利用开源硬件构建学生开展科技探究活动的信息技术平台.doc

利用开源硬件等信息技术，开展有效的科学实验教学
广东省佛山市惠景小学 潘裕斌

摘要
本文中，笔者虽然信息技术是一种“有效教学”的实施手段，但当前信息技术在科学实验教学的应用中，多仅限于“多媒体技术”的使用方面，虽然能增加学生的兴趣、拓宽学生的视野，提高学生知识面的“广度”，但由于这些都是通过让学生接触别人的知识（间接经验）而获得，仅仅是学生科学知识的“量变”，即便是有效也是“片面”的有效。要达到“全面”的有效，则必需更进一步让学生亲身体验才能让知识产生“质变”。为此，笔者通过亲身经验指出可以通过利用开源硬件构建信息技术平台，让教师、甚至学生通过动手制作电子测量设备的方式来开展教学，让学生不但能利用这些设备获得数据、通过思考获得知识，而更为重要的是，学生还可以在过程中锻炼了自己的动手能力、学习到信息技术的知识，甚至能把自己学习到的科学知识加以运用，通过信息技术和科学实验学习的融合最终达致教学的“有效”。

关键词
有效教学 开源硬件 信息技术 科学实验教学

有效教学，
信息技术不但是学生学习科学知识，更是开展科技探究活动等是一个非常重要的方法和手段。
科学，根据《现代汉语词典》的定义是“人们反映自然、社会、思维等的客观规律的分科的知识体系”，然而随着人类社会的不断发展，仅仅把科学定义为“知识体系”是远不足够的，笔者认为更应该把获得知识、运用知识去探索未知、甚至是运用现有知识去创造新知识这一系列的认知行为也纳入其中。而如何让学生尽可能多地获取科学资料和信息并快速、便捷地加以利用就变成了能否更好地培养学生科学素质的一个重要因素，而信息技术则是我们为教者一个非常重要的工具。
信息技术（Information Technology），广义而言，凡是能扩展人的信息功能的技术，都可以称作信息技术，是研究如何获取信息、处理信息、传输信息和使用信息的技术。狭义而言——或者说就我们教学工作开展过程中所指的信息技术而言，则是以计算机技术（包括互联网技术）为主要工具对信息进行获取、加工、存储、传输与使用的技术之和。本文以狭义定义开展说明。
对于信息技术在教学中的应用，《小学科学课程标准》指出：“在一切有条件的地方，应该尽可能地充分运用现代教育技术，如各种音像资源、计算机软件、网络等。现代教育技术能进一步激发学生的学习兴趣；能为学生提供更多更高质量的科学信息”然而在实际工作中，长久以来，信息技术在科技活动开展过程中的利用，对于学生的学而言，大部分活动只集中于资料的搜集以及一些粗浅的后期加工（如制作手抄报等）；而对于教师的教而言，则主要集中围绕如何把教学内容的多媒体化（如制作多媒体课件）让学生更好理解知识、教学知识的丰量化（如提供课外学习材料）让学生接触更多知识——这样做，虽然的确大大拓宽了学生的知识面，做到了“广”这一层次，但却使得学生只能从别人的知识（间接经验）中进行学习，不但使学生难以通过亲自体验获得经验（直接经验）、经过思考而内化为自己的知识体系。另外由于很多问题网上都已经直接给出明确的答案，则直接损害了学生思考的权利——更为甚者，由于网络上信息编辑者的水平限制，以致知识良莠不齐，则进一步导致学生容易先入为主把有问题的资讯当作知识牢记在心，影响了正确知识的学习。
那么是否存在一种信息技术手段可以让学生通过亲身体验去获取知识？笔者认为，开源硬件是一个不错的选择。
开源硬件，是指与自由及开放原始码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。使用时，只需要挑选合适的开源主板和传感器，根据需要编写程序，即可建成让学生进行科技活动的信息技术平台——简单而言就是利用一个“同时多路输入的电流计+多路输出的电源”（开源主板），可以根据所编写的程序，“按部就班”地通过测量传感器检测物体所产生的电信号，从而完成一个可以进行连续测量、甚至是作出反馈（如完成某些动作）的仪器。
和平常以多媒体技术为主的信息技术相比，利用使用开源硬件构建信息技术平台辅导学生开展科技活动的好处是：
1． 可以轻易获得第一手的大量连续数据
以笔者曾经开展的一个简单实验设计为例——“测量水温变化”。传统实验中，要求利用温度计和秒表，学生每隔1分钟测量热水的温度变化，然后绘画热水的“温度-时间”变化图，进而让学生知道“热水降温的趋势为：先快后慢”。然而，由于传统实验中取得的数据比较少，尤其当起始水温与室温相差不超过30℃时，水温下降速度的变化并不明显，在图表中由于数据点少，甚至有的学生把本来是平滑的曲线错绘成直线（见图1），即便老师反反复复地说明图线的真实形状，但学生由于缺乏亲身体验、更缺乏相应的理论知识，往往老师的“苦口婆心”不过变成了学生的“囫囵吞枣”、“死记硬背”而已。

