“摆的快慢”实验的智能化创新

摘要

将传统实验和乐高软件相结合，利用光电传感器和MINDSTORMS软件编程，实现自动记录实验数据并进行误差分析。结合智慧课堂技术实现教师和学生平板同屏展示，大幅提高了实验的精确度，实现实验的自动化和智能化。

Graphical abstract

关键词

小学科学 / 摆的快慢 / 实验改进 / 智能化实验

随着信息技术的高速发展，教育与信息技术的融合越来越密切。小学科学课堂中的复杂数据收集、数据分析以及实验现象的观察，在实际的教学过程中常受实验室条件、空间以及学生动手能力等各种因素的限制。如果仅采用传统教学方法展现给学生，无法取得良好的教学效果。笔者以教材实验为原型，以《义务教育科学课程标准（2022年版）》为准则，融合现代信息技术设计并制作了摆的研究实验装置，该装置能让学生实验操作更加便捷规范，实验现象直观，可重复性强，实验结论更加准确，能帮助学生更好地理解与掌握影响摆的快慢的因素。

1 课本实验原型不足

“摆的快慢”一课选自小学科学教科版科学五年级上册第三单元第五课，本节课主要探究摆的快慢与摆锤质量、摆绳长短的关系。该实验原型存在以下不足：①学生无法做到同步计时与计数。②原实验通过增加螺母来改变摆锤的质量，会导致摆锤重心不稳，出现圆锥摆，同时改变了摆长，导致经常出现错误的实验结论。③原实验无法帮助学生探究摆的快慢和摆幅的关系，而这一点恰恰是学生最想探究的问题。

2 改进后的实验器材与原理

改进后的实验器材如图1所示。

2.1 器材构成及作用

①量角器：利用量角器便于精准控制摆角。②标尺：标尺用于直观地测量摆绳的长度。③光电传感器：当摆锤经过传感器时，光电传感器接收到信号，自动将数据传回平板和智能集线器。④摆锤：改进后的摆锤使用3个体积相同但质量不同的钢球（质量分别为6 g、12 g、18 g），使摆锤重心保持不变。⑤总开关：总开关由1个压力传感器构成，用于启动实验。⑥智能集线器：智能集线器用于连接并控制所有构件，内置蓝牙与平板连接，由平板发出指令控制智能集线器。同时智能集线器自带屏幕，可显示实时计数。⑦电机挡板：电机挡板由普通旋转电机和挡板组成。编辑程序，使挡板开始时逆时针旋转一定角度，程序启动时自动释放摆锤，实现释放与拉起摆的效果。⑧智慧课堂平板：学生智慧课堂平板通过蓝牙与智能集线器连接，运行乐高头脑风暴机器人发明家MINDSTORMS软件。利用该软件编程实现实验智能化控制。⑨摆绳调节装置：在支架顶部开孔，将摆绳穿过空洞，利用拉绳扣将其固定，可任意调节摆绳的长度。

2.2 构件控制流程

构件控制流程如图2所示。

2.3 程序的编写和运行

使用乐高SPIKE科创套装配套软件MINDSTORMS。程序编写步骤和说明如表1所示。

2.4 实验器材使用方法

改进后的实验器材既能用于演示实验，也可用于学生分组实验。①长按智能集线器上的按钮，听到提示音并看到屏幕显示数字0。②启动平板上的软件，点击已编辑好的程序，点击开始程序按钮。③学生按下器材中的总按钮，开始进行实验。

3 实验数据记录和误差分析

（1） 实验数据记录分别如表2、表3和表4所示。

（2） 误差分析。

经查，合肥地区g=9.794 7 m/s²，根据单摆周期公式T=\mathrm{2}\mathrm{\pi }\sqrt[]{\frac{L}{g}}可分别计算出表2三次实验对应的理论值分别为：T_{\mathrm{1}}=\mathrm{0.897}\mathrm{4}\mathrm{s}；T_{\mathrm{2}}=\mathrm{1.099}\mathrm{0}\mathrm{s}；T_{\mathrm{3}}=\mathrm{1.269}\mathrm{1}\mathrm{s}。根据表3数据可分别计算出3次测量值：T_{\mathrm{测量}\mathrm{1}}=\mathrm{0.91}\mathrm{s}；T_{\mathrm{测量}\mathrm{2}}=\mathrm{1.11}\mathrm{s}；T_{\mathrm{测量}\mathrm{3}}=\mathrm{1.25}\mathrm{s}。

测量相对误差：{\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{1}}=1.4%；{\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{2}}=1.0%；{\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{3}}=1.5%。

由上述误差分析可知，该实验设计的相对误差均小于5%，具有很高的实验精度和稳定性，可以在小学科学教学中广泛推广^［1］。

参考文献

[1] 李玉峰.基于智能手机的单摆实验创新设计［J］.新疆师范大学学报（自然科学版），2014，33（03）：66-69.