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利用开源硬件掌控板开展小学科学实验教学
文I芮清
数字化时代，实验方式、实验工具、实验手段越来越智能化，随着时代的发展也越来越贴近生活。实验教学应为学生的发展赋能。为解决传统的科学实验教学中存在的问题，笔者尝试在科学实验中应用开源硬件，将创客教育融人小学科学教学中，并以项目式学习的方式积极开展实验活动。
一、利用开源硬件改进小学科学实验 教学的需要
《义务教育小学科学课程标准》强调：“科 学学习要以科学探究为核心。”探究既是科学学习的方式，又是科学学习的目的，而实验则是探究的主要方式。传统的实验工具已难以满足当下小学科学实验教学需求。比如，由于存在安全隐患，水银温度计将于2026年全面禁止生产。酒 精灯、火柴等实验器具也面临同样的问题。在传 统环境下由于实验室工具和设备短缺，并受环境、资源影响，小学科学实验教学的过程和效果都不太理想。
(—)开源硬件与掌控板
开源硬件是与自由及开放原始码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。这类计算机和电子硬件的所有设计信息是公幵的，学生可借此深入学习和个性化地开发。与开源硬件功能类似的智能设备已经在生活中得到大量应用，如智能家居、智慧校园，这些设备和应用贴近学生的学习和生活。同时，它们在安全性、可拓展性、智能化程度上相较于传统的科学实验工具有了很大提升。小学五、六年级的学生已经具备了一定的图形化编程的知识基础，他们通过选择和使用编程模块，设定相关参数，给模块连线并上传到掌控板等控制器板，便能轻松快速地做好幵源硬件使用前的准备。掌控板非常适用于创客教学，它是一款开源的M icro P y t h o n微控制器板。通过板载的各类传感器，它能科学地检测得到各种准确可靠的信息，不仅可以用于青少年编程学习，而且是科学实验中非常好用的智能小工具。
(二）使用开源硬件开展科学实验教学的优势
相较传统的实验方式，用开源硬件幵展科学实验教学具备以下优势。
1. 创设“真实”的科学实验环境
作为数字原住民的当代学生，他们对于信息技术有着天然的亲近感。他们对新技术、新事物充满好奇。教师利用传统的科学技术手段、工具和方法，也能让学生了解科学知识，培养他们的科学精神。面向未来，培养学生解决不可知问题的能力，需要更好的教学方式。教师为学生提供多种实验方式、多种实验工具，让他们自主选择，帮助学生提升面向未来的能力和竞争力，是数字时代教育发展的必
然。
巧用开源硬件，既能帮助学生解决存在于科学实验中而又难以用传统方法解决的问题，又能培养学生的创新能力与实践精神。笔者在实验教学中的运用开源硬件，为学生深入探究提供技术支持。正如许知远先生所说：“教育不是首先着眼于实用性的，而是要去‘唤醒’学生的力量，以使他们能在目前还无法预料的未来局势中做出有意义的选择。”
2.提高学生适应数字时代的能力
笔者利用幵源硬件幵展小学科学实验教学，以跨学科的核心素养和关键能力为载体，指向实验中真实的问题解决，帮助学生对不同学科知识
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与技能进行整体理解与融合运用。通过科学知识 与智能硬件的融合，笔者为学生设置了真实的、 有吸引力和复杂的实验问题，培养学生数字化能 力，鼓励学生用数字工具分析问题和解决问题， 引导学生主动适应数字时代。
3.培养学生的创新精神和实践能力
教师引导学生使用开源硬件参与科学实验， 有助于培养学生的创新精神和实践能力。学生自 主选择开源硬件，参与科学实验，改变了传统的 按部就班的实验方式，突破了传统科学实验对于 实验时间、地点的限制。学生可以使用开源硬件， 在合适的地点和时间，根据需要开展科学实验活 动，还可以对实验的过程和方法进行改进。
二、小学科学实验教学中掌控板的应 用要领
(一） 利用传感技术获取实验数据
传统的小学科学实验教学中，学生依赖主 观判断和人工采集来获取相关实验数据。比如， 对于光线亮度的判断，学生可以通过视觉来感受 光线的明暗和强弱，但是对于具体的光线值则难 以判断，而大多数小学科学实验室缺乏相应的检 测设备。实验者通过掌控板加载的光敏传感器和
L E D 显示屏及模块化的编程软件，可以观察光线
