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#科学实验探究#光和热的关系(科学实验探究:利用物联网技术探究光和热的关系)

HOPE HOPE 2020-07-04 22:25:24
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简单

        科学是一门以观察和实验为基础的学科,无论是科学概念的建立、科学规律的发现,还是科学理论的提出和检验,都离不开科学实验。而科学实验探究在教学中也有利于学生创新精神与实践能力的培养。根据新课程《标准》教学理念,实验教学是新时代教育的重要教学方式,也是学生的重要学习目标,新的课程《标准》实验教材中也都有给定的选题和科学探究实验。 

      在当前“智能时代”和“STEAM/创客教育”的背景下,如何以“立足基础学科实践,探寻实验教学真知”为主题,基于《中/小学科学课程标准》进行科学实验课程的教学设计和实践操作,是我们科学教师的一个新的研究课题。

 本例以教科版小学五年级上册科学教材中的”光和热”一课为例,一般情况下我们都利用室外的阳光和镜子反射到温度计上,让学生观察和记录数据,来得出结论,但有时候把学生带到室外进行实验,往往存在一些限制和不利条件,如阴天等。本节课中我们尝试利用温度传感器和环境光传感器来监测当前的温度和亮度,实时显示到OLED屏幕上,并利用物联网平台来记录温度的变化,使用不同亮度的台灯来模拟不同强度的阳光,也可以使用不同数量的镜子来反射,照到温度传感器的温度探头上来观察温度的变化,实验完成后可以从物联网平台导出记录的数据从而可以生成不同类型的统计图表,来对光和热的关系进行探究。

步骤2 步骤2
教材内容:
projectImage
projectImage
projectImage
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步骤3 步骤3
准备工作:
材料清单 材料清单
1x
Gravity: UART OBLOQ - IoT物联网模块
1x
DFRduino UNO R3
1x
IO 传感器扩展板 V7.1
1x
Gravity:模拟环境光线传感器(Arduino兼容)
1x
模拟LM35线性温度传感器(Arduino兼容)
1x
可调节亮度的台灯
1x
镜子


软件平台

     MIND+

     IOT物联网平台 

步骤4 步骤4
制作步骤

1、将传感器、物联网模块等与UNO主板连接,测试程序。

2、将传感器、主板等放入纸盒内,连接到主板上并用胶枪固定好位置。

projectImage

3、将纸盒正面用设计好文字打印出来的A4纸剪下贴上,完成后的效果如下图:

projectImage
projectImage
projectImage

4、通电并测试程序

步骤5 步骤5
教学设计

探究课题:

      光和热

科学原理:

    本次实验借助物联网技术来探究光和热之间的关系。

学习目标:

    科学概念:

     1、许多光源在发光的时候也在发热。

     2、太阳给我们带来光明的同时,也给我们带来了温暖。太阳是地球最大的光源和热源。

     3、光越强温度越高,光越弱温度越低。 

    过程与方法:

    1、对光和热的关系作出推测。 

    2、通过观察、测量不同光照强度下、不同面镜子反射光和凸透镜聚光等多种光的强度和温度,对比探究光与热的关系。 

    3、利用物联网平台收集整理获得的信息,根据实验的数据绘制出柱状图。

    4、能够对实验结果和假设进行对比。 

    情感、态度、价值观:

    1、认识到自然事物之间是有联系的,自然事物的变化是有规律的。人们掌握了自然规律就能更好地生产和生活。 

    2、认识到认真观察、实验;实事求是地记录观察数据的是科学探究的重要方法。 

教学过程设计:

    过程设计引导学生观察现象、提出问题、做出假设、实验操作、数据收集、验证假设并得出结论;设计过程要充分体现批判和逻辑思维,PBL以及STEAM教学理念。

【教学设计】

 导入 

      1. 让学生观察不插电的电灯,摸一摸说说摸到的感觉。 

             生:圆的、凉的 

      2.插上电,让学生观察电灯发生的变化,再请同学们摸一摸、说一说摸到的感觉。 

            生:灯泡变亮了,摸起来变热了

      3.第一次我们摸的灯是? 

            生:凉的 

            第二次摸得灯是? 

             生:热的 

       4.同学们想知道是什么原因吗?

          板书课题:光与热 

新授 

      1. 灯泡会发热是利用了发光原理,引入发光原理并举例说明 

      2. 介绍热光源 

      3. 请学生试着用自己的话说说冷光源的原理 

      4. 提问生活中见过冷光源吗? 

          生:自由回答萤火虫、水银灯等 

       5. 生活中热光源的使用率比冷光源的使用率高的多,提问:最常见的热光源是什么? 

