实验教学是科学教育的核心环节，在帮助学生建构科学概念、培养科学思维与实践能力方面具有不可替代的作用
［1］。在此基础上延伸出的中小学科技创新活动，通常立足于已有知识进行拓展应用，旨在提升学生的实践创新能力、团队协作能力及社会责任意识。
此类活动形式多样，其中科技制作活动因其强调“做中学”与工程实践，成为连接理论与创新的重要桥梁。将实验教学与科技制作活动有机融合，不仅能丰富科学教育的实践形态，更能有效促进学生科学素养与人文素养的协同发展
［2］。
具体而言，实验教学侧重于夯实理论基础与规范操作技能，为科技制作提供“方法论”支撑；而科技制作活动则侧重于在真实情境中解决实际问题，是实验技能的“应用场”。两者相辅相成，构成了“理论—实践—创新”的完整闭环。
为此，教师在教学中可采用项目式教学等方式，实现两者的深度融合，从而在提升学生科学素质的同时，为其多元化发展提供路径支持，有效落实物理学科核心素养的培育目标
［3］。
1 实验教学现状与问题分析
实验教学是科学教育的关键实践环节，承载着知识建构与能力培养的双重使命。然而，审视当前中小学实验教学，仍存在诸多制约其育人效能的因素，主要表现为以下3个方面。
1.1 实验教学地位边缘化
部分学校重理论轻实践，教学模式固守“教师讲实验，学生背实验”的套路，学生长期处于机械记忆的浅表学习状态，动手操作与深度探究的机会匮乏。
1.2 实验内容缺乏创新性与时代感
教材更新滞后，内容多局限于验证性实验。教学中过分强调结果的唯一性，忽视了过程的价值。这导致学生沦为实验步骤的被动执行者，缺乏发现与解决问题的真实体验
［4］。
1.3 实验教学情境脱离真实生活
受地域差异影响，教材内容常与学生的现实生活脱节，致使学生难以将所学知识迁移至社会生活场景中解决实际问题。
鉴于此，将科技制作活动融入实验教学，正是破解上述困境的有效路径之一。它能将学习置于真实情境中，通过“做中学、创中学”激发学生的内驱力，促进知识向能力的深度转化，帮助学生在解决实际问题中发展批判性思维与创新实践能力，最终实现多元化发展。
2 实验教学融入科技制作活动的设计与实施
2.1 实验装置的按键控制版设计与开发
（1） 研究背景与问题分析。
【教材分析】“小孔成像”是光学教学的核心内容，在小学科学（五年级）及初中物理（八年级）教材中均占有重要地位。传统实验通常采用蜡烛、小孔板和光屏等器材，验证光的直线传播特性。然而，经深入分析发现，该经典实验在常态化教学中存在以下局限。
首先，实验材料有待优化。蜡烛火焰易受气流扰动，且在密闭空间内进行多组实验时，燃烧产生的烟雾会影响实验环境，同时存在安全隐患。
其次，实验效果受限。依赖环境遮光，在自然光或强光环境下成像对比度低，可视性差。
最后，探究维度单一。传统装置多为验证性实验，缺乏对物距、像距动态调节的支持，难以激发学生的探究兴趣与创新思维
［5］。
【选题论证】基于STEAM教育理念中的技术与工程维度，对传统小孔成像实验进行重构。利用Arduino开源硬件、LED灯珠点阵模块及洞洞板，研制了一套可编程光源控制系统。通过按键触发预设程序，控制LED显示特定几何图形，替代传统蜡烛光源。改进后的装置不仅消除了明火隐患与烟雾干扰，更通过数字化控制显著提升了成像的清晰度与稳定性，增强了实验的交互性与探究深度。
【项目查新】依托CNKI、万方及Web of Science等数据库，以“小孔成像”“实验改进”“Arduino”“开源硬件”为关键词进行文献检索，重点聚焦于光源数字化控制、物像距动态调节机制等技术路径，对比现有研究差异，确保该项目在中小学实验教学改进领域具备新颖性与独特性。
（2） 实验改进方案设计。
【设计思路】摒弃传统蜡烛光源，选用高亮度LED模组作为发光体。基于Arduino控制平台，设计“一对一”按键控制模块及“一键全熄”功能模块。通过Arduino IDE编写逻辑程序，实现LED灯珠的自由组合与图形化显示，从而突破传统实验成像单一的局限。