强弱的模拟值。学生可以通过前后的数值对比， 跟自己的主观判断相互印证，加深对知识的理解。 相较于传统方式，学生使用掌控板获取实验数据， 更加精准，能够采集到以往难以获取的实验数据。
(二） 物联网技术助力实验数据的积累、整 理、分析
教师整合掌控板、M in d +和S i o t ，可以组 建一个小型的本地物联网，方便学生在科学实验 中收集、整理和分析实验数据。有些科学实验耗 时较长，需要长时间的数据采集，可是小学生每 天还有其他的学习任务，不可能长时间通过人工 的方式采集数据。教师利用掌控板、M in d +和
S i o t ，实现物物相连，赋予每个实验对象以生命，
创建本地物联网服务器。系统将动态采集的数据
数字化，并生成相应的数据模型，为小学生参与 科学实验提供精准的数据支持。
(三） 支持项目式学习
项目式学习理念坚持以真实问题驱动教学， 注重持续探究和学生核心素养的培养。在小学科 学实验教学中，项目式学习越来越多地被教师采 用。在传统的实验条件下，由于教学方法和实验 工具受限，以及安全考虑，教师对于部分实验教 学还是以体验为主，探究则被放在次要位置。“教 师演示，学生模仿”，甚至以教师演示来替代学 生实验操作是常态。教师借助掌控板等幵源硬件 可为学生合作探究实验提供技术和硬件支持。由 于实验安全性大大提升，教师可以通过问题驱动， 引导学生以持续探究的方式参与实验学习。相关 物联网技术为学生课后参与小组合作探究提供了 硬件和平台支持。
(四） 拓展学习时空
传统的小学科学实验教学受制于实验条件和 工具，往往只能在科学实验室完成，实验过程跟 学生在生活中见到的实际情况有一定的距离。借 助掌控板等开源硬件，学生可以根据学习需要， 在更多合适的地点和时间开展科学实验活动。实 验的场域可以是科学实验室和班级课堂，也可以 是校园或郊外等地方。实验的时间也可以从课堂 延伸至课后、假期。
(五） 促进学科深度融合
掌控板在科学实验中的应用促进了学科深度 融合。信息技术与科学在开源硬件领域互融互通，
不仅可以促进技术在学生科学学习中的应用，而
且可以促进教学环境、教学方式和学习方式的改 进。基于真实问题和学习需求的学科深度融合， 促进了学生跨学科学习能力和学科核心素养的提 升，也为教师的专业成长开辟了路径。以前，科 学实验教学中学科之间的融合是浅层次的，比如 在实验中使用电子表格记录或录制视频来记录和 演示实验等。在掌控板等开源硬件的支持下，学 科壁垒被打破，学生可以融合各学科的知识、技 能与方法，在实验中探索与解决问题。
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三、掌控板在科学实验教学中的应用 及分析
(一）精准记录实验环境数据并控制实验环境
在小学科学实验中，使用开源硬件附载的各类传感器，能够更精准、更科学、更快捷地获取实验对象的各种数据，控制实验环境，为科学实验提供技术和数据支撑。以“养蚕”为例，它是 小学科学传统的实验项目，教学目标是培养学生的科学精神和态度、动手实践能力和正确的劳动价值观念。以前，学生是以传统的方式养蚕，存 在“以喁代养”的问题，实验流于形式，很少深入探究问题。这样的做法不仅与现在工厂现代化养蚕的实际相脱离，而且不利于学生深入开展科学实验活动。笔者引导学生智慧养蚕，基于学生在养蚕过程中遇到的问题，让学生使用掌控板、温湿度传感器、气压温度传感器、物联网环境、智能手机或平板电脑等开展实验。
养蚕实验项目是学校传统的科学实验项目，学生或多或少在养蚕过程中遇到问题。笔者鼓励学生根据蚕的生活习性，分析在养蚕过程中遇到的问题。学生提出的问题集中在两方面：一是对蚕生长环境的营造和监控。蚕的生长发育与环境关系紧密，温度、湿度、空气与气流、光线等因素直接影响蚕的生长发育。二是蚕沙的收集。蚕 沙又名蚕屎，是家蚕的粪便，也是一味中药。如 何收集蚕沙又保证干净卫生是学生养蚕实验中的难题。针对这些问题，笔者鼓励学生结合已学习的幵源硬件知识，提出解决问题的方法，设计方案，并准备相关材料。为解决蚕生长环境的问题，学生使用掌控板、光线传感器
