潘文術(shù)　廖喜龍　羅文興

新高考綜合改革背景下，為加深學(xué)生對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)、提高學(xué)生應(yīng)用傳感器的能力、豐富高中物理教學(xué)方式，筆者對(duì)Arduino平臺(tái)的開源硬件、相應(yīng)的傳感器和物理學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行整合，以“多功能自動(dòng)澆花裝置的研制”為例，設(shè)計(jì)并開展高中物理研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)。

一、推進(jìn)研究性學(xué)習(xí)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(shí)踐活動(dòng)被列為國(guó)家課程，是必修內(nèi)容，其中研究性學(xué)習(xí)占6個(gè)學(xué)分。每個(gè)學(xué)生必須完成2個(gè)課題研究或項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)。研究性學(xué)習(xí)是理論與社會(huì)、科學(xué)和生活實(shí)際相聯(lián)系的全新學(xué)習(xí)領(lǐng)域。學(xué)生參與研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)有利于落實(shí)“關(guān)注社會(huì)生活，積極參與社會(huì)實(shí)踐”的要求，有利于學(xué)習(xí)基本的研究方法，有利于養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。學(xué)生參與研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，就是參與社會(huì)實(shí)踐。對(duì)學(xué)生而言，研究性學(xué)習(xí)將改變他們的學(xué)習(xí)觀念和學(xué)習(xí)方式。教師可將研究性學(xué)習(xí)貫穿于課堂內(nèi)外，在課堂上充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓他們大膽想象、敢于提問(wèn)、深入思考，積極參與各種課外研習(xí)活動(dòng)。

如何有效引導(dǎo)高中學(xué)生參與研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，是值得思考的問(wèn)題。為探究開展研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的有效路徑，筆者結(jié)合人教版《普通高中教科書物理選擇性必修第二冊(cè)》中的傳感器相關(guān)知識(shí)，按照《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）對(duì)傳感器內(nèi)容的要求“了解常見傳感器的工作原理；會(huì)利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置……”，嘗試將Arduino、傳感器和藍(lán)牙模塊等融入研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)當(dāng)中，闡述基于Arduino的“多功能自動(dòng)澆花裝置”的設(shè)計(jì)與制作方法，讓學(xué)生親身實(shí)踐，逐步養(yǎng)成“做中學(xué)，學(xué)中用”的良好習(xí)慣。

二、電子互動(dòng)平臺(tái)適于開展研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)

Arduino是基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的電子互動(dòng)平臺(tái)，具有使用簡(jiǎn)單、功能多樣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)^[1]。Arduino被廣泛應(yīng)用于物理領(lǐng)域：在力學(xué)方面，烏古爾·薩里利用Arduino研究了物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)；在熱學(xué)方面，撒拉·里扎利用Arduino研究了氣體壓強(qiáng)、溫度和體積之間的關(guān)系；在電學(xué)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(xué)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(xué)領(lǐng)域簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。筆者在充分挖掘教材、研讀課標(biāo)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生利用Arduino開源硬件和傳感器設(shè)計(jì)“自動(dòng)澆花裝置”。在Arduino的支持下，學(xué)生能夠運(yùn)用物理學(xué)科知識(shí)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)、制作一些簡(jiǎn)單的裝置，在研習(xí)過(guò)程中運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

三、研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一）自動(dòng)澆花裝置的設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)澆花裝置主要由Arduino Uno單片機(jī)、傳感器、藍(lán)牙模塊和App構(gòu)成（如圖1）。Arduino單片機(jī)主要用于收集、處理信息，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能；藍(lán)牙HC-06模塊主要用于接收和發(fā)送信息，將環(huán)境參數(shù)傳至App；App主要用于接收和顯示信息，支持學(xué)生隨時(shí)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(tái)可以兼容多種編程環(huán)境（如Linkboy）實(shí)現(xiàn)圖形化編程。土壤濕度傳感器的輸出數(shù)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(yīng)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(cè)溫范圍在-55 ℃至125 ℃，它能直接輸出數(shù)字量。

2.電路設(shè)計(jì)

筆者以Linkboy平臺(tái)作為Arduino的編程環(huán)境。它具有以下特點(diǎn)：一是內(nèi)置硬件連線界面，支持元器件級(jí)別的實(shí)物連接和操作模擬及面向?qū)ο蟮娜形膱D形化編程，適合中國(guó)人邏輯思維；二是內(nèi)置仿真功能，不需要硬件，仿真效果直觀。學(xué)生可以根據(jù)需要下載Linkboy軟件，按照自動(dòng)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(lán)牙HC-06、蜂鳴器、LED燈等連接起來(lái)。

3.程序設(shè)計(jì)

與文本語(yǔ)言編程不同，Linkboy平臺(tái)采用圖形化編程方式對(duì)Arduino進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。圖形化編程比以往的文本編程簡(jiǎn)便很多，有利于物理教師開展一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。根據(jù)電路原理圖和自動(dòng)澆花裝置的功能需要，學(xué)生在教師指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了自動(dòng)澆花裝置控制程序（如圖3）。

（二）手機(jī)藍(lán)牙App的開發(fā)與設(shè)計(jì)

