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[入门教程] 把课程玩上天！基于micro:bit与BMP280的气压与海拔关系分析... |
本帖最后由 digi_cow 于 2018-5-9 15:24 编辑  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。
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。
在博世官网有该传感器的介绍和技术文档下载
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。
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。
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。
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。
拆件的话，吸焊器是必须的
搞下来了，发现金属部分氧化比较厉害，喷点WD40。
没有PH2.0接口的连接线，只好牺牲一个原装电池盒。
背面点上热熔胶，防止脱焊和刺破气球
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。
接线方法如下表   立正  向后转 2.推算升空成本和可行性  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？  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：  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:  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。  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。  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。   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。   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：  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。  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。  记录了0m高度下的气压值后，量出5m线长，释放气球。  待气球接近垂直状态后记录5m高度时的气压值。  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  本不想把钢瓶拿到操场，太过张扬~不过半路也没办法了。  专注的小M同学  小伙伴们嫌弃滚屏显示数据太慢，下次用1602吧   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。  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。  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！  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。  红汽车历险记 往期趣玩课程 [微课]小米趣玩micro:bit 01 HELLO,DIMI ! [微课]小米趣玩BBC micro:bit 03 炸弹人（一） [微课]小米趣玩BBC micro:bit 04 炸弹人（二） [微课]小米趣玩BBC micro:bit 05 弹奏一曲“小星星” [微课]小米趣玩BBC micro:bit 06 数码骰（tóu）子 [微课]小米趣玩BBC micro:bit 07 花花草草监护仪 [微课]小米趣玩BBC micro:bit 08 万圣节的小捣蛋 [微课]小米趣玩BBC micro:bit 09 史蒂夫的磁矿探测仪 [微课]小米趣玩BBC micro:bit 10 贝爷的新罗盘 [微课]小米趣玩BBC micro:bit 11 秋裤召唤神器 [微课]小米趣玩BBC micro:bit 12 一杯温度（上） [微课]小米趣玩BBC micro:bit 13 一杯温度（下） [微课]小米趣玩BBC micro:bit 14 布尔的爱心小夜灯 [微课]小米趣玩BBC micro:bit 15霍格沃兹魔法学校的新学徒 [微课]小米趣玩BBC micro:bit 16 火鸡狩猎者 [微课]小米趣玩BBC micro:bit 17 精灵鼠小弟 [微课]小米趣玩BBC micro:bit 20 用程序写“川” 米爸的数字实验室 学问思辨 |
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