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[项目] 创客技术助力科学实验系列 | 一天的气温变化

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1.科学教材.jpg
图1
       教科版小学科学四年级上册的第三单元的内容为《天气》,其中的第3节为《温度与气温》。在该节课中有一个实验——“气温的测量”,需要测量一天中五个时间的气温并绘制成统计图。使用创客技术来改进这个实验方案,可以增加测量时间点使实验数据更加详实,24小时无需人员值守,并且可通过电脑处理数据绘制成统计图,以便得到更加完美的实验结果。
演示视频

【总体方案】
       由于实验时间长,本实验采用先进行数据采集、后进行数据处理的方法。这样不仅能节约能耗,而且能保证实验取得成功。
2.实验方案图.jpg
2
       数据采集端:利用micro:bit作为主控板(其他开源主控板亦可),外接1DS18B20温度传感器(或者LM35温度传感器)、1个时钟模块和1块显示屏。每隔8分钟*进行一次温度测量并将数据存储下来,同时对采集到的温度进行对比,找出最高温度和最低温度,记录下数值及发生的时间。持续实验24小时后,将最高温度和最低温度及出现的时间等信息显示在屏幕上。
       *考虑到micro:bit的存储量限制,间隔时间越短采集的数据越多,如果超过存储量会导致实验失败。
      数据处理端:1块micro:bit连接到电脑,以实时模式运行编程软件。将采集端micro:bit主控板上存储的数据通过无线通讯方式传输给处理端的micro:bit主控板,继而传输给电脑,通过编写好的程序对数据进行处理、绘制成统计图。

【创客器材清单】
3.材料.jpg
3
1)micro:bit 2块
2)IO扩展板 1块
3)温度传感器 1个
4)锂电池及底座  1个
(5)OLED-12864显示屏 1个
6)DS1307时钟模块  1个

【实验平台搭建
1. 硬件搭建
4.硬件搭建.jpg
4
       如图所示,将micro:bit插入扩展板插槽中,将温度传感器连接到扩展板的P0引脚,将时钟模块和显示屏连接到IIC引脚。
       将锂电池连接到扩展板的电池供电口。

2.外型设计、切割
5.JPG
5
使用CAD制图软件,为实验平台设计外型部件。
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6
使用激光切割机对亚克力板材进行切割。
3.组装成型
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7
将切割好的亚克力板组装好。
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8
将硬件材料安装到亚克力平台和支架上。

【实验活动】
一、数据采集
(一)实验方案
       将实验器材放置在一个阴凉通风*的地方,按下主控板A按钮后,开始运行测量程序。每隔8分钟进行一次气温采集,持续进行24小时。24小时后,将测量到的最高温度、最低温度及发生的时间显示在屏幕上。当按下B按钮后,开始通过无线通讯方式传送数据给数据处理端。考虑到电源是一个锂电池,在数据采集过程中,让显示屏处于休眠状态。
       *在阳光照射下或者封闭的室内环境中,测量的温度与实际气温有很大的差异。

(二)编写程序
       根据实验方案,为数据采集端的主控板编写程序。
9.png
9
       示例程序采用Mind+ V1.7.0软件编写,需切换到上传模式。将编写好的程序上传到主控板上进行测试,测试时可将等待时间设置成1秒,方便快速看到程序运行结果。

(三)采集气温
10.jpg
10
       根据实验方案,寻找合适的地点放置实验器材。图片所示环境为:距离地面2.5米左右的空调外机平台,通风,无阳光照射。
       开启电源,按下主控板上的A按钮,开始进行数据采集。
(四)收回实验器材
11.jpg
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       24小时后,收回实验器材。对屏幕上显示的信息进行记录。保持电源的开启状态*,进行下一步数据处理工作。
       *采集到的180个温度数据还存储在主控板内存中,如果断电,数据将会被清除。

二、数据处理

(一)实验方案
       编程软件Mind+在实时模式下运行,让数据处理端的主控板与数据采集端的主控板进行无线连接,当接收到数据后在电脑上运行绘图程序。绘图程序主要使用画笔模块,根据采集到的数据总量(180个)来决定绘图点X坐标的起止位置(-180~180),每收到一个数据就将X坐标值增加2;将接收到的数据作为当前绘图点的Y坐标值的计算基数(考虑到近期温差较小,实际Y坐标值=数据*4)。

(二)编写程序
1.打开Mind+软件,切换到实时模式。
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12
2. 绘制背景图。
13.JPG
13
3.编写程序
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14
将精灵“Mind+”设为隐藏状态。
15.png
15
根据实验方案,为精灵“Mind+”编写程序。

(三)绘制统计图
1. micro:bit连接到电脑,在Mind+软件中连接上设备。
16-1.jpg 16-2.jpg
16
2. 点击绿旗按钮,启动程序。
17.jpg
17
3. 按下采集端micro:bit上的B按钮,进行数据传输。
18.jpg
17
4.等待数据全部传输完成。
19.JPG
19

三、填写实验报告
       选择不同的天气和地点,多做几次实验。我们还可以换用不同的温度传感器进行实验。每次实验完成后记录下实验结果供分析研究。
20.jpg
20
21.jpg
图21
四、得出结论
        根据多次实验结果,得出结论:
     一天中(    )时的温度最高,一天中(  )时温度最低。整体来看,(     )时温度较高,(   )时温度较低。
五、拓展任务
       1.你能用学过的知识或者查找资料来解释一天气温变化产生的原因吗?
       2.将实验器材放置在阳光能照射的地方或者封闭的室内,看看实验结果会怎样?

【总结与反思】
       在这次实验中,做得好的地方是将数据采集和数据处理分开进行,保证了实验的成功率,还节约了电能。在数据采集中,让显示屏处于休眠状态,解决了在户外长时间做实验的供电问题。
       采用不同的温度传感器测量的结果会有一定的偏差。这和使用的温度传感器的精度和灵敏度有关。而且,有些温度传感器有一个不稳定期,需要提前通电。这要求我们在实验前对这些传感器进行比较深入的了解和测试。

szjuliet  版主

发表于 2021-2-3 18:34:21

好棒的实验,可操作性强,结果直观,很具启发性。
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怀若谷  高级技匠
 楼主|

发表于 2021-2-3 21:23:40

szjuliet 发表于 2021-2-3 18:34
好棒的实验,可操作性强,结果直观,很具启发性。

感谢您的肯定!
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