678浏览
查看: 678|回复: 1

创客技术助力科学实验 | 水结冰了

[复制链接]
本帖最后由 怀若谷 于 2022-8-1 17:37 编辑


本系列其他文章:
热传递
演示视频
【引言】
1.jpeg

file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps1.png
图1
      教育部2019审定教科版小学科学三年级上册有一节课为《水结冰了》。该节课通过实验,孩子们能感受到水结成冰后的变化,知道水结成冰的条件。
      但是,仍然会有很多的小问题,比如:一杯水放进冰箱多久能结成冰呢?水在变成冰的过程中,温度的变化是怎样的?结成冰后会一直都是0℃吗?
      要解答这些问题,其实也不难,小朋友们完全可以自行去做实验得出结论。不过,如果你掌握了创客技术,会使用数字化的工具和技术,就能让实验过程变得更加智能、高效,实验数据也更清晰明了。

【实验方案】
      本项目采用SIoT技术方案,可以脱离互联网运行。
2.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps2.jpg
图2
       使用一块行空板作为运行SIoT平台的服务器(注:行空板自带SIoT功能模块,无需额外安装和配置),开启行空板的热点。采集端主控板使用掌控板,通过连接行空板的热点与SIoT平台进行通讯。掌控板上接一个DS18B20防水温度传感器。将采集端设备和一杯常温水放进冰箱的冷冻室,温度传感器的探头放进水中,每隔一段时间,设备将采集到的温度数据上传到SIoT平台;行空板除作为服务器接收数据外,屏幕上还可显示当时的温度数据。
      在实验过程中或者结束时,可以通过电脑登录SIoT平台进行查看数据、绘制统计图、下载数据等操作,从而帮助实验者更好地分析并得出结论。

【材料及工具】

一、硬件材料
3.png

file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps3.jpg
图3
(1)行空板1块
(2)掌控板 1块
(3)掌控板扩展板 1块
(4)USB线  2条
二、编程软件
Mind+ V1.7.2 RC3.0 (下载地址: www.mindplus.cc
4.PNG
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps4.jpg
图4
三、其他工具、材料
电脑、量杯、水、电源适配器等

【实验设备制作】
一、硬件搭建
5.png

file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps5.jpg
图5
1. 将掌控板和扩展板组装起来
6.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps6.jpg
图6
2.将DS18B20温度传感器连接到扩展板的P0引脚

二、行空板设置
7.png

file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps7.jpg
图7
1. 将行空板通过USB线连接到电脑上
8.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps8.jpg
图8
2. 进入菜单,启用无线热点,记下无线热点名称及密码
9.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps9.jpg
图9
3.  返回主菜单,查看网络信息,记下无线热点的IP地址
10.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps10.jpg
图10
4.  返回主菜单,找到应用开关,将SIoT设置为启用状态

三、SIoT平台设置
11.png

file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps11.jpg
图11
1. 在连接了行空板的电脑上打开网页浏览器,输入网址(10.1.2.3:8080)进入siot平台首页;使用默认的帐号和密码进行登陆。
12.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps12.jpg
图12
2. 点击“发送消息”标签,在主题栏中填入项目ID和设备名(名称自取),然后点击“发送”按钮
13.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps13.jpg
图13
3. 点击“设备列表”标签,可以看到新建好的项目和设备

三、程序编写
(一)温度数据采集端(掌控板)
14.png

file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps14.jpg
图14
1. 打开编程软件Mind+,切换到“上传模式”
15.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps15.jpg
图15
2. 加载扩展模块:掌控板、DS18B20温度传感器、Wi-Fi、MQTT
16.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps16.jpg
图16
3. 编写程序,以实现:通过行空板的热点,每隔10秒钟将温度数据发送到SIoT平台(时间间隔仅供参考,可根据实际情况调整)
17.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps17.jpg
图17
4. 将掌控板连接到电脑,将程序上传到掌控板

(二)SIOT服务器端(行空板)
18.png

file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps18.jpg
图18
1. 打开编程软件Mind+,切换到“Python模式”
19.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps19.jpg
图19
2. 加载扩展模块:行空板、MQTT
20.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps20.jpg
图20
3. 编写程序,以实现:将收到的温度数据显示在屏幕上。(注:如果不需要显示温度,则行空板端可以不写程序;只要通电开启热点和SIoT服务,就能自动存储收到的数据)
21.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps21.jpg
图21
4. 将行空板连接到电脑,将程序上传到行空板(上传前先命名,如:服务器端程序,并保存到本地电脑)

