基于 Arduino单片机开展项目式教学以提升中学生物理实验能力

基于 Arduino单片机开展项目式教学以提升中学生物理实验能力

郑晓凤

复旦大学第二附属学校 上海 200438

摘要 本文介绍了在开展Arduino单片机教学过程中，采用了项目式教学方法，实现教学资源整合和利用，用教学案例说明单片机学习中如何实现物理实验能力的提升。实际教学中重在通过单片机的学习，让学生体验项目式的工作流程，关注情景的应用，提升学生动手操作和解决实际问题的能力，实现实验能力的迁移。

关键词 Arduino单片机；项目式教学；中学生；物理实验

1引言

物理实验是物理学习过程中学生获取信息，培养观察力、注意力、想象力，发展思维能力的重要途径。2017版《普通高中物理课程标准》指出，物理实验是通过实践体验的方式来培养学生的科学探究能力，学生通过实验设计、动手操作、观察实验现象、数据记录、分析结果和归纳总结等环节，实现对理论知识的理解和新成果的实践；它强调要注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展需求，引导学生自主学习，提倡教学方式多样化，注重过程评价，促进学生核心素养的发展。^[1]

物理实验能力的提升是贯穿在多种形式与多学科的学习中的，是一种综合能力的体现。根据新的要求，我们在实际教学中也做了大量的探索和实践，首先是基础实验，最大化地利用学校实验室资源，给学生提供良好的实验环境和尽可能多的动手操作机会。同时适量增加拓展实验，让学生体会到科学探究的乐趣，在探究过程中形成物理观念，树立科学态度与责任感，发展科学思维。^[3]其次，有许多的实验已经采用了DIS(Digital Information System)系统即数字化信息系统，让数据检测更加精确，效果更加直观，但是由于硬件条件的限制，多数DIS实验都是由教师演示。再次，学校开展了以提升学生综合素质能力为目标的大劳技课程体系，如：3D打印社、航模社、Arduino单片机DIY制作、物理创新实践社团，机器人社团、自动控制社团等等，这些课程的开设给学生增添了不同的视角，多方面拓展学生的能力。

2 Arduino单片机项目式教学介绍

Arduino作为一款开源平台，由于硬件成本低、代码开源，入门简单而广受中小学生的欢迎。在教学实践中笔者发现，Arduino单片机DIY课程的开设给学生提供了实际应用场景，激发学生发明和创造的热情，同时也加深学生对物理概念的理解和促进科学思维的形成。^[2]

首先，Arduino单片机课程采用了项目式的教学形式。项目的主题一般都是从问题出发，符合实际的生活场景，通过小组间的分工与合作，运用物理、信息技术等学科基本知识和技能，在一定时间内解决一系列项目中的问题，最后汇总并将结果展示出来；整个过程体现出以“学生为中心”，注重学生的自主性、探索性，促进学生积极、主动发展。^[3]

其次，项目的内容选择有讲究。第一，项目的场景源自真实的企业项目。只有真实的场景才能让孩子们感受到知识和技能的实用性；通过社会调研、咨询专家、“名师讲坛”、参观复旦大学物理实验室、了解工程专业行业动态等形式，让学生在不同的“工作情境”中接收全面的以实际工程项目为核心的训练。第二，项目内容有层次。在充分考虑学生的年龄特点和知识结构差异的基础上，单片机课程在内容上做了阶梯式的设计。

3 如何通过Arduino单片机项目式教学提升中学生的物理实验能力

3.1 硬件连接方法的融会贯通

硬件连接是我们实验最基本的环节，Arduino单片机的硬件连接与物理中的电学部分硬件连接最为相似。硬件连接考察的外在形式是元器件的选择是否合适，端口或者引脚是否存在虚接或者错接的情况，整个电路是否能有效运行；硬件连接考察的内在形式是，有没有真正熟练地掌握了所用元件的特性和对电路原理的整体了解。

3.2 软件编程的能力促进物理实验思维能力的发展

在教学实践中，我们采用的是C语言进行编程，对于初中生来说，简单的C语言编程能很好地锻炼他们的逻辑思维能力，分析和解决问题的时候思路更加清晰、严谨，思维活跃、开阔。下面我们来类比一下软件编程与物理实验的思路。

