高中物理实验创新的实践研究

周洪

21世纪是科技时代，为了强国兴国，国家迫切需要大量科技人才，需要学校培养懂科技也能创新的学生。21世纪同样也是信息时代，但是笔者看到现在的学生却大多只会玩游戏，入宝山而空回。从教育的角度来看电脑和手机不是不能给学生使用，学生将来的工作和学习将会与其产生千丝万缕的联系。其实学生也想开发电脑手机的其他功能，只是缺乏开发的机会和氛围，所以笔者平时就尽可能地使用电脑和手机演示一些实验，希望学生挖掘出宝藏来。本文就主要采用Arduino平台加若干传感器与电脑手机的配合来设计高中物理某些实验。

一、研究理论

1.物理核心素养

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品质和关键能力。在实验中重点是科学思维和科学探究。

（1）科学思维之一是质疑创新。青少年刚好处于好奇心最强烈、最容易推陈出新的时期，教师要有意识启发学生对于现有实验手段以及实验数据的思考，引导学生接触现有科技手段做实验，把质疑并能创新的火种埋入学生心中。

（2）科学探究过程讲究证据。实验证据越准确越好，那么获取证据的手段要向前沿科技靠拢，旧土壤上开不出更鲜艳的花朵，电脑、单片机、传感器、手机的配合能大大更新和改进获取证据的手段，也更加具有时代性。

2.物理实验

爱因斯坦说，实验的检验是任何理论的前提和试金石。物理实验驱动着科学的发展，很多研究都是从实验开始，又回归实验。核心素养对于实验的要求则是能灵活选用合适的器材或得数据，能用多种方法分析数据，发现规律。所以现阶段的物理学习越来越重视实验室的硬件配置，也有越来越多的科学仪器参与到高中物理实验中来，为其注入科技的力量，提高学生学习物理的信心和兴趣。

二、研究手段

1.电脑或手机，作为数据获取和处理的终端。电脑需要装上Arduino IDE，用来进行Arduino有关的编译，手机上需下载blinker·点灯app，连接平台。

2.Arduino平台，Arduino是单片机的一种，而单片机就是只为一种目的开发出来的集中芯片，它和电脑的不同之处在于只处理较单一的命令，用来高效控制生产生活的一个方面。比如一台电冰箱的温度控制不需要专门装上一台电脑来处理。现在的很多产品都基于Arduino平台制作，比如大疆无人机，Markbot 3d打印机，智能手表，等等，遍及生产生活各个方面。单片机中Arduino则是一个比较适合初学者使用的平台，原因有：

第一，硬件便宜可拓展，网上购买的兼容版有些只需要100元左右，已经能有较好的精度，国外的板也就200元左右，低于其他类似开发板，而且其电路图是公开的，也可以自己买材料做一块，那就更便宜，还可以锻炼动手能力。

第二，语言简单易学习，对于老师和学生们来说，很容易学会processing为基础的编程环境，无需学习复杂的C++等编程语言。也可以直接下载打包完成的驱动库，下载网址www.Arduino.cn。

如果说以前的电子硬件和软件从入门到成为武林高手需要学习多年的内功和外功，那么现在已经发展到了枪械时代，你只要会扣扳机就行，Arduino就是那个扳机。如果真有那么一天普及单片机辅助课堂教学，Arduino是在成本上，学习难度上最适合的平台。本文主要采用Arduino UNO板，适合入门。

3.超声波探测器，探测器向一个方向发射超声波，记录发射时刻，碰到障碍物反射，记录接收时刻，获得时间t，超声波的空气传播速度为340m/s，则位移=340t/2m。

4.HM-10蓝牙模块，通过蓝牙这种短距离无线通讯技术，可以在Arduino，电脑，手机上进行数据的传输。该模块支持4.0技术，具备更高的数据传输率，更大的传输范围。

5.3144霍尔元件模块，当一块通电金属片或半导体片垂直地放在磁场中时，两端就会产生电压，这种现象就称为霍尔效应。霍尔模块则是利用霍尔效应检测磁场的一种传感器，它可以很方便地把磁信号转换成电信号。

三、研究过程

传统的物理实验课程中，比如研究匀变速直线运动规律，小车在斜面上运动，打点计时器与小车相连，获得纸带，用毫米刻度尺在纸带上测量位移数据，通过画图和计算的方式获得规律和加速度，这个方法很好地锻炼了学生的实验操作能力和纸笔运算能力，但是也有缺陷：一是经常出现数据不够用的情况，因为要每隔几个点取计数点，二是想多取几个计数点的话，位移小了，数据又不够精确，三是在探究规律时基本采用纸笔畫V-t图的方式，对于x-t图的探究则对于大部分学生来说比较有难度。而本文希望在进行了传统的实验后，引导学生交流反思，意识到以上问题，教师从而把Arduino平台引入实验。平台搭载超声波传感器，通过蓝牙模块与手机相连，手机储存位移和时间数据，然后可以在手机上观测数据。先让学生进行观察和纸上画图推理数据符合的规律，再一次锻炼学生实验基本能力，再输入电脑Excel获取x-t图像和方程，得出规律。匀变速直线运动探究实验是高中物理的入门实验，笔者试图在高中的开端打好学生开发的基础。

为了进一步促进学生开发兴趣，笔者在学习过程中也会逐渐介绍其他Arduino平台上的模块。比如用霍尔元件检测磁场的有无，等等，并拓展介绍其在生产生活上的功能，使学生用科技的眼光观察身边的事物，坚定其开发的信心。

