利用，完全可以实现中学科学实验所需要的各类功能．本实验采用Arduino UNO板作为数据采集器.接线方法如图3所示，在测试环境范围内均匀放置4个DS18B20温度传感器(T1，T2，T3，T4)监测环境温度并取温度平均值(T)以增加实验可信度.

图3 控制板接线方法

Serial.print(" ; T1: ");

Serial.print(T1);

Serial.print(" ; T2: ");

Serial.print(T2);

Serial.print(" ; T3: ");

Serial.print(T3);

Serial.print(" ; T4: ");

Serial.print(T4);

Serial.print(" ; Average Temp: ");

float AverageTemp=(T1+T2+T3+T4)/4;

Serial.print(AverageTemp);

图4 控制板和传感器放置位置

for (int x = 0; x < 500; x++)

duration = duration * 0.0001;

vel = 2 * 60 / duration;

average = average + vel;

average = average / 500;

Serial.print(" ; Duration: ");

Serial.print(duration);

Serial.print(" ; Speed: ");

Serial.print(average);

Serial.println(" ; ");

在采集数据时，不可将超声波测距传感器放置在密封的容器内，这样会干扰距离数据的准确度.此外，不应使用取暖器快速升高温度，这样也会使数据偏差较大.在收集了平均温度的数据后，我们将数据代入的理想表达式(1)求得声速理论值v.

(1)

其中T0=273.15 K,v0=331.45 m/s.

4 实验数据处理与分析

图5 声速随温度变化的线性拟合图

根据图5可知，声音在空气中的传播速度基本满足y=0.61x+331.45函数,随着温度的升高而增大，在一定范围内，温度每升高1 ℃，声速增加约0.61 m/s.教师可适时引导学生尝试使用粒子模型解释原因.声波的传递需要介质，在空气介质中存在着数量巨大、体积微小的气体分子，当温度升高时，气体粒子间的间隙增大，表现为体积增大，加之温度升高亦会使空气粒子运动加剧，声音的传播速度自然增大.基于事实证据构建的科学模型可以预测部分科学现象，从而可以让学生推测出环境温度为28 ℃时的声速为多少，学生不难算出v=348.53 m/s了.

运用事实证据进行描述、解释、预测和构建模型，将数学思维运用于科学探究的各个方面也是科学探究能力的表现形式.2013年4月，《美国下一代的科学标准》(NGSS)发布，而NGSS是以《K-12科学教育框架：实践、跨领域概念和核心概念》为蓝图编制的.NGSS的出台不仅标志着美国新一轮科学教育改革正式拉开帷幕，而且还在世界科学教育领域掀起了关注热潮，引领了国际科学教育的研究方向.美国教育者提出了美国基础教育阶段学生在科学探究能力应有的发展目标[4].如果将1996年版的《美国国家科学课程标准》与2013版的《下一代的科学标准》进行比较，不难发现，美国对探究能力的要求在不断提高，将科学探究能力定位在技能的综合运用上.基于《K-12科学教育框架：实践、跨领域概念和核心概念》视域对上述实验内容进行比对，学生可以得到如表1所示的相关概念基础框架.

表1 本实验在NGSS视域下的基础框架

5 结束语

身为一线教师都有以下体会，学生都喜欢那些熟练掌握信息技术的老师，也崇拜那些善于培养学生学习兴趣的老师.一名能适应信息社会发展不断探索教育技术、善于合作的教师培养出的学生肯定能适应这个新时代！声现象贴近学生日常生活，因此声学是初中科学教学中较易被接受的科学概念之一.教师应把握住良机，进行一些有必要、有深度的拓展型实验探究，避免照搬书本上的概念和实验结论.教师应在学生知其然的基础上，顺水推舟让学生知其所以然，以此培养学生创造性思维和严谨的科学态度.

本文所述的实验不但很好地发挥了低成本实验器材的价值.同时，本实验还巧妙地运用了Arduino作为数据自动采集器，避免让学生参与机械式的数据收集过程，简化了实验步骤，而且也能让学生在实验中体会建立数学模型的必要性，感受实验数据的重要性.