创客教育与自制教具的融合—以拱桥承重能力探究装置为例

梁贤慧

（中山市黄圃镇培红小学，广东中山，528400）

创客源自英语单词“Maker”，原意是指“制造者”或“创造者”。近年来，创客专门用于指利用Arduino 等开源硬件、3D打印机和各种工具将自身的创意转变为实际产品的勇于创新的一群人[1]。创客教育继承了创新教育的理念，是一项具有高度的跨学科性、综合性、实践性的创造性教育活动[2]。因此，创客教育必定对自制教具设计注入新的活力。

创客强调的“造物”恰好弥补了传统教育“重理论、轻实践，重动脑、轻动手，重学习、轻应用”的不足。笔者认为基于创客理念改进传统的实验装置，从而提升实验探究的直观性、趣味性和探究性等是教师开展创客教育的重要切入点之一。创客教育中，教师时刻面临着新挑战。这就要求教师应以身作则，多“创”多“造”，在创造的过程不断磨练，不断提升自己的多学科综合应用能力。经过多次实践后，笔者在日常教学中运用创客理念自制了一款拱桥承重能力探究装置。

1 设计背景

《弯弯的拱桥》一课是粤教科技版小学科学五年级下册第二单元桥梁中的第3课，是在学生学习了《平直的梁桥》的基础上，进一步探究拱桥的承重能力[3]。教材中本课主要有两个实验内容，活动一分别搭建梁桥和拱桥，比较它们的承重能力；活动二，探究有无拱座支撑时，拱桥承重能力的变化（如图1）。两个实验都是通过桥面可以承受的垫圈个数，来反映桥的承重能力。

可是，学生在实验操作中，存在以下困难：

（1）两个探究实验的实验数据测量方法都是将垫圈放置在桥面上，逐渐增加垫圈，直到桥面倒塌时，记录垫圈个数以表示桥的承重能力。这种测量方法所得的数据是桥梁承重的极限值，与现实生活中测量桥梁承重的实验方法截然不同。再加上所得数据单一，假如学生实验操作稍有不慎极容易造成数据误差，干扰学生对实验结论的得出。

（2）当桥面受到压力发生轻微形变时，学生用肉眼难以观察，导致他们无法准确判断拱桥是否发生了形变。

图1 教材中的实验

针对这些问题，笔者尝试运用创客教育中的开源硬件和电子元件，创新地设计了拱桥承重能力探究装置。

2 自制装置的介绍

■2.1 装置的优点

本装置创新地应用应变片，将桥面的形变量转换为电阻变化量。自制装置能精确地测量出桥面的形变程度，所得的实验数据更准确、更充足，有利于学生准确比较桥的承重能力，令实验结论更具有说服力。

笔者通过编程设计，使得装置能将难以观察的桥面形变转化为直观的声光提示，令实验现象更明显、实验探究更有趣。

本装置操作方法非常简便，借助其测量出的精确数据，学生对所得结果进行分析，即可构建有关拱桥承重的基础认识。

■2.2 装置的硬件材料

2.2.1 制作材料

Arduino Nano一块、应变片一块、AD620电压放大模块一个、LCD1602液晶显示屏一块、蜂鸣器一个、LED灯3个、塑料桥面一块、杜邦线若干。

2.2.2 重要部件介绍

（1）应变片

应变片是一种基于应变效应制作而成的高精度力学量传感元件，其作用是把被测构件的形变量转变为电信号，输入相关仪器仪器进行分析。应变片主要由敏感栅、基底、覆盖层及引出线所组成（如图2）。其中，敏感栅是应变片的核心组成部分。在实际应用中，将应变片粘贴在被测构件上，当应变片随着被测构件表面发生轻微形变时，敏感栅内部的电阻丝也会随着构件发生相同的形变，引起应变片电阻值发生相应的变化。当受外力伸张时，电阻丝长度增加，横截面积减少，电阻值增大；当受压力缩短时，长度减小，横截面积增大，电阻值减小。应变片的应用范围十分广泛，适用结构包括桥梁、道路、房屋等多种建筑物，适用材料包括钢、铁、塑料、玻璃等各种金属及非金属材料。

本装置创新地运用应变片测量塑料桥的承重能力。使用时，只需将应变片牢固地黏在桥面上，随着桥面受外力作用，应变片的敏感栅会随着桥面发生形变，从而使其电阻发生变化。因此，只要能测出应变片的电阻值变化，便能测量出桥面的形变程度。但由于应变片感受应变之后，产生的电阻变化十分微小，故应变片还需用电压放大模块对信号进行处理，将微弱的电阻变化转变为电压变化。

