借助開源硬件制作教具

李劍

〔摘? ? 要〕? 本文基于小學(xué)科學(xué)部分實驗教具存在的操作煩瑣、數(shù)據(jù)誤差大、不便于觀察等問題，借鑒教材實驗的原理，以開源硬件Arduino、傳感器、觸摸屏等為硬件構(gòu)造，通過圖形化編程軟件mind+，實現(xiàn)軟硬件實時互聯(lián)，從而有效提升科學(xué)探究活動的有效性，更好地完成教學(xué)目標(biāo)。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；開源硬件；圖形化編程；自制教具

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標(biāo)識碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號〕? 1674-6317? （2023）? 11-0004-03

《教育部關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》（以下簡稱《意見》）明確指出：注重加強實驗教學(xué)與多學(xué)科融合教育、編程教育、創(chuàng)客教育、人工智能教育、社會實踐等有機融合……開展優(yōu)秀自制教具評選，鼓勵教師自制實驗教具。2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)需要，本著科學(xué)合理、安全可靠的要求開發(fā)實驗教具。集合開放、易用、資源豐富等優(yōu)點的開源硬件是教具開發(fā)的較好選擇。Arduino作為一款普及多學(xué)科融合教育、編程教育、STEAM創(chuàng)客教育、人工智能教育的開源智能硬件，有著豐富、完善的軟硬件開發(fā)平臺、技術(shù)資料、配件等。圖形化的編程工具，讓編程像“搭積木”一樣簡單，根據(jù)想完成的功能更直觀地完成程序搭建，即可實現(xiàn)所需的功能?；陂_源硬件進行教具的設(shè)計制作，可以創(chuàng)新教法學(xué)法，激發(fā)學(xué)生興趣，有效完成教學(xué)目標(biāo)，高效突破教學(xué)重難點。以教科版小學(xué)科學(xué)三年級下冊“物體的運動”單元第5課《比較相同距離內(nèi)運動的快慢》為例，學(xué)生通過前一節(jié)課觀察物體在斜面上運動情況的活動，留意到斜面上物體的運動有快有慢。本課將引導(dǎo)學(xué)生探究運動快慢的問題，借助時間、長度測量工具，使用“當(dāng)運動距離相同時，比較運動時間的長短”的方法，比較物體運動的快慢并能描述其運動速度的大小。教材中設(shè)計的實驗方法在實際教學(xué)中，會出現(xiàn)以下幾個問題：1.手動秒表計時，實驗數(shù)據(jù)誤差較大；2.普通斜面距離短，不適合實驗；3.使用2米左右長度的直線軌道笨重，搬動不方便；4.三年級學(xué)生計算能力較弱，對實驗數(shù)據(jù)的處理方法受到限制。為了解決以上問題，筆者基于開源硬件開發(fā)了探究比較相同距離內(nèi)運動快慢的創(chuàng)新教具——Arduino多功能計時器。

一、開源硬件在教具制作中的運用優(yōu)勢

在傳統(tǒng)比較相同距離內(nèi)運動快慢的探究活動中，學(xué)生應(yīng)用“相同距離比時間”的方法判斷物體運動快慢，用秒表，人工對乒乓球、木球分別在同一條軌道上相同距離內(nèi)運動所需的時間進行計時，用比較運動時間的方法來比較不同物體運動的快慢。此類傳統(tǒng)實驗，手動計時誤差大，所需要的軌道比較笨重，通常在2米左右。三年級學(xué)生因計算能力的限制，不會小數(shù)乘除法，在實驗數(shù)據(jù)的處理上，只能以取中間數(shù)的方式解決。以Arduino、傳感器、觸摸屏等開源電子設(shè)備為硬件的創(chuàng)新教具，很好地解決了傳統(tǒng)實驗中存在的人工計時誤差大、器材笨重、學(xué)生計算能力不足等問題。Arduino?是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。它通過各類各樣的傳感器來感知環(huán)境，經(jīng)過控制燈光、馬達和其余的裝置來反饋、影響環(huán)境。主板上的微控制器經(jīng)過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，刻錄進微控制器。各種圖形化編程軟件，如mind+、mixly等，讓編程像“搭積木”一樣簡單，適合一線教師電子硬件設(shè)計及編程的入門學(xué)習(xí)。

二、借助開源硬件制作教具

以Arduino、傳感器、觸摸屏等開源電子設(shè)備為硬件的創(chuàng)新教具Arduino多功能計時器，是以《比較相同距離內(nèi)運動的快慢》一課教學(xué)內(nèi)容為例，進行設(shè)計制作的。具體過程如下。

