基于STEM理念的物理实验教学实践——利用3D打印的传感器与Arduino测量重力加速度

顾 青

(扬州大学附属中学,江苏 扬州 225002)

1 引言

STEM教育采用学科整合的项目学习模式,是提高学生核心素养的有效途径之一。然而，在高中阶段由于升学的压力,学生对参与STEM课程学习的积极性并不高。如果把STEM的探究领域聚焦到学生的高考学科内容上来,引导学生用STEM的理念去学习学科知识，既能培养学生的核心素养,又能够助力学科知识的理解和掌握，这种一举两得的学习形式会得到学生的积极响应。

本课例利用Arduino平台的开源硬件和3D打印技术，改进高中物理中重力加速度的测量实验。在传统STEM教育理念的基础上加入创客元素,让学生运用学科知识，创新设计、制作传感器去探究物理问题。

2 问题聚焦

在力学的学习中，测量加速度的常用器材是纸带和打点计时器。纸带连在被测物体上跟着物体一起运动，每隔0.02s在纸带上打一个小点，测量相关小点间的距离，就可以计算出匀加速直线运动的加速度，实验中测定小点间的距离和计算都比较繁琐。笔者利用开源硬件和Arduino平台，结合3D打印技术，设计、制作了检测纸带运动的传感器,可以更方便地测量物体的加速度。

3 创新思路和实施过程

3.1 创新思路

受光电门原理的启发,可以在纸带上等距离打出3、4个小孔,然后利用发光二极管发出光线,在发光二极管的对面安装一个光敏二极管接收光线,让纸带在发光二极管和光敏二极管之间穿过。当发光二极管发出的光线穿过纸带上的小孔照射到光敏二极管时,反向偏置的光敏二极管的电阻就会发生变化，通过适当的电路就可以把电阻的变化转变为电压的变化，运用这个原理就设计出了一种传感器。在实验中把这个电压输出到Arduino主控板进行处理,就可以知道纸带上的小孔到达光敏二极管位置的具体时刻。由于每个小孔之间的距离相等,所以只要测量出各个小孔通过光敏二极管的具体时刻,就可以通过联立方程计算出加速度。

3.2 实施过程

3.2.1 结构设计

(1) 在纸带上等间距打4个小孔(间距为0.20m)；

(2) 制作一个能让纸带通过的狭缝装置,在纸带上的小孔将要通过的位置处分别正对安放发光二极管和光敏二极管；

(3) 让学生设计并打印出一个3D结构去支撑以上装置。

图1是笔者设计的一种结构，供学生参考。在教学中，教师要让学生自主设计，因为STEM和创客教育培养的是有创意的设计者，而不是熟练的装配工。

图1

3.2.2 电路设计

电路原理如图2所示，电路设计思路如下：

图2

(1) 将发光二极管与限流电阻相串联；

(2) 使对面的光敏二极管反向偏置，光敏二极管可视为用光线强弱调节的可变电阻，将它和一个大小相近的电阻相串联。当光敏二极管的电阻因为光线强度改变而发生变化时,它和串联电阻两端的电压也会发生变化。把这个电压输入到Arduino的模拟输入口,通过编程就可以记录下纸带上的小孔经过光敏二极管位置的具体时刻了。

有学生可能会提出问题：是不是可以用光敏电阻代替光敏二极管？这时教师不要直接给出答案,而是鼓励学生将这个问题作为一个“子问题”去探究,尝试设计实验，寻找问题的答案。

3.2.3 探究“子问题”

是不是可以用光敏电阻代替光敏二极管？教师可以引导学生运用跨学科知识设计电路,通过探究得到结论,体验主动建构知识的过程，参考方案如下:

(1) 通过编程，用Arduino主板的数字引脚点亮发光二极管,记录此刻系统的时间；

(2) 分别检测利用光敏二极管和光敏电阻时的电压，利用Arduino输入模拟口电压的读数、达到各自阈值时分别记录系统的时间，最后与点亮发光二极管的时刻比较，就得到两个元器件的延时。可以看出，光敏二极管的反应时间在1ms内，光敏电阻的反应时间是30ms,所以使用光敏二极管比较合适。

对在探究主课题的过程中遇到的新问题,引导学生把这个新问题作为“子问题”进行研究,并把研究成果应用于主问题的研究。在实际的科学研究中也会出现这种情况，这样的教学情境设置可让学生初步体验科研的方法和过程。

3.2.4 程序设计

int val; //val存放光线强度值

int t[4]; //数组t存放纸带上4个小孔通过光敏二极管的时刻

int tn; //tn是数组t的指针,存放当前写入数组单元的下标

void setup()

{ Serial.begin(9600);

tn=0; } //指向存放时间数组的第一个单元

void loop()

{ val=analogRead(1); //读取输入的电压并转换成整数

if(val>=850) //光线达到阈值,纸带上的小孔正好通过光敏二极管

{ t[tn]=millis(); //记录下这个小孔通过光敏二极管的系统时间

tn=tn+1; //指针加1

delay(30); } //延时30ms，防止纸带上的小孔通过时重复记录时间

if(tn==4) //记录完第四个小孔通过测量点的时刻就开始打印结果

{ Serial.print("t1="); //打印四个小孔之间的三个时间间隔t1、t2、t3

Serial.println(t[1]-t[0]);

Serial.print("t2=");

Serial.println(t[2]-t[1]);

Serial.print("t3=");

Serial.println(t[3]-t[2]);

while(1){delay(100);} } } //打印结束，让程序进入循环，防止重复打印

3.2.5 测试优化

在实验中需准确记录纸带上的小孔通过光敏二极管的时刻，方法如下：

(1) 让光线直接照射在光敏二极管上,编写测试程序把光敏二极管两端的模拟电压数字化输入到串口上,观察串口监视器上的读数(大概为800～900)；

(2) 塞入纸带,看有纸带阻隔的时候串口上的读数。接着慢慢拉动纸带,观察纸带上的小孔经过光敏二极管的过程中读数的变化情况,记录下读数的最大值。由于纸带是白的,对光线的阻隔效果不明显。学生会想到把纸带中间用笔涂黑，以增加对光线阻隔的效果。在此过程中确定光线强度的阈值(如选用850)。实验中发现：选择比最大值小10左右的值作为阈值，实验效果较好。因为系统循环需要时间,这样可以防止错过纸带上的小孔。此外，为了确保一个小孔通过的时候不会记录两次,在记录一次时间后要设置一个30ms的延时。

以上过程建议让学生自主完成，这样有利于培养学生良好的科学态度、思维品质和实践能力，图3为装配调试好的实验装置。

图3

学生进行了3次实验，获得了如表1所示的数据,其中t1、t2、t3是相邻两个小孔通过发光二极管位置的时间间隔。

表1

4 结语

在物理教学中引入STEM教育方式，学生在参与STEM项目的过程中，既养成了良好的科学态度和思维品质,又有利于对学科知识的理解与掌握,还提高了学生的创新和实践能力。在探究过程中学生用到了多个学科的知识,体现了STEM教育强调多学科融合的核心教学理念。

在本课例中,学生在探究和解决“主问题”的过程中，又发现了新的“子问题”，通过探究“子问题”的答案,并把获得的答案作为新知识又运用到“主问题”的探究活动中,最终解决问题。在这个过程中，学生的知识和能力会随着建构过程的迭代得到提升，这些知识和能力会让学生终生受益。