用SloT与掌控板做热辐射实验

狄勇 谢作如

热辐射问题在小学五年级、初中科学课中都有涉及。科学课堂上的实验方法，一般是采用不同颜色的纸袋包裹温度计，或者将温度计插入外表涂上不同颜色的烧瓶，放太阳下暴晒，随时间推移记录温度数据，以验证不同颜色物体吸热本领的大小（如下页图1）。

传统教学中做热辐射实验，需要学生长时间在阳光下暴晒观察，涉及学科：物理、技术依靠人工读数、计时、记录，不但精度不够，而且难以在有限的课堂时间内获得明显的实验结果。实验中还会因学生不经意对阳光的遮挡等因素，影响了实验的准确性。如果利用一套可自动计时、记录温度的装置，来做这类与数据探究相关的科学实验，能够大大降低实验教学的实施成本。其实，借助SloT开源物联网平台，小学生也能够利用掌控板之类的开源硬件，自主搭建這样的实验装置。

用SloT与掌控板做热辐射实验的原理

在动手搭建实验平台前，我们先梳理—下制作思路。参考教育科学出版社出版的小学《科学》五年级上册《怎样得到更多的光和热》一课的实验记录表（如下页表），可知在装置设计时，需要在物联网平台记录时间和对应的温度两项数据。教材中设计的2分钟间隔，对于已实现自动记录的实验平台而言有些过长，我们可以设计为1分钟，甚至10秒钟的时间间隔，让细微的温度变化都得以呈现。

用于记录数据的SloT服务器应与掌控板部署在同一个局域网内，我们可以在教室里的台式机上、教师的笔记本电脑上轻松搭建SloT服务器，其他设备在知道路由器分配给这台电脑的IP地址后，可以利用WIFI访问SloT服务器。这些设备可以是电脑、手机、micro：bit、Arduino等，当然也包括本文采用的自带WIFI模块的掌控板。装置工作流程如图2所示。

用于检测温度的传感器有不少选择，如DHT11、BMP280、LM35等。考虑到LM35传感器更为常见，几乎是所有Arduino套件的标配，且测量温度范围满足需求，所以本实验采用LM35线性温度传感器。

检测装置的硬件搭建

我们的实验是面向全体学生，采用大班授课的形式。器材需求视实验分组数量而定，建议每个小组与测试的颜色一一对应。单组所需材料包括掌控板1爪、掌控板的扩展板1个：LM35线性温度传感器1个：烧瓶1个、轻质黏土若干。图3为掌控板和传感器的连接，将LM35传感器放入烧瓶后，需要用轻质黏土封堵瓶口（如图4），避免瓶内空气与外界对流，以获得更好的实验效果。

SloT服务器搭建

SloT的使用手册可通过网站查看（网址：https：//SloT.readthedocs.io/zh_CN/latest/）。作为一个开源项目，SIoT存放于GitHub，点击使用手册的“文件下载”，根据计算机的操作系统选择相应版本软件包即可获得服务器程序。SloT支持Linux、Mac、Windows，全面覆盖了常见操作系统。不同于通常配置服务器的繁冗，部署SIoT服务器只需解压文件包后，双击运行服务器端程序即可（如图5）。随后系统会弹出一个控制台窗口，滚屏显示日志信息，这样就算部署完毕了。

实验装置的程序设计

实验装置的程序使用了DFrobot的Mind+来编写。为了实验中可以将烧瓶摆放到位后再记录数据，程序设计为如果装置接收到“START”指令，才开始发送数据给SloT，避免了通电就发送无效数据。完整程序如上页图6所示。

要确保掌控板连上SloT，务必正确配置MQTT的初始化参数，具体请参考SloT的文档。

将程序上传到掌控板后，如果配置正确，且局域网网络通畅，根据设计的程序，掌控板的OLED屏应显示提示信息——“SIoT已连接”。

系统测试

1.登录SloT服务器

打开浏览器，如在服务器端，访问http：//localhost：8080，如通过局域网内其他设备访问，将地址中的“localhost”替换为服务器IP地址即可。

2.定位项目和设备

登录后可以看到项目列表中出现了myPython，这便是新建的项目（如图7）。在掌控板向SloT服务器发送第一条数据时（一般会将这个“握手信息”放在主程序MQTT连接成功后），便会在服务器建立掌控板程序中项目ID对应的项目。

3.发送采集指令

点击“查看项目列表”——“查看消息”，根据设计的程序，发送消息“START”后，实验装置开始上传数据。刷新页面后，可以看到更新后的数据记录（如图8）。这些数据都可以导出为Excel表格，以便后期进行数据分析。

总结

通过测试我们发现，SloT的出现让课堂搭建物联网服务器轻而易举，即便是没有任何信息技术学科背景的师生也可一键完成服务器部署突破了公网物联网平台应用于课堂教学时账号注册、账号管理、数据容量限制的掣肘，恰到好处地满足了日常教学需求。人民教育出版社出版的高中《物理》第一册《借助传感器用计算机测速度》一课中提到，“随着信息技术的发展，中学物理的实验手段也在不断进步”，并指出这种实验手段的进步，使得“同学们可以减少重复性操作，用更多的时间和精力对物理过程进行分析”。从中我们可以看到科学学科对信息技术的关注，而信息技术也推动和影响着其他学科的变革，SloT的出现将加速这种变革。如果我们从STEM的角度出发，让孩子们自行DIY数字化实验装置，其过程价值更是不言而喻。数字化实验室因为成本高一直难以普及，但是掌控板+SloT可以替代其中很大一部分功能，加上扩展板后，原有的Arduino传感器基本上可以通用，轻松实现编程、接线、联网，小学生都容易上手，成本低到农村学校也买得起。这将是国内STEM课程普及和落地的一条可行路径。