張敬云

隨著開源硬件的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展，其與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得更加容易。因?yàn)槌擞嬎銠C(jī)，只要再給學(xué)生一些通用的傳感器、主板，他們便能利用信息化手段、數(shù)字化設(shè)備自由地創(chuàng)造性地完成一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而不再只是單純地利用配套的資源重復(fù)教材中的實(shí)驗(yàn)。目前，高中信息技術(shù)教材選擇的編程語言是Python語言，那么如何開展利用Python給開源硬件編程進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)呢？Jupyter的應(yīng)用給我們提供了一種新的思路。筆者認(rèn)為，基于Jupyter來編寫數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的交互式教材進(jìn)行教學(xué)大可一試。

● Jupyter簡介

Jupyter這個名字是它要服務(wù)的Julia、Python和R三種語言的縮寫，但目前能使用的語言Jupyter都支持。Jupyter全稱為Jupyter Notebook。它是一款免費(fèi)、開源的交互式Web工具，它能夠讓用戶將軟件代碼、運(yùn)行結(jié)果、說明文本和多媒體資源組合在一個易于共享的文檔中。換句話說，Jupyter Notebook是以網(wǎng)頁的形式打開，可以在網(wǎng)頁頁面中直接編寫代碼和運(yùn)行代碼，代碼的運(yùn)行結(jié)果也會直接在代碼塊下顯示。

● Jupyter教學(xué)優(yōu)勢分析

用Jupyter Notebook進(jìn)行教學(xué)的主要優(yōu)勢如下：

①集各功能于一體，適合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。Jupyter Notebook能將所有需要處理的程序、呈現(xiàn)的內(nèi)容收歸一處，還支持導(dǎo)出HTML、Markdown、PDF等多種格式的文檔。

②交互式展現(xiàn)。頁面結(jié)構(gòu)是以Cell形式組織的，每個Cell都是獨(dú)立的單元，能夠?qū)崿F(xiàn)文字、圖像、表格、程序代碼等混排格式。在交互式插件的支持下，它還可以呈現(xiàn)一些互動的可視化內(nèi)容，如縮放的地圖或者旋轉(zhuǎn)的三維模型等。

● 基于Jupyter編寫的單擺測重力加速度的實(shí)驗(yàn)案例

1.實(shí)驗(yàn)說明

單擺測重力加速度是高中階段的物理實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)對掌握單擺測周期等物理知識有重要的意義。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)需要借助秒表工具，并通過手動計數(shù)以及手動計算來完成，不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且存在一定的人為誤差。因此，筆者利用Arduino和周邊的電子模塊，制作一個自動化的單擺測重力加速度的實(shí)驗(yàn)裝置，使用這款裝置，無需手動計數(shù)及計算便可通過計算機(jī)及時得到所需數(shù)據(jù)。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

學(xué)會利用開源硬件及周邊電子模塊自制實(shí)驗(yàn)裝置，配合單擺測重力加速度;培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力。

3.實(shí)驗(yàn)原理

單擺在擺角小于5度的震動是簡諧運(yùn)動，其固有周期T=2π√L/g，根據(jù)這個公式可以換算出g=4π2L/T2?？梢姡瑴y出單擺的擺長L和周期T，就可以求出重力加速度。

4.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

使用Arduino配合單擺測重力加速度的設(shè)計并不復(fù)雜。最主要的是讓學(xué)生在理解單擺實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，確定使用何種傳感器檢測小球，從而開始自動計時及記錄單擺擺動的次數(shù)。綜合考慮實(shí)驗(yàn)?zāi)康募罢n堂時間，筆者設(shè)計了如上表所示的實(shí)驗(yàn)方案。

5.硬件搭建

紅外數(shù)字避障傳感器也稱紅外接近開關(guān)，是一種集發(fā)射與接收于一體的光電開關(guān)傳感器。傳感器在接收到信號后，會引起后側(cè)指示燈的亮滅。這款傳感器背面有一個電位器，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)障礙的檢測距離。當(dāng)探頭前方無障礙時，紅外數(shù)字避障傳感器輸出高電平，有障礙時則相反。

硬件搭建的實(shí)物圖略，接線圖如下圖所示，本實(shí)驗(yàn)將紅外數(shù)字避障傳感器接在了8號數(shù)字針腳。

6.編寫程序

程序編寫需解決兩個問題：一是要記錄單擺來回擺動的次數(shù)和時間;二是根據(jù)檢測到的次數(shù)和時間計算單擺的周期，從而計算重力加速度的值并輸出。由于單擺剛開始擺動時不是很穩(wěn)定，所以有必要略過前幾次擺動的次數(shù)及時間，這里筆者從單擺擺動的第三次開始計時和計數(shù)。測出需要的擺動次數(shù)和時間后，就可用總時間除以總次數(shù)求出單擺的周期，進(jìn)而計算重力加速度的值。需要注意的是，每次傳感器檢測到小球經(jīng)過最低點(diǎn)時，是經(jīng)過了半個周期，因此，在計算單擺周期時，需將次數(shù)除以2，具體程序掃描下方二維碼。（擺長=擺線長+小球半徑，本實(shí)驗(yàn)擺長L設(shè)為1米）。

7.效果測試

運(yùn)行程序，等待計算機(jī)與Arduino通過串口完成通信連接。然后釋放小球，待紅外避障傳感器第63次檢測到小球時，周期及重力加速度的值便自動輸出，本次實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果約為9.8與實(shí)際數(shù)值完全一樣，運(yùn)行結(jié)果掃描下方二維碼。

● 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的交互式教材設(shè)計

物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很多，拿物理學(xué)科來講，可以利用紅外避障傳感器測單擺周期及重力加速度，利用聲音傳感器探究噪聲的波形，利用光線傳感器探究不同物質(zhì)的透光性能等。

利用開源軟件和開源硬件中的各類傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅加強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究和工程實(shí)踐的結(jié)合，同時也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提升了學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)能力和科學(xué)素養(yǎng)。這是進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種新的嘗試，本文主要對物理實(shí)驗(yàn)做了研究，我們期待更多不同學(xué)科的教師能夠參與其中。

參考文獻(xiàn)：

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[2]吳建惠，黃凱宇.基于arduino開源項(xiàng)目的自主開發(fā)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室[J].中學(xué)物理，2017（10）：29-31.