欒江峰 陳 璇 袁劍鋒

北京師范大學(xué)珠海分校 廣東珠海 519087

Arduino開源平臺(tái)應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

欒江峰 陳 璇 袁劍鋒

北京師范大學(xué)珠海分校 廣東珠海 519087

針對(duì)現(xiàn)有大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)踐聯(lián)系不緊密的問題，以光學(xué)中三原色混色實(shí)驗(yàn)為例，提出了一種Arduino開源平臺(tái)應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方案。利用開源硬件中的各類傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生深化對(duì)物理知識(shí)實(shí)踐運(yùn)用的理解。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置改造并再次應(yīng)用于實(shí)踐，有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，助力創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

物理實(shí)驗(yàn)；Arduino；三原色

物理學(xué)是現(xiàn)代工程技術(shù)的基礎(chǔ)，物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)工科學(xué)生堅(jiān)實(shí)物理基礎(chǔ)、出色科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰陀掠趧?chuàng)新精神的優(yōu)良載體。我國傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的是基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能“三基”教學(xué)理念和“力、熱、電、光”的實(shí)驗(yàn)課程體系。此種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已成功地培養(yǎng)了大量優(yōu)秀的服務(wù)型人才，但是我國當(dāng)前正處于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型時(shí)期，人才培養(yǎng)上要實(shí)現(xiàn)服務(wù)型向創(chuàng)新型的轉(zhuǎn)變。［1-3］現(xiàn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大部分為源于經(jīng)典物理的一系列驗(yàn)證性和仿效性測量實(shí)驗(yàn)，與工程技術(shù)之間的聯(lián)系不緊密，存在一定的基礎(chǔ)與實(shí)踐相脫節(jié)的現(xiàn)象，不利于培養(yǎng)學(xué)生興趣及啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此有必要對(duì)現(xiàn)行的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。

本文對(duì)Arduino在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了一些探索。從工科物理的特點(diǎn)出發(fā)，將一些應(yīng)用方面的知識(shí)通過傳感器加入物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。打通基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的通道，使低年級(jí)學(xué)生能夠快速掌握以單片機(jī)為代表的簡單電子實(shí)用技能，培養(yǎng)學(xué)生的興趣，為其基礎(chǔ)課知識(shí)的鞏固、后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)以及創(chuàng)新能力的提高奠定良好基礎(chǔ)。

1 Arduino應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)可行性分析

Arduino是一系列基于單片機(jī)的人機(jī)互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)，目前已被廣泛用于各類機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽，其在高校教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用也得到了國內(nèi)學(xué)者的廣泛重視。［4，5］與傳統(tǒng)單片機(jī)相比，Arduino具有如下主要特點(diǎn)。［6，7］

1.1 硬件模塊豐富 使用方式簡便

Arduino的硬件平臺(tái)包括基于AVR單片機(jī)的主控板以及各式輸入/輸出模塊。使用者不需要了解主控板的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，只需知道各個(gè)端口的作用即可開始使用。硬件連接方式上可以不用焊接，只需用面包板插線即可輕松實(shí)現(xiàn)電路搭建，大大方便了學(xué)生在課堂上對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的修改、擴(kuò)展及課程結(jié)束后器件的回收與重復(fù)使用。

1.2 程序語言簡潔易懂 初學(xué)者上手速度快

Arduino具有一套基于C++的程序開發(fā)語言和環(huán)境，并有大量的庫文件可以通過互聯(lián)網(wǎng)免費(fèi)獲得，大大簡化了程序開發(fā)工作。使用者不需要精通計(jì)算機(jī)編程，只需按照硬件的邏輯工作順序，寫出相應(yīng)的控制程序，即可實(shí)現(xiàn)所需的功能。低年級(jí)學(xué)生尚未進(jìn)行C語言課程的學(xué)習(xí)，不具備很強(qiáng)的編程能力，但只需掌握Arduino少數(shù)幾個(gè)指令，配合軟件自帶的庫文件與樣例程序，即可開始快速應(yīng)用。

1.3 開源平臺(tái)價(jià)格低廉 硬件軟件易得易用

由于其開源特點(diǎn)，Arduino控制板硬件的價(jià)格十分低廉，并有大量的配套模塊。程序編譯軟件可免費(fèi)下載獲得。使用者可以方便地獲得基本的硬件與軟件，開始自己的創(chuàng)作。此外，互聯(lián)網(wǎng)上有關(guān)Arduino的共享資源眾多，使用者可以通過對(duì)資源的整合，提高自己的創(chuàng)作效率。

