【摘 要】開(kāi)源硬件掌控板和各類傳感器結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確測(cè)量。很多物理量取值是連續(xù)變化的，本文基于模擬信號(hào)傳感器結(jié)合掌控板物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)斜面探究實(shí)驗(yàn)，將傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合開(kāi)源硬件及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)做出新的嘗試，能讓數(shù)據(jù)可視化。在設(shè)計(jì)制作本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，結(jié)合創(chuàng)客教育與STEM教育理念，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，更有趣的研究，更精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】模擬傳感器；掌控板；SloT；物聯(lián)網(wǎng)；斜面實(shí)驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】G434" 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2022）012-067-02

掌控板目前在中小學(xué)已經(jīng)成為主流的開(kāi)源硬件[1]。隨著創(chuàng)客教育的興起，STEM教育將逐步走入中小學(xué)，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，減少標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)和應(yīng)試教育在大家心中形成的共識(shí)[2]。物理作為中學(xué)科學(xué)領(lǐng)域中的一門(mén)重要課程，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)方式大多由教師上課時(shí)統(tǒng)一詳細(xì)講解，學(xué)生則按照教師要求或者固定實(shí)驗(yàn)步驟，按部就班地順利完成實(shí)驗(yàn)操作。這使得學(xué)生不用思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和方案的擬定，只是被動(dòng)接受教育，不利于學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。這迫切需要我們思考如何將物理等學(xué)科與創(chuàng)客教育、STEM教育有機(jī)結(jié)合，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[3]。

基于模擬信號(hào)傳感器的掌控板物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)有非常多的應(yīng)用領(lǐng)域，例如聲音傳感器對(duì)夜間環(huán)境噪音的檢測(cè)用于城市管理、超聲波傳感器檢測(cè)距離的變化用于裝置藝術(shù)、二氧化碳傳感器檢測(cè)泄漏氣體的濃度用于消防安全等[4]。本文根據(jù)超聲波傳感器的特性，對(duì)中學(xué)物理中的斜面問(wèn)題搭建實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

研究背景

中學(xué)物理中斜面問(wèn)題千變?nèi)f化，以斜面為載體可以編制各類題目。生活中斜面有很多應(yīng)用，由運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律可知，物體沿斜面運(yùn)動(dòng)時(shí)間可能會(huì)受到斜面傾斜角、斜面長(zhǎng)度、高度等因素影響。這些物理量的值是連續(xù)變化的，需要模擬傳感器測(cè)量其數(shù)值。

設(shè)計(jì)斜面實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)斜面實(shí)驗(yàn)裝置（圖1），包括數(shù)據(jù)采集裝置與可調(diào)傾斜角的斜面滑軌裝置。在物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)因人的因素而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，可以采用自動(dòng)化控制來(lái)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量。在創(chuàng)客項(xiàng)目中我們經(jīng)常用超聲波傳感器來(lái)測(cè)距離變化，本實(shí)驗(yàn)用開(kāi)源硬件與超聲波傳感器來(lái)探究小車(chē)在斜面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1.數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集裝置由主控、啟動(dòng)裝置、測(cè)量裝置三部分構(gòu)成。主控由3塊掌控板組成：掌控板A裝到小車(chē)上，獲取超聲波傳感器位移數(shù)據(jù)并上傳數(shù)據(jù)到SloT服務(wù)器。掌控板B與舵機(jī)相連，控制閘機(jī)旋轉(zhuǎn)。掌控板C寫(xiě)入遙控程序，發(fā)出控制信號(hào)，相當(dāng)于遙控器作用。測(cè)量裝置由小車(chē)、掌控板A、超聲波傳感器、加速度傳感器（內(nèi)置于掌控板）組成。將超聲波傳感器安裝到小車(chē)前端，掌控板A固定到車(chē)身，連接好電路。超聲波位移傳感器將超聲波模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，記錄發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的時(shí)間差t，超聲波在空氣中的傳播速度為v，利用位移x=vt/2，計(jì)算得出物體的位移。啟動(dòng)裝置由掌控板B、掌控板C、舵機(jī)、閘桿組成。用遙控方式控制閘桿釋放小車(chē)，保證掌控板計(jì)時(shí)與小車(chē)從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)同步，減小誤差。

