高中物理研究性學習活動的設計與實施

潘文術　廖喜龍　羅文興

新高考綜合改革背景下，為加深學生對傳感器的認識、提高學生應用傳感器的能力、豐富高中物理教學方式，筆者對Arduino平臺的開源硬件、相應的傳感器和物理學科內容進行整合，以“多功能自動澆花裝置的研制”為例，設計并開展高中物理研究性學習活動。

一、推進研究性學習是課程改革之需

在《普通高中課程方案（2017年版2020年修訂）》中，綜合實踐活動被列為國家課程，是必修內容，其中研究性學習占6個學分。每個學生必須完成2個課題研究或項目設計任務。研究性學習是理論與社會、科學和生活實際相聯系的全新學習領域。學生參與研究性學習活動有利于落實“關注社會生活，積極參與社會實踐”的要求，有利于學習基本的研究方法，有利于養(yǎng)成良好的科學態(tài)度與責任。學生參與研究性學習活動，就是參與社會實踐。對學生而言，研究性學習將改變他們的學習觀念和學習方式。教師可將研究性學習貫穿于課堂內外，在課堂上充分發(fā)揮學生的主觀能動性，讓他們大膽想象、敢于提問、深入思考，積極參與各種課外研習活動。

如何有效引導高中學生參與研究性學習活動，是值得思考的問題。為探究開展研究性學習活動的有效路徑，筆者結合人教版《普通高中教科書物理選擇性必修第二冊》中的傳感器相關知識，按照《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）對傳感器內容的要求“了解常見傳感器的工作原理；會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置……”，嘗試將Arduino、傳感器和藍牙模塊等融入研究性學習活動當中，闡述基于Arduino的“多功能自動澆花裝置”的設計與制作方法，讓學生親身實踐，逐步養(yǎng)成“做中學，學中用”的良好習慣。

二、電子互動平臺適于開展研究性學習活動

Arduino是基于單片機系統開發(fā)的電子互動平臺，具有使用簡單、功能多樣、價格低廉等優(yōu)點^[1]。Arduino被廣泛應用于物理領域：在力學方面，烏古爾·薩里利用Arduino研究了物體運動時的摩擦系數；在熱學方面，撒拉·里扎利用Arduino研究了氣體壓強、溫度和體積之間的關系；在電學方面，卡林·加萊里烏利用Arduino研究了電容器的充電與放電；在光學方面，基思·阿特金利用Arduino研究了光的反射；布阿喬姆等人利用Arduino研究了力學領域簡諧運動。筆者在充分挖掘教材、研讀課標的基礎上，引導學生利用Arduino開源硬件和傳感器設計“自動澆花裝置”。在Arduino的支持下，學生能夠運用物理學科知識，創(chuàng)新設計、制作一些簡單的裝置，在研習過程中運用物理知識解決實際問題。

三、研究性學習活動的設計與實施

（一）自動澆花裝置的設計

1.系統設計

自動澆花裝置主要由Arduino Uno單片機、傳感器、藍牙模塊和App構成（如圖1）。Arduino單片機主要用于收集、處理信息，實現報警功能；藍牙HC-06模塊主要用于接收和發(fā)送信息，將環(huán)境參數傳至App；App主要用于接收和顯示信息，支持學生隨時查看溫度傳感器和光照度傳感器顯示的溫度值和光照度值。

Arduino硬件平臺可以兼容多種編程環(huán)境（如Linkboy）實現圖形化編程。土壤濕度傳感器的輸出數值隨土壤周圍環(huán)境濕度變化而變化，即土壤濕度升高，引腳模擬電壓升高，反之減小。光照傳感器可以感應環(huán)境的光照度，光照度越高，輸出電壓越低，反之電壓越高。DS18b20溫度傳感器測溫范圍在-55 ℃至125 ℃，它能直接輸出數字量。

2.電路設計

筆者以Linkboy平臺作為Arduino的編程環(huán)境。它具有以下特點：一是內置硬件連線界面，支持元器件級別的實物連接和操作模擬及面向對象的全中文圖形化編程，適合中國人邏輯思維；二是內置仿真功能，不需要硬件，仿真效果直觀。學生可以根據需要下載Linkboy軟件，按照自動澆花裝置電路（如圖2），將Arduino UNO、土壤濕度傳感器、光照度傳感器、溫度傳感器、繼電器、藍牙HC-06、蜂鳴器、LED燈等連接起來。

3.程序設計

與文本語言編程不同，Linkboy平臺采用圖形化編程方式對Arduino進行程序設計。圖形化編程比以往的文本編程簡便很多，有利于物理教師開展一些創(chuàng)新實驗。根據電路原理圖和自動澆花裝置的功能需要，學生在教師指導下設計了自動澆花裝置控制程序（如圖3）。

（二）手機藍牙App的開發(fā)與設計

筆者利用App Inventor平臺，開發(fā)演示實驗中的手機藍牙App。該平臺支持可視化制作安卓應用程序。學生用圖形化編程的方式自主開發(fā)藍牙App，并將其作為自動澆花裝置的數據接收端，可以實時查看環(huán)境中的溫度值和光照度值。設計藍牙App分兩步：先在App Inventor界面上進行組件設計，再在界面上進行邏輯設計。

