基于Arduino的研究性学习教学研究——以“Arduino水位报警器”为例.pdf

第1 9 卷总第1 1 2 期中学理科园地教学探讨基于Arduino的研究性学习教学研究以“Arduino水位报警器”为例曾莲娟（福建省福州第十一中学）绿灯摘要：研究性学习可以有效培养学生的创新精神和实践能力，文章以研究性学习的实施阶段为指导，将Arduino融入高中物理研究性课题中，通过教学案例展示基于Arduino的研究性教学的一般流程，为其他研究性课题教学提供参考。关键词：研究性学习；Arduino；水位报警器自2 0 0 1 年4 月起，研究性学习开始作为必修课被纳入高中课程,至此高中阶段开始逐渐开展研究性学习 。研究性学习要求教师为学生创设开放的问题情境，提供获取知识的各种途径以及解决实际问题的机会，以培养学生的问题解决能力。研究性学习的开展目的在于改变学生的学习方式，促进学生全面发展。近年来，普通高中开始逐步实行综合素质评价，要求学校为每位刚入学的高中生建立综合素质评价档案，收集相关的事实材料并上传，实事求是地记录学生各方面的发展情况，教育评价方式的转变进一步强调了高中研究性学习开展的重要性。研究性学习是以社会、生活和自然中的问题作为研究专题，通过学生自己查找学习资料、学习相关知识、最终应用知识解决实际问题的学习活动。研究性学习的实施一般可分三个阶段：进入问题情境阶段、实践体验阶段和表达交流阶段,本文以研究性学习的实施阶段为指导，以“Arduino水位报警器”的研究为例，将Arduino融人高中物理研究性课题中,总结基于Arduino的研究性学习教学的一般流程,以期为其他研究性课题教学的开展提供参考。1进入问题情境阶段1.1确定研究课题本阶段要求师生共同创设问题情境，引导学生在情境中发现问题，从而确定研究课题。情境来源于生活实际,是能够引导学生思考，激发学生探究欲望，有价值的真实情境。如在生活中，很多城市会因为降雨天气导致道路积水，而有些车辆没有安装防浸水辅助系统，司机在行驶过程中很容易因道路积水深度判断失误，造成发动机浸水，出现车辆损坏、人员被困的现象 2 。该情境来源于生活实际,学生在情境中很容易发现，要解决误判问题就需要一套报警装置，由此自然地引出课题“水位报警器 的设计。其次，调用学生原有的知识和经验，分析目前研究的不足,从而确定研究课题的范围或研究题目 。为学生提供利用87电磁继电器控制的简易水位报警器原理图 2 1（见图1），分析该水位报警器的原理，讨论其中的不足之处，如红、绿灯信号不够显著，司机容易忽视报警信号；报警信号单一，不能显示水位信息等。在分析研究不足的基础上，进一步改进，确定研究题目为：设计一款 Arduino水位报警器”。KH弹簧红灯电源电源图1 简易水位报警器原理图1.2提供研究案例教师可为学生提供一个改进的案例或者作品，以起到抛砖引玉的作用 3 。首先，引导学生对简易水位报警器中报警部分进行改进，可以使用蜂鸣器（图2)代替红灯，增强报警信号，引起司机的注意。其次，简易水位报警器报警信息单一，只要A、B端接触水面，电磁铁回路就会有电流流过，电磁铁产生磁性将衔铁吸下来，红灯亮。因此，该简易报警器无法显示水浸没于A、B端的具体位置。而利用Arduino编程，通过超声波模块和电磁继电器模块（图3、图4）可实现人工智能控制，解决这一问题。超声波模块可发射一定频率的超声波脉冲，通过该脉冲信号促发超声波模块开始计时，当模块检测到反射回来的脉冲信号后停止计时，记录下脉冲信号的传播时间，由公式s=兴，可推算出离障碍物的距离。将超声波2模块与ArduinoUNO板连接，便可以通过UNO板向电脑传输距离信号，在串口监视器中看到距离信息。