Arduino开源平台在高中物理实验教学中的应用

赵澜斌

（广西师范大学物理科学与技术学院 广西 桂林 541004）

1 高中物理课标以及教学现状

1.1 课程标准

2017年版的《普通高中物理课程标准》将“传感器”这个主题放在选择性必修2教学参考书中，内容要求为“知道非电学量转换成电学量的技术意义；通过实验，了解常见传感器的工作原理.会利用传感器制作简单的自动控制装置，列举传感器在生产生活中的应用和通过实验了解传感器的工作原理，学会利用传感器制作简单的自动控制装置［1］.

课程标准中不仅要求学生理解一部分常见传感器的工作原理，还要让他们学以致用，将传感器知识与生活中的实例相结合，将自己的创设和理解赋予现实当中.与此同时，教师们可以将传感器教学的最终成果与高中物理的实验教学挂钩，让学生通过自我探索达成“物理、传感器知识学习—知识的实际运用—物理实验创新”的学习循环.

1.2 教学现状

在高中物理教学选择性必修2教材“传感器”这一章节中，教材是以传感器在现代社会中的实际运用为主线介绍了不同种传感器的功能和基本原理，具有较强的时代性和实用性.但是在高中物理的学业测评中很少会涉及考核学生对传感器工作原理的认识以及如何在生活实际中控制和运用传感器，这就导致了传感器在高中物理的教学当中所发挥的教育价值减小.

如今学校购买的现成的实验仪器能够帮助学生一步到位做完相应的物理实验，对于教师而言他们在仪器的搭配、组合使用上变得局限，对于学生而言在完成学习过程后得到的是使用实验仪器的操作经验和昙花一现的实验现象，他们并不能了解到实验仪器本身的构造、运行方式及其这样设计对于物理实验的复现有何优势.拘泥于怎样操作实验器材和获得理想的现象或数据成果，忽略了组合、创设出实验器材本身的原理知识，会使学生的学习停留在表面.

在国务院印发《新一代人工智能发展规划》，浙江省率先将“编程”纳入高考内容（包含于“技术”—信息技术部分试题中）等信息科技大发展的时代背景下，使用Arduino开发平台也将有效激发学生学习计算机语言和编程的兴趣［2］.兴趣是学生最好的老师，运用前沿的信息、工程技术不仅能提升学习的积极性，还能够促进学习成果循环转化成对物理知识、物理实验的二次学习、探索，形成可持续性的学习.

2 Arduino简介及已有应用

Arduino是以单片机系统为根基进行研发的微控制器，其包含硬件上的Arduino开发板以及软件上的Arduino IDE.人们能够通过软件烧录代码并使用连接上传感器的这一款电子原型平台进行与环境之间的交互，获得、分析并使用这些采集到的数据.“现代技术中，传感器（sensor）是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断［3］.开源硬件作为基础教学工具，能够降低学生理解程序设计相关知识的难度，同时为学生的编程提供更为广阔的动手操作空间，对学生学业成就、问题解决能力、认知能力等方面的提高具有显著促进作用［4］.

本研究选取硬件Arduino UNO R3开发板以及软件Arduino IDE 1.7.8作为开发的基础工具，如图1和图2所示.通过软件编写代码烧录进连接好传感器的Arduino开发板，从串口中就可以实时监测传感器发送回来的数据.

图1 Arduino UNO R3开发板

图2 Arduino IDE 1.7.8

3 Arduino在高中物理实验教学中的运用

3.1 运用Arduino的优势

运用Arduino操控传感器可以在短时间内获得大量的实验数据，极大程度地提高了实验效率.同时，开源软件及传感器的大众化使得在社会中所有对物理实验教学改进或者是对物理研究有需求的老师、学生都可以通过Arduino进行物理实验的研究.最后，Arduino开发平台价格低廉、操作便捷、功能多样，学生只需掌握基础的计算机语言知识和编程技术即可自主设计搭建诸多传感器的基本工作环境进行实验［5］.

在高中物理实验器材、实验过程年年变化不大的情况下，利用多元而又丰富的传感器进行新型的物理教学设计既能够提升学生运用现代化技术解决实际问题的能力，又能够使学生通过接触新事物提高学生学习的积极性.在明确和学习了Arduino与各种传感器共同感知和反馈环境变化的原理以后，学生也能够动手创造，运用所学知识和已有传感器素材进行旧物理实验的新改造，达到灵活迁移所学知识以及有所学有所用的学习效果.正是由于其简单易学有趣，将其融入实验当中则会起到降低学习门槛、开阔实验思路的作用.下面介绍两种高中物理实验演示器.

3.2 基于Arduino的胡克定律演示装置

基于Arduino的胡克定律实验演示装置是由UNO R3开发板、压力传感器、超声波测距模块、弹簧、砝码以及亚克力主板组成的，如图3所示.

