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[基础教程] 把课程玩上天!基于micro:bit与BMP280的气压与海拔关系分析...

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本帖最后由 digi_cow 于 2018-5-9 15:24 编辑

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上月,在micro:bit中文社区看到了BMP280的makecode软件包。查询了BMP280传感器的功用后,在好奇心的驱使下,立马有个好玩的念头,何不把课程玩上天,让孩子们分析不同海拔高度的气压变化?旋即着手采购材料,并于五四青年节做了该主题的第一波课堂教学尝试。

一、实验设计与准备
1.装置搭建

所需材料:

BBC micro:bit *2

BMP280传感器 *1

CR2032纽扣电池及电池座*1

氦气球若干

风筝线一卷

卷尺*1

先来认识下淘宝买的BMP280传感器,价格倒是便宜,才4.9元一个,只是排针需要自己动手焊接。

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这是在放大镜下的视角,金属外壳封装的传感器实际只有芝麻大小。

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在博世官网有该传感器的介绍和技术文档下载

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该系列的其它传感器(在线翻译了下)

BMP280是属于其中最低端功能最简单的,只包含气压和温度检测功能。我一并买的BME280就要20来块了,如果够用,BMP280是高性价比的选择。

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从技术参数上可见,精度达到0.18Pa,可以分辨10cm的高度变化。足够应付我们的实验需求。

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先写个程序做下“地面测试”,成功!再想上淘宝准备批量购买时,发现居然没货了~不知是不是BMP280软件包放出后,直接推动了销量。过了几天再看,货是有了,从4.9涨价到了5.83。

接着需要解决的是整套装置的“轻量化”问题。带锂电的Robotbit上天成本是很高的,需要换用轻便的且引出I2C引脚的扩展板。另外bit套装里那种电池盒,装上2节7号电池后也是不小的负担,改用纽扣电池是个不错的选择。

手头没有纽扣电池座怎么办?不想等待,也不想为了几毛钱的配件去花运费,DIY呗!至于扩展板我就没本事自己造了,只能老实去TB下单。

学校里多的是废电脑,早年让学生拆着玩实现剩余价值。这回继续让它们发挥余热,找网管老师随手拎了台出来卸下主板。

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黄圈里的配件就是我们的目标了。厚厚的灰让我不得不屏息干活。

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拆件的话,吸焊器是必须的

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搞下来了,发现金属部分氧化比较厉害,喷点WD40。

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没有PH2.0接口的连接线,只好牺牲一个原装电池盒。

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背面点上热熔胶,防止脱焊和刺破气球

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IOBIT也到货了,很简洁的扩展板,引出了全部micro:bit接口,可以方便连接I2C。

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接线方法如下表



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立正

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向后转
2.推算升空成本和可行性
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立夏快到了,称个体重呗! 全套34.5g,身形苗条,算是达到了轻量化要求!那么需要几个气球才能让这套装置升空呢?
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我准备在一家店同时购买氦气和气球(为节省运费,虽然别家有大气球卖)。这家最大的是12寸气球,也就是直径12英寸=30.48厘米。将气球近似视作一个圆球的话,根据圆球体积公式:
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得出气球体积
V=4/3*π*r^3
  =4*3.14159*1.528^3/3
  ≈14.9437(L)
根据阿基米德原理
如果忽略气球本身的重量,当气球在空气中悬浮,那么:
气球中氦气的重量+负载=气球排开的空气的重量
也就是:
氦气密度*气球体积+负载=空气密度*气球体积
已知氦气密度约为0.1786g/L,空气密度约为1.293g/L,设负载为W
ρ氦气*V+W=ρ空气*V
W=ρ空气*V-ρ氦气*V
   =1.293*V-0.1786*V
   =(1.293-0.1786)*V
   =1.1144*14.9437
   ≈16.6533(g)
所需气球个数为
34.5÷16.6533≈2.0717(个)
也就是说,理想状态下,只要3个气球足以让负载升空。有了推算结果,心中会对气球和氦气的消耗大致有数,看起来靠几个气球升空没有问题,实验成本可以接受。实际结果又如何呢?还是那句话,靠猜是不来事的,做过才知道。
3.程序设计
首先根据micro:bit中文社区提供的软件包地址添加BMP280软件包
https://github.com/microbit-makecode-packages/BMP280

