基于单片机控制的太阳照射智能教具开发研究

袁小玲

【摘要】创新是时代发展的需要，小学科学课程作为整个科学课程的基石，实验教学在科学教学中具有举足轻重的作用。利用信息技术开发富有创新的实验，应用在教学上，能使学生掌握科学的探究方法和技能，本文以《直射与斜射》实验为例，利用信息技术创新地开发实验，并用于日常教学探究，更利于达到教学目标。

【关键词】信息技术;创新实验;教学应用

引言

在小学阶段，儿童对周围的世界有着强烈的好奇心和探究欲望，他们乐于动手操作具体形象的物体或教具。目前小学《科学》教材各课题设置形象生动，能够引导学生热爱科学，使学生对科学现象有着强烈的好奇心和求知欲望。但是，有些实验项目由于各种条件的限制，如果按照教材操作很难实现。同时随着科学技术的不断进步，人工智能、物联网等高新技术已经进入我们日常生活。如何利用新技术创新现有的科学实验，成为目前科学教师研究的热门课题。

创新实验，不但能使学生全面认识事物，掌握科学的探究方法和技能，还能发展学生的科学探究实践能力，使学生亲身感受前沿科技对日常生活和学习带来的改变，从而促进学生的创造力态度和思维的发展，培养学生科学探索精神。因此，针对传统实验的不足进行改进，通过信息技术把实验创新地开发并应用于日常教学探究中，可以大大地提高教学效果。

一、“直射与斜射”实验中存在的弊端

“直射与斜射”实验作为“四季成因”的活动二，通过探究光照射角度不同，认识地面所获得的热量不同，从而很好地认识四季成因。按教材中讲解，该实验常用的方法是把温度计直接放在太阳光下直接照射，根据时间的不同来确定太阳照射角度不同，得出不同的地面温度。 然而，笔者在教学实践中发现了该传统实验存在一些不足之处：1.光源获取困难。2.温度变化不明显。3.角度定位不准确。4.短时间内难以实现角度连续变化。

由于实验效果不明显，学生觉得该实验枯燥无趣，难以引起学生的探究欲望，教学效果比较差。于是，笔者尝试运用单片机、物联网等新兴信息技术对该实验进行改进，开发制作了太阳照射智能教具并成功应用于教学中。

二、太阳照射智能教具的开发

（一）制作材料：利用量角器、主控板、电动机、高亮度LED灯、光敏传感器、液晶显示系统、开关按键等设计了一款智能控制阳光直射和斜射演示系统。

（二）制作原理：这款太阳照射智能演示系统能够智能控制阳光直射和斜射，使用高亮度LED灯模拟太阳，通过按键控制，按太阳变化规律，自动实现东升西落。使用光敏传感器收集光照度变化，通过信息技术编程技术，将光信号转为电信号，从而转为温度变化信号，最后液晶显示屏直观显示温度变化过程。同时，使用按键精确控制太阳照射角度，且能直观显示太阳照射角度，便于学生记录实验结果。

（三）结构框图：太阳照射智能演示系统教具控制电路组成如书中图3所示，USB电源供电，控制按键设置有三个，既正转、反转和停止，通过光敏传感器采集太阳照射光输入给主板。主板输出信号分别给电动机和液晶显示屏，液晶显示屏上的温度可以随电动机转动的角度实时改变，从而演示太阳照射角度不同地面获得的热量不同。

四、太阳照射智能教具的教学应用

探究一：比较光照射角度和光覆盖的范围

由于本实验是在刚刚研究过的实验“根据影长不同判断不同的季节”，学生自然而然猜想同一束光直射地面和斜射地面时，哪个光覆盖的范围更多？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：同一束光，光照角度虽然不一样，但与照射地的距离一致。师生共同设计相应表格，并利用直射与斜射演示系统进行对比实验探究。分析实验数据，得出实验结论：光照射角度越大，光覆盖的范围越小。

探究二：探究光照射角度与地面的温度

在活动一中，学生通过观察非常清楚地认识到光照射角度越大，光覆盖的范围越小。于是学生会猜想，光覆盖的范围越小，那光的热量是否越集中，温度是否越高？进行探究光照射角度与温度的变化。引导学生设计相应表格，利用直射和斜射演示系统，进行对比实验探究。分析实验数据，得出结论：光照射角度越大，地面的温度越高。

五、创新实验与传统实验的对比

经过教学的实际应用，利用新开发的智能教具能够很好演示教材中的实验内容，同时学生的好奇心非常浓重，能够引起学生对高科技的探究欲望。由于各种条件所限，我们只做出一台智能教具，做实验时，每个学生都想第一个利用该教具做实验。与传统实验相比，利用新的智能教具的教学效果非常好。

通過创新实验和传统实验的对比分析，得出创新实验的存在着以下的优点：（1）效果直观;（2）操作方便;（3）原理创新;（4）实时显示;（5）成本较低。

六、结论

经过教学验证，使用基于单片机控制的太阳照射智能演示系统教学，学生探究兴趣浓厚，实验效果明显，较好实现了本课题的教学目标。下一步我们将继续对该教具进行升级改进，例如，使用手机远程无线控制;利用物联网技术将实验数据传至云端，可以用手机实时查看;将该教具小型化，争取实现量产等。

【参考文献】

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[3]王永刚.中学物理自制教具研究[D] 成都：四川师范大学，2009.

（责任编辑：邓羽婷）