筆者利用App Inventor平臺(tái)，開發(fā)演示實(shí)驗(yàn)中的手機(jī)藍(lán)牙App。該平臺(tái)支持可視化制作安卓應(yīng)用程序。學(xué)生用圖形化編程的方式自主開發(fā)藍(lán)牙App，并將其作為自動(dòng)澆花裝置的數(shù)據(jù)接收端，可以實(shí)時(shí)查看環(huán)境中的溫度值和光照度值。設(shè)計(jì)藍(lán)牙App分兩步：先在App Inventor界面上進(jìn)行組件設(shè)計(jì)，再在界面上進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。

1.組件設(shè)計(jì)

學(xué)生可以根據(jù)需要完成組件設(shè)計(jì)，生成特定風(fēng)格的藍(lán)牙App界面。學(xué)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(jìn)行排布，在“組件屬性”中修改各種文本框的屬性。學(xué)生在“組件設(shè)計(jì)”下面設(shè)計(jì)藍(lán)牙App界面（如圖4）。

2.邏輯設(shè)計(jì)

邏輯設(shè)計(jì)：學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸需要進(jìn)行相應(yīng)的編程。邏輯設(shè)計(jì)是制作藍(lán)牙App的關(guān)鍵一步，關(guān)乎采集端和用戶手機(jī)之間數(shù)據(jù)的有效傳輸。學(xué)生首先對(duì)藍(lán)牙客戶端的地址和名稱列表進(jìn)行初始化，然后創(chuàng)建變量來(lái)儲(chǔ)存接收到的數(shù)據(jù)。藍(lán)牙模塊接收與發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，分別以“a”和“b”隔開發(fā)送光線強(qiáng)度值和溫度值，接收端同樣以“a”和“b”隔開接收光線強(qiáng)度值和溫度值。在邏輯設(shè)計(jì)中，學(xué)生以圖形化編程方式設(shè)計(jì)藍(lán)牙App程序（如圖5）。學(xué)生完成組件設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)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(jī)上。

（三）自動(dòng)澆花裝置的組裝與測(cè)試

學(xué)生按照電路原理圖組裝自動(dòng)澆花裝置，并用亞克力板固定Arduino平臺(tái)和各種傳感器。自動(dòng)澆花裝置和藍(lán)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(xué)生打開手機(jī)中的藍(lán)牙App與藍(lán)牙模塊連接。連接成功后（如圖6），藍(lán)牙模塊指示燈隔2 s閃爍一次。

學(xué)生以土壤濕度傳感器、溫度傳感器和光照度傳感器作為數(shù)據(jù)采集端，以LED燈和蜂鳴器作為聲光報(bào)警提示器，以安卓手機(jī)作為數(shù)據(jù)接收端，構(gòu)建自動(dòng)澆花裝置。在自動(dòng)澆花裝置通電并連接手機(jī)藍(lán)牙成功之后，學(xué)生對(duì)兩個(gè)土壤濕度不同的花盆進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)土壤濕度傳感器采集數(shù)值低于300（含300），該裝置定義環(huán)境狀態(tài)為干燥，此時(shí)LED紅燈發(fā)光，蜂鳴器報(bào)警，繼電器閉合，水泵接通，開始抽水。當(dāng)土壤傳感器采集到的數(shù)值高于300，裝置定義環(huán)境濕度適中，此時(shí)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(dāng)光照度傳感器采集數(shù)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(bào)

2022年9月，都勻二中舉辦了“高考綜合改革研究性學(xué)習(xí)課題及成果校級(jí)匯報(bào)活動(dòng)”。該活動(dòng)全程由學(xué)生主持，25個(gè)研究性學(xué)習(xí)小組依次匯報(bào)學(xué)習(xí)成果。

從初步認(rèn)識(shí)傳感器到學(xué)習(xí)傳感器的工作原理，再到應(yīng)用傳感器，在學(xué)生研究性學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師沒有說(shuō)教，而是引導(dǎo)學(xué)生參與自動(dòng)澆花裝置制作活動(dòng)，讓學(xué)生在“做中學(xué)，學(xué)中用”。

研究性學(xué)習(xí)是一種學(xué)習(xí)形式——學(xué)生像科學(xué)家一樣研究與學(xué)習(xí)。以“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、學(xué)會(huì)創(chuàng)造”為根本，教師組織學(xué)生參與研習(xí)活動(dòng)，有利于促進(jìn)學(xué)生綜合實(shí)踐能力、情感體驗(yàn)、科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀的發(fā)展。這種實(shí)踐活動(dòng)沒有統(tǒng)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(lè)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(xué)，可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中器材的限制。學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)中巧妙利用傳感器，可以使數(shù)據(jù)更精確，讓實(shí)驗(yàn)結(jié)論更有“說(shuō)服力”。教師合理利用信息科技產(chǎn)品結(jié)合物理學(xué)科知識(shí)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)大有裨益：一方面，有利于加深學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解與掌握；另一方面，有利于提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與動(dòng)手實(shí)踐能力。

注：本文系黔南民族師范學(xué)院教育質(zhì)量提升工程項(xiàng)目“基于‘貴州省普通本科專業(yè)評(píng)估指標(biāo)體系’下的人才培養(yǎng)模式研究——以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為例”（編號(hào)：2022SJG005）的研究成果。

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（作者潘文術(shù)系黔南民族師范學(xué)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(jí)教師；羅文興系黔南民族師范學(xué)院教授，本文通信作者）

責(zé)任編輯：祝元志