康 順

(上海市浦東模范中學(xué)東校 上海 201209)

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力是科學(xué)學(xué)科最重要的育人目標(biāo)之一，也是教師認(rèn)為比較難落實(shí)的教學(xué)任務(wù).科學(xué)探究能力的培養(yǎng)不同于科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)那樣容易直接傳授，換句話說(shuō)，科學(xué)探究能力是一種綜合性較強(qiáng)的能力，不可能用同一個(gè)范式進(jìn)行講解，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐體驗(yàn)來(lái)內(nèi)化.這就意味著，教師需要通過(guò)不同的課堂表現(xiàn)形式，融合現(xiàn)代化技術(shù)手段作為有效支撐，細(xì)化教學(xué)過(guò)程、加強(qiáng)點(diǎn)撥指導(dǎo)、總結(jié)提煉后才能讓學(xué)生逐漸形成科學(xué)探究思想.通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，教師對(duì)科學(xué)探究能力所持的觀點(diǎn)十分復(fù)雜.一般來(lái)說(shuō)，人們對(duì)科學(xué)探究能力通常持有以下觀點(diǎn)，科學(xué)探究能力是過(guò)程技能的集合，科學(xué)探究能力是科學(xué)方法的集合，科學(xué)探究能力是要素化的能力，科學(xué)探究能力是科學(xué)思維和科學(xué)推理能力，科學(xué)探究能力是問(wèn)題解決能力和科學(xué)探究式整體性能力等6類觀點(diǎn)[1].

教育現(xiàn)代化是助推科學(xué)教育深層次變革的重要?jiǎng)恿?，其核心要素是促進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合.目前，以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等為代表的現(xiàn)代新興技術(shù)正在與日常教學(xué)密切銜接.全世界的新興技術(shù)正抓緊發(fā)展浪潮，瞄準(zhǔn)教育信息化產(chǎn)業(yè)，研發(fā)了一大批新技術(shù)應(yīng)用.這為一線教師帶來(lái)了整合技術(shù)與應(yīng)用的可能性[2].科學(xué)教育工作者是教育信息化的排頭兵，也無(wú)時(shí)無(wú)刻不在感受到多元化的信息技術(shù)帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，這便是教師和學(xué)習(xí)者可以參與創(chuàng)新教育資源建設(shè).一般來(lái)說(shuō)，創(chuàng)新型的教師都具備以下3個(gè)主要特征：創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新行動(dòng)、創(chuàng)新素質(zhì).創(chuàng)新意識(shí)是指教師具有豐富的想象力和強(qiáng)烈的好奇心，對(duì)新鮮事物有強(qiáng)烈的探究意識(shí)；創(chuàng)新行動(dòng)是指教師具備實(shí)踐創(chuàng)新能力，能夠在教育教學(xué)的實(shí)踐過(guò)程中打破常規(guī)、創(chuàng)造性地解決學(xué)科問(wèn)題；創(chuàng)新素質(zhì)是指擁有扎實(shí)的科學(xué)研究素養(yǎng)，自主自覺地對(duì)自身的專業(yè)實(shí)踐進(jìn)行重構(gòu).在溫·哈倫編著的《以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育》一書中確定了科學(xué)教育的指導(dǎo)原則，以及10個(gè)科學(xué)知識(shí)中的大概念和4個(gè)有關(guān)科學(xué)本身及其應(yīng)用方面的大概念.所謂大概念是指在一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中最精華、最有價(jià)值的學(xué)科內(nèi)容.科學(xué)學(xué)科是認(rèn)識(shí)客觀世界和解釋自然現(xiàn)象的學(xué)科[3].自然現(xiàn)象具有多樣性，因此它的研究方法也并不是一成不變的.教師可以采取不同的研究方法和實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)科學(xué)解釋進(jìn)行解釋和驗(yàn)證.科學(xué)理論模型能表達(dá)自然現(xiàn)象與環(huán)境變量之間的關(guān)系，因此具有認(rèn)識(shí)客觀世界和解釋自然現(xiàn)象的功能.教師如果能幫助學(xué)生構(gòu)建起科學(xué)模型，將有助于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知、科學(xué)探究能力和科學(xué)情感、態(tài)度和價(jià)值觀等方面的發(fā)展，有助于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

下文將介紹借助Arduino開源電子平臺(tái)，探究并驗(yàn)證空氣中的聲速與溫度之間的關(guān)系，建立起數(shù)學(xué)模型著力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新精神.

