李剑

〔摘    要〕  本文基于小学科学部分实验教具存在的操作烦琐、数据误差大、不便于观察等问题，借鉴教材实验的原理，以开源硬件Arduino、传感器、触摸屏等为硬件构造，通过图形化编程软件mind+，实现软硬件实时互联，从而有效提升科学探究活动的有效性，更好地完成教学目标。

〔关键词〕  小学科学；开源硬件；图形化编程；自制教具

〔中图分类号〕  G424               〔文献标识码〕  A        〔文章编号〕  1674-6317  （2023）  11-0004-03

《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》（以下简称《意见》）明确指出：注重加强实验教学与多学科融合教育、编程教育、创客教育、人工智能教育、社会实践等有机融合……开展优秀自制教具评选，鼓励教师自制实验教具。2022年版《义务教育科学课程标准》指出：教师应根据教学需要，本着科学合理、安全可靠的要求开发实验教具。集合开放、易用、资源丰富等优点的开源硬件是教具开发的较好选择。Arduino作为一款普及多学科融合教育、编程教育、STEAM创客教育、人工智能教育的开源智能硬件，有着丰富、完善的软硬件开发平台、技术资料、配件等。图形化的编程工具，让编程像“搭积木”一样简单，根据想完成的功能更直观地完成程序搭建，即可实现所需的功能。基于开源硬件进行教具的设计制作，可以创新教法学法，激发学生兴趣，有效完成教学目标，高效突破教学重难点。以教科版小学科学三年级下册“物体的运动”单元第5課《比较相同距离内运动的快慢》为例，学生通过前一节课观察物体在斜面上运动情况的活动，留意到斜面上物体的运动有快有慢。本课将引导学生探究运动快慢的问题，借助时间、长度测量工具，使用“当运动距离相同时，比较运动时间的长短”的方法，比较物体运动的快慢并能描述其运动速度的大小。教材中设计的实验方法在实际教学中，会出现以下几个问题：1.手动秒表计时，实验数据误差较大；2.普通斜面距离短，不适合实验；3.使用2米左右长度的直线轨道笨重，搬动不方便；4.三年级学生计算能力较弱，对实验数据的处理方法受到限制。为了解决以上问题，笔者基于开源硬件开发了探究比较相同距离内运动快慢的创新教具——Arduino多功能计时器。

一、开源硬件在教具制作中的运用优势

在传统比较相同距离内运动快慢的探究活动中，学生应用“相同距离比时间”的方法判断物体运动快慢，用秒表，人工对乒乓球、木球分别在同一条轨道上相同距离内运动所需的时间进行计时，用比较运动时间的方法来比较不同物体运动的快慢。此类传统实验，手动计时误差大，所需要的轨道比较笨重，通常在2米左右。三年级学生因计算能力的限制，不会小数乘除法，在实验数据的处理上，只能以取中间数的方式解决。以Arduino、传感器、触摸屏等开源电子设备为硬件的创新教具，很好地解决了传统实验中存在的人工计时误差大、器材笨重、学生计算能力不足等问题。Arduino 是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。它通过各类各样的传感器来感知环境，经过控制灯光、马达和其余的装置来反馈、影响环境。主板上的微控制器经过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，刻录进微控制器。各种图形化编程软件，如mind+、mixly等，让编程像“搭积木”一样简单，适合一线教师电子硬件设计及编程的入门学习。

二、借助开源硬件制作教具

以Arduino、传感器、触摸屏等开源电子设备为硬件的创新教具Arduino多功能计时器，是以《比较相同距离内运动的快慢》一课教学内容为例，进行设计制作的。具体过程如下。