【实验原理】利用LED灯珠阵列替代蜡烛作为可控光源，基于光的直线传播原理及小孔成像规律，通过编程控制LED灯珠的亮灭组合，形成特定的发光图案。实测表明，该装置能有效排除环境光干扰，提供高对比度的成像效果，帮助学生直观建构光路图，深化对成像机理的理解。
【预期效果】装置运行稳定，成像清晰度高，学生能直观观察到不同几何图形的倒立实像。预计学生操作耗时将显著缩短，实验成功率与原理阐述准确度明显提升，有效促进实践创新能力与科学探究素养的发展。
（3） 设计与加工实验装置。
【功能需求分析】系统需要具备以下控制功能：一是能够通过物理按键编程控制LED灯珠的点亮或熄灭，从而组合成不同的图形，同时能够一键复位，使所有灯珠达到熄灭状态；二是能够观察到清晰、稳定的小孔成像现象，通过友好的交互设计降低操作门槛，让学生能轻松、快捷地进行实验探究，提升课堂探究效率。
【器材和工具选择】选用Arduino UNO开发板作为主控核心，搭配洞洞板、高亮LED模组及轻触按钮构建控制电路；采用杜邦线、木板及热熔胶完成装置的物理连接与结构搭建；辅以电烙铁、焊接套装及木工工具进行原型制作与调试。
【绘制实验装置设计图】根据产品功能需求和零配件，绘制实验装置设计图。
【加工实验装置】装置制作遵循“结构搭建—电路连接—程序调试—整机联调”的流程。
一是结构搭建：裁切木板制作暗箱主体，预留元器件安装孔位；在箱体一侧开设观察窗，粘贴半透明硫酸纸作为成像光屏。
二是电路连接：在洞洞板上焊接轻触按钮阵列，并将其与Arduino开发板I/O口连接；将LED灯珠焊接成发光模组，通过杜邦线与开发板相连，利用热熔胶进行固定与绝缘处理。
三是程序调试：编写Arduino控制程序，定义按钮与LED的对应关系，并将代码上传至主控板。逐一测试按键功能，确保逻辑响应准确无误。
四是整机联调：组装各模块，测试装置的整体功能。在此基础上，通过编程控制LED灯珠显示特定几何图形（如向右箭头、开口向上U形），验证小孔成像“倒立、左右互换”的核心规律
［6］。装置支持“一键复位”功能，可快速切换实验场景，满足课堂多组探究的需求。最终成品外观及实验效果如
图1、
图2所示。
（4） 教学应用检验。
基于改进装置的特点与教学目标，编制配套《实验指导手册》（以下简称手册），内容涵盖实验目的、原理、步骤及安全警示，重点详述LED灯珠的图形化编程控制、物距与像距的动态调节方法等关键操作规范。
在实施环节，构建“三段式”教学流程：实验前，组织学生研读手册，明确操作要领，重点掌握光路调节技巧与人机交互规范；实验中，教师巡回指导，针对学生操作偏差进行即时诊断与纠偏；实验后，组织学生基于实验现象开展深度研讨，剖析“倒立成像”背后的物理本质，鼓励批判性思考。
同时，建立“教—学—评”一体化的反馈机制，通过观察学生参与度与原理理解度，采集实证数据，为装置的迭代优化与手册的修订提供依据。
2.2 实验装置的App控制版设计与开发
（1） App控制版的问题分析与迭代思路。
在教学试用中发现，按键控制版虽解决了基础的光源控制问题，但仍存在以下局限。
①交互方式受限。
物理按键的触发机制较为单一，既难以实现复杂的组合图形显示，又无法满足八年级学生对高阶探究（如动态变化、精细调节）的学习需求。
②操控体验欠佳。
长时间操作易导致交互疲劳，且缺乏直观的可视化界面。
基于此，为进一步增强实验的科技含量与互动性，笔者决定引入物联网（IoT）技术与移动端App进行迭代升级。通过开发专用App，实现手机或平板对实验装置的精准控制，支持自定义图文显示及物像距的动态调节。这不仅解决了物理按键的局限性，更通过数字化交互手段，有效维持了学生在长时程实验中的探究兴趣与专注度。
（2） 实验装置的设计与开发。
①选题论证与项目查新。
【选题论证】引入物联网（IoT）技术对实验装置进行升级。采用单片机、LED点阵屏、MAX7219驱动芯片及ESP8266物联网模块等核心元器件，改进实验装置。
