摘 要：數(shù)據(jù)處理與分析對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)解釋、論證起到關(guān)鍵作用。為彌補(bǔ)沸點(diǎn)與氣壓的相關(guān)實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)處理與分析上的不足，將Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺(tái)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)化與精準(zhǔn)化；在獲得詳實(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出從數(shù)據(jù)分析的角度出發(fā)，結(jié)合“沸點(diǎn)”定義，判斷不同大氣壓強(qiáng)下水的沸點(diǎn)，科學(xué)論證沸點(diǎn)與氣壓之間的關(guān)系。為通過(guò)實(shí)驗(yàn)促成學(xué)生形成物理觀念，提高科學(xué)論證能力作出嘗試。

關(guān)鍵詞：Ａｒｄｕｉｎｏ；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；沸點(diǎn)與氣壓；數(shù)據(jù)處理與分析

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）8-0061-5

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０２２年版）》在課程實(shí)施部分提出“加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室課程資源的開發(fā)與利用”，有條件的學(xué)?？膳鋫鋽?shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)化［１］。２０２２年教育部頒布的教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《教師數(shù)字素養(yǎng)》指出，教師應(yīng)適當(dāng)利用數(shù)字技術(shù)加工、創(chuàng)作、使用、管理和評(píng)價(jià)數(shù)字信息資源，發(fā)現(xiàn)、分析和解決教育教學(xué)問(wèn)題［２］。這些均說(shuō)明目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加強(qiáng)調(diào)師生的數(shù)字化素養(yǎng)，更加重視對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理。

而傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏實(shí)時(shí)化、精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的支持，大多數(shù)維持在現(xiàn)象觀察的水平，導(dǎo)致收集數(shù)據(jù)、處理分析數(shù)據(jù)、運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行論證等環(huán)節(jié)嚴(yán)重缺失［３］。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的新興技術(shù)被引入到物理教育中以提升教學(xué)品質(zhì)。其中，利用Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺(tái)改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是其典型代表，該平臺(tái)不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)化與精準(zhǔn)化，同時(shí)也能兼顧數(shù)據(jù)的處理與分析，為培養(yǎng)學(xué)生處理與分析數(shù)據(jù)的能力提供更為優(yōu)越的教學(xué)手段。

本文以人教版八年級(jí)上冊(cè)“沸點(diǎn)與氣壓”相關(guān)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)為例，闡述如何利用Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺(tái)開發(fā)傳感器，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)裝置，形成新的實(shí)驗(yàn)方案，彌補(bǔ)原有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。

１ 原有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足

１．１ “探究水沸騰時(shí)溫度變化的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)

人教版初中物理教材中“探究水沸騰時(shí)溫度變化的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)，如圖１所示，用酒精燈給水加熱至沸騰。當(dāng)水溫接近９０ ℃時(shí)每隔３０秒記錄一次溫度。仿照繪制晶體熔化圖像的做法，在網(wǎng)格紙上繪制出水沸騰時(shí)溫度與時(shí)間關(guān)系的圖像［４］。

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在以下幾點(diǎn)不足：

（１）為了滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的明確與直觀要求，需要學(xué)生觀察水中氣泡在沸騰前后的變化。但是，使用燒杯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，氣泡較小且變化過(guò)快，致使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以達(dá)到長(zhǎng)足的直觀效果。

（２）查詢筆者所在地區(qū)的大氣壓強(qiáng)為１０３．２ kPａ，沸點(diǎn)應(yīng)高于１００ ℃。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，加白紙片可以使水的溫度達(dá)到１００ ℃，但是這里用來(lái)隔熱的白紙片可以理解為一個(gè)簡(jiǎn)易的氣閥，將大量的水蒸氣限制在燒杯內(nèi)從而影響了內(nèi)部氣壓的大小。那么，此時(shí)水的沸點(diǎn)還是當(dāng)?shù)卮髿鈮涵h(huán)境下的沸點(diǎn)嗎？如果不加白紙片，水溫則很難達(dá)到１００ ℃，且考慮到水質(zhì)的原因，后續(xù)用純凈水實(shí)驗(yàn)也未達(dá)到１００ ℃。這與書本后續(xù)內(nèi)容“水的沸點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為１００ ℃”相悖。如果學(xué)生問(wèn)起這一反?，F(xiàn)象，教師給學(xué)生解釋也存在一定的困難。

１．２ “探究水的沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

教材中為研究水的沸點(diǎn)與氣壓之間的關(guān)系，將水加熱至沸騰后，移開酒精燈，把燒瓶倒置；待水溫降低沸騰則停止，當(dāng)冷水澆到燒瓶上時(shí)，瓶?jī)?nèi)氣壓降低。此時(shí)，水在９０ ℃左右就能沸騰，于是又能在燒瓶中看到水在沸騰。學(xué)生通過(guò)觀察現(xiàn)象得出“氣壓較低時(shí)，水可以在較低溫度時(shí)沸騰，即水的沸點(diǎn)降低”；進(jìn)一步分析得出結(jié)論“水的沸點(diǎn)與氣壓有關(guān)，氣壓減小時(shí)沸點(diǎn)降低，氣壓增大時(shí)沸點(diǎn)升高”［５］。

