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摘要：在教育信息化飞速发展的背景下，物理实验教学也在实验器材与实验手段上发生了质的变化.笔者利用Phypox结合ESP32芯片设计了DIS光电门测速仪器来进行XXX物理教学，本文主要介绍了DIS光电门测速实验仪器的开发设计过程以及在教学中的使用方法.通过DIS光电门测速仪器进行实验教学使得抽象的物理概念更加直观，有效激发了学生的学习兴趣，取得了良好的教学效果.

关键字：物理实验，光电门，DIS，合作探究

《义务教育物理课程标准（2022年版）》明确指出：教师要充分发挥信息技术的优势，将信息技术有效融入物理教学，创新教学方式，提升教学效率。同时，教师应鼓励学生将信息技术运用到物理学习中，帮助学生适应数字时代的要求，提升学生运用信息技术的能力。《义务教育物理课程标准（2022年版）》还指出，能用速度描述物体运动的快慢，并能进行简单计算。会测量物体运动的速度。因此，教师有必要创新教学方式，激发学生科学探究意识，培养学生的创造性和科学逻辑思维，基于实验数据得出实验结论，从而发展学生信息素养和物理学科素养。根据《义务教育物理课程标准（2022年版）》的指导思想，本文充分将信息技术手段与测量物体运动的平均速度实验进行了有机的融合，制作出了新的小组合作探究实验器材。

1教材中的位置

在《义务教育物理课程标准（2022年版）》中，学生探究实验“测量物体运动的速度”被列为测量类学生必做实验。在人教版初中物理八年级上册第一章第4节“测量平均速度”中，该实验详细给出测量物体平均速度的基本方法和步骤，介绍了使用数字化实验器材——超声波测速装置来测量物体的运动速度。而在真实的日常教学过程中，可以利用已有的实验器材做实验.但实际实验过程中，人为产生的误差较大；且对于农村等薄弱学校来说，实验室没有这个实验器材，更别说数字化实验器材了。不利于学生通过实验来学习平均速度的相关知识，且对于农村薄弱学校来说，教室没有相关的多媒体设备，更不可能通过播放动画或者视频的方式向学生传授知识。这极大的阻碍学生探究思维的形成和发展，不利于学生物理学科素养的发展.而目前市面上的器材，多为商业运营模式。并不能接地气地让农村学校的学生来使用。基于此，教师有必要走自主设计实验器材的道路，需要设计一款携带方便，数据直观明确，安全且便宜，能够促进学生全面发展，解决学生能够通过实际探究过程来学习平均速度的相关知识的实验教学教具。笔者将详细介绍该创新实验装置的设计和课堂教学实验过程。

2创新实验装置的设计

2.1实验材料

双光头光电门、ESP-WROOM-32E模块及功能扩展板、1306-OLED显示屏、3.7V直流电源、亚克力及六角铜柱螺丝件、导线若干、带刻度的导轨及连接件、装有钢片的小车、M4螺丝，PH2.0端子及金属件、PH2.5端子金属件、PH2.0 PH2.5端子压线钳、Phyphox实验专用软件。

2.2结构介绍

2.2.1测量装置的搭建

双光头光电门是一个可以精确测量时间的装置，双光头光电门是根据光电门的原理制做而成的，一片光电门由导线进行供电，另外一片光电门采用六角铜柱进行供电，它通过一根信号线与单片机进行非常简单地通讯.采用两个双关头光电门即可实现不同位置的测量。 如果我们采用两个双关头光电门，就可以实现不同位置的测量。这是因为每个光电门都可以独立地检测到光信号，因此，通过比较两个光电门的信号，我们就可以知道物体经过光电门的时间。这种方法不仅可以用于测量时间，还可以用于测量速度、距离等物理量，它在物理实验中有着广泛的应用。ESP32-WROOM32E是乐鑫公司发布的新一代WIFI/蓝牙双模双核无线通信芯片，芯片集成WIFI和蓝牙技术，拥有高性能双核处理器。使用基于ESP32-WROOM32E的中学物理DIS实验专用的开发板，该开发板不仅拥有众多的扩展口，还搭载了3.7V直流电源和专用充电器。非常便于开发中学物理DIS实验。用导线将两个光电门和ESP32-WROOM32E开发板进行连接并通过导轨的连接件固定在导轨上面。当带有钢片的小车经过两个光电门时，ESP32-WROOM32E芯片会自动实时采集数据并发送给Phyphox软件进行数据处理，数据采集装置搭建流程如图1所示。

2.2.2实验装置的制作

笔者首先用电脑使用Python语言书写代码，并创建好Phyphox软件的实验界面.该界面不仅可以显示来自于的单片机所测量的物体运动的时间，同时还具备人机交互功能，可以将读取的物体运动的距离通过键盘给输入到Phyphox软件里面；Phyphox软件还可以自动计算出物体运动的速度并显示出来，这样就能非常便捷的读取物体运动的速度.将写好的代码通过数据线传输给，用3.7V电池给芯片供电，这样芯片就能脱离电脑环境然后独立工作.接着使用PH2.0和PH2.54端子和专门的压线钳进行制作导线并将光电门和单片机连接好，建立好通讯方式并初步测试单片机是否正常工作.测试成功之后使用M4螺丝将第一个光电门给固定在轨道的侧边并确保光电门可以自由的滑动到不同的位置.用同样的方法将另外一个光电门和ESP32-WROOM32E芯片给固定好.使用装置及Phyphox专用软件界面如图2所示。

3实验教学

3.1环节概述

整个实验教学设计环节分三步，第一步是以小组为单位寻找身边的物体来做实验，让学生体会测量物体平均速度的实验方法和步骤并得出平均速度大小与斜面倾角有关的结论。如图3-5所示.