上教版八年級(jí)物理(上冊(cè))教材第一章中提到了聲現(xiàn)象，主要介紹了聲波的產(chǎn)生和傳播以及聲音的特征.其中，關(guān)于聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，如“聲音在15 ℃空氣中的傳播速度是340米/秒”.若教師將其直接作為客觀規(guī)律教授給學(xué)生，學(xué)生便無(wú)法真正理解數(shù)據(jù)的含義，也不會(huì)知道這個(gè)數(shù)據(jù)是如何得來(lái)的.如果教師想通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，常常又因?yàn)闆]有配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，極大阻礙了學(xué)生的好奇心和求知欲.

1 DS18B20溫度傳感器的工作原理及引腳說(shuō)明

如圖1所示，DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器，它具有3個(gè)引腳，GND(負(fù)極接口)、DQ(數(shù)據(jù)接收口)、VCC(正極接口).電壓范圍為3.0 V至5.5 V，測(cè)量溫度范圍為-55 ℃至+125 ℃ .在-10 ℃至+85 ℃范圍內(nèi)精度為±0.5 ℃，溫度傳感器可編程的分辨率為9至12位，為了獲得更可靠數(shù)據(jù)，可將溫度傳感器分辨率轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式，此時(shí)的分辨率為0.05 ℃，將延時(shí)750 ms后，獲得環(huán)境溫度數(shù)據(jù)并輸出.

圖1 DS18B20數(shù)字溫度傳感器

2 HC-SR04超聲波傳感器的工作原理及引腳說(shuō)明

如圖2所示，HC-SR04是一種超聲波測(cè)距模塊，可提供非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距范圍在2 cm～400 cm之間，測(cè)距精度可達(dá)到3 mm.模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路，共有4個(gè)引腳，GND(負(fù)極接口)、TRIG(數(shù)據(jù)輸入口)、ECHO(數(shù)據(jù)輸出口)、VCC(正極接口).

圖2 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距模塊的基本工作原理采用I/O接口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10μs的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回.若有信號(hào)返回，則通過(guò)I/O接口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，以此來(lái)計(jì)算距離.超聲波傳感器測(cè)距時(shí)，被測(cè)物體的面積不少于0.5 m2，且平面盡量要求平整，否則影響測(cè)量的結(jié)果.

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及注意事項(xiàng)

Arduino硬件平臺(tái)本質(zhì)上是一種以AVR系列微處理為核心的單片機(jī)開發(fā)板，具有13個(gè)數(shù)字I/O端口和 5 個(gè)模擬I/O端口，可以通過(guò)外接傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)各類物理量的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，由于應(yīng)用廣泛、用戶眾多，配套或兼容的傳感器和外接設(shè)備非常多，只要合理利用，完全可以實(shí)現(xiàn)中學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)所需要的各類功能．本實(shí)驗(yàn)采用Arduino UNO板作為數(shù)據(jù)采集器.接線方法如圖3所示，在測(cè)試環(huán)境范圍內(nèi)均勻放置4個(gè)DS18B20溫度傳感器(T1，T2，T3，T4)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度并取溫度平均值(T)以增加實(shí)驗(yàn)可信度.

圖3 控制板接線方法

Serial.print(" ; T1: ");

Serial.print(T1);

Serial.print(" ; T2: ");

Serial.print(T2);

Serial.print(" ; T3: ");

Serial.print(T3);

Serial.print(" ; T4: ");

Serial.print(T4);

Serial.print(" ; Average Temp: ");

float AverageTemp=(T1+T2+T3+T4)/4;

Serial.print(AverageTemp);

圖4 控制板和傳感器放置位置

for (int x = 0; x < 500; x++)

duration = duration * 0.0001;

vel = 2 * 60 / duration;

average = average + vel;

average = average / 500;

Serial.print(" ; Duration: ");

Serial.print(duration);

Serial.print(" ; Speed: ");

Serial.print(average);

Serial.println(" ; ");

在采集數(shù)據(jù)時(shí)，不可將超聲波測(cè)距傳感器放置在密封的容器內(nèi)，這樣會(huì)干擾距離數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度.此外，不應(yīng)使用取暖器快速升高溫度，這樣也會(huì)使數(shù)據(jù)偏差較大.在收集了平均溫度的數(shù)據(jù)后，我們將數(shù)據(jù)代入的理想表達(dá)式(1)求得聲速理論值v.