（一）教具设计思路及工作原理

1.教具设计思路

《比较相同距离内运动的快慢》的传统教学设计，是用秒表，人工对乒乓球、木球分别在同一条轨道上相同距离内运动所需的时间进行计时。实验中，一人发令一人操作一人计时的方式所获得的数据误差较大，因此通常通过延长轨道的方式减小误差，但收效甚微。在数据的处理方面，学生因计算能力的限制不会求平均值。针对以上问题，以Arduino、传感器、触摸屏等开源电子设备为硬件进行教具开发，使用红外传感器，在被测物体运动到起点和终点时，精准控制计时器的“开始”与“停止”。随着计时精度的提高，轨道长度由2米缩短至1米，设计为折叠形，折叠收纳后长度为0.5米，并能根据实验需要，调整斜面的长度和高度，可供多个实验使用，让学生有丰富的探索机会。在程序编写方面，利用mind+编写自动记录各次实验数据，自动求出平均值，并实现软硬件实时交互，将数据以柱形图的形式呈现在触摸屏上，更利于学生对实验数据的比较分析。触摸屏以简洁的UI界面设计，操作简单易懂，更符合当代学生的使用习惯。

2.工作原理

以Arduino为核心，连接红外传感器、触摸屏制成集成化的教具，再通过图形化编程软件mind+实现软硬件的实时互动。设计手动计时、自动计时两种模式，在自动计时模式下，被测物体运动到起点处时，红外传感器触发计时器开始计时，当物体运动到终点处时，红外传感器触发计时器停止计时，触摸屏显示数据。当确认本次数据有效时，进行第二次实验，如本次数据无效，则重新实验。当实验结束后，触摸屏以柱形图+数值的方式呈现数据，以此实现探究比较相同距离内物体运动快慢的目的。

（二）教具制作材料与制作过程

1.教具制作所需材料

基础材料：亚克力板、乒乓球、木球等

硬件：Arduino主板、红外传感器、触摸屏、杜邦线

软件：Mind+、mixly

2.教具制作过程

亚克力板制作长约1米的轨道及轨道支架，轨道支架可调整高度分别为10cm、15cm、20cm，以满足不同斜面的需求。

测试红外传感器灵敏度，并设置检测距离阈值。

Arduino 主板连接传感器、触摸屏等所需电子元件。编写程序，使被测物体运动到起点处红外传感器时，触发计时器开始计时，运动到终点处时，红外传感器触发计时器停止计时。设计触摸屏UI界面。

三、借助开源硬件自制教具教学案例

以Arduino计时器为例，介绍基于开源硬件的小学科学创新自制教具教学案例。

（一）教具使用方法

将教具水平放置于桌面，取出被测小球，调整坡度。打开电源，观察触摸屏是否正常显示首页，若显示即表示计时器正常。

在首页点击“自动模式”，进入选择页面。

点击测量“乒乓球”或“木球”，进入测试页面。

如选择测量“乒乓球”运动时长：

第一次测量，让乒乓球从轨道顶端滚下，经过起点处红外传感器时，计时器开始自动记录乒乓球滚动的时间，触摸屏显示随乒乓球运动所变化的时间数值；当乒乓球经过终点处红外传感器时，自动停止计时，触摸屏记录并显示第一次乒乓球运动用时。

第二次测量，点击“继续”，重复第一次测量操作。当自动停止计时，触摸屏此时显示第一次小球运动用时以及第二次小球运动用时。

第三次测量，点击“继续”，重复第二次测量操作。当自动停止计时，触摸屏此时显示第一、二、三次小球运动用时。

测量“木球”运动时长，用木球按测量“乒乓球”运动时长进行操作。

测量结束后，触摸屏以柱形图+数值的方式显示测量结果。

（二）实验教学设计

1.回顾旧知，引出研究内容

在上节课中，学生利用多功能斜面進行拓展研究——发现物体在不同高度的斜面上运动速度发生了变化。引出本课的研究内容：运用比较运动时间的方法来比较运动的快慢。

2.研讨交流，确定实验方案

学生利用秒表计时，测量三次乒乓球在斜面上运动的时间，并记录下来。

对比秒表和Arduino多功能计时器。学生发现人工秒表计时误差大，数据难处理。顺势向学生介绍计时器，演示教具的使用方法。学生对比两种计时方式精确度的差异，发现自动计时器使用方便、计时精准的优势。