2.可調(diào)傾斜角的斜面滑軌

激光切割制作長(zhǎng)80cm，寬20cm的斜面木板，Makeblock散件搭建底座，拼裝成可調(diào)節(jié)傾斜角的斜面。在斜面上安置兩條平行滑軌，防止小車(chē)下滑時(shí)偏移。在斜面底部安裝緩沖橡皮繩，起到緩沖作用。

數(shù)據(jù)采集與傳輸

本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集與傳輸用到mPython編程平臺(tái)與SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。mPython編程平臺(tái)主要對(duì)掌控板進(jìn)行編程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求采集數(shù)據(jù)；SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)用于實(shí)時(shí)上傳與下載數(shù)據(jù)。中小學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)探究中采用SIoT進(jìn)行采集傳輸數(shù)據(jù)非常方便，能在本地化部署。在mPython平臺(tái)中能直接啟用SIoT，便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)牧鞒虨椋簡(jiǎn)?dòng)測(cè)量裝置，舵機(jī)開(kāi)啟時(shí)發(fā)送信息到SloT，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，小車(chē)運(yùn)動(dòng)結(jié)束后將數(shù)據(jù)上傳SloT服務(wù)器。

1.數(shù)據(jù)采集的程序設(shè)計(jì)

掌控板A與超聲波傳感器采集連續(xù)變化的位移數(shù)據(jù)。結(jié)合mPython編程平臺(tái)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集與傳輸流程，對(duì)掌控板編程。

2.數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)同設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用了3塊掌控板來(lái)實(shí)現(xiàn)，三塊掌控板各有分工，協(xié)調(diào)工作，B與C掌控板的協(xié)同工作設(shè)計(jì)是為了A掌控板能獲得精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而服務(wù)的。A、B、C三塊掌控板采用UDP傳輸協(xié)議，這是一種無(wú)需建立連接就可以發(fā)送封裝的IP數(shù)據(jù)包的方法，目的是減少人為干擾因素，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程啟動(dòng)裝置，獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)。

探究實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

探究小車(chē)沿斜面的運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將斜面置于水平桌面上，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。（2）調(diào)節(jié)斜面傾斜角，將小車(chē)放置在斜面頂端。接通電源，開(kāi)啟啟動(dòng)裝置，小車(chē)沿斜面下滑，采集位移、時(shí)間、加速度等運(yùn)動(dòng)信息，并上傳數(shù)據(jù)到SloT。（3）根據(jù)SloT數(shù)據(jù)信息，用excel繪制位移與時(shí)間平方的圖像。（4）改變斜面傾斜角，重復(fù)步驟2、3，多做幾次。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）由圖像可得，位移時(shí)間平方圖像的趨勢(shì)線方程為x=13.59t^2+2.2138，據(jù)初速度為零的勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移公式x=at^2/2，可得加速度a=0.27m/s∧2。在誤差允許范圍內(nèi)，加速度是一常數(shù)，說(shuō)明小車(chē)沿斜面下滑的運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)。（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)得斜面傾斜角θ=5.3度時(shí)，加速度傳感器顯示數(shù)據(jù)為a=0.87m/s∧2。由牛頓第二定律得：mgsinθ=ma。加速度的理論值為a=9.8×sin5.3=0.905m/s∧2。0.87lt;0.905，即測(cè)量值小于理論值。造成誤差的原因是小車(chē)車(chē)輪與導(dǎo)軌有摩擦及空氣阻力的影響。

結(jié)" 語(yǔ)

模擬信號(hào)傳感器、掌控板和SloT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展為創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)走進(jìn)課堂提供了條件。學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐可以獲得包括人際溝通、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新問(wèn)題解決、批判性思維和專業(yè)技能等多方面的提升；利用傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)采集處理數(shù)據(jù)更精確，圖像顯示更直觀；將考試題、生活現(xiàn)象等與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合，學(xué)生根據(jù)自身?xiàng)l件和興趣選擇學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、制作、編程、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等，在此過(guò)程中不斷學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題，真正培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：廣東深圳市第二高級(jí)中學(xué)