放過雞蛋,讓小bit來——用micro:bit探索牛頓第二定律

寧波市廣濟中心小學 狄勇

寧波市效實中學 錢昭媛

首先，我們需要對上圖的「STEM幼兒園」做下解釋。上篇文章發布後，很多小夥伴問「你們準備辦幼兒園啊？」顯然大家沒看出梗來！之所以把這系列課程定為「米爸與小錢錢的STEM幼兒園」，一是向麻省理工學院的「終生幼兒園」計劃致敬；二是幼兒園恐怕是人類想像力最豐富的階段，我們希望通過這系列課程，儘早保鮮孩子們彌足珍貴的好奇心、想像力和創造力，所以就設定了這個名為「STEM幼兒園」的主題。

下面進入正題

雞蛋，恐怕是學校裡破壞性實驗最大的犧牲者。把它作為實驗對象，是國內外小朋友們共同的選擇。米爸和小錢錢老師在美國Edgewood初中就看到學生們拿雞蛋做「安全氣囊」的實驗。小錢錢老師表示，從力學角度解讀，這類實驗背後的物理學原理都是牛頓第二定律。

至於「雞蛋撞地球」這種史詩級杯具，很多學校都譜寫過。中科院物理所還聯合CCTV的《正大綜藝》就雞蛋撞地球的實驗做過節目。

不難發現，若拿雞蛋當實驗對象，有以下明顯的缺點

用雞蛋做實驗，容易「然後，沒有然後」

1.     現場慘烈。雞蛋往往犧牲得很難看，哎呦還黏糊糊不好收拾。

2.     樣本個體差異大。雞蛋的大小、外殼厚度不盡相同。

3.     不可重複使用。即便第一次撞擊後外觀完整，也難保沒有內傷。再次實驗就不好作為參照物了。

4.     區分度不夠細緻。最大的缺憾是我們只能通過雞蛋的碎裂情況進行定性觀察，無法進行定量檢測。

所以，今天我們放過雞蛋，讓micro:bit上陣來探索牛頓第二定律。比起雞蛋，micro:bit算是金剛不壞之身了，並且不存在上述缺點，我們可以通過反覆改進和測試，來製作一個相對靠譜的「逃生艙」。

micro:bit化身準專業測試假人

乘員換成micro:bit後，就沒有前述的節外生枝了。

米爸抓緊了11月僅剩的金秋豔陽天，帶著創客社團的小朋友們嘗試了近半個月主題為「micro:bit的逃生艙」的項目實踐。

我們的驅動性問題是：如何減小逃生艙觸地時對「乘員」造成的傷害？

原料：

micro:bit×2

AAA電池盒×2

紙盒、塑膠袋、泡沫、牙籤等製作「逃生艙」的材料若干

硬體搭建：

本次實驗，用到的傳感器是micro:bit板載的加速度計，因此無需外接設備。

上圖來自micro:bit官網，圖中紅圈位置就是micro:bit的加速度計晶片。

2018年10月開始，世面上出現了micro:bit新版本硬體。新版本中，磁力計和加速度計合併成了一個晶片。詳情請參考KittenBot CC喵同學的解讀：小喵大喇叭 什麼？！Microbit換了硬體？

