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项目式学习视域下物理实验的可视化探究与创新*
——以“微小形变”为例

2023-12-19杨东鹏杨超芳陈海深

广西物理 2023年3期
关键词:测距超声波原理

杨东鹏,杨超芳,陈海深

(广西师范大学物理科学与技术学院,广西 桂林 541004)

0 引言

项目式学习以建构主义理论为指导,以某一具体问题或目标为导向,引导学生在真实情境中以小组合作的方式进行项目规划及解决项目任务,学生通过实践体验、分析讨论、探索创新等环节,积极主动地建构有意义的学习[1]。基于项目任务驱动下的实验探究可以推动教师立足于学生真实学习情境,不断开展物理实验的探究与反思,开发物理实验可视化教学资源,克服传统实验教学中存在的诸如实验效果不明显、实验装置陈旧、实验方案不完善等问题。

2017 年版《普通高中物理课程标准》强调核心素养的培养,其中“科学探究”要求教师注重培养学生收集与处理信息、分析和解决问题的能力,以便学生能够获取新知识,并且积极分享探究成果、反思科学探究[2]。可视化实验演示可为学生收集信息时提供感性素材,化抽象为具体,学生依据可视化实验呈现给他们的信息对科学探究进行更为精准的分析与论证,从而建构有意义学习。

人教版高中物理《重力与弹力》一节主要采用单级光杠杆实验演示微小形变,让学生“观察”到这种微小形变的发生对弹力概念的形成起着至关重要的作用,但演示实验的单一性与教学的多样化之间存在矛盾,因此对微小形变可视化系列实验的探究与实践可以为教学的多样化提供系统的借鉴素材,从而促进教与学的效果。其中运用开源硬件Arduino 等现代化技术进行“可视化”实验的创新,不仅具有直观、高效、简洁易懂的特点,还增强学生在真实的复杂问题情境中分析信息以及利用信息技术设计与创新“可视化”实验的探究能力。

1 系列“形变放大”演示实验的探析

根据前人提出的部分“微小形变放大”演示实验及原理进行梳理分类,共分为五大类:(1)力学放大;(2)杠杆放大;(3)多媒体技术放大;(4)电学放大;(5)光学放大。每个类别中的实验不胜枚举,因此以下各类别中仅列举其中具有代表性的实验。

1.1 力学原理放大

1.1.1 “形变放大”演示仪

实验材料:一块表面光滑的塑料板(或玻璃板)、两个光滑小球

实验步骤:①把板的四个角等高悬空垫起;②两小球按两指(食指和中指)宽的距离水平放置,并同时处于静止;③手指轻轻按压两球之间的板;④观察两球的运动状态[3]。

实验现象:如图1 所示手指未按压板时两球保持静止状态,如图2 所示手指按压板时观察到小球沿着手按压的地方滚动。

图1 按压前两球保持静止状态

图2 按压时小球沿着手按压方向滚动

图3 形变放大演示仪示意图

实验原理:当手指按压板面时,由于外力的作用,板面会发生微小的形变。此时,小球在板面上所受到的向内的力(即重力的分力)将导致其运动状态从静止转变为运动。

实验反思:尽管力学放大实验使用的材料简单,效果明显,但是选材要求较高。例如,若选用过厚的塑料板或玻璃板,则无法达到放大的效果;而过薄的板子虽然变形后肉眼可见,但是无法体现形变“微小”的特点。

1.2 杠杆原理放大

1.2.1 “形变放大”演示仪

实验材料:支架、形变板、刻度板、杠杆放大结构、挂盘

实验步骤:①将实验材料组装成图4所示装置;②挂盘上挂上重物;③观察指针偏转情况。

图4 形变放大演示仪实物图

实验现象:挂钩上挂一个重物后,形变板发生微小形变,指针通过杠杆原理被放大,通过刻度板可以观察到指针明显偏转[4]。

实验原理:装置整体采用了二次杠杆放大原理。如图3 所示,第一杠杆两臂比例为7:1,第二杠杆两臂比例为8:1 的结构,同时第二杠杆的阻力臂被设计成指针,它们根据不同的力臂比例将力臂末端的微小位移放大。