（一）教具設(shè)計思路及工作原理

1.教具設(shè)計思路

《比較相同距離內(nèi)運動的快慢》的傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計，是用秒表，人工對乒乓球、木球分別在同一條軌道上相同距離內(nèi)運動所需的時間進行計時。實驗中，一人發(fā)令一人操作一人計時的方式所獲得的數(shù)據(jù)誤差較大，因此通常通過延長軌道的方式減小誤差，但收效甚微。在數(shù)據(jù)的處理方面，學(xué)生因計算能力的限制不會求平均值。針對以上問題，以Arduino、傳感器、觸摸屏等開源電子設(shè)備為硬件進行教具開發(fā)，使用紅外傳感器，在被測物體運動到起點和終點時，精準(zhǔn)控制計時器的“開始”與“停止”。隨著計時精度的提高，軌道長度由2米縮短至1米，設(shè)計為折疊形，折疊收納后長度為0.5米，并能根據(jù)實驗需要，調(diào)整斜面的長度和高度，可供多個實驗使用，讓學(xué)生有豐富的探索機會。在程序編寫方面，利用mind+編寫自動記錄各次實驗數(shù)據(jù)，自動求出平均值，并實現(xiàn)軟硬件實時交互，將數(shù)據(jù)以柱形圖的形式呈現(xiàn)在觸摸屏上，更利于學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的比較分析。觸摸屏以簡潔的UI界面設(shè)計，操作簡單易懂，更符合當(dāng)代學(xué)生的使用習(xí)慣。

2.工作原理

以Arduino為核心，連接紅外傳感器、觸摸屏制成集成化的教具，再通過圖形化編程軟件mind+實現(xiàn)軟硬件的實時互動。設(shè)計手動計時、自動計時兩種模式，在自動計時模式下，被測物體運動到起點處時，紅外傳感器觸發(fā)計時器開始計時，當(dāng)物體運動到終點處時，紅外傳感器觸發(fā)計時器停止計時，觸摸屏顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)確認(rèn)本次數(shù)據(jù)有效時，進行第二次實驗，如本次數(shù)據(jù)無效，則重新實驗。當(dāng)實驗結(jié)束后，觸摸屏以柱形圖+數(shù)值的方式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)探究比較相同距離內(nèi)物體運動快慢的目的。

（二）教具制作材料與制作過程

1.教具制作所需材料

基礎(chǔ)材料：亞克力板、乒乓球、木球等

硬件：Arduino主板、紅外傳感器、觸摸屏、杜邦線

軟件：Mind+、mixly

2.教具制作過程

亞克力板制作長約1米的軌道及軌道支架，軌道支架可調(diào)整高度分別為10cm、15cm、20cm，以滿足不同斜面的需求。

測試紅外傳感器靈敏度，并設(shè)置檢測距離閾值。

Arduino?主板連接傳感器、觸摸屏等所需電子元件。編寫程序，使被測物體運動到起點處紅外傳感器時，觸發(fā)計時器開始計時，運動到終點處時，紅外傳感器觸發(fā)計時器停止計時。設(shè)計觸摸屏UI界面。

三、借助開源硬件自制教具教學(xué)案例

以Arduino計時器為例，介紹基于開源硬件的小學(xué)科學(xué)創(chuàng)新自制教具教學(xué)案例。

（一）教具使用方法

將教具水平放置于桌面，取出被測小球，調(diào)整坡度。打開電源，觀察觸摸屏是否正常顯示首頁，若顯示即表示計時器正常。

在首頁點擊“自動模式”，進入選擇頁面。

點擊測量“乒乓球”或“木球”，進入測試頁面。

如選擇測量“乒乓球”運動時長：

第一次測量，讓乒乓球從軌道頂端滾下，經(jīng)過起點處紅外傳感器時，計時器開始自動記錄乒乓球滾動的時間，觸摸屏顯示隨乒乓球運動所變化的時間數(shù)值；當(dāng)乒乓球經(jīng)過終點處紅外傳感器時，自動停止計時，觸摸屏記錄并顯示第一次乒乓球運動用時。

第二次測量，點擊“繼續(xù)”，重復(fù)第一次測量操作。當(dāng)自動停止計時，觸摸屏此時顯示第一次小球運動用時以及第二次小球運動用時。

第三次測量，點擊“繼續(xù)”，重復(fù)第二次測量操作。當(dāng)自動停止計時，觸摸屏此時顯示第一、二、三次小球運動用時。

測量“木球”運動時長，用木球按測量“乒乓球”運動時長進行操作。

測量結(jié)束后，觸摸屏以柱形圖+數(shù)值的方式顯示測量結(jié)果。

（二）實驗教學(xué)設(shè)計

1.回顧舊知，引出研究內(nèi)容

在上節(jié)課中，學(xué)生利用多功能斜面進行拓展研究——發(fā)現(xiàn)物體在不同高度的斜面上運動速度發(fā)生了變化。引出本課的研究內(nèi)容：運用比較運動時間的方法來比較運動的快慢。

2.研討交流，確定實驗方案

學(xué)生利用秒表計時，測量三次乒乓球在斜面上運動的時間，并記錄下來。

對比秒表和Arduino多功能計時器。學(xué)生發(fā)現(xiàn)人工秒表計時誤差大，數(shù)據(jù)難處理。順勢向?qū)W生介紹計時器，演示教具的使用方法。學(xué)生對比兩種計時方式精確度的差異，發(fā)現(xiàn)自動計時器使用方便、計時精準(zhǔn)的優(yōu)勢。

