基于Arduino的光敏电阻实验改进及其应用探究*

滕帆帆 牛慧君 王 群 韩彩芹

(江苏师范大学物理与电子工程学院 江苏 徐州 221116；江苏省先进激光材料与器件重点实验室 江苏 徐州 221116)

国务院印发《新一代人工智能发展规划》，倡导在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，学生学习基础的人工智能知识得到了重视，其目的在于培养学生的科学思维与科技创新能力.高中生课业繁重，可以从简单的硬件编程知识入手，Arduino作为一个简单易上手、灵活便捷的控制器适宜高中学生学习.新课程改革将传感器技术编写进高中物理教材，课程标准对传感器知识出现了“制作”等教学要求，在学生必做实验中也加入了“利用传感器制作简单的自动控制装置”实验[1].光敏电阻是传感器章节中的重要内容，在自动控制和非电量的测量中有着重要的作用.

在实际的教学中，由于实验仪器与实验条件等因素限制，教师难以对光敏电阻光照特性进行定量研究，也难以完成引导学生利用所学知识制作自动化控制装置这类教学目标.针对目前教学中遇到的问题，本文将在光敏电阻实验教学中嵌入Arduino硬件与编程知识，在改进实验装置的同时，将现代科学技术直接呈现在学生眼前，促进学生学习书本上的知识，又向学生普及了人工智能方面的知识，从更大程度上锻炼学生的动手能力与科技创新能力，笔者认为这种尝试还是很有意义的.

1 Arduino与智能手机在物理教学中的应用

1.1 Arduino开发板的简单介绍及应用

Arduino是一款产自于意大利的开源电子原型平台，包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(ArduinoIDE)，本文实验设计使用的是UNO型号.人脑可以利用各种工具来完成自己想要做的事情，Arduino就相当于机器的大脑，它具有13个数字输入/输出端口与5个模拟输入/输出端口，可以连接不同的传感器来实现不同功能[2].

Arduino在人工智能领域中应用广泛，利用它进行物理实验在我国高中物理教学中已初步开展研究.研究内容主要体现在3个方面：

第一，制作实验装置，为物理实验教学提供了新的思路.

第二，设置活动课程，让学生在具体的情境中发展科技创新能力与动手能力.

第三，对传统物理实验的改进，弥补部分传统实验仪器的不足.

1.2 智能手机在物理教学中的应用

人教版高中物理新版教材在“做一做”栏目中加入了用智能手机探究物理实验的活动，要求学生利用智能手机开发物理实验，并在开发的过程中理解物理知识，感受物理的应用性.智能手机中有多种传感器，比如压力传感器、光传感器、GPS传感器、陀螺仪、加速度传感器、磁感应传感器等.德国亚琛工业大学第二物理研究所设计开发的Phyphox软件将智能手机中的传感器集成了一个应用系统，可以实现近30种功能，渗透到光学、力学、声学、电磁学等领域教学之中[3].物理课堂有了Phyphox的加入更加情境化、生动化、趣味化，提高了教学效果，对于学生创意物化能力的培养起到了积极的作用[4].

2 光敏电阻光照特性实验改进

2.1 实验仪器设计及其原理

光敏电阻光照特性定量研究实验的目的是要测出某一光照强度下具体光敏电阻的值.故本次实验将利用智能手机Phyphox软件测出光照强度，利用Arduino开发板测出光敏电阻的阻值，将二者组装便可以制成整个实验装置.测光敏电阻阻值部分是由Arduino、光敏电阻RL、330 Ω电阻R、面包板和杜邦线搭建而成.电路原理如图1所示.电路中总电压E为5 V,在负极和模拟口A0之间所输出的电压Uout为光敏电阻两端的电压，根据串联电路电压特点，总电压减去Uout就是电阻R两端的电压.电阻R的阻值已知，从而得到该串联电路的电流.最后根据电流算出光敏电阻的阻值RL.

图1 测光敏电阻阻值电路原理图

2.2 操作步骤及注意事项

根据实验原理图连接好实验电路，实验装置如图2所示.经过多次检查确认无误后连接电脑烧录程序，记录、分析数据.具体实验步骤为：

图2 实验装置图

(1)按照实验原理图搭建硬件电路，在IDE内调试程序，并编译；

(2)检查硬件电路确认无误后，通过串口将Arduino UNO板与电脑相连，烧录程序；

(3)不断改变光照强度，在显示屏中读取光照强度及与之相对应的光敏电阻的阻值，并记录数据；

(4)用Origin软件分析实验数据.

