基于开源硬件的光的三原色实验探究

张创婷 徐敬洪

教学背景

18世纪，牛顿通过计算，发现红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光中只有红、绿、蓝三种色光无法被分解，而其他四种色光均可由这三种色光以不同比例相合而成。于是红、绿、蓝被称为“光的三原色”，即RGB（Red， Green， Blue）。

但是在科学课教学过程中，光的三原色实验往往只能通过三棱镜进行光的散射实验来观察。虽然能看到光的散射现象，操作上也没有太大的难度，但是该实验无法量化，而且无法反向进行，只能观察到光的散射，无法观察到光的合成。在这个基础上，我们结合开源硬件设计了一套实验装置，既能直观地看到合成的光色的改变，也能通过R、G、B的数值对合成的光色进行量化，让实验变得非常直观。

教学目标

知识与技能 知道太阳光中包含不同颜色的光，通过色散实验可以把太阳光分解成七种颜色的光，其中红、绿、蓝无法再被分解，成为光的三原色，其余四种颜色的光以及白光可以通过红、绿、蓝三种色光以不同比例合成。

过程与方法 使用开源硬件并编程模拟三原色，合成彩色RGB灯，从而直观地观察到三原色如何合成其他不同颜色的色光;记录实验模拟的过程，分析橙、黄、靛、紫以及白光等色光合成需要三原色光的不同比例，并分析数据;根据模拟活动和生活经验解释彩色电视机、显示器等的显色原理。

情感态度与价值观 能从身边的自然现象中发现其科学原理，并积极结合现代化信息技术开展科学探究活动，从而产生对自然探究的兴趣。

教学重点与难点

教学重点 理解太阳光中包含不同颜色的光以及三原色光可以合成其他色光的原理。

教学难点 探究不同色光的合成所需的三原色光的比例。

教学准备

一、材料准备

1个数字食人鱼红色LED发光模块，1个数字食人鱼绿色LED发光模块，1个数字食人鱼蓝色LED发光模块，3个模拟角度传感器Rotation Sensor V1，1个掌控板2.0编程入门学习主控板，1个Micro：bit掌控I/O扩展板，椴木板若干。

二、制作实验装置

利用LaserMaker软件设计出实验装置，然后用激光切割机切割好椴木板，随后将各种材料进行组装，组装后实验装置俯视图如图1。

三、编写硬件程序

实验装置搭建好后，就需要编写程序来实现功能。掌控板的程序如图2，需要实现的主要功能有模式选择、连接Wi-Fi与SIoT服务器、实验操作获取并显示R、G、B三种颜色的值，同时发送数据到SIoT服务器。

考虑到实际情况，学生不一定具有电脑及网络等条件，我们设计了两种实验模式，实现了学生按键选择“服务器模式”或“离线模式”，实验过程中，还可以按“A+B”重新选择模式。“模式选择”功能模块程序可扫描右侧实验硬件程序二维码查阅。

3个旋钮的亮度值对应着3个LED灯的亮度值，转动旋钮，改变旋钮的值，就能改变红绿蓝3个LED灯的亮度。我们通过编写“实验操作”程序，让实验装置获取3个LED灯的亮度值并能实时显示出来，“实验操作”功能模块程序可扫描右侧实验硬件程序二维码查阅。

教学过程

一、课题引入

教师通过演示彩虹实验（利用喷壶在阳光下“制造”彩虹），引出驱动任务：在自然界中什么情况下才能看到彩虹？彩虹的形成需要什么条件？学生思考并回答。教师讲解色散实验，利用三棱镜等工具分离阳光，让学生知道阳光有不同的颜色。隨后，教师提出问题：如何把分离的七彩光线合成白光？学生思考并讨论。

二、自主学习

学生自行阅读关于牛顿的光的色彩论的资料，了解到太阳光分解的七种光线经过三棱镜的反向折射之后，又会合成一束白光;且牛顿通过进一步探究发现，红、绿、蓝三种色光无法再分解，反而可以合成其他的色光。

三、实验探究

实验开始前，教师展示光的三原色实验装置，并讲解装置的实验原理。

（一）教师演示实验

1.打开装置，可按A键或B键选择模式。实验过程中，随时可以按“A+B”重新选择模式，如图3。电脑启动SIoT服务器，选择“服务器模式”，装置自动连接Wi-Fi和SIoT服务器。

2.连接Wi-Fi和服务器后，装置开始工作，分别转动红、绿、蓝3个LED灯的旋钮，即可改变R、G、B三种颜色的值，结果会在掌控板的OLED屏幕显示出来，3个LED灯直观地显示出红、绿、蓝三种颜色的光色，合成的RGB颜色也会通过掌控板的RGB灯显示出来。

3.观察掌控板上RGB彩灯的颜色，Mind+通过串口通讯，程序自动将R、G、B的值以及所记录的颜色一并发送到SIoT服务器。

4.导出SIoT服务器的数据，简单整理后就能轻松得到实验数据，如下表。

（二）学生自主实验探究

教师演示完毕，学生分组进行实验。

在有条件的情况下，实验操作过程中，教师可以给每个小组各分发一个实验装置，配套电脑进行实验数据的快速记录;在条件不允许（如电脑、Wi-Fi条件不满足）的情况下，可以只分发装置给学生，不配备电脑，学生通过装置观察实验结果，通过纸质表格记录实验数据。

四、分享交流

以小组为单位分析数据，讨论并总结光的三原色合成的规律。然后，教师邀请小组代表在全班同学面前分享探究实验的结果以及感受。

教学反思

传统的光的三原色实验无法量化，而且无法反向进行，只能观察到光的散射，无法观察到光的合成。本装置创造性地解决了这一问题，而且成本低、效果好。物联网的运用让实验数据的记录变得非常快捷和简单，大大提高了实验的效率。

本装置同时设置“服务器模式”和“离线模式”，确保在没有网络或者电脑的情况下也能够照常进行实验，降低了装置使用的门槛，只要带上充电宝，任何条件下都可以通过本装置进行实验。

（本课件由DF创客社区推荐）

张创婷 广东省佛山市顺德区李介甫小学科学教师，致力于STEM项目化课程学习研究，撰写的STEM研究论文获国家级、省级、市级奖项。多次带领学生获得省、市、区级科技竞赛奖项，多次获得省、市、区级科技竞赛“优秀科技辅导员”称号。

徐敬洪 广东省佛山市顺德区李介甫小学信息技术教师，顺德区创客教育联盟讲师团成员，公众号“玩转信息技术”创办人，致力于创客教育和人工智能的研究，曾多次辅导学生在省、市、区级创客竞赛中获奖。