基于Arduino的圆周运动教学设计

原创于 2025-10-26 10:45:27 发布 · 785 阅读

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#Arduino # 教学媒体 # 匀速圆周运动 # 频率 # 角速度

基于Arduino Uno微控制器的匀速圆周运动原型学习媒体设计

摘要

本研究旨在开发一种基于Arduino Uno微控制器的匀速圆周运动教学媒体原型。研究设计采用研究与开发（R&D）方法，结合4D模型，包括：(1) 定义，(2) 设计，(3) 开发，和 (4) 推广。本研究仅进行到设计阶段。结果表明，教学媒体原型的准确性为 95.24%，测量误差为4.76%。本研究已成功设计出一种基于Arduino Uno微控制器的匀速圆周运动教学媒体，可用于确定频率和角速度，作为替代性教学媒体进一步开发。

1. 引言

建构主义强调各种学习体验，使学生能够理解概念[1]。在教学过程中，有四个影响学生学习成功的重要组成部分，即学习材料、学习氛围、媒体或教具以及学习资源，还有作为学习主体的教师[2]。研究结果表明，使用教学辅助工具进行物理教学的过程有助于学生更容易理解知识内容，并能发展学生的实践技能[3]。研究结果表明，使用教学辅助工具进行物理教学的过程有助于学生更容易理解知识内容，并能发展学生的实践技能[4]。研究还表明，使用视觉辅助工具进行学习可以提高学生的学习成果[5]。

物理学的研究内容之一是二维运动，即匀速圆周运动。匀速圆周运动是一个重要概念，在生活中有许多应用。学生在确定角速度[6]，及其应用[7]方面存在困难。学生所遇到的困难源于教具有限[8,9]。使用物理教学辅助工具有望帮助学生更轻松地理解物理概念，并使抽象概念变得更具体真实[10]。

学校教授的匀速圆周运动仍使用手动教具。使用手动教具不排除数据采集错误的可能性。大量研究试图了解学生对匀速圆周运动及其应用的概念与理解。这种手动教具的缺点是硬币旋转时有时在其轴线上不稳定，导致测量时间错误[11]。

如果通过添加技术元素来设计手动教具，所获得的实验数据将会更好。技术已经发展，特别是在传感器和换能器与微控制器技术相结合的领域，因此物理与技术结合的机会也随之出现。

Arduino Uno是一种基于Atmega 328P微控制器的电路板。Arduino Uno模块是一个开源的物理计算平台。在使用中，Arduino Uno模块需与使用IDE（集成开发环境）编写的C编程语言[12]配合使用。

教学创新，特别是教学辅助工具的开发，需要持续发展，以帮助教育工作者更好地传授知识。全球化要求通过教学创新来培养民族的生活能力。基于此，本研究旨在设计一种基于Arduino Uno微控制器的匀速圆周运动教学媒体原型。

2. 方法论

研究设计采用了研究与开发（R&D）方法，结合4D模型，包括：（1）定义、（2）设计、（3）开发和（4）推广。本研究仅进行到设计阶段。设计阶段是本研究的最终阶段，旨在产出一种匀速圆周运动教学媒体的原型。该装置的设计包括机械设备和电子设备。整体媒体设计包含输入、处理和输出三个部分。通过该原型将确定的物理参数为频率和角速度。所生成的原型将进行准确度和测量误差的测试。

3. 结果与讨论

3.1 定义

问题识别旨在确定教师在讲解匀速圆周运动概念时遇到的困难以及教学辅助工具的局限性。教学辅助工具的局限性导致教师在教学活动中未能充分发挥作用。研究结果表明，教师需要利用技术发展的教学媒体应用于教学。通过对教师的访谈发现，教师在教学中需要基于技术的匀速圆周运动教学媒体。实地数据显示，目前使用的教学辅助工具仍较为简单，因此需要更优质的教学辅助工具。

3.2 设计

产品设计通过选择技术、通过框图设计系统以及测试产品结果来完成。图1给出了匀速圆周运动测量系统的框图。

示意图0

本研究进行了硬件和软件的设计。硬件设计以物理和机械教具的形式进行，而软件设计则以在Arduino Uno微控制器上设计程序的形式进行。该教具的硬件设计旨在设计能够描述匀速圆周运动现象的装置。该教具的硬件和软件设计框图如图2所示。

示意图1

本研究中的软件设计是在Arduino Uno微控制器上进行编程。匀速圆周运动原型设计的整体结果如图3所示。光电二极管传感器用于触发物体开始旋转并返回旋转起点时的初始时间计算。

示意图2

3.3 实验与测量结果

通过将激光束对准平面镜进行三次测量，光随后被反射到光电二极管传感器上。原型上的圆盘以恒定角速度旋转。

示意图3

示意图4

示意图5

三次实验中匀速圆周运动演示装置的频率和角速度测量数据如图4、图5和图6所示。实验数据汇总于表1。

表1. 使用Arduino Uno微控制器的频率和角速度数据。

测量	频率 (Hz)	角速度 (弧度/秒)	平均值频率 (赫兹)	角速度（弧度/秒）
I	23.811	149.5	23.811	149.5
II	23.811	149.5
III	23.811	149.5

该原型完成后，进行了实验和测试，以确定频率和角速度仪表是否可用。对原型的测试还有助于了解所产生的准确度和测量误差。总共进行了三次实验，结果一致。根据理论频率值，应得到25赫兹。测量误差为4.76%。所制作原型的准确度为95.24%。该数值在准确度的正常范围内属于可接受数值。测量结果与现有理论之间的差异由多种因素造成，包括人为误差以及其他因素，例如激光器照射到平面镜上的光被光电二极管反射时并非完全理想。从圆盘中心到设计边缘的距离应成比例。这种情况导致频率与产生的角速度[13]相匹配。一个良好的教学辅助工具必须使圆盘中心与圆盘表面周围的轮廓保持同步。至于频率和角速度测量装置的实验与测试，结果表明频率与角速度之间存在关系。频率越大，角速度也越大；反之，获得的频率越小，角速度也随之减小。