          生:太阳光 

提高认知 

        1.太阳给我们带来光明的同时,也给我们带来了温暖。光的多少与强弱和温度的高低有什么关系呢? 

          生:中午阳光强,温度就…… 阳光下热,背阴处凉快。 发光很亮的电灯泡,靠近它…… 

        2.光的强度与温度究竟会有什么样的关系呢?我们可以用什么方法来证明? 让我们通过实际的观测来验证我们的想法。 

 实验一: 

       教师使用自制的物联网光和热的关系探究教具来进行实验:

       1.将USB线插入充电宝或电脑USB口,物联网模块初始化后显示绿灯,OLED屏幕开始显示当前的温度和环境光强度数值。

       2.教师打开台灯,并调节不同亮度,同时观测温度的变化。

       3.在最大亮度时,用一面镜子和多面镜子反射光线照到温度传感器位置,观察温度的变化,比较一下用一面镜子和多面镜子,温度计显示的温度有什么不同? 

       4.教师登陆物联网平台,下载所记录的温度数值,并将实验结果用柱状图或拆线图表示出来,并请学生发现总结规律。 

       生:光线越强温度越高,光线越弱温度越低。 还有什么办法可以使光聚集起来吗? 

       凸透镜和凹面镜 

实验二: 

        在太阳光下,利用放大镜使纸张燃烧. 

        通过实验证明: 像放大镜一样的凸透镜,利用光的折射,也能会聚太阳光,产生高温。 

        凹面镜 阳光照到凹面镜上,经弯曲的镜面反射后,会聚到一点。这一点的光很强,温度很高。 

应用 

        在我国,人们很早就知道用凹面的铜镜取火。现在,我国仍然大力提倡使用以凹面镜原理做成的太阳灶,以充分利用能源。 

 应用 

        奥运会圣火火种就是用凹面镜取得的。 

巩固练习 

    判断 

         1、向阳的一面比背阳的一面温度高。() 

         2、所有的光源在发光的同时也在产生热。() 

         3、可以用放大镜和望远镜对着太阳看。() 

         4、太阳是地球上最大的光源和热源。() 

         5、在我国,人们很早就会用凹面镜取火。() 

   选择 

         1、奥运会的圣火火种是利用( )取得的。 

             A、平面镜B、凸透镜C、凹面镜 

         2、下面利用凸透镜原理制成的是( )。 

             A、放大镜B、太阳灶C、哈哈镜 

         3、用镜子将阳光投射在纸上,用的镜子越多,纸的温度( )。 

            A、越高B、越低C、不变 

小结:

          让学生说说学到的知识 

布置作业: 

           观察并思考生活中人们还有那些应用光能的例子. 


步骤6 步骤6
实验过程照片:

打开台灯,将台灯光线调到最亮,会发现温度数值缓慢升高。环境光数值极速增大。

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用最大亮度的台灯照射传感器,会发现温度值由33.30上升到35.45

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关闭台灯后,会发现温度值由35.45逐渐下降到33.3

projectImage

打开物联网平台,我们可以清楚的看到温度的变化趋势,是由低到高并再次降低的一个过程,也正好对应了光线的由暗到亮再到暗的一个过程。由此我们可以得出结论,光照强度越高,温度越高。

projectImage
projectImage

程序截图

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步骤7 步骤7
反思:

       使用传感器和物联网来研究科学课中的科学现象这是一种全新的尝试,和传统的科学实验相比,它有非常明显的优势。比如温度可以实时显示在屏幕上,并可以上传到物联网平台进行记录并能导出,这些优点是传统的科学实验所无法达到的。

      存在的问题:

      在使用物联网平台来记录温度变化时,如果间隔时间过短,而温度传感器检测到的温度变化是一个相对较缓慢的过程,因此如果每隔几秒钟再测试一次,则得到的结果更准确一些。但是这无疑又会耗费较长的时间,而我们真实的课堂教学中一节课只有40分钟,因此这种情况是一种矛盾。

       同时,可能由于温度传感器自身的特性,温度会在上下进行反复的跳动。这在某种程度上也对我们记录数据产生一些影响。

       解决办法及拓展思考:

       我们可以把检测温度的间隔时间调大一些,这样得到的温度会比较准确一些。但相应的也会增加实验时间,适合课外兴趣研究。

       如果我们要记录一天中的温度变化情况的话,如果我们使用传统的每隔十分钟观察并记录温度的话,则非常麻烦,但如果我们使用物联网平台来记录一天里的温度变化的,则一切都可以交给程序自动记录和运行,这将为我们进行科学研究提供非常大的方便,而且非常准确。

Makelog作者原创文章,未经授权禁止转载。
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