于方军 乔君

常规的实验仪器在进行物理试验时，在易用性、精度、数据记录分析等方面还存在很多不足。例如，“研究固体熔化时温度的变化规律”这个物理实验需要每隔1分钟记录一次数据，读取温度时普通温度计也会出现视觉误差，而这些通过Arduino和温度传感器能够很容易解决。测量的数据导入到Excel这种常用的数据处理软件中会很容易做出相关图表。在长期的摸索中，我们体会到在教学中使用结合传感器的简单的数字化实验有以下几方面优势：①测量数据方便，准确性高;②记录数据可以实现自动化;③如果设计相应的反馈控制会很容易实现。

通过这种自己设计的数字化实验，可以融合多学科知识，帮助学生充分体验知识的价值、技术的应用，而不是单纯的纸面上的文字。下面我们将通过温度传感器来研究物态变化时温度的变化，并简单介绍一下整个实验设计的过程。

● 了解温度传感器

连接正确是保证温度传感器正常工作的第一步，特别是对像LM35这样的三根连接线的传感器，首先要正确连接好电源线和地线，然后连接信号输出线，连线示意图如图1所示。

Arduino板A0～A5六个模拟脚功能类似于一个电压表，这里我们把温度传感器接在A0引脚，温度传感器把外界温度变化，转化为A0端口电压变化，被Arduino板读取，并在Scratch程序中显示出来。

实际连线图可以根据温度传感器使用环境连接（如图2），本例中我们用到的连接线较短，可以用两头针的杜邦线连接，如果需要的连接线较长（如在室内测量室外温度变化）可以用自制“绕线器”连接温度传感器和Arduino板，当然也可以焊接。

● Scratch程序搭建

搭建程序的作用可以从测量、记录、控制三个方面进行尝试。测量就是通过传感器来获得需要的数值，如通过温度传感器测量获取所需要的温度数值。记录就是用电脑程序代替人工记录数据，通过程序的方式记录可以把人解脱出来，并且更容易对数据进行分析，如此次实验我们会把数据导入以前曾学过的电子表格，对其进行分析。简单说，就是通过程序做出适当的反应，如在太阳底下如果感觉到热了，我们会走到阴凉的地方，“走”就是人脑对“腿”做出的控制。

测量温度：要通过程序设计把A0端口电压转换为温度值;为了便于显示温度值和后期程序设计，我们需要建一个“温度”变量;为了读取一个比较稳定的值，需要等待一段时间测量一次温度值。图3是间隔1秒测量一次温度。

选中“数据和指令”模块新建变量“温度”，按图3搭建好程序，图中的是将A0端口电压变化转化为摄氏温度的变化，“重复执行”和“等待1秒”是实现每隔1秒测量一次温度，并将温度值赋值给变量“温度”。

运行程序后，如果用手指捏住温度传感器，你就会发现变量“温度”值开始变化。

图3的程序实现了对温度的测量，但是还不能记录测量的温度。在进行探究实验时，我们还需要把测量的数据记录下来。选中“数据和指令”模块新建链表“记录温度链表”，按照图4搭建程序，把测量的温度记录到链表中。

改进项目1：用LM35研究冰融化时对环境温度影响。

我们可以利用这个程序完成一个测量冰融化时周围环境温度变化的小实验。图5是连接好的实验装置。将程序中测量温度的时间间隔设为10秒。用双层保温玻璃杯是为了控制环境温度变量对实验的影响，使得保温杯内保持一个相对封闭的环境。因为LM35不防水，所以用带包装的冰棍做实验对象。

启动程序后经过一段时间（如300秒），在采集到足够数据后利用Scratch提供的数据导出功能，在链表上右击，从弹出的快捷菜单中选择“export”命令，即可将数据存为.txt格式的文档，将数据复制进Excel中（如上页图6）。如果觉得数据小数位数过多可以进行四舍五入适当减少小数位数。

Excel具有强大数据处理能力。图7就是利用Excel的图表功能生成的一个折线图，我们可以看出冰块融化过程导致环境温度的下降。

我们学习开源软件和开源硬件使用的主要目的是期望能够把它们作为研究的工具来得到一些稳定的规律，后期可以根据探究实验做一个研究报告。

改进项目2：用防水DS18B20温度传感器改进“固体熔化时温度变化规律”的实验。

传统实验是用普通温度计，人工每隔1分钟记录一次数据。缺点是记录数据量小。

改进实验用防水的DS18B20温度传感器，测量温度。用Arduino编辑程序，用Excel分析数据。用Arduino板做的晶体熔化实验实物连接如图8所示。

Arduino程序及数据记录过程如图9所示。

将数据复制到Excel中，生成图表，图10呈现的是海波熔化的温度变化，图11呈现的是石蜡熔化的温度变化。

不难看出使用数字化的传感器设备，我们得出了非常理想的实验数据，这种实验数据在传统实验装置当中是难以完成的。可见，通过改进的数字化实验可以方便地记录和分析数据，并且通过这种物理学科和信息技术的简单融合，教师和学生能跨越技术门槛，很好地体现技术学科的价值。学生学习的Excel、学习的编程不再是停留在书面上的知识，对他们的学习生活也是有用的，相信这应该会成为一个很好的教育改革的方向。