通过E4A开发的移动端App绘制图文，经由物联网模块传输指令，控制点阵屏显示特定内容。该设计打破了物理按键固有的局限，实现了软硬件的深度交互，让学生在实验中体验到了信息科技与物理工程的跨学科融合，显著提升了实验的交互性与创新性
［7］。
【项目查新】在前期查新基础上，进一步检索近5年关于“小孔成像”数字化改进的相关文献。重点对比“移动端图形化编程+物联网实时控制”这一技术路径上的独特性，确保研究方案在同类中小学科创项目中具备新颖性与可行性。
②实验改进方案设计。
【设计思路】硬件层面，选用ESP8266系列单片机作为主控核心，搭配MAX7219驱动的8×8点阵屏。软件层面，采用Keil μVision （C51）编写单片机控制程序，实现TCP/IP协议下的数据接收与译码；利用E4A开发安卓端应用程序（App），设计包含画板、发送、清空等功能的简洁UI。系统支持图文的一键同步显示与全局复位。
【实验原理】利用LED点阵替代传统光源，基于光的直线传播与小孔成像原理，通过物联网技术实现交互控制。App端绘制的图形经小孔后，在点阵屏后方形成倒立的实像。该装置将抽象的光路可视化，可帮助学生直观理解物像关系。
【预期效果】学生能够在App上绘制几何图形（如箭头、三角形），并一键同步点亮LED灯珠。装置将清晰呈现该图形的倒立实像，帮助学生直观验证“光的直线传播”及“小孔成像”规律。
③装置制作与系统集成。
沿用“按键控制版”的机械结构框架，制作可调节物距、像距的伸缩式暗箱。前端安装半透明成像屏，后端集成复位按键。在电路方面，将单片机、物联网模块及点阵屏焊接于洞洞板上，经检查无短路、断路后，使用热熔胶进行固定与绝缘处理。
在整机调试阶段，通过App发送指令，验证图文显示的同步性与准确性。最终，装置由可调式暗箱主体、发光模块及移动端App共3个部分组成，其结构与实验效果如
图3所示
［8］。
④教学应用与效果评估。
编制新版《实验指导手册》，重点增补App配置、网络连接及故障排查指南。实施过程中，采用“讲授—演示—实操”三步法，教师全程巡视指导。
在评价体系上，结合课堂观察量表、学生访谈及实验报告分析，从操作技能、原理理解、创新表现等3个维度进行综合评价。
实践结果表明，相较于传统装置及按键控制版，App控制版显著提升了学生的探究兴趣与专注度，学生能主动绘制复杂图形，并利用装置自主探究成像规律，验证了项目的研究价值。
3 结语
实践证明，实验教学与科技制作活动的有机融合，能够相互促进、协同发展，是培养学生实践创新能力与科学探究精神的有效路径，对提升学生核心素养具有重要价值与深远意义。
笔者以“小孔成像”实验设计与实施为例，通过从按键控制版到App控制版的迭代升级，验证了基于编程思维、物联网技术的数字化改进在提升实验交互性与探究深度方面的显著优势。
研究表明，这种融合模式有效突破了传统实验的时空限制。它让学生基于真实情境发现和提出问题、分析和解决问题，为学生提供丰富、深入的学习体验，帮助学生将所学知识与现实世界的问题有机衔接。该模式能够实现让学生更好地掌握科学知识、理解科学原理、培养批判性思维和创新能力的教学目标，最终促进学生多元化发展。
未来，笔者将进一步拓展此类融合案例的开发与应用研究，以期为基础教育阶段科学实验的数字化转型提供可复制的经验与借鉴。
2021年毕节市教育科学规划一般课题“基于STEAM教育理念的初中物理实验趣味化设计与实践研究”(2021122)
2024年毕节市教育科学规划一般课题“学科融合背景下的实验教学‘成果化’实践研究”(2024B057)
2024年贵州省教育数字化专项课题“数字技术支持下的‘六环五策四路径’学科融合实验教学体系构建研究”(B00025)
2025年毕节市教育科学规划重点课题“数智赋能‘教研赛创’四维联动跨学科实验教学体系构建研究”(2025A026)
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