在实验过程中，由于光照强度分布不均匀，光敏电阻阻值会受到影响.在搭建实验仪器时我们应该将手机的光传感器与光敏电阻保持在一个水平高度，并将手机上的光照强度探测点无限靠近光敏电阻，保证让光传感器与光敏电阻接受同样的光照强度.另外，手机的屏幕也有一定的亮度，因此要在实验前将手机的亮度调到最暗，减小手机屏幕亮度对光敏电阻的影响.

2.3 实验结果及数据分析

经过多次实验，记录光照强度L与相应光照强度下的光敏电阻阻值RL，取9组数据，将光敏电阻阻值取平均数X并求出标准差S如表1所示.

表1 相应光照强度下阻值的均值与标准差

图3 光敏电阻光照特性曲线

3 光敏电阻的应用制作----光敏报警器

学生通过对光敏电阻光照特性的探究，知道非电量向电量转化的意义，知道光敏电阻的开关作用.在此知识基础上，让学生利用光敏电阻工作原理制作简易的光敏报警装置，从生活中具体的情境出发提出问题、解决问题.具体探究步骤与学生活动流程如图4所示.

图4 探究步骤、学生活动流程图

3.1 设置情境 提出问题

通过日常生活中的具体情境引出问题的探究，能够激发学生的探究兴趣，引起学生的求知欲.在光敏报警器的制作中，可以设置情境为：在智能花棚中，花卉的生长对光照强度、湿度、温度等外界环境要求很高.那么，人们为了及时调整花卉生长的光照环境会安装一个光敏报警器.当花卉处于不适宜的光照环境中时会报警提醒人们.

通过结合生活中具体的问题引起学生的关注，并引出探究问题：能否应用所学的知识制作光敏报警器？

3.2 收集资料 设计方案

在制作光敏报警器之前，教师要引导学生思考光敏报警器的具体功能是什么，确定具体设计目标.学生回到情境得出结论：当光照环境不在花卉生长的范围内时，光敏报警器发出声音，提醒人们及时调整光照.

经过前面的铺垫，学生对光敏电阻已经有了一定的认识，对于利用Arduino开发板采集光敏电阻数据也有了知识基础.根据报警电路的性质，引导学生查阅关于蜂鸣器的用法与实现功能的编程原理.

根据学生的资料收集与整理，设计出实验方案.蜂鸣器工作原理是硬件电路中的基础原理，它的连接方法是将其正极接入Arduino的信号引脚，负极接入Arduino的负极.其编程原理是：先定义使蜂鸣器工作的引脚，将蜂鸣器引脚设置为输出的状态；再将发声频率赋值给蜂鸣器，在发声后写上延迟函数；最后关闭蜂鸣器.编程代码为：

int buzzer = 8;//定义蜂鸣器引脚

void setup() {

pinMode(buzzer,OUTPUT);//设置蜂鸣器引脚为输出状态

}

void loop() {

long frequency =300;//设置蜂鸣器发声频率为300 Hz

tone(buzzer,frequency);//将频率赋值给蜂鸣器

delay(500);

noTone(buzzer);//停止发声

}

3.3 动手制作 合作交流

经过方案的设计以及改进，引导学生根据设计好的接线图组装硬件电路.提醒学生正确连接电路，防止电子元器件的烧毁，培养学生科学严谨的实验态度.

学生最终制成光敏报警器实物图如图5所示，电路连接图如图6所示.在光敏报警器调试阶段，学生最大的障碍就是if条件语句的使用.经过多次调试，学生最终克服困难调试成功.

图5 光敏报警器实物图

图6 光敏报警器电路连接图

Arduino开发的实验课程能有效促进学生间的交流协作[5].在合作探究中，学生们的思想产生摩擦碰撞，同一个问题，可以从他人的角度看到不同的方面，开阔学生思维.

4 结束语

本文将人工智能技术与物理教学相结合，利用Arduino UNO开发板与智能手机对光敏电阻光照特性进行定量研究，展现出一种新型的实验方式，弥补了传统实验装置的部分不足，充分体现了现代科学技术在物理学科中的运用.在学生掌握光敏电阻工作原理后融入具体的生活情境，引导学生自主完成光敏报警器的制作，联系生活实际，实现了跨学科整合.在动手制作中，学生不仅学习了书本知识，还经历了科学探究的过程，发展了科技创新能力与创意物化的能力.