基于pcDuino的数字探究实验课程设计

王国芳

摘要：Scratch是MIT推出的编程平台，结合其专用的传感器板，能实时采集外界的各种物理、化学数据。它采用简易的图形化编程语言，开放硬件接口，易于拓展，有助于促进信息技术和理科教学的整合。数字探究实验课程以传感器技术为基础，以数据探究理论为指导，在Scratch for pcDuino平台的支持下，设计了多个趣味性、实践性、综合性强的探究实验，在获取、巩固科学知识的同时，培养了学生的科技创新能力。

关键词：STEM；Scratch；探究实验；传感器技术

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2015）13/14-0141-03

● 背景

科学技术的进步和发展，带动着人类社会不断进步和飞速发展，在学校教育连接科学、技术、社会（STS）的中心纽带中，课程的作用是巨大的。美国华裔学者包雷在Science发表文章，调查显示虽然中国学生的物理考试水平显著优于美国学生，但分析和推理能力却与美国学生无明显差异，这不能不让我们对现有的课程和教学方式进行反思。

在学习科学课程的过程中，学生通过观察已经获得一些规律性的知识，也就有了验证规律的渴望，但在传统的实验中，由于条件的限制或者知识的不全面，学生“求证”往往不能得到满足，而数字化信息系统（DIS）则为学生提供了“求证”的条件。如何通过教师的指导，结合学校科技教育的特点，引导对科技活动感兴趣的学生开展科技创新实验的研究？我们的做法是打造低成本的数字化探究平台，设计一系列趣味实验，引导学生探究如何用这一探究平台开展科技创新实验，同时培养学生在科学研究中的创新能力与创新精神。

● 研究平台

数字化信息系统是用传感器获取信息，经数据采集器由计算机对信息进行数据和图形处理的数学技术平台，是为实现理科教学和信息技术整合而开发的。其利用现代信息技术进行实验研究，称为DIS实验（Digital Information System）。在科学实验中有许多数据，如距离、位移、力、速度、温度、压强、电压、电流、湿度，甚至二氧化碳、氧气浓度、化学PH值等，都可以用这类仪器进行测量。

我们选择了pcDuino作为DIS实验的软硬件平台。pcDuino是一种高性能、高性价比的迷你PC的平台，能够运行PC操作系统。pcDuino内置了Scratch软件。我们把Scratch作为传感器数据采集和分析的工具，用于数据探究（Dataquset）实验中。用Scratch编制的一个显示声音强度的示波器，通过非常简单的代码，就可以实现波形显示、数据采集和输出（如图1）。

● 课程设计

数字探究实验课程基于传感器技术，以数据探究为特色，选择了一些系列趣味实验组成。数据探究主要包含数据的获取（选定待研究的数据集、选择合适的信息源）、数据的存储（剔除冗余数据、选择易用的存储形式）、数据的分析（选定分析方法、知识发现、找到或修正研究问题）、数据的表达（选定表达形式、共享成果）等方面，蕴含了大量数据探究方法和技巧。学生还要善于选用文字处理、图像处理、信息集成的数字化工具，对科学知识内容进行重组、创作和研究。

参考北京景山学校吴俊杰老师的“数字科学家”课程，数字探究实验课程选择了8个实验，从浅到深，每个实验安排2课时，加上最后的实验报告撰写，共18课时。在器材的选择方面，除了pcDuino外，还需要一系列的传感器，教学计划如下表所示。

● 案例展示

1.实验名称

PH值趣味实验（测定不同溶液的PH值、中和反应过程中的PH变化）。

实验目的：了解PH传感器的实时检测功能，并借助Scratch图形化编程功能进行数据采集和分析感受数字化实验的方法、原理。进一步认识酸碱中和反应过程中的PH变化情况，加深理解在现代教育技术条件下学科学实验的直观过程。