实验反思:因为指针自身具有一定质量,即使是通过杠杆,指针也可能不发生偏转。并且组装此类二次杠杆放大装置需要高精度实验材料,细节繁琐,教学演示存在不确定性。

1.3 利用多媒体技术放大

1.3.1 “投影放大”演示仪

实验材料:摄像头、电脑显示器、桌面、物理课本

实验步骤:①按照图5 所示,将摄像头准确地安放在桌面上;②连接电脑显示器与摄像头;③将物理课本放置于摄像头的精确摄像范围内,并将其固定;④调整摄像头的位置,以显示“物理”二字;⑤轻触并释放摄像头与课本之间的桌面,以引起微小形变;⑥观察图像在按压前后的变化[5]。

图5 “投影放大”装置示意图

实验现象:通过对桌面施加压力,可以观察到摄像头捕捉到的图像发生了变化。

实验原理:摄像头的微小偏移由于按压桌面而发生,导致其摄像范围发生变化。通过对比变化前后的图像处理,学生可以认识到微小形变的影响。

实验反思:虽然该实验材料易得、操作简单,但其简单性可能会降低学生的课堂参与度与活跃度。并且桌面的微小形变导致摄像头发生微小位移,其摄像范围的变化也是微小的。

1.4 电学原理放大

1.4.1 “电信号放大”演示仪

实验材料:电阻应变片、带LCD 显示的单片机、高精度A/D 转换芯片、信号线、刚体

实验步骤:①将以上材料组装成如下图6 所示装置;②利用桥式放大电路[6]放大电信号的微弱变化。

图6 “电信号放大”装置示意图

实验原理:电阻应变片是一种导体或半导体材料,在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变化,根据欧姆定律可知当电路电压不变,电阻改变的同时其电流也相应的跟着改变。利用应变片的原理,通过放大其微小的电信号变化,实现对微小形变量的放大。

实验反思:通过将微小的电信号进行模数转换和单片机的处理以放大电信号,这种直观的数字显示方法可以有效地展示刚体的微小形变,甚至可以呈现形变数值的变化。但完成该实验需要结合高精度的仪器设备,不利于课堂教学的普及。

1.5 光学原理放大

1.5.1 “单极光杠杆放大”演示仪

实验步骤:传统的光杠杆法如图7 所示,一束光线依次被平面镜M 和N 反射,最后射到刻度尺L 上,形成一个光点。当用力下压桌面(箭头所示),镜子就会向内侧倾斜,由于两面镜子间的距离较大,光点在刻度尺上有明显的移动,而由此把桌面的微小形变显示出来[7]。

图7 传统光杠杆实物图

实验原理:通过利用光在平面镜上的多次反射,该实验将微小形变的信息以光点的移动形式展现在刻度尺上,使得学生可以直观地观察到物体的微小形变。

实验反思:这个实验需要在局部遮光的房间或暗室中操作并结合喷雾效果,激光的“可视化”路径才清晰可见。并且光点的位置变化依旧不够理想。

1.5.2 “多级光杠杆放大”演示仪

实验材料:两面带有标尺的反射镜(镜面需要较长)、激光光源

实验步骤:如图8 所示,①设置好反射镜a、b 的位置,使两镜处于同一直线上并与桌面垂直,a 为调节反射镜,b 为光杠杆反射镜;②调节反射镜a 和激光,使激光光线垂直于反射镜b,记录下此时光点的位置;③在反射镜b 后的桌面上放置重物(此时反射镜b 如图所示微微倾斜),观察光点的位置变化情况[8]。实验现象:放置重物前后光点位置不一样,且光点的上移程度较为明显。

图8 多级光杠杆反射示意图

实验原理:传统的光杠杆,光只在偏转的镜面上反射一次,可称为一级光杠杆,反射光偏转2θ。在不改变D 和d 的情况下,反射光在偏转镜面上反射一次,反射光线的偏转角就增大2 倍,通过改变反射光偏转角来提高放大倍数。多级光杠杆极大提高了微小形变的放大倍数,并且能够根据公式:

实验反思:虽然在单级光杠杆的基础上提高了微小形变演示实验的精度,但该实验组装过程难度较大,需要进行多次反射镜位置和长度的微调,以确保发射光点与反射光点在同一直线上。因此,需要具有较高的实验技能和经验,且时间成本较高。