使用Arduino多功能計時器開展研究。學(xué)生掌握自動計時器使用方法后，分組進行實驗，測量乒乓球和木球在相同距離內(nèi)運動所需要的時間。

3.對比數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論

通過觀察分析觸屏上顯示的柱形圖及數(shù)值，得出實驗結(jié)論。

4.拓展研究，激發(fā)研究興趣

改變斜面的高度，測量乒乓球、木球在不同高度的斜面上運動的時間，結(jié)合柱形圖進行比較，發(fā)現(xiàn)物體運動快慢的變化規(guī)律，激發(fā)研究興趣。

四、教學(xué)效果分析

本課實驗借助時間測量工具，使用“當(dāng)運動距離相同時，比較運動時間的長短”的方法，比較物體運動的快慢，描述其運動速度的大小，因此運動時間的測量精準(zhǔn)度直接關(guān)系到實驗的成效。在三年級設(shè)置了2個班以6人小組的形式開展探究活動，其中一個班使用原有教具開展探究活動，另一個班使用創(chuàng)新教具開展探究活動。在教學(xué)實踐過程中，通過過程性評價、終結(jié)性評價，分別觀察記錄了各班人數(shù)、完成實驗平均用時、實驗成功組數(shù)、實驗記錄完成份數(shù)、拓展實驗完成組數(shù)等情況。

將使用原有教具與使用改進教具的兩個班級進行對比后發(fā)現(xiàn)，使用創(chuàng)新教具?Arduino多功能計時器的教學(xué)效果特別突出。兩個對比班級人數(shù)均為?48人，使用創(chuàng)新教具教學(xué)班級學(xué)生的各項觀察指標(biāo)數(shù)據(jù)，均高于或優(yōu)于使用原來教具教學(xué)班學(xué)生的指標(biāo)數(shù)據(jù)。使用創(chuàng)新教具教學(xué)的學(xué)生在探究過程中，完成實驗速度快、用時短，探究活動的有效性得到明顯提升。教師不僅完成了教學(xué)目標(biāo)，突破了教學(xué)重難點，還給學(xué)生提供了充足的時間和機會進行拓展研究。

五、實踐反思

基于開源硬件的自制教具緊跟時代步伐，符合多學(xué)科融合教育、編程教育、創(chuàng)客教育、人工智能教育的需求。開源硬件，教師易于習(xí)得，使用范圍廣，圖形化編程入門門檻低，程序編寫簡單直觀。自制教具的設(shè)計制作立足課堂教學(xué)需要，有效改進了教師的教法和學(xué)生的學(xué)法，實驗效果準(zhǔn)確直觀。針對該案例的反思如下。

（一）實驗高效精準(zhǔn)，有效提升了教學(xué)效率

針對課堂探究活動出現(xiàn)的問題進行設(shè)計、制作教具，再到課堂中進行檢驗?；陂_源硬件的自制創(chuàng)新教具，通過紅外傳感器控制計時器自動計時，精準(zhǔn)直觀地記錄物體的運動時間，程序自動計算數(shù)據(jù)的平均值，以柱形圖+數(shù)值的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，便于學(xué)生對比數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，提升了實驗效率，突破了教學(xué)重難點，培養(yǎng)了學(xué)生認(rèn)真細(xì)致、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

（二）創(chuàng)新教具帶動教學(xué)和學(xué)科的改變

自制創(chuàng)新教具在設(shè)計制作時就充分考慮到課堂教學(xué)需要，改進原有的教法和學(xué)法。在原有教具教學(xué)中，教師需要花費大量時間引導(dǎo)學(xué)生分析影響實驗的因素、解釋實驗不成功的原因。使用以開源硬件核心的創(chuàng)新教具后，教師只需組織學(xué)生研討交流確定實驗方案，明確注意事項。在探究過程中。適時對個別小組進行技術(shù)支持和方法指導(dǎo)便能完成教學(xué)目標(biāo)，突破教學(xué)重難點。此外，學(xué)生還可利用創(chuàng)新自制教具開展拓展探究，滿足學(xué)生個性化的探究需求。在使用創(chuàng)新教具過程中，學(xué)生積極參與，在獲取科學(xué)知識的同時，還學(xué)習(xí)、嘗試了更多種科學(xué)探究方法。

（三）感受科技的魅力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

學(xué)生在使用創(chuàng)新教具進行實驗的過程中，進一步了解了實驗原理，知道可以借助開源硬件、傳感器、編寫程序來提高科學(xué)探究的效率。使用創(chuàng)新教具優(yōu)化了實驗教學(xué)設(shè)計，學(xué)生在“收集證據(jù)”“處理信息”的過程中，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實證的科學(xué)思維，并且樂于嘗試運用多種方法完成科學(xué)探究，體會創(chuàng)新的樂趣，感受科技的魅力。

參考文獻

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