利用Ａｒｄｕｉｎｏ开源平台改进沸点与气压的相关实验
摘要：数据处理与分析对于物理实验解释、论证起到关键作用。为弥补沸点与气压的相关实验在数据处理与分析上的不足，将Ａｒｄｕｉｎｏ开源平台应用到实验中，实现数据采集的实时化与精准化；在获得详实数据的基础上，提出从数据分析的角度出发，结合“沸点”定义，判断不同大气压强下水的沸点，科学论证沸点与气压之间的关系。为通过实验促成学生形成物理观念，提高科学论证能力作出尝试。
关键词：Ａｒｄｕｉｎｏ；实验改进；沸点与气压；数据处理与分析
中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148（2024）8-0061-5
《义务教育物理课程标准（２０２２年版）》在课程实施部分提出“加强实验室课程资源的开发与利用”，有条件的学校可配备数字化实验仪器，增强实验现象的可视化以及实验数据采集的实时化［１］。２０２２年教育部颁布的教育行业标准《教师数字素养》指出，教师应适当利用数字技术加工、创作、使用、管理和评价数字信息资源，发现、分析和解决教育教学问题［２］。这些均说明目前的实验教学更加强调师生的数字化素养，更加重视对实验数据的分析与处理。
而传统的物理实验教学缺乏实时化、精准化数据的支持，大多数维持在现象观察的水平，导致收集数据、处理分析数据、运用数据进行论证等环节严重缺失［３］。随着现代技术的不断进步，越来越多的新兴技术被引入到物理教育中以提升教学品质。其中，利用Ａｒｄｕｉｎｏ开源平台改进传统实验是其典型代表，该平台不仅实现了实验数据采集的实时化与精准化，同时也能兼顾数据的处理与分析，为培养学生处理与分析数据的能力提供更为优越的教学手段。
本文以人教版八年级上册“沸点与气压”相关实验的改进为例，阐述如何利用Ａｒｄｕｉｎｏ开源平台开发传感器，设计新的实验装置，形成新的实验方案，弥补原有传统实验的不足。
１原有传统实验的不足
１．１“探究水沸腾时温度变化的特点”实验
人教版初中物理教材中“探究水沸腾时温度变化的特点”实验，如图１所示，用酒精灯给水加热至沸腾。当水温接近９０℃时每隔３０秒记录一次温度。仿照绘制晶体熔化图像的做法，在网格纸上绘制出水沸腾时温度与时间关系的图像［４］。
该实验设计存在以下几点不足：
（１）为了满足实验教学的明确与直观要求，需要学生观察水中气泡在沸腾前后的变化。但是，使用烧杯进行实验，气泡较小且变化过快，致使实验现象难以达到长足的直观效果。
（２）查询笔者所在地区的大气压强为１０３．２kPａ，沸点应高于１００℃。在实验过程中发现，加白纸片可以使水的温度达到１００℃，但是这里用来隔热的白纸片可以理解为一个简易的气阀，将大量的水蒸气限制在烧杯内从而影响了内部气压的大小。那么，此时水的沸点还是当地大气压环境下的沸点吗？如果不加白纸片，水温则很难达到１００℃，且考虑到水质的原因，后续用纯净水实验也未达到１００℃。这与书本后续内容“水的沸点在标准大气压下为１００℃”相悖。如果学生问起这一反常现象，教师给学生解释也存在一定的困难。
１．２“探究水的沸点与气压的关系”实验
教材中为研究水的沸点与气压之间的关系，将水加热至沸腾后，移开酒精灯，把烧瓶倒置；待水温降低沸腾则停止，当冷水浇到烧瓶上时，瓶内气压降低。此时，水在９０℃左右就能沸腾，于是又能在烧瓶中看到水在沸腾。学生通过观察现象得出“气压较低时，水可以在较低温度时沸腾，即水的沸点降低”；进一步分析得出结论“水的沸点与气压有关，气压减小时沸点降低，气压增大时沸点升高”［５］。
该实验存在以下几点不足：
（１）虽然该演示实验效果较好，但是初中学生在理解温度与密闭气体压强之间的关系上存在困难。另外，用冷水浇到热烧瓶上具有一定的安全隐患。
（２）该实验无法实时获得瓶内压强和温度的数值大小，仅仅是通过观察气泡的变化情况确定沸腾状态。学生不能观察到该“沸腾”状态是否为“温度不变，且持续吸热”。
（３）该实验演示的现象仅仅是“气压降低时沸点降低”，是一个不完整的实验。对于学生而言，想要探究出完整的结论“水的沸点与气压有关，气压减小时沸点降低，气压增大时沸点升高”，就需要经历一个完整的探究实验过程。
２Ａｒｄｕｉｎｏ简介
Ａｒｄｕｉｎｏ是一款具有简单软件与硬件的开源平台。即使作为初学者，也可以在较短时间内使用它。Ａｒｄｕｉｎｏ提供了用于代码编译的集成开发环境（ＡｒｄｕｉｎｏＩＤＥ）以及多个模块化编程环境［６］。该平台可以通过烧录代码至单片机后，连接传感器实现与环境的交互，传感器接收温度、湿度、光强度等物理信息，内部半导体的物质变化而引起电信号的变化；单片机读取传感器输出的相关电信号，通过相关的换算公式，就可以在ＡｒｄｕｉｎｏＩＤＥ的串口监视器中实时读取相关的物理数据，从而实现对数据的处理与分析［７］