2 基于开源硬件Arduino 的微小形变“可视化”实验创新

基于现代化技术的物理实验“可视化”具有实验效果传递快、数据反馈效率高等显在优势,有助于提高教学效果以及为学生科学概念的形成提供有意义证据[9]。Arduino 是一款以AVR 单片机为核心控制器的应用开发板,其应用于教学中汇集了编程、电路等教学为一体的优势,基于开源硬件Arduino 的优势,本文利用开源硬件Arduino 与超声波测距模块开发微小形变演示仪。

2.1 基于开源硬件Arduino 的微小形变演示仪

材料准备:①Arduino 开发板(型号为Arduino Uno);②规格为800 孔(165*55 mm)的面包板;③型号为US-015的超声波测距模块;④(蓝屏)IIC/I2C 1602液晶显示屏,40P(彩色)杜邦线;⑤通用无源蜂鸣器(3 V、5 V 通用),5MM 发光管;⑥透明亚克力板(作为形变板),三合板(作为包装材料)。

设计原理:基于开源硬件Arduino 的微小形变演示仪主要基于超声波测距模块能够满足对测量距离实时反馈的需求,用于教学演示微小形变,可直观且持续的反映形变情况。当测距值小于初始设定值时,则触发灯光以及蜂鸣器提示程序,超声波测距模块测出形变板的形变量,实时显示在液晶显示屏上,(数据的精度可达小数点后2 位)。

程序设计:程序设计包括主程序、超声波测距程序、系统处理程序等。各程序模块的功能如下:(1)主程序:对程序进行初始化操作,控制超声波测距程序以及系统程序。(2)超声波测距程序:控制完成超声波测距模块,包含中断服务、距离计算等。(3)系统处理程序:包括蜂鸣器报警程序、LED 灯发光程序和LCD 显示程序。具体程序代码如图9 所示。

图9 (a)超声波测距程序;(b)系统处理程序

具体操作步骤如下:(1)按照图10 将各模块、元件正确接入Uno 板;(2)使用图9(a)程序代码对超声波测距模块到形变板的距离进行测量和设定,得到一个初始距离并为后续系统测出的“形变量”提供对照参数;(3)使用图9(b)所示的程序代码给整个系统输入需要执行的功能的命令。

图10 Arduino 数字化电路图

实验效果:如图11 所示,利用Mixly 串口监视器绘图模式实时反映演示仪形变板的微小形变情况。通过串口监视器数据反映,可以看到图中第一次明显下降的数据是由于放置重物时形变板所反馈的数据,而第二次明显上升的数据则是由于取走重物时形变板恢复原状所导致。学生通过串口数据可以直观且连续地观察到微小形变的变化过程。

图11 演示仪实物

2.2 误差探究

根据图12 的实验数据分析,可以发现超声波模块在反馈数据时呈现出一定的波动性。可以基于超声波原理对该误差进行探究,并通过实验测试进行验证,以为可视化效果的优化提供参考。在教学实践中可借鉴该思路引导学生在演示实验中开展深度科学探究。

图12 串口数据监测实况

超声波模块的工作原理是在系统程序触发后,超声波模块的Trig 管脚会输入10us 以上的高电平信号,然后发出8 个4HKZ 的超声波脉冲,当回波被检测到后,Echo 管脚会输出高电平。根据测距公式,测量距离=(高电平输入到输出的时间 * 340 m/s)/2。

实验猜想:影响数据波动的因素可能来自于距离。当距离减小时,高电平输入到输出时间减短或由于电路灵敏度不高,导致对更短的电信号反馈存在偏差。基于猜想,推测当形变板到超声波距离变短时,数据波动会变大,反之则越稳定。

探究与结论:通过改变超声波模块到形变板距离以及监测数据反馈情况进行探究验证猜想,发现当测量距离小于未放置重物前的初始距离时,监测数据波动明显变大;而测量距离大于初始距离时,反之变小。通过多次改变距离并反复测试,发现实验结果符合上述推测。

3 结语

在项目式学习视域下,本研究通过实验探究探索了现代化技术在物理教学中的应用,展现了基于现代化技术的物理实验可视化创新的潜力和优势。基于现代化技术的实验创新不仅有助于教师寻求传统教学实验与学生认知需求冲突的最优解,更重要的是它可以促进教与学的深度化,增强学生信息素养、科学素养、创新素养和探究能力。因此,基于现代化技术的物理实验可视化创新是传统教学实验走向现代化、数字化和可视化的催化剂,能更好地满足信息时代背景下学生认知发展和个性化学习的需求。

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