以上3個(gè)特點(diǎn)使Arduino應(yīng)用于物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為可能。低廉的成本使其容易進(jìn)行大規(guī)模的推廣。極強(qiáng)的易用性使得低年級(jí)學(xué)生通過簡單的學(xué)習(xí)就可搭建出自己的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自己的想法，提高學(xué)習(xí)興趣。

2 Arduino應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

基于Arduino的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)先利用6課時(shí)（可根據(jù)總課時(shí)量與考核難度要求適當(dāng)增減）進(jìn)行Arduino基礎(chǔ)知識(shí)的集中講授。隨后通過分組的方式繼續(xù)進(jìn)行，要求學(xué)生完成以下三方面的內(nèi)容。

2.1 傳感模塊設(shè)計(jì)制作

物理學(xué)知識(shí)在工程實(shí)踐中的最直接應(yīng)用即為各種類型的傳感器。在眾多力、熱、聲、光、電傳感器中大部分都是基于各種物理學(xué)原理制作的，如超聲波傳感器利用了聲波在空氣中的傳播來測量距離；光敏電阻利用電阻的變化反應(yīng)外界的光強(qiáng)變化等。這一環(huán)節(jié)要求學(xué)生制作若干基于Arduino的傳感器模塊，為后續(xù)綜合性實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。以光敏電阻為例，圖1為基于光敏電阻的光強(qiáng)探測模塊接線圖。光敏電阻的阻值會(huì)隨外界光強(qiáng)而變化，當(dāng)光線較弱時(shí)，其阻值約為12 M Ω；在較亮環(huán)境中其阻值可減小至5 MΩ左右。用一固定阻值的電阻與光敏電阻串聯(lián)，兩端施加5 V電壓，利用電學(xué)中的分壓原理，中間點(diǎn)的電壓將在0～5 V范圍內(nèi)隨環(huán)境光強(qiáng)變化。將該點(diǎn)接入Arduino控制板ANALOG IN區(qū)域中A0～A5任一管腳，即可得到一在0～1023范圍內(nèi)隨外界環(huán)境光強(qiáng)變化的變量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光強(qiáng)的傳感，同時(shí)也可作為控制模塊用于后續(xù)綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

圖1 基于光敏電阻的光強(qiáng)傳感器接線圖

實(shí)驗(yàn)電路及結(jié)果如圖2所示，由串口監(jiān)視器可觀察到反饋值隨光強(qiáng)而變化。

圖2 光敏電阻傳感模塊電路及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過本環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，學(xué)生會(huì)對(duì)物理知識(shí)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用建立直觀的認(rèn)識(shí)，一方面可鞏固物理學(xué)理論知識(shí)，另一方面也拓展了視野。

2.2 基于傳感模塊的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

這一部分要求學(xué)生利用之前制作的各種模塊，設(shè)計(jì)出1～2項(xiàng)物理演示或探究實(shí)驗(yàn)。下面以光學(xué)中的三原色混色演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例說明。

物體顯色原理分三原色加色與減色兩種，日常生活與工業(yè)生產(chǎn)中自發(fā)光物體的顯色普遍遵循加色原理。專業(yè)的加色混色實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜，使用不便，不利于課堂教學(xué)演示。Arduino控制板簡單的硬件連線與通俗易懂的程序語言可以方便地做出三原色混色演示裝置。實(shí)驗(yàn)采用彩色LED盤（包含7個(gè)RGB LED）作為顯色器件。每個(gè)RGB LED內(nèi)部含有紅、綠、藍(lán)3個(gè)單色LED，通過輸入電壓的大小分別控制每個(gè)單色LED的亮度，可以混合出常見的各種顏色。傳統(tǒng)的混色實(shí)驗(yàn)中每種原色的亮度由實(shí)驗(yàn)者手動(dòng)控制，本實(shí)驗(yàn)則通過3種傳感器分別控制3種原色的亮度，裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 三原色混色實(shí)驗(yàn)演示裝置

實(shí)驗(yàn)使用光強(qiáng)、溫度、超聲波3個(gè)傳感模塊分別控制紅、綠、藍(lán)三種顏色的亮度。每一個(gè)傳感器將測量數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)收到數(shù)據(jù)的大小輸出一成比例的電壓至RGB LED相應(yīng)顏色的引腳，實(shí)現(xiàn)三原色的混色顯示。

該裝置既可實(shí)現(xiàn)混色實(shí)驗(yàn)的直觀演示，也可通過串口監(jiān)視器對(duì)三原色進(jìn)行定量研究。通過傳感器反饋的數(shù)值可以看到構(gòu)成常見顏色的三原色比例為多少。學(xué)生在制作這一演示裝置的過程中，用到聲、光、電等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，能很好地鍛煉其知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