(三)程序测试
        因为两个设备的开启和操作要遵循一定的顺序,所以在测试前(做实验前也一样)需要先关闭两个设备的电源,然后按照下面的步骤操作。
22.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps22.jpg
图22
       需要注意几点:(1)行空板供电不一定要通过电脑,可以接电源适配器或者充电宝;(2)行空板每次开机后热点会自动恢复禁用状态,所以开机后需要再次手动启用;(3)SIoT服务不会自动恢复禁用状态,但是最好检查一下;(4)掌控板的扩展板自带电池供电,无需外接电源,打开电源后,会自动运行程序,待屏幕显示温度数据后再进行下一步操作;(5)行空板上的程序需要手动加载,方法见下图所示;(6)如果行空板上运行程序后,屏幕上总是显示0℃,把掌控板重启一下就能解决。(目前我也不知道原因)
23.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps23.jpg
图23

24.jpg
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps24.png
图24
        当行空板屏幕和掌控板屏幕上的数据能同步显示时,说明程序运行正常。
25.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps25.jpg
图25
        接着打开SIoT平台看一下数据。有两种进入方式:(1)行空板通过USB线连接到电脑,在电脑网页浏览器地址栏输入10.1.2.3:8080;(2)打开行空板热点,电脑连接行空板的热点,在电脑网页浏览器地址栏输入192.168.123.1:8080。
26.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps26.jpg
图26
       点击“设备列表”标签,找到对应的项目和设备,点击“查看消息”按钮,会显示消息页面;如果有数据,说明运行正常。
在进行实验前,记得将测试用的消息清除。点击“设备列表”标签,找到对应的项目和设备,点击“清除消息”按钮即可。

【实验过程】
(一)采集数据
27.jpg

file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps27.png
图27
1. 在量杯中装入常温自来水,放进冰箱的冷冻室
28.jpg
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps28.png
图28
2. 将温度传感器的金属探头插入水中(温度传感器的探头尽量不要接触到杯底和杯壁,可以借助夹子或铁丝固定)
29.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps29.jpg
图29
3. 启动全部实验设备(操作步骤和程序测试时一样)
30.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps30.jpg
图30
4. 使用毛巾等保温物包裹好掌控板,关上冰箱门
31.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps31.jpg
图31
5. 当温度达到0℃时,打开冰箱观察水的形态变化
32.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps32.jpg
图32
6. 当温度低于0℃时,打开冰箱观察水的形态变化,可适时结束采集数据工作

(二)查看数据及图表
33.png

file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps33.jpg
图33
1. 登陆SIOT平台,进入查看消息页面
34.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps34.jpg
图34
2. 点击“显示图表”按钮,查看温度变化趋势
35.png
file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps35.jpg
图35
3. 点击“导出查询结果”按钮,可以将所有数据下载到本地电脑,以便分析使用

(三)分析总结(简略)
1. 水结冰的过程中,温度是先持续下降,到0℃后保持一段较长的时间,后继续下降。
2. 水温达到0℃时,水不会马上变成冰,而是以冰水混合物的形式存在,直到水全部变成冰。在全部变成冰之前,温度会一致保持在0℃。
3. 本次实验,70毫升的水经过了4个多小时才全部化成了冰。(实验结果与冰箱性能、容器形状等因素有关,可能不具有普遍性,仅供参考。)

【拓展建议】
       采用了创客技术的科学实验“水结冰了”,取得了成功。但是,借助这个实验平台还能进行很多的探究实验,大家可以好好想一想研究课题。在这里,我提出一些问题,有兴趣的同学可以去研究下——盐水结冰时的温度时多少呢?不同浓度的盐水结冰的温度相同吗?其他物质的溶解液(比如白糖)结冰时的温度又是多少呢?

木子呢  NPC

发表于 2022-8-1 10:20:26

6666
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

为本项目制作心愿单
购买心愿单
心愿单 编辑
[[wsData.name]]

硬件清单

  • [[d.name]]
btnicon
我也要做!
点击进入购买页面
上海智位机器人股份有限公司 沪ICP备09038501号-4

© 2013-2022 Comsenz Inc. Powered by Discuz! X3.4 Licensed

mail