利用手边的物体来做实验，这种方式不仅培养了学生发现的能力，还培养了学生的动手能力。这是一种非常有效的教学方法，因为它让学生有机会亲手操作，亲眼观察，从而更深入地理解和掌握知识。同时，这种方法也让学生有机会发现和解决问题，这对于培养学生解决问题的能力和创新思维非常有帮助。学生在实验过程中也发现了一些问题。例如，他们发现用手表计时总是不方便，当物体下滑和停止时总不能立即按下手表计时功能的按钮，从而导致每次都不能更加准确的测量出物体运动的时间。这是一个非常实际的问题，因为在这个实验中，精确的时间测量是非常重要的。如果时间测量不准确，甚至会得出错误的结论。提高时间测量的准确性，是一个值得深入研究的问题。

另外，学生们还发现，因为手工安装的“轮子”没有对齐，所以物体总是不沿着斜面滚动，而是沿着斜面摇摆下滑。这也是一个非常实际的问题，在这个实验中，我们需要让物体沿着垂直斜面底端的线路运动。物体的运动线路不是垂直于斜面底端，那么就无法通过刻度尺准确测出物体运动的距离，从而导致得出的实验结果也是错误的。确保物体沿着垂直于斜面底端的线路运动，也是一个值得深入研究的问题。

第二步是教师讲解光电门测速度的基本原理及数字化器材的基本使用技巧和注意事项。以及数字化实验器材的优势，可以很好的弥补传统器材的缺陷。第三步是让学生以小组为单位进行合作探究实验，各小组之间分工合作测量出物体的平均速度。如图5所示。

3.2实验步骤

（a）组装好教具，连接好并打开电源，待各模块正常工作，调节导轨一端的螺丝使其能够保持倾斜状态。分别调节两个光电门使其位于不同的位置并固定好光电门。

（b）打开芯片上面的开关和Phyphox软件，通过蓝牙建立连接，点击开始实验，等待传输数据。

（c）然后释放小车，让小车从斜面顶端下滑，ESP32-WROOM32E芯片自动测量小车运动的时间并将数据发送给Phyphox软件进行显示。

（d） Phyphox软件得到小车运动的时间之后，读取轨道上面两光电门之间的长度并将数据通过人机交互功能输入给Phyphox软件，Phyphox软件自动计算物体运动的速度。

3.3实验数据（见表1）

如图6所示，笔者测量了物体AB从斜面上下滑距离S时的相关运动学参数，如表1所示。

如图7所示，接着又测量了同一高度的斜面的不同位置之间的运动学参数，如表2所示。

3.4实验结论

改进型的数字化实验器材不仅具有高精度和高灵敏度还可以实时测量和记录实验数据，同时还拥有强大的数据处理能力。使用数字化实验器材进行教学可以提高教学效率。通过分析数据可以知道物体从同一斜面上下滑的过程中，物体经过上半程的平均速度最小，物体经过下半程的平均速度最大。

4结束语

中国教育已进入新时代，新时代的教育更加关注物联网、人工智能等新技术对教育的推动作用，以落实教育现代化建设的目标。但由于地区与地区之间发展的不平衡，城乡发展的差异性导致农村等薄弱学校无法和现代化教育接轨，也就无法落实教育现代化建设。教师让学生利用手边的简易器材来做实验，这种方式既能培养学生的发现能力和动手能力，也能让他们有机会发现和解决实际问题。这对于他们的学习和成长都是非常有益的。同时，这种方式也让教师有机会了解到学生在实验过程中遇到的问题，从而可以针对这些问题进行教学改进，提高教学效果。作为教师更加有必要发挥自身专业的优势，努力学习新兴技术并引入到课堂，不仅可以有效地解决教学中的重难点，还可以开拓学生的视野。自制数字化实验器材就是很好的创新方向，数字化实验系统可以帮助学生对一些生活、生产、自然现象中学生不易观察的现象进行重新思考与认识，从而让学生对生活、生产、自然现象产生兴趣，为创新提供思想基础，让学生养成遇事就要思考的习惯。尽管数字化实验系统具有许多优点，但在使用过程中也需要注意一些问题。由于数字化实验系统的高效性和集成性，可能会导致学生忽视实验过程，无法真正理解实验内涵和具体的实验数据处理过程。在使用数字化实验系统进行实验教学时，教师需要注意这些问题，确保学生能够充分理解并掌握实验的内容。通过自制教具和学生分组实验，能进一步提升学生的信息素养，发展其物理思维，科学观念在工程设计实践中具有重要指导作用，也可以在很大程度上提升学生的动手实践能力。

参考文献

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