自制智能化单摆周期计数装置

湖北省武汉市武昌区南湖第二小学(430070) 李 核

1 问题的提出

教科版小学科学6年级下册第3单元第6课“摆的研究”要求：“通过改变摆锤的质量、摆绳的长度，在15 s数出摆来回摆动的次数，收集15个实验数据得出结论，发现摆的快慢与摆锤的重量无关，与摆绳的长度有关。”在课堂教学活动中，学生分别负责发指令、放摆、按秒表和读数，合作完成实验。在实验中，经常会有超前或者滞后的情况发生，导致学生记录的实验数据并不准确；一节课时间内小组同伴还要共同合作完成15个实验，直接导致很多学生无法完整地完成实验数据的收集。究其原因，是常规课堂使用的教具无法落实最基本的认知目标。

2 文献综述

笔者查阅文献资料，发现单摆周期的读取不精确是老师们普遍关注的问题。知网数据库中对“单摆周期”的研究及单摆周期的测定全部都是针对大学生或者高中生的测量方案。其中安学立老师在《一种简易单摆周期测量装置》介绍了自制测量电路，他用到了放大器电路实验测量。任孝有老师在《利用手机近距离传感器测量单摆周期》中通过利用安卓手机传感器来实验近距离测量单摆周期，用到了手机传感器，但是下载安装程序比较繁琐。李学等老师在《应用App提高物理实验准确性——以“用单摆测重力加速度”为例》中介绍了通过下载物理教学用App——Physics Toolbox Sensor Suite Pro，读出单摆的周期。在优质课的观摩现场，笔者发现有的学校把大学物理Dislab实验室里的电脑和传感器带进了课堂，有的老师利用Dislab实验器材进行单摆周期的测量。

以上这些方案虽然都能够精确测量单摆的周期，但是不容易普及。大学物理实验室的器材小学科学老师很难得到，高中物理教学会用到学生常用的手机，需要下载相应的App，小学生操作起来较为困难。

3 创新设计

3.1 创新思路

基于这些教学困惑，笔者联想到在大学物理实验室见过的单摆测试仪器，它在最低点安装了磁感应器来计数，磁感应器“一看到”单摆就计数，时间也可以显示。受此启发，笔者努力寻找合适的感应器，并设法让它把识别到的单摆信号变成可视化的数字显示出来。笔者通过反复的实验和测试，将身边的物品进行了巧妙的组装，成功地利用了光电感应器识别单摆通过，并且让单片机在15 s时间内，单摆每次通过光电感应器时计数器自动加1(见图1)。

图1 组装成果

3.2 所用零件

组装的零件包括：手机用移动电源、光电感应器、单片机、铁架台和单摆，并利用电脑编程进行了总体控制。下面对组装零件做出详细介绍。

(1)光电感应器

笔者用到的光电感应器(见图2)，成本不足3元，可网购得到。它的功能与“眼睛”一样，用来“看”单摆是否通过。在单摆挡住黑色二极管时，就会发射信号，白色二极管反射信号后迅速在单片机上显示数据，整个感应过程只要10-10s，反应非常灵敏。

(2)单片机

单片机是本次设计的核心。编程语言是让单片机实现功能的主要部分，笔者用c语言编辑好命令程序后，就能让单片机的数码管模块显示读数。开关打开后，计数器和计时器显示都为零。单摆第一次经过光电感应器时，计时器从“00.0 s开始计时直到15.0 s。计数器也随着摆每次通过感应器时依次加1。通过编程把计数器和计时器的功能合二为一，左边的数字用来计数，右边的数字用来计时(见图3)，实验数据一目了然。

(3)复位开关

在此基础上，还增设了复位开关(见图4)，它被按下时，计数器和计时器通通归零，学生可以快速重复实验，再测一次。

图4 复位开关

4 实测效果

4.1 操作简单，快速准确

计数器最“智能”之处就是15 s之后示数发生了锁定。开关打开后，学生只需要在放摆之后等着计数器最后的示数，用显示的数据除以2就是单摆来回的次数。为了方便学生重复实验设计的复位开关被按下后，计时器和计数器都清零，可以轻松实现多次测量。智能化单摆周期计数装置操作简单，计数精确，可以留出更多的时间让学生去验证个性化和多元化的猜想，帮助学生形成更加正确的科学概念。

4.2 成本低廉，易于制作

智能化单摆周期计数装置的亮点就是器材易得、成本很低、组装方便。一线科学教师都拥有自己的单片机或者开发板，通过自己动手编程，再网购一个成本不足3元的光电感应器，就能搭建“电脑编程+传感器+开发板”的智能计数体系，很好地落实了“教学成本最低化，教学成果最优化”的高效课堂理念。

5 拓展应用

课后学生对“智能化单摆周期计数装置”很好奇，笔者适时抓住教育的契机，给学生介绍单片机计数的原理，即摆通过光电感应器时就会被计数。启发学生自己动手，设计出新的单摆周期计数装置。通过给他们提供光电感应器，让学生自己用编程套材中的开发板和数码管等零件组装起来，用scratch编程语言进行总体控制，来实现计时和计数功能，图5是学生的创新设计，它是用来显示30 s内单摆通过的次数。

图5 学生自制智能化计数器

学生的创造力有无限可能。改进实验装置不仅能更好地落实教学目标，更能激活学生的创新意识，增强学习动力，让学生在动手动脑过程中提高实践能力，培养创新精神。