該實(shí)驗(yàn)存在以下幾點(diǎn)不足：

（１）雖然該演示實(shí)驗(yàn)效果較好，但是初中學(xué)生在理解溫度與密閉氣體壓強(qiáng)之間的關(guān)系上存在困難。另外，用冷水澆到熱燒瓶上具有一定的安全隱患。

（２）該實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)時(shí)獲得瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)和溫度的數(shù)值大小，僅僅是通過(guò)觀察氣泡的變化情況確定沸騰狀態(tài)。學(xué)生不能觀察到該“沸騰”狀態(tài)是否為“溫度不變，且持續(xù)吸熱”。

（３）該實(shí)驗(yàn)演示的現(xiàn)象僅僅是“氣壓降低時(shí)沸點(diǎn)降低”，是一個(gè)不完整的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于學(xué)生而言，想要探究出完整的結(jié)論“水的沸點(diǎn)與氣壓有關(guān)，氣壓減小時(shí)沸點(diǎn)降低，氣壓增大時(shí)沸點(diǎn)升高”，就需要經(jīng)歷一個(gè)完整的探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

２ Ａｒｄｕｉｎｏ簡(jiǎn)介

Ａｒｄｕｉｎｏ是一款具有簡(jiǎn)單軟件與硬件的開源平臺(tái)。即使作為初學(xué)者，也可以在較短時(shí)間內(nèi)使用它。Ａｒｄｕｉｎｏ提供了用于代碼編譯的集成開發(fā)環(huán)境（Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ）以及多個(gè)模塊化編程環(huán)境［６］。該平臺(tái)可以通過(guò)燒錄代碼至單片機(jī)后，連接傳感器實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的交互，傳感器接收溫度、濕度、光強(qiáng)度等物理信息，內(nèi)部半導(dǎo)體的物質(zhì)變化而引起電信號(hào)的變化；單片機(jī)讀取傳感器輸出的相關(guān)電信號(hào)，通過(guò)相關(guān)的換算公式，就可以在Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ的串口監(jiān)視器中實(shí)時(shí)讀取相關(guān)的物理數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理與分析［７］。Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺(tái)作為一個(gè)成本小、門檻低、操作簡(jiǎn)捷以及功能強(qiáng)大的開源平臺(tái)，在改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方面有著廣泛的應(yīng)用。

本研究使用單片機(jī)Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０（圖２）和軟件Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ ２．２．１（圖３）作為開發(fā)工具，對(duì)“沸點(diǎn)與氣壓”相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

３ 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

３．１ “探究水沸騰前后溫度變化的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)方案

３．１．１ 實(shí)驗(yàn)器材

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的不足，在器材方面作出如下改進(jìn)：利用Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０、ＤＳ１８Ｂ２０溫度傳感器、ＫＰ１０１壓強(qiáng)傳感器、加熱底座、三孔燒瓶、橡膠塞等器材組裝實(shí)驗(yàn)裝置，如圖４所示。

（１）利用軟件Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ ２．２．１對(duì)兩個(gè)傳感器讀取程序進(jìn)行編程，并且燒錄到Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０單片機(jī)中，可以從串口監(jiān)視器中觀察單片機(jī)是否開始正常工作。

（２）在橡膠塞上鉆出一定大小的孔，用于放置溫度傳感器，以及便于氣壓傳感器通過(guò)導(dǎo)氣管采集數(shù)據(jù)；將橡膠塞放到三孔燒瓶的入口中，確認(rèn)溫度傳感器置于燒瓶的中央位置后，啟動(dòng)程序檢查運(yùn)行狀況，在采集數(shù)據(jù)正常之后用玻璃膠密封。

３．１．２ 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

（１）該裝置用電爐代替酒精燈能夠使水快速升溫，從而節(jié)省寶貴的課堂時(shí)間。

（２）三孔燒瓶的瓶身相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡，起到放大的作用，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯、直觀。

（３）該裝置使用傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅能保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與可靠性，更能滿足實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的豐富性。

（４）該裝置在測(cè)量溫度的同時(shí)，也能測(cè)量當(dāng)前環(huán)境的大氣壓強(qiáng)；直觀地展示在當(dāng)前大氣壓強(qiáng)環(huán)境下水的沸點(diǎn)，不僅與知識(shí)點(diǎn)“標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的沸點(diǎn)是１００ ℃”相契合，也為進(jìn)一步深入探究沸點(diǎn)與大氣壓強(qiáng)之間的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

３．１．３ 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)論

（１）往三孔燒瓶中加水，使溫度傳感器能夠浸沒(méi)在水中。

（２）將ＤＳ１８Ｂ２０溫度傳感器和ＫP１０１氣壓傳感器與Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０單片機(jī)以及電腦連接。檢查程序是否正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)是否正常傳輸。