1.組件設計

學生可以根據需要完成組件設計，生成特定風格的藍牙App界面。學生登錄App Inventor界面，在“組件面板”中的“用戶界面”和“界面布局”選取所需要的各種文本框，然后在“工作面板”進行排布，在“組件屬性”中修改各種文本框的屬性。學生在“組件設計”下面設計藍牙App界面（如圖4）。

2.邏輯設計

邏輯設計：學生根據數據傳輸需要進行相應的編程。邏輯設計是制作藍牙App的關鍵一步，關乎采集端和用戶手機之間數據的有效傳輸。學生首先對藍牙客戶端的地址和名稱列表進行初始化，然后創(chuàng)建變量來儲存接收到的數據。藍牙模塊接收與發(fā)送數據時，分別以“a”和“b”隔開發(fā)送光線強度值和溫度值，接收端同樣以“a”和“b”隔開接收光線強度值和溫度值。在邏輯設計中，學生以圖形化編程方式設計藍牙App程序（如圖5）。學生完成組件設計和邏輯設計后，在App Inventor界面上直接打包，生成APK文件，并將其安裝到安卓手機上。

（三）自動澆花裝置的組裝與測試

學生按照電路原理圖組裝自動澆花裝置，并用亞克力板固定Arduino平臺和各種傳感器。自動澆花裝置和藍牙HC-06模塊通電后，在未連接狀態(tài)下，顯示燈高頻率閃爍，等待學生打開手機中的藍牙App與藍牙模塊連接。連接成功后（如圖6），藍牙模塊指示燈隔2 s閃爍一次。

學生以土壤濕度傳感器、溫度傳感器和光照度傳感器作為數據采集端，以LED燈和蜂鳴器作為聲光報警提示器，以安卓手機作為數據接收端，構建自動澆花裝置。在自動澆花裝置通電并連接手機藍牙成功之后，學生對兩個土壤濕度不同的花盆進行測試。當土壤濕度傳感器采集數值低于300（含300），該裝置定義環(huán)境狀態(tài)為干燥，此時LED紅燈發(fā)光，蜂鳴器報警，繼電器閉合，水泵接通，開始抽水。當土壤傳感器采集到的數值高于300，裝置定義環(huán)境濕度適中，此時LED紅燈熄滅，蜂鳴器停止發(fā)聲，繼電器斷開，水泵斷電，停止抽水。當光照度傳感器采集數值低于350，LED黃燈亮，提示植物所處環(huán)境的光線較暗。

（四）成果匯報

2022年9月，都勻二中舉辦了“高考綜合改革研究性學習課題及成果校級匯報活動”。該活動全程由學生主持，25個研究性學習小組依次匯報學習成果。

從初步認識傳感器到學習傳感器的工作原理，再到應用傳感器，在學生研究性學習過程中，教師沒有說教，而是引導學生參與自動澆花裝置制作活動，讓學生在“做中學，學中用”。

研究性學習是一種學習形式——學生像科學家一樣研究與學習。以“學會學習、學會創(chuàng)造”為根本，教師組織學生參與研習活動，有利于促進學生綜合實踐能力、情感體驗、科學態(tài)度和價值觀的發(fā)展。這種實踐活動沒有統一的大綱與考試，卻有豐富多彩的成果展示與交流，它充滿樂趣，富有挑戰(zhàn)性。高中物理教師利用傳感器智能、靈敏、精確度高等特性教學，可以突破傳統實驗教學中器材的限制。學生在探究實驗中巧妙利用傳感器，可以使數據更精確，讓實驗結論更有“說服力”。教師合理利用信息科技產品結合物理學科知識開展實驗教學大有裨益：一方面，有利于加深學生對學科知識的理解與掌握；另一方面，有利于提升學生的創(chuàng)新意識與動手實踐能力。

注：本文系黔南民族師范學院教育質量提升工程項目“基于‘貴州省普通本科專業(yè)評估指標體系’下的人才培養(yǎng)模式研究——以物聯網工程專業(yè)為例”（編號：2022SJG005）的研究成果。

參考文獻

[1] 蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012（16）： 155-157.

[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.一款適合菜鳥級創(chuàng)客應用的開發(fā)軟件——Linkboy[J].中國信息技術教育，2018（19）：82-84.

[8] 陳清.Linkboy圖形化編程在職業(yè)技術教學的優(yōu)勢分析[J].電子制作，2020（24）：60-61.

[9] 張海生.基于Arduino和App Inventor2的智能燈的設計與實現[J].電子技術與軟件工程，2020（14）：56-58.

[10]季榮臻.小學科學數字化教學策略的運用[J].中小學數字化教學，2022（7）：11-14.

（作者潘文術系黔南民族師范學院研究生；廖喜龍系貴州省黔南布依族苗族自治州都勻二中高級教師；羅文興系黔南民族師范學院教授，本文通信作者）

責任編輯：祝元志