（2）AD620电压放大模块

现代电子系统中，电信号的产生、发送、接收、变换和处理，几乎都以放大电路为基础。AD620电压放大模块放大倍数1-10000倍可调，具有体积小、精度高、线性好等优点，可调校零，提高精度。其输出信号失真小，频率高，具有噪声滤除能力，适合多种需放大微小信号的应用场合。

将应变片与电压放大模块连接，提供稳定的工作电压，就能实现将微弱的电阻变化转变为电压变化。当桥面受外力作用发生形变时，借助应变片将桥面的形变量转换为变化的电信号后，装置就能精确地测量出桥面的形变程度，还可通过编程设计，使装置根据所测得的电压变化并作出相应的反馈。

（3）LCD1602液晶显示屏

针对小学生的学习能力和心理特点，本装置起初只通过声光提示反映数据。但为了满足更深层次的探究，笔者使用LCD1602液晶显示屏把装置测量出的桥面形变数据清晰地实时显示出来，方便使用者分析数据，得出使用结论。

图2 应变片

3 制作方法

（1）本教具的测量元件连线示意图，如图3所示。

图3 元件连线示意图

（2）确保桥面材料相同，桥面厚度相同，桥的跨度相同，测试承重能力所用的垫圈大小、重量也相同。并将应变片黏在塑料桥面背后，将各元件连接，见图4。

图4 元件实物连接图

（3）安装支架座，将显示屏、蜂鸣器、指示灯等固定在支架上，见图5。

图5 拱桥承重能力探究装置

（4）编程设计，如图6所示。

笔者通过编程设计实现本装置能对桥的不同程度形变作出相应反馈：当桥发生轻微形变时，点亮一盏指示灯；发生中等形变时，点亮两盏指示灯；严重形变时点亮三盏指示灯，蜂鸣器还会发出警报声，直观地将难以观察的拱桥形变转化为有趣的声光提示。

（5）程序调试

由于市面上测试桥面承重能力所用的垫圈有多种型号，其大小不一，质量不同，将其放置在桥面上所压力也不尽相同。假如使用不同型号的垫圈必定引起桥面形变程度不同，因此，本程序需要进行预测试，及时调整程序中电压范围，正确地对桥面三种形变程度作出反馈，以保障装置的使用效果。

4 使用方法

■4.1 探究活动一：比较梁桥和拱桥的承重能力

由于本课是在刚刚研究过梁桥之后，学生自然而然猜想梁桥和拱桥相比，哪个承重能力更强。接着，引导学生自主设计实验方案，明确对比实验中控制变量的重要性：搭建梁桥和拱桥时需要保证桥的跨度、桥面材料、承重用的垫圈相同。

实验步骤：

（1）分别搭建梁桥和拱桥。

图6 编程设计图

（2）往梁桥上放置垫圈，逐渐增加垫圈，依次记录点亮第一、第二、第三盏指示灯时，承受的垫圈个数。

（3）往拱桥上放置垫圈，逐渐增加垫圈，依次记录点亮第一、第二、第三盏指示灯时，承受的垫圈个数。实验现象见图7。

图7 实验现象

实验数据如表1所示。

表1 比较梁桥和拱桥的承重能力

分析实验数据，得出实验结论：与梁桥对比，拱桥的承重能力更强。

■4.2 探究活动二：比较有拱座拱桥与无拱座拱桥的承重能力

而在活动一中，学生通过观察非常清楚地认识到拱桥受压后，拱脚会向外移动。于是学生会猜想，要使拱桥承重能力更加就需要用拱座顶住拱脚，阻止拱桥形变。进而，探究有无拱座支撑时拱桥承重能力的变化。

实验步骤：

（1）分别搭建无拱座支撑的拱桥和有拱座支撑的拱桥。

（2）往无拱座拱桥上放置垫圈，逐渐增加垫圈，依次记录点亮第一、第二、第三盏指示灯时，承受的垫圈个数。

（3）往有拱座拱桥上放置垫圈，逐渐增加垫圈，依次记录点亮第一、第二、第三盏指示灯时，承受的垫圈个数。实验现象见图8。

图8 实验现象

实验数据如表2所示。

表2 探究有无拱座支撑时，拱桥承重能力的变化

分析实验数据，得出实验结论：有拱座支撑的拱桥承重能力更强。

5 设备二次开发的设想

本装置还留有更多的探究空间，如测量多种材料桥面的承重能力，使得实验数据更丰富，更有力地支撑拱桥承重能力更强的实验结论；还可以依次改变桥的跨度、厚度等，继续深入探究这些因素对桥承重能力的影响。此外，本装置能激发学生利于应变片作为核心元件制作科技小发明，是抛砖引玉的设计。