    程序設計    

程序中，我們要調用輸入指令中的加速度值模塊。

並用無線收發射的方式讀取數據

下圖是其中一個小組設計的程序

發射端

接收端

    項目實踐    

以往，米爸的教程裡往往會告訴大家一步步的製作細節。

不過這個主題是完全開放的,那麼，就把腦洞交給小朋友們來挖掘吧！

11月16日，我們進行了頭腦風暴，各個小組介紹自己設計的逃生艙雛形。因為沒有材料和技術的限制，老師實在是被大家天馬行空的想法驚到了！

得意的A組小朋友，因為上一個項目實驗記錄完成出色，組員享有嘬著棒棒糖搞頭腦風暴的特權。

還好只是橡筋動力飛機，要是四旋翼無人機，別的組就該炸毛了。

B組小朋友帶來了整卷的泡泡紙，看著就手癢，捏上了怕停不下來。

感覺從30層扔下來也沒事吧？不過這個體積太誇張了。

C組小夥伴用塑膠袋做了個降落傘。上面還有某水果店的廣告~收老闆贊助費沒？

艙室的保護措施不賴啊！又是輕質黏土又是脫脂棉球。

D組的小朋友雖然用料簡單，可技術含量高啊！

牙籤避震！這腦洞也真是沒誰了！

試試效果，牙籤有沒有潰縮進去？

既然是頭腦風暴，自然少不了互相「找茬」，小朋友們對於「挑骨頭」非常熱衷。

小哥，回答雖然有理有據，不過語態能不能有點風度啊？像是在跟人吵架。

18年11月16日，

逮到風和日麗的周五，我們進行了初步測試

先用1節課調試程序，做本地測試。

D組的製作過程中，時不時傳來「爆炸聲」。親們，注意安全生產啊！

B組的泡泡紙展開後，更加誇張了，這是要放大招啊！

尋找實驗場地很頭大。高了怕有不可預見的安全隱患，畢竟現場就米爸一個老師。那就學校操場的司令臺吧，反正micro:bit的加速度計比雞蛋敏感多了。

測得高度3.7米

3、2、1發射。抱歉小手一抖，糊了。（好像鏡頭的光學防抖最近失靈了）

以為B組的包裹會藝術些，居然就是這樣一個麻團，典型的「買草繩送青蟹」的奸商手法。

好像沒有收到數據，咋辦？拆出來檢查下。五花大綁拆出來費半天勁兒，是不是該考慮檢修的便利性呢？

輪到D組了，「下面的吃瓜群眾閃開，小心牙籤！」

順利著陸，但是，怎麼數據沒有發生變化？

第一波測試，每個組都有不同程度的問題。這正是米爸喜聞樂見的，讓你們一次成功就太沒搞頭了。

18年11月23日，第二次測試

恰逢雙十一快遞陸續到貨，23日的這波操作，很多小朋友帶來了天貓、京東等快遞的包裝作為緩衝材料。我笑稱「你們家家都有剁手黨啊！為雙11做出了不可磨滅的貢獻~！」

C組這回換用了鞋盒+泡沫+布袋的方式

A組依然執著於改進他們的飛機

B組呢？還在找程序中的BUG。

1節課的調試時間到了，該上場溜溜了。

這眉頭皺的，看來還有問題

C組興衝衝上場。可是，奇了怪了，在機房調試OK的，怎麼在操場上就不靈？數值沒有變化啊！這不科學啊！

18年11月30日

最後一次測試機會，再不成功，就要等米爸一個月後回來再帶你們玩了。

C組不需要現場調試，第一個上場，成功了！

B組，相比於原來誇張的包裹，現在環保多了，那效果如何呢？

至少能正確反饋數據了，B組組長正在認真記錄。

這是A組，直到第三次測試，依然沒有完全排除程序的BUG。沒事，繼續改進，等找個好天氣我們繼續！

D組這次大獲成功，他們的程序不但正確地反饋了實驗數據，並且利用一節課的時間重點考究了改變牙籤數量與micro:bit所受衝擊力之間的關係。（委屈了DF的包裝盒，真是千瘡百孔了）

D組組長正在記錄，A組的小夥伴過來偷師了。

 

     小結     

經過半個月的項目實踐，4個小組中有3組完成了實驗，1組正在成功的路上奮勇前進。米爸並不強調小組間的橫向PK，（否則這幫傢伙分分鐘給你搞出作弊程序來），我們關注過程中的以下幾點：

    小組成員的合作。

    自製的數位化實驗裝置的有效性。

    了解到影響實驗結果的變量來自哪些因素。

    過程的記錄，項目反思與小結。

D組的實驗記錄表相當具有代表性，我們從中可以明晰感受到這是一個「教得少，學得多」的項目實踐過程。

當然，這張表格的記錄還有不少問題，比如沒有給記錄的數據加上單位，有錯別字（我要報告鍾老師，給組長語文成績-2分）。

另外，雖然小結中對物理術語的使用不夠恰當，但足夠說明他們得到了感性認識，老師也能意會他們想要表達的內容。對於5年級的小學生而言，能寫出這樣的實驗小結，實屬難能可貴。

我們在設計課程時，應該設置一個較低的門檻，同時要定一個相對高的天花板，讓不同程度的學生都能有所獲得。不同的老師，在學生準備往天花板攀爬時，可能會採取不同的策略，尤其是學生的提問超過老師能力時，老師可能不會正面回答，而是往較低的層級引導。但是針對本項目，米爸不但不準備把學生往更容易的層級引導，而且還準備借梯子讓學生往更高的層級攀爬。之所以有這樣的底氣，是因為有神助攻——小錢錢老師。

小錢錢老師是寧波市效實中學的物理老師，這個項目涉及的內容正好是高中的物理知識。下面有請小錢錢老師搬梯子，進行力學分析。

 小錢錢老師搬梯子 

同學們設計製作的四組方案都非常有創意，據其原理我們可以把它們分成兩類：A組滑翔機組和C組降落傘組為第Ⅰ類，B組泡泡紙組和D組牙籤氣囊組為第Ⅱ類。

Ⅰ類組別的方案，無論是滑翔機還是降落傘，都是利用了空氣阻力對裝置下落過程中的阻礙作用，從而減小了裝置接觸地面時的速度；第Ⅱ類組別的方案，無論是裝置外包泡泡紙還是裝置底部裝牙籤、墊氣球，都是為了在裝置落地時能有個緩衝作用，儘量延長地面與裝置作用的時間。

那麼，為什麼減小落地速度和延長地面作用力的作用時間都可以使裝置觸地時受到的地面撞擊力減小呢？

讓我們隆重請出世界級著名物理學家牛頓大大~他老人家在300多年前已經提出了著名的牛頓三大運動定律，其中的牛頓第二定律便是我們解決這個問題的金鑰匙。

牛頓第二定律指出，物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質量成反比。用公式描述即為

移項一下便得到

其中的加速度是描述物體速度變化快慢的物理量，

由此可得，

呼，喘口氣，終於引出來了今天最重要的公式~耶~一切即將迎刃而解~且看——第Ⅰ類組別的方案，減小了落地速度，其實就是減小了裝置觸地反彈前後的速度變化量，由公式

可見，這就減小了，從而減小了；第Ⅱ類組別的方案，延長了地面作用力的作用時間，即增大了，這也減小了，從而減小了。

這可不是在握手，稍後這個小朋友就會來個趔趄，感受到小錢錢老師麒麟臂的威力，哦不，是「加速度」

一堂課下來，小朋友可開心了，都喜歡上了睿智、幽默、還有才的小錢錢老師，希望她能再給小夥伴們講課。有的衝著小錢錢老師乾脆把效實中學作為奮鬥目標啦！

如果有適恰的知識點可以結合，而小錢錢老師又有空，米爸會經常請她給小朋友們來「搬梯子」

在印州尋找STEM教育應有的樣子