使用Arduino多功能计时器开展研究。学生掌握自动计时器使用方法后，分组进行实验，测量乒乓球和木球在相同距离内运动所需要的时间。

3.对比数据，得出实验结论

通过观察分析触屏上显示的柱形图及数值，得出实验结论。

4.拓展研究，激发研究兴趣

改变斜面的高度，测量乒乓球、木球在不同高度的斜面上运动的时间，结合柱形图进行比较，发现物体运动快慢的变化规律，激发研究兴趣。

四、教学效果分析

本课实验借助时间测量工具，使用“当运动距离相同时，比较运动时间的长短”的方法，比较物体运动的快慢，描述其运动速度的大小，因此运动时间的测量精准度直接关系到实验的成效。在三年级设置了2个班以6人小组的形式开展探究活动，其中一个班使用原有教具开展探究活动，另一个班使用创新教具开展探究活动。在教学实践过程中，通过过程性评价、终结性评价，分别观察记录了各班人数、完成实验平均用时、实验成功组数、实验记录完成份数、拓展实验完成组数等情况。

将使用原有教具与使用改进教具的两个班级进行对比后发现，使用创新教具 Arduino多功能计时器的教学效果特别突出。两个对比班级人数均为 48人，使用创新教具教学班级学生的各项观察指标数据，均高于或优于使用原来教具教学班学生的指标数据。使用创新教具教学的学生在探究过程中，完成实验速度快、用时短，探究活动的有效性得到明显提升。教师不仅完成了教学目标，突破了教学重难点，还给学生提供了充足的时间和机会进行拓展研究。

五、实践反思

基于开源硬件的自制教具紧跟时代步伐，符合多学科融合教育、编程教育、创客教育、人工智能教育的需求。开源硬件，教师易于习得，使用范围广，图形化编程入门门槛低，程序编写简单直观。自制教具的设计制作立足课堂教学需要，有效改进了教师的教法和学生的学法，实验效果准确直观。针对该案例的反思如下。

（一）实验高效精准，有效提升了教学效率

针对课堂探究活动出现的问题进行设计、制作教具，再到课堂中进行检验。基于开源硬件的自制创新教具，通过红外传感器控制计时器自动计时，精准直观地记录物体的运动时间，程序自动计算数据的平均值，以柱形图+数值的数据呈现方式，便于学生对比数据和分析结果，提升了实验效率，突破了教学重难点，培养了学生认真细致、科学严谨的态度。

（二）创新教具带动教学和学科的改变

自制创新教具在设计制作时就充分考虑到课堂教学需要，改进原有的教法和学法。在原有教具教学中，教师需要花费大量时间引导学生分析影响实验的因素、解释实验不成功的原因。使用以开源硬件核心的创新教具后，教师只需组织学生研讨交流确定实验方案，明确注意事项。在探究过程中。适时对个别小组进行技术支持和方法指导便能完成教学目标，突破教学重难点。此外，学生还可利用创新自制教具开展拓展探究，满足学生个性化的探究需求。在使用创新教具过程中，学生积极参与，在获取科学知识的同时，还学习、尝试了更多种科学探究方法。

（三）感受科技的魅力，提高学生的科学素养

学生在使用创新教具进行实验的过程中，进一步了解了实验原理，知道可以借助开源硬件、传感器、编写程序来提高科学探究的效率。使用创新教具优化了实验教学设计，学生在“收集证据”“处理信息”的过程中，培养了严谨的科学态度和实证的科学思维，并且乐于尝试运用多种方法完成科学探究，体会创新的乐趣，感受科技的魅力。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.关于加强和改进中小学实验教学的意见[S].北京：教基〔2019〕16号，2019.11.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2022.