高中物理研究性学习活动的设计与实施

潘文术　廖喜龙　罗文兴

新高考综合改革背景下，为加深学生对传感器的认识、提高学生应用传感器的能力、丰富高中物理教学方式，笔者对Arduino平台的开源硬件、相应的传感器和物理学科内容进行整合，以“多功能自动浇花装置的研制”为例，设计并开展高中物理研究性学习活动。

一、推进研究性学习是课程改革之需

在《普通高中课程方案（2017年版2020年修订）》中，综合实践活动被列为国家课程，是必修内容，其中研究性学习占6个学分。每个学生必须完成2个课题研究或项目设计任务。研究性学习是理论与社会、科学和生活实际相联系的全新学习领域。学生参与研究性学习活动有利于落实“关注社会生活，积极参与社会实践”的要求，有利于学习基本的研究方法，有利于养成良好的科学态度与责任。学生参与研究性学习活动，就是参与社会实践。对学生而言，研究性学习将改变他们的学习观念和学习方式。教师可将研究性学习贯穿于课堂内外，在课堂上充分发挥学生的主观能动性，让他们大胆想象、敢于提问、深入思考，积极参与各种课外研习活动。

如何有效引导高中学生参与研究性学习活动，是值得思考的问题。为探究开展研究性学习活动的有效路径，笔者结合人教版《普通高中教科书物理选择性必修第二册》中的传感器相关知识，按照《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）对传感器内容的要求“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……”，尝试将Arduino、传感器和蓝牙模块等融入研究性学习活动当中，阐述基于Arduino的“多功能自动浇花装置”的设计与制作方法，让学生亲身实践，逐步养成“做中学，学中用”的良好习惯。

二、电子互动平台适于开展研究性学习活动

Arduino是基于单片机系统开发的电子互动平台，具有使用简单、功能多样、价格低廉等优点^[1]。Arduino被广泛应用于物理领域：在力学方面，乌古尔·萨里利用Arduino研究了物体运动时的摩擦系数；在熱学方面，撒拉·里扎利用Arduino研究了气体压强、温度和体积之间的关系；在电学方面，卡林·加莱里乌利用Arduino研究了电容器的充电与放电；在光学方面，基思·阿特金利用Arduino研究了光的反射；布阿乔姆等人利用Arduino研究了力学领域简谐运动。笔者在充分挖掘教材、研读课标的基础上，引导学生利用Arduino开源硬件和传感器设计“自动浇花装置”。在Arduino的支持下，学生能够运用物理学科知识，创新设计、制作一些简单的装置，在研习过程中运用物理知识解决实际问题。

三、研究性学习活动的设计与实施

（一）自动浇花装置的设计

1.系统设计

自动浇花装置主要由Arduino Uno单片机、传感器、蓝牙模块和App构成（如图1）。Arduino单片机主要用于收集、处理信息，实现报警功能；蓝牙HC-06模块主要用于接收和发送信息，将环境参数传至App；App主要用于接收和显示信息，支持学生随时查看温度传感器和光照度传感器显示的温度值和光照度值。

Arduino硬件平台可以兼容多种编程环境（如Linkboy）实现图形化编程。土壤湿度传感器的输出数值随土壤周围环境湿度变化而变化，即土壤湿度升高，引脚模拟电压升高，反之减小。光照传感器可以感应环境的光照度，光照度越高，输出电压越低，反之电压越高。DS18b20温度传感器测温范围在-55 ℃至125 ℃，它能直接输出数字量。

2.电路设计

笔者以Linkboy平台作为Arduino的编程环境。它具有以下特点：一是内置硬件连线界面，支持元器件级别的实物连接和操作模拟及面向对象的全中文图形化编程，适合中国人逻辑思维；二是内置仿真功能，不需要硬件，仿真效果直观。学生可以根据需要下载Linkboy软件，按照自动浇花装置电路（如图2），将Arduino UNO、土壤湿度传感器、光照度传感器、温度传感器、继电器、蓝牙HC-06、蜂鸣器、LED灯等连接起来。

3.程序设计

与文本语言编程不同，Linkboy平台采用图形化编程方式对Arduino进行程序设计。图形化编程比以往的文本编程简便很多，有利于物理教师开展一些创新实验。根据电路原理图和自动浇花装置的功能需要，学生在教师指导下设计了自动浇花装置控制程序（如图3）。

（二）手机蓝牙App的开发与设计

笔者利用App Inventor平台，开发演示实验中的手机蓝牙App。该平台支持可视化制作安卓应用程序。学生用图形化编程的方式自主开发蓝牙App，并将其作为自动浇花装置的数据接收端，可以实时查看环境中的温度值和光照度值。设计蓝牙App分两步：先在App Inventor界面上进行组件设计，再在界面上进行逻辑设计。