(1)

其中T0=273.15 K,v0=331.45 m/s.

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

圖5 聲速隨溫度變化的線性擬合圖

根據(jù)圖5可知，聲音在空氣中的傳播速度基本滿足y=0.61x+331.45函數(shù),隨著溫度的升高而增大，在一定范圍內(nèi)，溫度每升高1 ℃，聲速增加約0.61 m/s.教師可適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生嘗試使用粒子模型解釋原因.聲波的傳遞需要介質(zhì)，在空氣介質(zhì)中存在著數(shù)量巨大、體積微小的氣體分子，當(dāng)溫度升高時(shí)，氣體粒子間的間隙增大，表現(xiàn)為體積增大，加之溫度升高亦會(huì)使空氣粒子運(yùn)動(dòng)加劇，聲音的傳播速度自然增大.基于事實(shí)證據(jù)構(gòu)建的科學(xué)模型可以預(yù)測(cè)部分科學(xué)現(xiàn)象，從而可以讓學(xué)生推測(cè)出環(huán)境溫度為28 ℃時(shí)的聲速為多少，學(xué)生不難算出v=348.53 m/s了.

運(yùn)用事實(shí)證據(jù)進(jìn)行描述、解釋、預(yù)測(cè)和構(gòu)建模型，將數(shù)學(xué)思維運(yùn)用于科學(xué)探究的各個(gè)方面也是科學(xué)探究能力的表現(xiàn)形式.2013年4月，《美國(guó)下一代的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》(NGSS)發(fā)布，而NGSS是以《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨領(lǐng)域概念和核心概念》為藍(lán)圖編制的.NGSS的出臺(tái)不僅標(biāo)志著美國(guó)新一輪科學(xué)教育改革正式拉開帷幕，而且還在世界科學(xué)教育領(lǐng)域掀起了關(guān)注熱潮，引領(lǐng)了國(guó)際科學(xué)教育的研究方向.美國(guó)教育者提出了美國(guó)基礎(chǔ)教育階段學(xué)生在科學(xué)探究能力應(yīng)有的發(fā)展目標(biāo)[4].如果將1996年版的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》與2013版的《下一代的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)，美國(guó)對(duì)探究能力的要求在不斷提高，將科學(xué)探究能力定位在技能的綜合運(yùn)用上.基于《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨領(lǐng)域概念和核心概念》視域?qū)ι鲜鰧?shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行比對(duì)，學(xué)生可以得到如表1所示的相關(guān)概念基礎(chǔ)框架.

表1 本實(shí)驗(yàn)在NGSS視域下的基礎(chǔ)框架

5 結(jié)束語(yǔ)

身為一線教師都有以下體會(huì)，學(xué)生都喜歡那些熟練掌握信息技術(shù)的老師，也崇拜那些善于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的老師.一名能適應(yīng)信息社會(huì)發(fā)展不斷探索教育技術(shù)、善于合作的教師培養(yǎng)出的學(xué)生肯定能適應(yīng)這個(gè)新時(shí)代！聲現(xiàn)象貼近學(xué)生日常生活，因此聲學(xué)是初中科學(xué)教學(xué)中較易被接受的科學(xué)概念之一.教師應(yīng)把握住良機(jī)，進(jìn)行一些有必要、有深度的拓展型實(shí)驗(yàn)探究，避免照搬書本上的概念和實(shí)驗(yàn)結(jié)論.教師應(yīng)在學(xué)生知其然的基礎(chǔ)上，順?biāo)浦圩寣W(xué)生知其所以然，以此培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

本文所述的實(shí)驗(yàn)不但很好地發(fā)揮了低成本實(shí)驗(yàn)器材的價(jià)值.同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)還巧妙地運(yùn)用了Arduino作為數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器，避免讓學(xué)生參與機(jī)械式的數(shù)據(jù)收集過(guò)程，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟，而且也能讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)建立數(shù)學(xué)模型的必要性，感受實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要性.