一种在初中开展数字化家庭实验的低成本方案

刘作志 梅晓璇

家庭实验是指教师补充学生在校学习之需，以课外作业的形式，让学生按照作业要求，选择家庭生活物品，自制实验仪器，自主开展的实验探究活动。家庭实验具有在校常规实验所不具备的特殊教育价值。当前，数字技术正深刻改变着教育的面貌，适应数字化变革成为教育的重大主题之一。目前数字化实验的教学研究多集中于在校实验，对家庭实验关注不够。数字化实验走入家庭仍面临一些亟待解决的问题。市面上的数字化实验设备每套动辄上万元，价格高昂。低成本是家庭实验得以广泛开展的基本前提。智能手机的普及为人们使用数字化手段降低实验成本创造了条件。但是对于初中物理实验而言，仍有两个问题有待解决：一是手机传感器门类不全，像温度、力、电压、电流等主要物理量难以直接测量；二是手机传感器均为内置，不便探针式测量。为解决上述问题，笔者整合esp32开源硬件与Phyphox软件，构建数字化实验系统，以数显模式为家庭实验提供简单易用的定量测量工具，以Phyphox模式为瞬态或长时段的数据采集与分析提供方便，以物联网模式开创家庭实验跨时空的新形态，赋予家庭实验开放合作、深度学习、学科融合及实践创新等教育内涵。

一、家用數字化实验系统的设计

（一）家用数字化实验系统的设计思路

近年来，国际数字化实验教学有两大研究热点：一是基于Phyphox的手机数字化实验；二是基于Arduino开源硬件的数字化实验。Phyphox的突出优势在于将传感器、数据采集器、数据处理器、显示器整合为一，其数据处理和图像显示非常简便，支持用户线上编程，自主设计实验。如前所述，手机传感器内置且门类不全，不能满足初中生的基本测量需求。以微控制器系统（MCU）为代表的开源硬件，可以集成的传感器门类十分丰富，经过简单编程制作即可打造为集合模数转换器、蓝牙模块、数显模块的数据采集器。但目前缺乏简单易用、适合初中生操作的上位机。笔者参考上述两类数字化实验的研究成果，扬长避短，设计了初中物理家庭数字化实验系统。

（二）家用数字化实验系统的架构与功能

数字化实验系统的核心是esp32开发板，它是一款享誉国际的国产微控制器芯片。与Arduino开发板相比，esp32开发板价格极低，但性能却优于前者。esp32开发板集成了蓝牙和无线网络（Wi-Fi）模组，可实现实验数据的无线传输。笔者围绕esp32模组集成锂电池、充放电模块、OLED显示屏和控制按键，引出三种常用接口，将它们整合成小巧便携的数据采集器；将7类传感器（可拓展）通过I/O或IC接口接入esp32开发板，使用手机内置传感器测量声波、光强；借助数据采集器采集数据，通过OLED屏显示数据，将蓝牙接口与智能手机或平板电脑的Phyphox软件相连，实时传送数据。此外，数据采集器还可通过Wi-Fi接口与MQTT应用进行连接，实现物联网实验功能（如图1）。

二、开展数字化家庭实验的基本模式

（一）基础应用——数显模式

在数显模式下，家用数字化实验系统可快捷地测量距离、质量、力、温度、压强、电流、电压、磁感应强度等物理量。学生只需将传感器模块插入对应接口，按照OLED屏幕引导选择对应的传感器模式，长按即可测量。每种传感器对应多种模式，如压强传感器有绝对压强模式、相对压强模式和水深测量模式。另外，此系统支持同时插接两传感器，这种模式更加自由。笔者指导学生在数显模式下开展了如下实验（如图2），其中（a）为测量定值电阻阻值，（b）为测量液体压强，（c）为测量滑动摩擦力，（d）为测量磁感应强度。

（二）进阶应用——Phyphox模式

Phyphox软件可以调用手机内置传感器的数据，从而实现对物理量的测量。这款软件是开源的，教师可用其官网提供的线上编辑器添加自己设计的实验，除可调用手机内置传感器外，还可用Phyphox的低功耗蓝牙（BLE）接口实现数据采集器与手机的无线连接，根据实验需求实时绘制数据图像。对于数据采集器设计的数据分析程序，笔者利用线上编辑器，将其加载到Phyphox后，简单选择和点击便实现对实验数据的无线接收、实时分析和图像绘制（扫码查看）。

下面以运动图像绘制为例，介绍操作步骤。第一步，将超声波传感器插接到数据采集器上，将数据采集器固定在遥控玩具车上。第二步，将数据采集器工作模式设置为位移传感器模式，打开Phyphox软件，选择“为蓝牙设备添加实验”，连接数据采集器。第三步，在Phyphox中打开预先加载的数据采集器应用界面，选择运动图像绘制模式。第四步，点击按钮开始绘制，使遥控小车正对墙面做直线运动，生成实时的、、图像（如图3）。

师生如按常规思路用手机内置传感器做实验，需将手机与运动物体固定在一起，这样操作存在弊端：一是增加手机意外损坏的风险；二是不便于在实验进程中将物体运动状态与图像变化实时对应。上述案例中，笔者利用Phyphox蓝牙接口将传感器独立出来，解决了以上问题。

另举一例：笔者将口服液小瓶装满水，将温度传感器插入小瓶并固定，置于冰箱冷冻室40 min，借助Phyphox测得水凝固的温度变化图像（如图4）。常规的长时段测温实验十分耗时耗力，而笔者利用改进后的数据采集器可自行完成数据采集和图像绘制。

