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创客技术助力科学实验 | 水结冰了 |
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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】  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。 本项目采用SIoT技术方案，可以脱离互联网运行。  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。 一、硬件材料  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 Mind+ V1.7.2 RC3.0 （下载地址： www.mindplus.cc ）  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 一、硬件搭建  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  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  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  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  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  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  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。  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  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 （一）温度数据采集端（掌控板）  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”  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  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）  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  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”  file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps19.jpg 图19 2. 加载扩展模块：行空板、MQTT  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）  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） 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。  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）  file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/Temp/ksohtml5840/wps23.jpg 图23  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。  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。  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。 （一）采集数据  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  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）  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）  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  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  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  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  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  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 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。） 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？ |
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