实验一：匀变速直线运动规律探究

1.实验搭配

软件上需要电脑下载Arduino IDE，电脑和Arduino通过USB连接，烧制入超声波模块程序，手机下载点灯·blinker，通过蓝牙技术与平台连接。硬件上则Arduino uno板通过面包板装配上超声波探测器和蓝牙hm-10模块，放置于斜坡上，获取小车位置和时间信息，轨道长度为1.22m，高度为0.29m，如图表1。

2.研究数据

3.数据处理

第一步  把数据填入Excel，全选数据，插入-散点图-带平滑线的散点图。如果物体做匀加速直线运动，按物理规律来说位移时间规律符合二次函数x=v0 t+at2，观察函数曲线是否符合其规律。然后右键选中图形，点击趋势线，选择多项式，输出数学函数，如图表3中所示，数学函数和图像基本符合。

第二步  进一步验证运动规律，在Excel中新建t2数据，给出x-t2图像，给出趋势线，选择线型，输出数学函数，如果符合匀加速直线运动规律，图像呈现直线图像，函数为一次函数，如图表4所示，函数和图像基本符合。

第三步  验证实验精确程度，由匀变速运动规律可知xn？兹 =1.121和h= 0.29m、l=1.22m代入，求解g的值，计算结果g=9.43m/x2，考虑到摩擦力的因素，看来实验的精确性还是可以的。接下来改变斜坡高度，每个高度各做10次实验，继续探究实验规律和求解平均加速度。

4.实验结论

一是实验数据比传统实验要多，从而形成的曲线方程和直线方程更准确说明了在实验误差允许的范围内，小车的运动情况是符合匀变速直线运动的规律的，二是验证实验的精确性结果说明Arduino提高了实验精度，三是单片机辅助教育是十分现实的，教师和学生已能比较轻松的掌握硬件和软件知识。

5.拓展展示

Arduino与蓝牙模块在生活中的应用很广泛，比如智能蓝牙防跟丢器、智能药盒、智能家居等，适当展示引起学生更深层次的兴趣和思考。并为以后再次引入其他传感器铺路。

实验二、Arduino与霍尔效应传感器配合测磁场有无

1.实验搭配

Arduino UNO板与LED灯、3144E霍尔效应传感器及若干电阻配合，板通过USB接口与电脑连接，如图表5， 通过Arduino IDE将代码烧制入板，如图表6

2.实验过程

磁铁靠近和远离传感器过程，使用霍尔效应传感器来检测磁铁是否存在。每当磁铁移过该传感器时，LED灯亮，并延时2秒，就能检测到磁场的存在。或者采用更高级的MLX90393三轴霍尔传感器模块，能检测出磁场的强弱及方向。

3.实验结果

（1）拉近学生与科技的距离。通过展示在生活中的霍尔元件，比如坐车时升降车窗、测量车速，家中的报警器，做饭时的微波炉，手机中点亮屏幕等，让学生体会到平时题目中高大上的霍尔效应竟然在生活中如此的普遍，亲切感一下子就上来了。同时教师还趁热打铁通过展示红外线探测、温度探测、湿度探测等其他Arduino配合的传感器及其在生产生活的应用，让学生体会传感器早进入我们的生产生活，科技无处不在。促进学生客观认识现在这个科技世界。

（2）降低霍尔效应有关题目难度，霍尔效应有时候对于学生的难处在于电磁场看不见摸不着，而且连霍尔元件实物都没看到过，学生可能在想我学这个干嘛，跟我有关么？解题有厌烦情绪。把霍尔传感器摆在面前，把其有关应用摆在面前，原来霍尔效应就在身边，提高学生解题兴趣。

（3）两点思考：一是学校对于采购有关仪器的态度还需要加强，其实也和教学氛围和考试目的有关，如果能有更多的老师能有信息化实验的思路和实践，如果能有更多的考题能与传感器相关，学校也会加快进程，二是教师的教学能力也要有所更新，如果更多的老师有兴趣学习有关知识，如果学校大量组织一线教师进行有关培训，局面也能越铺越开。笔者觉得在当今局势下这个时代不远了。

四、使用电脑和手机教学中的反思

1.会不会让本来对电脑手机不感兴趣的学生产生与学习无关的痴迷？所以教师要正确引导，讲清利弊，培养学生正确的世界观、人生觀、价值观，使之符合课程标准核心素养科学思维的要求。

2.学生学会了便利手段来测量有关物理量，会不会丧失了用最基本的仪器和思维来研究问题的能力？教师在教学时要有意识双管齐下，既要锻炼其纸笔能力，又要加强其使用科学仪器的能力，这也是核心素养科学探究的要求。

3.学生学习了电脑手机开发能力，也不能就止步不前，变成个大胖子，躺在现成的技术上坐享其成，以后有更先进的技术也要与时俱进，这才是核心素养需要的科学态度和责任感。

教育要培养满足社会要求的人，更要培养能推动社会发展的人，而在目前这个科技时代，社会的要求和发展都离不开科学技术。所以学生要多与科技设备打交道，培养科学思维，发展科学探究能力，努力成为具备核心素养的人。因此学校应支持教师开发新的教具和新的教法，教师更要提高自己的相关能力，创设与科技接轨的丰富多彩的实验形式，让学生爱实验，会实验，享受实验，爱学习，会学习，享受学习，爱科技，会科研，促进科学发展，成为国家十四五规划的有力建设者。

■ 编辑/魏继军