设计发射端程序如下:
2018-05-09_15-20-29.png
考虑到实际升空高度可能会超过micro:bit的无线信号传输距离极限,这里设定了一个叫Pmin的变量,用于记录最小气压值。这样即便最终丢失信号,还可以在收下来后查看传感器处于最高高度时的气压值。当然,作为实验,这也等于告诉了孩子们气压与海拔的关系。不过没关系,我们要的就是以直接经验来验证间接经验。
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接收端程序就简单了,只要大家设置在同一个无线组,那么全班同学都可以同步接收数据。这种广播形式的无线收发机制,也是micro:bit课堂应用中的一大优点。
二、教学设计与课堂实践
这个实验主要涉及的是科学与地理学科的内容。涉及的知识包括浮力、气压以及海拔。
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谨记谢作如老师布置的作业,好好学习科学课标。
在教育部的小学科学课标中,并不涉及大气压强以及海拔相关的内容,这些应该是初中的学习内容。小学课标只对浮力有提及。
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按照课标,3~4年级安排的教学内容主要是体验和感受浮力。
请教了科学老师,在五年级下册的科学教材有浮力的内容,于是我干脆借了教材过来考究。
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教材内容上安排了一些实验让学生调整体积、重量、形状等变量,通过观察记录,寻找规律。阿基米德原理是被作为阅读材料呈现的。并且,只涉及液体的浮力问题,全局没有涉及气体的浮力问题。
如此看来,在小学阶段,这个实验,在内容上是明显高于科学课要求的。所以还是要以体验为主,让学生在实践中获得将技术运用于科学实验的经验与乐趣。说人话:最重要的就是玩得开心!
这种基于观察、体验的教学活动,记录表是不可或缺的学习支架。我设计的表格如下:
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围绕这份记录表,安排了3课时进行教学,姑且称之为MINI-PBL。
      第一课时是头脑风暴。从爬四明山(本地山脉,最高海拔1044米)、坐飞机时耳朵听觉变化的共同经历,引出对气压与海拔关系的好奇心。在简介BMP280,以及老师的实验构想后,与学生共同讨论实验中可能用到的知识、问题、对策,并允许学生通过网络搜索相关资料,最后是编写和调试程序。
      第二课时安排了具体实验。
      学生在第一课时已经了解到了气温等因素会影响到气压,虽然对于本实验,这些气象条件可能属于可以忽略的因素,但还是要求学生进行记录,养成严谨的态度和习惯。在反复进行安全教育后,小伙伴们兴高采烈地进入了实验环节。
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实验前为防止扎破气球,用美纹纸封住了扩展板和传感器的针脚。
        虽然再三确认了氦气的安全性,不过因为是钢瓶灌装的,看过去还是有那么点“劲爆”。小D同学勇气可嘉,承担了全部气球的充气任务。当然,操作时,表情还是凝重的。
       实践下来,3个气球带起这套检测装置是费劲的,可能因为怕爆掉,气球没有充到12英寸的标准大小吧。4个气球倒是可以带起装置,但为了保险,外加小朋友们一直担心气球会爆掉,我们挂了7个气球,提供一定的冗余,确保即便有一部分气球破了,也不至于让装置自由落体砸到花花草草。