2.3 對(duì)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步思考

該部分屬于物理實(shí)驗(yàn)課程的延伸部分，旨在進(jìn)一步開闊學(xué)生的思維。要求學(xué)生將上一步所制作的實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)完善，并提出1～2種改進(jìn)后裝置在實(shí)踐中的應(yīng)用方案。仍以三原色混色實(shí)驗(yàn)為例：作為物理實(shí)驗(yàn)教具，混色實(shí)驗(yàn)裝置是通過前端傳感數(shù)值的變化研究后端LED色彩變化；在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可作逆向思維，通過后端色彩的變化反映前端傳感器所處環(huán)境的變化。例如，將前端3種傳感模塊更換為溫度、濕度及氣體顆粒物傳感器，該裝置即變?yōu)橐槐O(jiān)測環(huán)境空氣質(zhì)量的檢測儀?？諝獾臏囟?、濕度及污染物濃度分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三原色的強(qiáng)度，通過LED色彩的變化，可直觀顯示空氣質(zhì)量及狀態(tài)的變化。在主控板上配以GSM、藍(lán)牙等數(shù)據(jù)傳遞模塊，可用于工業(yè)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控或智能家居。更換不同種類的前端傳感模塊，可制作出多種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)與家庭生活的檢測儀器。

2.4 實(shí)驗(yàn)考核方式

課程的考核由三部分組成：第一部分為傳感器中的物理知識(shí)考核，可采用試卷形式實(shí)施。第二部分為以小組為單位的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力考核，通過制作實(shí)驗(yàn)裝置、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、提出應(yīng)用方案考察學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及創(chuàng)新能力。第三部分為可選部分，在課時(shí)量允許的情況下，可組織學(xué)生對(duì)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行答辯，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，提高其綜合素質(zhì)。

2.5 對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)作用

2.5.1 夯實(shí)基本理論知識(shí)

通過開源平臺(tái)中的各類傳感器、控制裝置、模數(shù)電路，將“力、熱、聲、光、電”等物理知識(shí)在工程中的實(shí)踐引入課堂，加深學(xué)生對(duì)基本理論的理解與掌握。開源平臺(tái)的使用還可有效避免“填鴨式”的理論教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)活學(xué)活用。

2.5.2 激發(fā)學(xué)習(xí)熱情與動(dòng)力

開源平臺(tái)為學(xué)生的奇思妙想提供了一種方便的驗(yàn)證手段，能有效激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生在課堂上的創(chuàng)新性想法還可作為其今后畢業(yè)設(shè)計(jì)的候選題目，待其專業(yè)知識(shí)完善后再付諸實(shí)踐，可顯著的提高學(xué)生后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)的目的性與規(guī)劃性。

2.5.3 提升創(chuàng)新實(shí)踐能力

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，從低年級(jí)開始培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。從實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)到搭建到改進(jìn)，學(xué)生的獨(dú)立思考能力、搜集資料能力、創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力都可得到有效的鍛煉。要求學(xué)生利用平臺(tái)完成實(shí)物制作，還可培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實(shí)、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，避免創(chuàng)新能力流于紙面形式。

3 結(jié)束語

將新興的Arduino開源平臺(tái)融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以光學(xué)混色實(shí)驗(yàn)為例，闡述了教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施方案。通過正向思維，引導(dǎo)學(xué)生利用工程實(shí)踐中的各類傳感器設(shè)計(jì)物理演示探究實(shí)驗(yàn)。通過逆向思維，引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)化改造為可應(yīng)用于實(shí)際的檢測儀器。本學(xué)院的教學(xué)實(shí)踐表明，該模式在鞏固知識(shí)技能的同時(shí)有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，為物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革提供了一條新思路。

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Research on Arduino Application in College Physics Experiment Teaching

Luan Jiangfeng， Chen Xuan， Yuan Jianfeng
Beijing Normal University Zhuhai， Zhuhai， 519087， China

Considering the disjunction between the college physics experiment teaching and engineering practice， one kind of teaching scheme with Arduino is proposed， taking color mixing experiment as an example. The physics experiment is designed and carried out using sensor modules in Arduino， which is helpful to improving cognition of physical knowledge application. The divergent thinking can be trained through the modifcation of experimental device， which is benefcial to the cultivation of innovative talents .

physics experiment； Arduino； three primary colors

2015-05-05

欒江峰，博士，副教授，工業(yè)設(shè)計(jì)系主任。

北京師范大學(xué)珠海分校質(zhì)量工程項(xiàng)目（編號(hào)：201439）。