用物理学科视角讲解创客教育中的传感器知识

扬州大学附属中学(225002) 顾 青

基于开源硬件的创客教育过去一直以校本课程或兴趣小组的形式在部分有条件的学校中开展。2017年版的《信息技术课程标准》把开源硬件的项目设计列为选择性必修模块。从此基于开源硬件的创客教育在国家层面的课程体系中有了自己的位置。它可以激发学生的创新精神和实践能力，是进行STEM教育和提高学生核心素养的理想载体。

开源硬件的创客作品一般都有三个部分：第一是获取信息的传感器，第二是处理信息的以单片机为核心的主控板，第三是主控板控制下的执行部件。传感器把探测到的数据传给主控板上的单片机，单片机通过设计者编写的程序对数据进行运算后得到控制结果去驱动控制部件完成某一项控制任务。这就是基于开源硬件创客作品的一般结构。在这三个部分中，传感器非常重要，因为它是各种创意的源头。创客作品的大部分创意和灵感的产生都是建立在对传感器物理原理的理解和性能的把握之上的。所以，我们可以在创客教育中结合物理学科知识对传感器的工作原理进行讲解，让学生从物理原理的视角去学习和理解传感器，在创客教育的过程中完成学科融合和知识迁移，践行素质教育的理念。

下面，笔者结合具体课例探讨一下如何从物理学科的视角来讲解传感器知识，让学生从低到高依次达到掌握传感器知识的三种境界。

1 了解传感器的物理原理，掌握常用传感器的基本使用方法

对于Arduino电路板来说，所有的传感器都是输入设备。一种传感器输入的是模拟量，另一种传感器输入的是数字量。

从本质上讲，大部分非集成电路的模拟传感器就是一个传感器元件和一个电阻串联，然后两端加上5 V电压构成分压电路(如图1)。分压电路在初中物理电学中是学生最熟悉的电路之一。而传感器元件其实就是一个电阻随着某个物理量变化的可变电阻。当可变电阻的阻值变化时，与它串联电阻间的电压也会随之变化，把这个变化的电压输入主控板，通过编程就可以计算出所测物理量的值了。以上对模拟传感器的讲述我们用到了很多学生熟悉的物理知识，通过这个讲解过程不但让学生了解了传感器的电路结构，还实现了知识的迁移与融合，使学生对过去学过的物理知识有了更深刻的理解。

图1 电路图

当学生掌握了这类利用分压电路实现的传感器的物理原理后就可以继续向他们介绍采用相同原理制成的其他常用传感器的相关知识了。比如声音传感器就是一个驻极体话筒和一个电阻串联，驻极体话筒就是一个随着声音强弱变化的可变电阻。声音变化会使得其输出的电压发生变化从而测量出音量。光线传感器也是一样的原理，只不过其等效的可变电阻是一个反向偏置的光敏二极管，它的等效电阻会随光线变化而发生改变，于是我们就可以根据输入主控板的电压计算出光线强度了。这部分知识可以让学生自主探究和分析。

以上的讲解是从传感器的物理原理和功能使用层面学习传感器，只能算是掌握传感器的初级阶段。如果想要更好地使用传感器，解决创客活动中使用传感器时遇到的各种问题就需要从实现传感功能的物理原理上去了解它了。

2 运用物理知识解释和解决传感器使用中遇到的现象和问题

就拿最常用的超声波测距传感器来说。如果我们只是告诉学生超声波传感器可以探测传感器和障碍物之间的距离而不向学生解释超声波传感器背后的物理原理，那么学生可能只是简单地知道如何使用它来测量距离。当我们转动超声波传感器，并与被测物体表面的垂直方向有一定夹角的时候，测量的误差就会很大，大于45°以后测量数值就会爆表。学生会因为读数的异常而感到疑惑。自然更不会解释这个现象。

然而，如果我们讲解超声波传感器的时候告诉学生其中的物理原理是超声波传感器通过超声波发生器发出超声波，当超声波以音速碰到障碍物后反弹回来被超声波接收器接收到，通过测量从发射超声波到接收超声波经历的时间，把这个时间乘以声音在空气中的速度并除以二就得到距离值(如图2)。由于中学物理中有机械波及其传播特性的内容，学生就可以把机械波的知识迁移到这里来。用物理课上的知识通过建构获取新的传感器知识：当超声波的入射角过大时，反射角也增大，以至于接收超声波的接收器无法收到返回的超声波而得到距离无穷大的错误结果。

图2 超声波传感器的结构模型

在这里我们还可以让学生用这个原理逆向思维：思考如何能够不被超声波传感器探测到。学生或许会想到设计出外形平面夹角大于45°的物体就可以在超声波传感器面前实现隐身。这样学生就可以理解为什么隐形飞机轮廓是那种奇怪的形状。此外，声波碰到柔软的物体也会被吸收，以至于接收器也收不到返回的超声波，这是另一种在超声波传感器面前实现隐身的思路。与柔软物体吸收超声波同样的道理，隐形飞机表面也是涂上了吸收电磁波的涂料实现隐身的，这又是一次成功的知识迁移。

中学物理教材上还介绍了波的衍射问题。根据波的衍射知识，学生知道波可以绕过尺寸小于波长的物体而很少被反射。于是我们就可以让学生计算出超声波的波长，从而计算出能被超声波传感器探测到的最小物体的尺寸。如果我们只是单纯用信息技术的方法讲解传感器，学生就不会了解超声波传感器的这些特性。他们在物理课上学到的知识也就变成了孤立存在于脑海中的“惰性知识”，而当我们联袂物理知识来讲解传感器就可以有效避免学生在物理课上学到的知识发生“惰化”的情况。

3 设计制作属于自己的个性化传感器

创客活动的主旨是创新和实践。如果我们能够运用掌握的物理知识设计制作出一种自制的个性化传感器，那将是一种高层级创客精神的彰显。每一种传感器都有自己的物理原理，教师可以通过引导学生利用掌握的物理知识和传感器知识设计出新的个性化传感器。

比如前面讲到了光敏传感器的原理，我们就可以通过在光敏传感器的对面放置一个发光二极管，从而制作一个光电门传感器来测量时间，甚至用这个光电门去服务于物理实验。再比如我们知道人体和金属片都是导体，都是有电容的，而给电容充电需要时间。知道这些知识就可以利用Arduino的数字引脚串联一个合适的电阻去给一个金属片充电，用另一个引脚检测电压。当人体没有触碰到这个金属片时，电容很小，充电延时就很短。而当人体触碰到金属片，金属片接入人体这个大电容，充电延时变长，通过编程可以测量出充电时间从而设计制作出个性化的触摸传感器。

通过这种创客教育和物理学科知识互相融合的教学模式，我们不仅能做出属于自己的个性化传感器为我们的创客活动服务，同时也能够激活平时所学的物理知识，学以致用。这样不但培养了学生的创新意识和实践能力，还可以增强他们对所学物理知识的理解和掌握。

4 对创客和物理两个学科互相融合学习模式的思考

物理和创客这两个原本独立的课程之间其实有着千丝万缕的联系。所以在教学实践过程中，我们不能把两门课的知识独立开来。信息技术教师要主动联袂物理学科，主动学习更多的物理知识，把物理学科知识引入到创客教育的过程中来。一方面可以服务于创客教育，另一方面也能引导学生将学到的物理知识学以致用，提高学生的核心素养，实现学科间的融合，这和素质教育的理念是一致的。学生的创客活动离不开物理知识作为基础，物理知识也需要在学生进行创客活动的过程中得到充分的理解和运用。