（三）拓展应用——物联网模式与自主开发

esp32开发板自带Wi-Fi模组，而Phyphox具备MQTT网络接口（1.1.10以上版本），笔者整合两者优势，借由MQTT服务器实现跨时空的物联网数据采集（如图5）。原理如下：处于不同空间位置的数据采集器通过发布数据主题，将传感器采集到的实验数据发送到MQTT服务器，处于其他位置的手机客户端通过订阅对应的数据主题即可获取实时的实验数据；一旦数据采集器订阅了手机客户端发布的控制主题，手机客户端即可实现对数据采集器的远程控制。物联网实验是全新的实验形态，它将突破时空局限，助力家庭实验，实现广空间、长时段的协作探究。

例如，师生可以在物联网模式下开展“探究温度变化与物质比热容的关系”的实验。第一步，利用校园Wi-Fi环境，建立两只数据采集器与MQTT服务器的连接，如不具备校园网条件，可利用移动Wi-Fi模块配合充电宝完成网络环境的简单搭建。第二步，在物联网模式下设置两只数据采集器的温度测量模式，设置温度采集间隔为10 min。第三步，将一只数据采集器放置于校内混凝土路边，另一只数据采集器放置在附近光照条件相近的草地上，放置好提醒标识。第四步，任何一部手机加载相应的Phyphox实验程序后，均可随时作为客户端连接到服务器，支持操作者查看当前采集到的实验数据和实时图像，监测数据采集器是否正常，或远程控制暂停实验。

MQTT本身就是为硬件性能低下的远程设备，针对网络状况不佳的情况而设计的发布/订阅型消息协议，具有数据流量小、功耗低的特点，有完善的中断机制。这样，配合esp32的休眠功能，不必额外供电，就可以完成长时段、间歇性的数据采集。这为户外严酷环境下采集数据提供了可能。上例中，学生不必长时间蹲守在烈日下或严寒中进行数据采集或设备控制。

学生还可以跨空间合作探究，例如将两个数据采集器分别布置在城区和农村，利用各自家中的Wi-Fi连接服务器，完成探究任务。

与商用数字化实验设备不同，esp32与Phyphox均是开源的，这意味着教师和学生可以随时根据实验需求，重新编制数据采集器和Phyphox程序。esp32支持Arduino（C语言）、Micropython等多种语言与工具编程。Mixly等图形化编程特别适合初中生学习。数据采集器和传感器等均可模块化组装，学生可以通过拆装了解各部分的功能和作用。这样，数字化实验的自主设计将超越物理学科，成为一项跨学科的综合实践活动。

三、家用数字化实验系统的教育价值

（一）由定性到定量

实事求是地讲，生活化的器材选用也有其局限性，由于缺乏定量的测量工具，实验主题多局限在定性的趣味小实验。定量研究是物理学的基本范式，《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）中规定的21个必做实验中有18个用到定量测量工具。若能开发一种集成几种基本物理量测量支持家庭实验定量研究的基本工具，使家庭实验的主题从定性探究、半定量探究拓展到定量探究，则家庭实验的范围将大大扩展，活动方式更加多样，更贴合信息化的时代需求。

（二）由浅表到深层

家庭实验贴近生活，寓教于乐，趣味性是其典型特征。然而如果仅停留在兴趣和体验层面，家庭实验的教育价值将大打折扣。当前的家庭实验在“激趣—体验—提问”之后缺乏进一步探究的纵深空间。家庭实验的数字化不只在工具层面，还将在方法层面为学生提供探究活动空间，引导学生更多应用科学方法，对实验生成问题进行深度探究。教师要提高学生利用信息化手段获取和处理实验数据的能力，将证据的层次由现象提升到数据，发展学生基于实验数据得出结论、做出解释的能力。

（三）由独立到合作

受时间、空间及器材的局限，学生在校的实验探究活动多是在教师的裁割、诱导、约束下匆忙完成的。家庭实验为学生完整、自主、独立探究提供了机会，它在发展学生科学探究素养方面有不可替代的价值。但也应看到，在家庭实验中，合作的因素被削弱了：学生缺少与同伴的合作交流，缺少教师的针对性指导，常常导致家庭实验效率低下。上述案例中，MQTT物联网技术的应用，为跨越时空的数字化实验设计和小组合作探究提供了可能。这一技术创新有利于弥补家庭实验在合作探究上的缺失，并催生新的教学形态。

（四）由学科到融合

课标将跨学科实践列为课程内容的一级主题，包括物理学与日常生活、工程实践及社会发展的融合。家庭实验作为一项学科综合实践活动，本身就是将科学探究融入日常生活的一种极好的方式。教师如果能从开源的微控制器技术入手，结合创客教育，引导学生在家庭中开展简易的数字化实验，甚至自主开发数字化实验，那么家庭实验就由单一的学科实践升级为融合工程教育的跨学科实践，与当下流行的项目式学习、STEAM教育异曲同工。教师合理利用信息技术引导学生做实验—设计实验—开发实验，不失为一种由学科分立到课程融合的可行路径。

注：本文系山東省教育科学“十四五”规划课题“基于学生自主创新实验的教学评研究”（项目批准号：2021ZC220）、山东省教育发展研究微课题“中学数字化实验课程资源的整合与创新应用研究”（项目批准号：FJ192）的阶段性成果。

参考文献

[1] 麦赐球.关于中学生家庭物理实验[J].物理教师，1980（Z1）： 86-88.

[2] 刘作志，万勇.国外数字化实验教学研究的回顾与展望——基于VOSviewer可视化分析[J].中小学数字化教学，2022（6）： 88-93.

（作者刘作志系山东省潍坊市高密市崇文中学教师；梅晓璇系北京市和平街第一中学高级教师）

责任编辑：祝元志