图3 胡克定律演示装置

这里使用的是HC-SR04超声波传感器，可提供2～400 cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达±3 mm；模块包括超声波发射器、超声波接收器及控制电路.通过控制电路记录超声波发送及返回的时间，从而获得距离［6］.在测量压力上使用的是40 mm×40 mm大小的FSR406薄膜压力传感器以及电阻电压转换模块，当薄膜感应区受压时，薄膜底层彼此分离的线路导通使得金属端口输出电阻随着压力的变化而发生改变，这时在电脑端则可以监测串口收发处理的数据.

在竖直方向上用亚克力板雕刻出含有卡槽的主体并卡入底座上，再将超声波传感器放在雕刻好的亚克力托盘上，使得发射声波的传感器探测头竖直向下.亚克力底座上放置有连接UNO R3开发板的压力传感器.在传感器托盘上定点打出小孔并挂好弹簧的一端，另一端挂上相应质量的砝码，砝码静置于压力传感器上，移动砝码位置使得托盘插入卡槽时弹簧处于竖直状态.

在代码的编写中可以通过计算直接让串口显示测距模块所测长度减去弹簧原长及砝码高度的数值，以此作为弹簧的伸长量.根据受力分析以及牛顿第三定律可以得出弹簧所具有的弹力数值大小为砝码所受重力减去压力传感器直接测得的数值，将公式写入代码中即可使得串口直接显示弹簧所受弹力的数值.因此，在实际测量数据中，串口可以显示弹簧伸长量的变化以及弹力的数值大小，最后根据胡克定律在代码中加入F=κx这一原始公式即可使得每次移动砝码时串口显示的数值为弹簧具有的弹力数值与伸长量之间的比值.改变传感器托盘插入的槽位可以使得弹簧伸长量及弹力相应改变，在串口中可以读出弹簧弹力与伸长量之间的多组比值.

传统实验测量伸长量以及弹力使用的是刻度尺以及弹簧测力器，这两种测量工具在精度和测量阈值上已经落后于传感器.在数据的测量中，传统实验比较依赖实验者规范的操作以及细致的读数，这使得人工读数的误差放大，而使用传感器则能够减少由人工引起的读数误差.最后，基于Arduino并使用传感器测量数据可以提高获取数据的效率，软件可以短时间实时显示多组串口监测到的数据并代替人工进行运算处理，大大加快了实验的进程.

3.3 基于Arduino的查理定律演示装置

基于Arduino的查理定律实验演示装置是由UNO R3开发板、BMP280温度气压传感器以及密闭容器组成.

如图4所示，将通过杜邦线连接UNO R3开发板的BMP280温度气压传感器密封于气密性良好的容器内，这里使用的是亚克力盒.在软件中编写代码烧录进开发板中，使得BMP280温度气压传感器能够正常测量不同时刻的气温以及气压值，同时在代码中代入公式使得串口直接显示测量出的密封容器内气体压强p与热力学温度T的比值.

图4 查理定律演示装置

运用水浴或者其他均匀的加热方式对密闭容器进行仪器可正常工作的温度范围内的加热，在电脑中则可以直接显示等容情况下，容器内压强与热力学温度比值的变化，如图5所示.

图5 气体压强与热力学温度的串口数据

传统实验使用温度计以及气压计进行测量，实验数据的精准性依旧受限于仪器本身以及实验者的操作，实验数据的采集效率也因人工而比较低下.由于温度计和气压计具有一定的形状和体积，在找到合适的密封容器的同时保证测量工具能够测量到密封容器内温度、气压变化就更加困难了.使用传感器代替传统实验既能够省时高效地完成任务，又能够缩小占地空间.

运用Arduino开发的查理定律实验演示装置直观地展示了仪器的构造，使测量方法变得透明化、一目了然，在所用空间上仅仅是一张课桌的大小.利用Arduino控制器的实验在器材上抛弃了“铁箱子”，在思想上抛弃了“黑箱子”，将实验仪器小型集成化、实验过程创新化、实验课堂化［7］.

借助Arduino平台经历了传感器原理的学习、传感器与物理理论知识的融合物化以后，学生在理论方面对知识有了更深层次的理解，在实践方面又学会了设计实验、制定方案、获取数据并处理、反思并改进，最后在整个探索的过程中逐渐养成格物穷理、知行合一的学习习惯，提升自身的科学素养.

4 总结

Arduino在高中物理的实验教学中能够引导学生探索学习时代背景下的前沿知识，拓宽知识的深度和广度.当下已经研究组合成的实验设计体现了物理学与时俱进、跟随时代潮流发展的前瞻性.整个具有STEAM探究特征的学习过程对于促进学生全面发展、提升科学素养有很大的帮助.因此，将Arduino运用到高中物理实验教学中有极大的教育价值.