因此可以利用超声波模块代替简易水位报警器中的A、B端，控制电磁继电器工作，仅需编写简单的程序即可实现当距离满足某一条件时报警。此外，该水位报警器不仅可以报告距离水面的信息，还可以显示距离地面的信息，使司机在坑洼路面行驶时，能够尽可能地保护底盘不受碰。通过对关键元器件原理和设计方案进行简单介绍，还能使学生在完全陌生的学习环境中感到熟悉，为学生进一步探究做好铺垫。口第19 卷总第112 期图2 蜂鸣器图3 超声波模块图4 继电器模块2实践体验阶段2.1学习相关知识查阅相关资料，自主学习是实践体验的一部分，教师在学生自主学习过程中是组织者，组织学生搜集资料，引导学生学习与研究课题相关的知识。首先，要求教师为学生提供查阅资料的途径，如B站、各种交流网站、Arduino官方学习网站、书籍等，为学生指引正确的学习方向。其次，划定学习内容，了解Arduino程序与驱动的安装、Arduino UNO板的连接、UNO板工作电压、UNO板上各个接口的功能和特点、各种元器件的功能和连接方式、学习相关程序代码的含义与实现方式等等。2.2确定设计方案通过相关基础知识的学习后，组织学生讨论或者查阅资料寻找灵感，发挥小组每个成员的聪明才智，设计“Arduino水位报警器”，确定设计方案。2.3进行产品制作确定课题研究方案后，学生将进人制作产品阶段，产品的制作过程实质是学生解决问题的过程。在学生的实践过程中，必然会遇到这样或那样的问题，如学生在连接电路时出现电路连接失误或者某个元器件的代码书写错误，就会达不到预期的实验效果（如蜂鸣器不响或者继电器不工作等）。然而学生问题解决能力只有在遇到问题、思考问题、解决问题中不断提高。因此，在小组制作产品过程中，教师不应该“代替”学生解决问题,应引导学生分析问题出现的可能原因，让学生自己寻找问题解决途径。3表达和交流阶段完成产品设计后，学生应对自已的设计方案以及产品功能进行总结，形成书面材料，并在课堂上展示和介绍自己的作品。对学生制作的作品教师要及时做出反馈，引导学生交流讨论，反思制作过程，提高学生的批判性思维。鉴于篇幅原因，本文仅展示一组学生的“Arduino水位报警器”（图5）,其中学理科园地中主要元器件包含蜂鸣器、水位模块、电磁继电器模块以及Arduino UNO板(图 6)。7图5 学生制作的 Arduino水位报警器”图6 ArduinoUNO板与各元器件的连接以研究性学习实施三个阶段为指导的Arduino水位报警器的研究性学习课题,其一般教学流程包含师生共同创设问题情境、提供研究案例、学习相关知识、确定设计方案、进行产品制作以及表达和交流，提供研究案例环节可以有效的引导学生学习的方向，但也会使学生的思维受到一定的限制，可根据研究性课题自由选择是否提供案例。本文提供了一种将Arduino与物理课程融合的研究性学习的一般教学流程，然而教学有法、教无定法，在教学过程中不同的研究性课题应灵活地调整相应的教学流程，才能收获最佳的教学效果。参考文献：1教育部.教育部关于印发普通高中研究性学习实施指南(试行)的通知 Z.教基 2 0 0 1 6 号.2苏炳超.汽车发动机防浸水简易报警器的设计和制作 .物理教学探讨,2 0 2 0,3 8(9):5 1-5 2,5 4.3李玲.核心素养视角下的高中STEM特色课例研究：以“智能宠物喂食器设计与开发为例 J.中学物理,2 0 2 1,3 9(1):4 7-49.教学探讨OCOM76130.5cm-1cm6381cm-2cm649cm-2cm6611cm-2cm6762cm3.cm579cm-3.cm582Cm-388