图1 传统实验方式测量水温变化所得图表（时间间隔60秒）

而改用开元硬件方式——开源主板+温度传感器制成温度测量记录仪——进行测量，由于时间控制完全可以由开源主板上的时钟（精确度可以到毫秒或以上）代劳，获取数据的时间间隔可以通过编程设置，因此可以轻易取得大量的连续数据。

图2 用开元硬件方式测量水温变化所得图表（时间间隔10秒）
面对大量的、更精准的数据，学生更能在事实基础上得出准确的结论。
2． 结合互联网技术，可以让学生随时随地进行科学探究而不受时空限制
以天气的记录为例。传统方式是，让学生自己去学校的气象站里定时进行记录——当然现在也可以通过互联网登陆气象网站获取相关信息。然而，这两种方法，前者受时间、空间的限制比较大，学生上课时、回家了就难以继续，而后者得到的可能是本地区大范围的平均值（数据不准），如果要连续测量某个小范围地区的天气变化则较难实现。而采用开源硬件的方式进行记录，在“开源主板+气象类传感器”的基础上，把装置连接到互联网，则学生可以随时记录相关数据——甚至可以把多个这样的装置放置到不同的地方，只要网络连接好，则可以进一步摆脱时间和空间的限制，进而更好地对数据进行比较、归纳等方式得出结论，并内化为自己的技能和知识。
3． 可进一步培养学生的动手能力
由于开源硬件的获取比较容易，不但可以从网络电商中采购，也可以从街上的电子上铺中购得，因此学生只要有想法就可以进行尝试。例如有一学生就尝试利用旋转电位器这一“电子仪器”进行改装制成“量角器”。又例如前面所述的温度测量记录仪，学生进一步发挥创意，把温度传感器的感应部分涂上不同颜色代替课本中“颜色与吸热”实验的装置（不同材质、颜色的纸袋+温度计），置于阳光下，通过对数据分析指出课本中实验当中的问题，撰写成文章参加比赛，获得佳绩。
4． 性价比高
虽然市面上有许多现成的电子仪器仪表可以实现开源硬件的功能，然而由于设计专利等因素影响，价格相比用开源硬件制作的要贵。而开源硬件的设计初衷，就是为了学习，而所谓“开源”即相对于专门设计的硬件产品，设计专利对价格因素的影响要小得多。以一台多路温度记录仪为例，现成产品的价格需要成百上千，但如果以“Arduino主板＋温度传感器”的方式进行组建，价格则只要几十块到百多块就够了（视温度传感器的数量和精度而定）。
虽然优点不少，但使用时还是有需要注意的地方：
1．传统实验是学生学习科学知识的基础，开源硬件不能完全代替传统实验。开源硬件建立的测量装置，的确是学生利用信息技术手段进行科技活动的一个好手段，然而这些装置直接检测的，其实是传感器测量产生的电信号，而传感器如何进行测量这些则和传统实验有比较大的关系。例如，温度计测量温度实质是测量物体在不同温度下某种特性（体积、电阻等）的变化而得的，学生在传统实验中才可以深刻体会到这些温度引起的变化，而当学生要学习这部分知识时，如果简单地用开源硬件来进行实验，是不可能达到预期目的的；同时，当学生能把这些物体变化时导致特性产生变化的现象、原理掌握了，才可以产生令人意想不到的创意，如前述的由电位器改装的量角器，如果学生仅仅懂得通过传感器直接测量角度的话，是不会想到这样的设计的。
2．开源硬件的使用对教师、学生的能力有一定的要求。虽然假设一个开源硬件信息技术平台的原理并不复杂，硬件部分只需要简单的“开源主板-传感器”连接就够了，然而如何进行编程才是比较棘手的地方。对教师而言不懂还可以自学或求教于人，但如果要完全放手由学生自行制作，低年级的学生则比较不现实。比较值得欣喜的是，编程软件的图形化，以及由于硬件开源而释放出来的大量程序代码在互联网上唾手可得，因此学生要学习也并非完全不可能。
3．开源硬件和多媒体使用，是开展科学活动中信息技术使用的不同方面，虽然前者可以让学生得到科学实验中的第一手资料，使学生学得更“精”，让学生更能通过实践的成功中去感受科学、喜欢科学；但后者却是可以通过声、色等感官刺激来让学生从不同的方面去热爱科学，同时拓宽学生的知识面。因此，开展活动的时候并不能把两者单纯地割裂开来，而应考虑如何调配二者，使之更好地适合学生的发展。

参考文献
1．《小学科学课程标准》