1.组件设计

学生可以根据需要完成组件设计，生成特定风格的蓝牙App界面。学生登录App Inventor界面，在“组件面板”中的“用户界面”和“界面布局”选取所需要的各种文本框，然后在“工作面板”进行排布，在“组件属性”中修改各种文本框的属性。学生在“组件设计”下面设计蓝牙App界面（如图4）。

2.逻辑设计

逻辑设计：学生根据数据传输需要进行相应的编程。逻辑设计是制作蓝牙App的关键一步，关乎采集端和用户手机之间数据的有效传输。学生首先对蓝牙客户端的地址和名称列表进行初始化，然后创建变量来储存接收到的数据。蓝牙模块接收与发送数据时，分别以“a”和“b”隔开发送光线强度值和温度值，接收端同样以“a”和“b”隔开接收光线强度值和温度值。在逻辑设计中，学生以图形化编程方式设计蓝牙App程序（如图5）。学生完成组件设计和逻辑设计后，在App Inventor界面上直接打包，生成APK文件，并将其安装到安卓手机上。

（三）自动浇花装置的组装与测试

学生按照电路原理图组装自动浇花装置，并用亚克力板固定Arduino平台和各种传感器。自动浇花装置和蓝牙HC-06模块通电后，在未连接状态下，显示灯高频率闪烁，等待学生打开手机中的蓝牙App与蓝牙模块连接。连接成功后（如图6），蓝牙模块指示灯隔2 s闪烁一次。

学生以土壤湿度传感器、温度传感器和光照度传感器作为数据采集端，以LED灯和蜂鸣器作为声光报警提示器，以安卓手机作为数据接收端，构建自动浇花装置。在自动浇花装置通电并连接手机蓝牙成功之后，学生对两个土壤湿度不同的花盆进行测试。当土壤湿度传感器采集数值低于300（含300），该装置定义环境状态为干燥，此时LED红灯发光，蜂鸣器报警，继电器闭合，水泵接通，开始抽水。当土壤传感器采集到的数值高于300，装置定义环境湿度适中，此时LED红灯熄灭，蜂鸣器停止发声，继电器断开，水泵断电，停止抽水。当光照度传感器采集数值低于350，LED黄灯亮，提示植物所处环境的光线较暗。

（四）成果汇报

2022年9月，都匀二中举办了“高考综合改革研究性学习课题及成果校级汇报活动”。该活动全程由学生主持，25个研究性学习小组依次汇报学习成果。

从初步认识传感器到学习传感器的工作原理，再到应用传感器，在学生研究性学习过程中，教师没有说教，而是引导学生参与自动浇花装置制作活动，让学生在“做中学，学中用”。

研究性学习是一种学习形式——学生像科学家一样研究与学习。以“学会学习、学会创造”为根本，教师组织学生参与研习活动，有利于促进学生综合实践能力、情感体验、科学态度和价值观的发展。这种实践活动没有统一的大纲与考试，却有丰富多彩的成果展示与交流，它充满乐趣，富有挑战性。高中物理教师利用传感器智能、灵敏、精确度高等特性教学，可以突破传统实验教学中器材的限制。学生在探究实验中巧妙利用传感器，可以使数据更精确，让实验结论更有“说服力”。教师合理利用信息科技产品结合物理学科知识开展实验教学大有裨益：一方面，有利于加深学生对学科知识的理解与掌握；另一方面，有利于提升学生的创新意识与动手实践能力。

注：本文系黔南民族师范学院教育质量提升工程项目“基于‘贵州省普通本科专业评估指标体系’下的人才培养模式研究——以物联网工程专业为例”（编号：2022SJG005）的研究成果。

参考文献

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[2] Ugur S. Using the Arduino for the experimental determination of a friction coefficient by movement on an inclined plane[J].Physics Education，2019（3）：1-7.

[3] Salar R. An Arduino-Based Experiment Designed to Investigate Gas Pressure[J]. The Physics Teacher，2021（3）：1-4.

[4] Calin G. An Arduino Investigation of the RC Circuit[J].The Physics Teacher，2015（5）：1-5.

[5] Keith A. An Arduino-based experiment designed to clarify the transition to total internal reflection[J]. Physics Education，2018（2）：1-9.

[6] Buachoom A， Thedsakhulwong A， Wuttiprom S. An Arduino board with ultrasonic sensor investigation of simple harmonic motion[J].Journal of Physics： Conference Series，2019，1380：1-5.

[7] 陳清.一款适合菜鸟级创客应用的开发软件——Linkboy[J].中国信息技术教育，2018（19）：82-84.

[8] 陈清.Linkboy图形化编程在职业技术教学的优势分析[J].电子制作，2020（24）：60-61.

[9] 张海生.基于Arduino和App Inventor2的智能灯的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2020（14）：56-58.

[10]季荣臻.小学科学数字化教学策略的运用[J].中小学数字化教学，2022（7）：11-14.

（作者潘文术系黔南民族师范学院研究生；廖喜龙系贵州省黔南布依族苗族自治州都匀二中高级教师；罗文兴系黔南民族师范学院教授，本文通信作者）

责任编辑：祝元志