、温湿度传感器，实时观察蚕的生长环境，同时在蚕盒上部安装风扇，将蚕盒光强、温度、湿度控制在一个适合蚕生长的范围（如图1)。学生借助掌控板搭建养蚕盒环境监控系统，既可以通过掌控板的OLED 屏幕实时了解蚕盒的环境信息，又可以通过掌控板与物联网M Q T T (E a s y l o t)的结合应用，远程了解蚕的生长环境，自动记录蚕生长环境相关数据（如图2和图3 )。为解决收集蚕沙的问题，笔者引导学生使用激光切割技术制作双层蚕盒，设计镂空的中间隔板，以便收集蚕沙。
图1智慧蚕盒 图2掌控板O L E D屏显示
参数
图3光强、温湿度相关程序
在养蚕实验的教学过程中，笔者借助技术引导学生主动探究，培养他们发现问题、分析问题和解决问题的能力。在实验过程中，笔者坚持科学学科的育人理念，通过问题驱动，将大项目分解成多个小项目，让学生参与实验探究。
(二）支持长周期观察实验活动
在小学科学实验中，有的实验所需测量工具多，测量周期长。如果在实验中融合应用幵源硬件，采集到以往小学阶段科学实验中不易测量的相关数据，可为学生提供长期、精准、实时的数据，为深入探
究提供技术支持。以“观测天气”为例，以往由于实验时间跨度大，学生需要记录不同天气甚至不同季节的天气数据，操作难度较高。同时，在实验中还需要用到气温计、雨量器、风向风力计、空气质量检测仪等工具，很多学校难以为每个小组配齐配足实验工具。实验者利用掌控板以及光线传感器、温湿度传感器、空气质量传感器、闪电传感器、雨量计、风向风力计等传感器，可 以实现智慧化、网络化的长周期天气观察。
为解决“观测天气”实验中遇到的问题，
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笔者鼓励学生分析问题，并提出智能化的解决方 案。学生使用掌控板将其与物联网平台M Q T T  (E a s y l o t )联通，借助系统自动收集天气收据， 自动传输、存储数据，解决了天气数据记录、存 储的问题。同时，使用掌控板自带的温度传感器、 光线传感器等，外接空气质量传感器、闪电传感 器等，检测校园内的空气质量（如图4和图5)， 为学习、生活提供便利。掌控板与物联网平台互 联互通，能够实现相关数据自动记录和快速查询 的功能（如图6)。
图4
校园智能气象站
图5掌控板显示
空气质量数据
图6空气质量检测程序
在“观测天气”教学过程中，笔者注重实验 的持续性和设备、技术的不断更新。在实验过程 中，做好指导工作，并充分与学生交流，尊重学 生的个性化选择；引导学生通过小组合作完成任 务，创设平台，让实验成果对学生的生活有用。
(三）综合解决复杂观察问题
在传统的实验条件下，学生参与复杂的观察 实验，需要用到多种实验工具，非常不便。掌控 板具有集成化、数字化、智能化、多功能化、系 统化以及物联化等特性。在实验中，学生用一块 掌控板就可以综合解决复杂的观察问题。这样既
能节约准备实验器具的时间，又大大节省实验的 经济成本。
在上述两个案例中，笔者既解决了实验中环 境数据采集、环境控制、长周期记录等问题，又 让学生在面对真实的复杂观察实验时能够充分利 用开源硬件解决观察问题。掌控板附载的传感器 以及外接的传感器的组合应用，不仅让实验者的 触觉、味觉和嗅觉得到延伸，而且能采集到很多 用传统的方式难以采集的数据，比如在“观测天 气”实验中，实验者还可以用其检测空气质量， 采集闪电次数等数据。
四、应用前景
(―)开源硬件将在小学科学实验教学中得 到普及和应用
在传统的实验条件下，教学前期，科学教师
要做大量的器材准备工作。教师在小学科学教学 中应用开源硬件，可大大缩短准备科学实验器材 的时间，有效促进科学实验教学的常态化实施。 同时，相比传统的科学实验工具，开源硬件更为 安全，其应用符合数字时代要加强对学生人文关 怀的价值追求，也有利于培养学生解决未来未知 问题的能力。
随着模块化编程软件的普及，掌控 板附载传感器越来越丰富，将会受到越来越多师 生的认可和欢迎。
(二）开源硬件的应用让科学实验与学生生 活联系更紧密
以掌控板为代表的开源硬件是很好的教学工 具。实验教学中应用掌控板可满足数字时代学生 对于多元化学习工具选择的需求，符合当代学生 的成长经历和需求。它贴近学生当下的生活，又 能够为学生未来的生活做准备。掌控板为跨学科 的项目式学习提供了有力的平台和工具，可促进 学科深度融合和课堂教学变革。
(作者系江苏省常州市雕庄中心小学教师）
责任编辑：祝元志
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