（３）將三孔燒瓶放置在電爐上加熱直至水沸騰，通過(guò)串口監(jiān)視器每隔１０秒監(jiān)測(cè)水溫變化和氣壓變化。演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，提醒學(xué)生注意溫度變化的同時(shí)，還需要觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的特點(diǎn)。

（４）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表１所示。

將記錄的數(shù)據(jù)繪制在圖中，如圖５所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

通過(guò)對(duì)現(xiàn)象的觀察與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以得出如下結(jié)論：水在沸騰前氣泡由大變小，在沸騰時(shí)氣泡由小變大；在沸騰時(shí)，水的溫度不變，且持續(xù)吸熱；在高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境下，水的沸點(diǎn)也高于１００ ℃。

３．２ “探究水的沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)方案

３．２．１ 實(shí)驗(yàn)器材

在“探究水沸騰前后溫度變化的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，加入止水閥與注射器，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖６所示。

（１）將程序代碼燒錄到Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０單片機(jī)中，監(jiān)測(cè)是否正常運(yùn)行。

（２）將止水閥放到三孔燒瓶的入口中，并連接注射器檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性。

３．２．２ 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

（１）該裝置提高了實(shí)驗(yàn)本身的安全性。

（２）該裝置可以通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)傳輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；學(xué)生可以通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，根據(jù)“在某一段氣壓環(huán)境不變的時(shí)間內(nèi)，溫度不變且持續(xù)吸熱”，得出某氣壓環(huán)境下水的沸點(diǎn)為某值，保證了實(shí)驗(yàn)探究的科學(xué)性。

（３）該裝置既可以關(guān)閉止水閥，探究高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)水的沸點(diǎn)與大氣壓強(qiáng)之間的關(guān)系；又可以打開止水閥，利用注射器抽氣，探究低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)水的沸點(diǎn)與大氣壓強(qiáng)之間的關(guān)系［８］；從而保證實(shí)驗(yàn)探究的完整性。

３．２．３ 實(shí)驗(yàn)步驟

（１）往三孔燒瓶中加水，使溫度傳感器能夠浸沒(méi)在水中。

（２）將ＤＳ１８Ｂ２０溫度傳感器、ＫP１０１氣壓傳感器、止水閥、注射器與Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０單片機(jī)以及電腦連接，檢查程序是否正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)是否正常傳輸。

（３）關(guān)閉止水閥，將三孔燒瓶放置在電爐上加熱直至溫度達(dá)到１０３ ℃，通過(guò)串口監(jiān)視器每隔１秒監(jiān)測(cè)水溫變化和氣壓變化。

（４）打開止水閥，待三孔燒瓶中水溫降到９０ ℃時(shí)，將止水閥氣孔通過(guò)導(dǎo)氣管與注射器相連；緩慢拉動(dòng)注射器抽出燒瓶?jī)?nèi)部氣體，觀察燒瓶?jī)?nèi)部現(xiàn)象。

（５）關(guān)閉止水閥，開始加熱，通過(guò)串口監(jiān)視器每隔１秒監(jiān)測(cè)水溫變化和氣壓變化。

３．２．４ 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

為得到水的沸點(diǎn)與大氣壓強(qiáng)之間的關(guān)系，從串口監(jiān)視器獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。根據(jù)沸點(diǎn)定義“在某一段氣壓環(huán)境不變的時(shí)間內(nèi)，溫度不變且持續(xù)吸熱”，從而得出某氣壓環(huán)境下水的沸點(diǎn)為某值。串口監(jiān)視器數(shù)據(jù)如表２所示。

從表中數(shù)據(jù)分析可知，在４３秒至４５秒這段時(shí)間內(nèi)，大氣壓強(qiáng)為８８ kPａ，溫度每秒升高０．０６ ℃；在４７秒至４９秒這段時(shí)間內(nèi)，大氣壓強(qiáng)為８９ kPａ，溫度保持９３．６９ ℃不變，且在此過(guò)程中持續(xù)吸熱。由此認(rèn)為在氣壓為８９ kPａ時(shí)，水的沸點(diǎn)為９３．６９ ℃。

重復(fù)上述方法，采集多組數(shù)據(jù)。得到水的沸點(diǎn)與大氣壓強(qiáng)之間的關(guān)系，如表３所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

通過(guò)對(duì)現(xiàn)象的觀察與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以得出結(jié)論：“水的沸點(diǎn)與氣壓有關(guān)，氣壓減小時(shí)沸點(diǎn)降低，氣壓增大時(shí)沸點(diǎn)升高”。

４ 結(jié)束語(yǔ)

本文將中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，利用Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺(tái)開發(fā)傳感器，對(duì)“沸點(diǎn)與氣壓”相關(guān)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化改進(jìn)，展現(xiàn)出一種新型的實(shí)驗(yàn)方式。不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的部分不足，還展示了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)所在，拓寬利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)解決教育教學(xué)難題的思路，深化數(shù)字素養(yǎng)的內(nèi)涵；此外，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生基于數(shù)據(jù)處理與分析進(jìn)行科學(xué)解釋與論證，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的發(fā)展。

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（欄目編輯 劉 榮）