在Arduino编程中，我们通过给R、G、B分别赋0-255的值来输出想要的颜色，而在物理实验中也是类似地调整三原色的亮度来混合出我们想要的颜色，思路是一致的。尽管探究的内容不相同，但是思考问题的方法和思维发散的角度都是很相似的，也就是说在学习Arduino单片机编程的时候能很好地锻炼学生的顺序性思维、发散性思维，很好地实现思维的迁移。

3.3 故障排除的能力是促进物理实验综合能力最有效的方式

在我们的实验过程中，出现最多的情况就是在出现故障时，学生不能独立地、快速地找到故障原因。在上海市初中毕业统一学业考试物理实验操作技能考试中，试题分为A、B两组，每组的第三题为观察与描述：观察所提供的实验情景，并指出其中一个实验情景的错误。实际上，故障排除能力并不是单方面的某一项能力，而是综合能力的体现，需要从多个维度设计课程的结构、内容和展现形式，以发展学生动手操作能力。

在课程的结构上，我们采用项目式的方式，以任务为导向，让学生有明确的目标，这样更能激发学生的兴趣和创作的热情。

在课程内容上，以项目为基础，递进式的难度设计，让不同学习程度的学生都能完成制定的任务，获得成就感。

在展现形式上，主要以项目汇报的形式，以小组为单位向大家展示成果和交流心得；同时，我们设计了创新课题汇报，让学生从生活中获取创作的灵感，结合所学的知识，设计有实际应用价值的单片机作品，并向大家展示设计思路、设计创新点、具体的应用场景等。^[4]

3.4 综合设计能力是促进物理实验迁移能力和未来发展物理科研能力的必由之路

为了更好地了解学生的需求，以达到更好的教学效果，切实地提升学生的实验能力，我们对24个人的班级设计了调查问卷。数据显示，70%的学生认为这门课程最需要的关键能力是创新能力、动手操作能力、故障排除能力；72%的学生平时并没有太多课余时间花在单片机的学习上，但是他们急切地想要获得更多的资源来发展自身能力；60%的学生认为创新课题的布置对他们的单片机学习有帮助；学生最需要的资料是网站资料、案例程序、视频、代码、原理图、制作材料、学习方法、教程、创意资料；最希望单片机上增强项目类型是比赛、创新类、机器人、视频、游戏类、有趣的作品、智能感知类、创新类。针对这个问题，我们做了大量的工作，其中设立微信公众平台，在平台上面发布详细的教程、制作案例、微课和创新项目等效果显著。

物理实验能力和其他能力一样，是多种特性的综合，具有自己独特的构成。初中阶段，学生物理实验能力主要是基本能力和迁移能力，而通过Arduino单片机课程对学生这两种能力的培养，为其今后发展物理实验科研能力打下坚实的基础。

总结

综上我们可以看出，单片机的学习和物理实验能力的提升其实是相互统一的，通过Arduino单片机项目式的学习，让学生体验“工作式”的场景，养成良好的学习习惯，树立职业观念，增强责任感。在此过程中，通过动手实践，不断增强学生物理实验中硬件连接能力，学会用科学的思维来解决实验中遇到的困难，促进综合实验能力的提升，逐步实现科学思维的迁移和物理核心素养的形成。

本文的研究是基于复旦大学第二附属中学大劳技课程体系的理念，结合现代信息科技发展的现状，个性化地开展项目式的教学，并在教学实践中不断地更新理念，反复实践，努力做到教学相长。最后感谢学校给与本课程的大力支持，感谢二附校同学们的热情参与！

参考文献

[1]普通高中物理课程标准[M].北京:人民教育出版社，2017.

[2]上海市教育委员会.上海市中学物理课程标准[EB/OL].2005.

[3]金书辉,郑燕林,张晓.高中Arduino机器人课程学习现状调查与分析2017.12 中国电化教育.总第371期.

[4]王晨.单片机技术项目课程中学生自主学习资源库的建设与应用.考试周刊2011年第81期.