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记录了0m高度下的气压值后,量出5m线长,释放气球。
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待气球接近垂直状态后记录5m高度时的气压值。
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越往高,受风的影响越大,小伙伴们表示要再挂气球,提高浮力
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本不想把钢瓶拿到操场,太过张扬~不过半路也没办法了。
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专注的小M同学
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小伙伴们嫌弃滚屏显示数据太慢,下次用1602吧
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也有小朋友提出不如把检测装置挂旗杆上,用升旗的方法来替代,这是个好主意。
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       最后放到了25m的高度,但是因为风实在太大,难以保持基本垂直状态,且有挂到周边建筑和旗杆的风险,只好赶紧收回来。
       第三课时有一半已经被实验占去。在剩下的一点时间里,学生们开始写实验小结和反思。
       这是最让我期待的环节,毕竟这是近乎“前无古人”的实验课,不知会开出什么花朵结出什么果来,希望小朋友们能有真收获。小Z同学的记录相当有代表性,正是我想达到的教学效果。
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很欣喜地发现,他的实验小结中出现了对数据的整理和分析。实验得到的结论是平均每升高5m,气压下降55.5Pa。小结中提到的“天不时地不利人不和”,分别指的是风太大、场地局限、课堂上还有莽撞的小朋友拉坏了卷尺,让人忍俊不禁。


三、结语

      1.无论如何确保安全!
       这包括两方面,实验器材的安全和活动组织的安全。
       正品氦气是可以放心的。实验用的氦气是淘宝上找某品牌旗舰店买的,并要求其开具发票。发票明细写明了氦气、氦气瓶,说明是有销售资质的。至于氢气,那是万万用不得的。
       其余实验材料貌似不具安全隐患,不过事后想想,钢卷尺在拉扯中可能出现割伤手指的风险,最好改用体育老师用的软卷尺。
活动组织方面的安全,除了事前的安全教育外,过程中也要关注到每一个学生。因为合唱排练等原因,本课参与的学生人数较少,还算好管理,但只要有1个莽撞、调皮、自我管理能力较差的学生,就足够耽误进程,让人心累的了。坦率地说,这样开放的活动,如果只有1个老师管理,恐怕不具备大班教学的可能性。我时常在想,先不考虑师资和课程内容,综合实践活动如果全面落地并要有实效,那么大班教学的操作该如何进行。
       2.是否有拔苗助长之嫌?
       前述分析中也说了,本活动的关联知识是初中段的。是不是因此就有了拔苗助长之嫌?我想作为选修课,进行下探索未必不可,何况本活动并不强调具体的知识掌握,而在于实践活动的过程价值。若这些孩子在初中学习相关知识时能联想到这次实验,作为他们的小学老师我是很欣慰的。
       3.为什么用这么麻烦的方法?
爬楼、挂旗杆的方法当然也是可以的,小朋友头脑风暴时都建议过,我均表示赞许和认可。但只问了一句,你们喜欢哪种方法?意见立马就统一了。说到底,这有一种充满不确定因素,近乎探险的酷感和趣味!坦率而言,用气球的吊挂的形式误差是比较大的,讨论时也和学生提及如果出现被吹歪的情况,可以用三角函数来求出垂直高度,当然五年级的孩子,没办法具体展开。
        收藏有一篇微信文章——《两个男孩用艘玩具船环游了世界…哪怕玩具,征途也是星辰大海!》。感慨这俩英国男孩想法的大胆,以及成人世界那对此充满仪式感的护航和接力。
        这波折腾,我就想在课堂上,播撒光明的种子!

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最后,必须感谢邵子扬老师在micro:bit中文社区提供的BMP280软件包。
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rzyzzxw  版主

发表于 2018-5-8 08:48:35

在课堂上,播撒光明的种子!狄老师的创造力,行动力,都让我们超级佩服。有狄老师的孩子是幸福的,有狄老师的论坛同样是幸福的。
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digi_cow  初级技匠
 楼主|

发表于 2018-5-8 21:03:30

rzyzzxw 发表于 2018-5-8 08:48
在课堂上,播撒光明的种子!狄老师的创造力,行动力,都让我们超级佩服。有狄老师的孩子是幸福的,有狄老师 ...

靠斑竹带队引领
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rzyzzxw  版主

发表于 2018-5-8 21:18:34

digi_cow 发表于 2018-5-8 21:03
靠斑竹带队引领

狄老师谦虚啦,是在沾您的光了。
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阳光1  学徒

发表于 2018-5-24 19:07:59

感谢分享,很有参考价值
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安卓机器人  初级技神 来自手机

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zsc990338  初级技师

发表于 2018-11-9 15:41:51

狄老师真是厉害
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