2.实验器材

醋、自来水、食盐水、洗衣粉溶液、洁厕净溶液、橙汁、石灰浆、草木灰溶液、硫酸铜溶液。铁架台、50ml酸式和碱式滴定管、0.1mol/L盐酸溶液、0.1mol/LNaOH溶液。PH值传感器、烧杯。

3.课时

2课时。

4.实验过程

实验1：传统的PH值检测方式。

检验溶液酸碱度的常见“尺子”是广泛PH试纸（如图3）。这是一种现成的试纸，使用时撕下一条，放在表面皿中，用一支洁净的玻璃棒蘸取一滴溶液滴在试纸上，再与标准比色卡进行对比，就可以知道溶液的酸碱度，十分方便，但精确度不高。

实验2：基于PH值传感器的检测。

①用蒸馏水冲洗传感器电极，校准传感器，分别放进待测样本溶液。②启动pcDuino上的Scratch，采集数据（如图4）。

实验结果：醋的PH值是2.97、自来水的PH值是7.52、食盐水的PH值是7.12、洗衣粉溶液的PH值是8.26、洁厕净溶液的PH值是1.31、橙汁的PH值是3.51、石灰浆的PH值是12.65、草木灰溶液的PH值是12.13、硫酸铜溶液的PH值是5.72。

在平常的酸碱中和反应中我们将无色酚酞试液滴到NaOH里。但是，在实际操作中，不可避免会有稍微的酸过量，实际上此时溶液显弱酸性。溶液成红色时，可逐滴加入盐酸溶液，当红色恰好褪去，说明此时酸碱刚好发生了中和反应。

实验3：酸碱中和反应过程中的PH值测定。

①如图5所示连接pcDuino迷你PC平台及实验装置，并用标准溶液校正PH传感器。②在洁净的烧杯中加入盐酸溶液，放入PH传感器的电极。③用标准NaOH溶液滴定待测盐酸溶液，在此过程中用玻璃棒不断搅拌烧杯中溶液。④用Scratch进行描点绘图，得到中和反应过程中的溶液PH值的变化曲线（如图6）。⑤重复上述步骤用酸滴定碱，同样描出曲线。

实验结果参见图7。

● 课程展望

科学家需要两种品质：一种是创新，即对未知领域的探索和思考，数字化信息系统简化了实验工序，为创新提供了足够的空间；另一种是钻研，即对结论的步步求证直至获得真理，而数字化信息系统则为这个过程提供了载体。数据探究作为一种信息时代应用计算机的探究教学模式，其必要性不言而喻。利用传感器技术设计科学探究实验，对学生的科技创新能力的培养，同样非常重要。

选择pcDuino作为DIS实验的软硬件平台，建立数字化实验平台，使DIS实验室进入普通学校成为可能，如果配上小型的显示器，可以在普通的教室使用。学生通过数字探究实验课程的学习，能同时提高自身的技术水平。对于动手能力较好，并且具备一定编程能力的学生，完全可以使用Arduino和Python研究精确度更高的复杂实验。我们深信，数字探究实验课程和数据探究教学模式的研究，将为学校培养科技创新后备人才提供新的思路。

参考文献：

[1]Scratch官方网站，[EB/OL].http：//scratch.mit.edu.

[2]项华，梁森山，吴俊杰.Ledong Scratch互动教学平台的应用与研究[J].教学仪器与实验，2011.

[3]谢作如.水流和船速的探究：Scratch用于教学[EB/OL].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_6611ddcf0101al0u.html.

[4]吴俊杰，项华，付雷.Scratch及其硬件在数据探究中的教学设计与尝试[C].第一届全球华人探究学习创新应用大会论文集，2010.

[5]吴俊杰.数字科学：一种信息化环境下基于数据探究的STEM课程[C].第二届全球华人探究学习创新应用大会论文集，2011.

[6]陆赵华.用“DIS数字化信息系统”开展高中科技创新实验的研究[EB/OL].http：//www.doc88.com/p-5087302916171.html.