《青少年科技創(chuàng)新叢書:NI myDAQ與中學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)》以傳感器原理及相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)為線索,介紹NI公司便攜式數(shù)據(jù)采集器myDAQ及NI ELVISmx軟件在物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新中的應(yīng)用。全書從三個方面對myDAQ及NI ELVISmx在物理學(xué)上的實(shí)踐加以介紹。一是介紹myDAQ和NI ELVISmx、LabVIEW軟件的安裝,結(jié)合案例介紹傳感器的一般原理與使用。二是結(jié)合案例介紹LabVIEW軟件的編程方法及對myDAQ的控制。三是介紹結(jié)構(gòu)化LabVIEW編程的基本方法,通過實(shí)際問題介紹myDAQ設(shè)備結(jié)合LabVIEW軟件設(shè)計開發(fā)傳感器創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)的過程與方法。
綜觀當(dāng)今社會,科學(xué)技術(shù)對社會發(fā)展起著重要的作用。因此,技術(shù)教育在西方發(fā)達(dá)國家,尤其是美國特別受重視。技術(shù)也因此成為中學(xué)新課改的努力目標(biāo)之一。物理和技術(shù)緊密相連,但在日常物理教學(xué)中,過多滲透技術(shù)教育的內(nèi)容是本末倒置的。因此,在國家鼓勵的大環(huán)境下,以校本課程的形式,實(shí)現(xiàn)物理教育和技術(shù)教育的結(jié)合,彌補(bǔ)日常物理教學(xué)的不足,是一個很好的途徑。
然而,在眾多可選的主題中,如何選擇既有明確物理意義并能與物理課程緊密相關(guān)的,又有廣泛應(yīng)用并處于技術(shù)前沿的主題,是筆者在設(shè)計和實(shí)施課程以來一直反復(fù)思考的命題。在經(jīng)過反復(fù)觀察、實(shí)踐后,最終選定傳感器作為課程主題。選擇傳感器作為課程主題的原因可以歸結(jié)為以下四點(diǎn)。
。1) 傳感器和傳感器技術(shù)本身是一門源于物理的現(xiàn)代交叉學(xué)科,是物理原理和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)交叉滲透作用的產(chǎn)物,在日常生產(chǎn)和生活中有著廣泛的應(yīng)用。
。2) 傳感器和傳感器技術(shù)雖然起源于物理學(xué)科,但在生物、化學(xué)方面也有不少的應(yīng)用。了解這方面的知識有利于學(xué)生拓寬視野,了解物理學(xué)科和其他學(xué)科的聯(lián)系。
。3) 在新課改新增的技術(shù)課程中,涉及的一些理論和方法都可以在這門課程中得到體現(xiàn)和運(yùn)用,比如通用技術(shù)中的產(chǎn)品設(shè)計、過程控制、系統(tǒng)論、機(jī)器人、電子技術(shù)等方面的知識都有不同程度的體現(xiàn)。
。4) 傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)就是在新課改中探究性實(shí)驗(yàn)的核心組成部分,而傳感器和傳感器技術(shù)就是這個系統(tǒng)的核心。學(xué)生通過學(xué)習(xí)傳感器技術(shù)可以更深入地了解這些技術(shù)在探究性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用原理,更好地理解物理課程中探究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)。
由此可以看出,對學(xué)生而言,學(xué)習(xí)傳感器技術(shù)可使學(xué)生受到物理和技術(shù)教育兩方面的熏陶,真正成為實(shí)驗(yàn)和儀器的主人,而不局限于作為課堂教師的傳感器實(shí)驗(yàn)演示的旁觀者,以此培養(yǎng)實(shí)踐、創(chuàng)新能力。同時,在學(xué)生進(jìn)行設(shè)計性實(shí)驗(yàn)過程中,教師、學(xué)生共同開發(fā)閑置物理實(shí)驗(yàn)室資源,既通過學(xué)生的視角,開發(fā)出符合學(xué)生需要的資源,又使學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)資源開發(fā),從研究過程中學(xué)習(xí)研究,并且能進(jìn)一步提高日常物理教學(xué)的效率和改善效果,使教、學(xué)、研三者有機(jī)結(jié)合,相互滲透,相互促進(jìn),實(shí)現(xiàn)學(xué)生-教師-學(xué)校共同發(fā)展的目的。并且,結(jié)合最近非常流行的Arduino開源硬件、創(chuàng)客活動的內(nèi)容來看,無一不是和傳感器緊密相連的。這也充分證明選擇傳感器作為課程的主題內(nèi)容是具有一定創(chuàng)新性和前瞻性的。
本書是在筆者所開設(shè)的“傳感器和創(chuàng)意物理實(shí)驗(yàn)”選修課程的講義、案例基礎(chǔ)上整理所得。五年以來,選修該課程的學(xué)生都能從中學(xué)到自己感興趣的部分并有所發(fā)揮,所研究的項目在各種青少年學(xué)術(shù)科技活動、競賽中取得優(yōu)異成績,并幫助其中部分學(xué)生成功申請國外有名的理工類大學(xué)。對于學(xué)生能從課程中學(xué)有所得,筆者在感到欣慰的同時,也感到更多的責(zé)任。如何進(jìn)一步挖掘傳感器這個主題在STEM教育中的應(yīng)用,如何進(jìn)一步緊密聯(lián)系學(xué)科教學(xué),如何進(jìn)一步推動學(xué)生參與相關(guān)實(shí)踐活動,是今后課程的發(fā)展目標(biāo)。本書僅僅是這段長征的起點(diǎn),希望各位讀者能與我一道,在傳感器的應(yīng)用與推廣上留下自己的堅實(shí)腳步。
梁志成
2013年6月于執(zhí)信荷塘
第1章 認(rèn)識NI myDAQ ELVISmx多功能掌上儀器和LabVIEW軟件
本章內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法簡介
1.1 實(shí)驗(yàn)好助手——NI myDAQ多功能掌上儀器
1.2 myDAQ多功能掌上儀器的功能與應(yīng)用簡介
1.3 圖形化編程——NI LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺
1.4 LabVIEW軟件與myDAQ設(shè)備的安裝及其功能簡介
1.5 開始第一次myDAQ ELVISms測量
思考與練習(xí)
第2章 準(zhǔn)備工具和配件
本章內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法簡介
2.1 認(rèn)識電子元件朋友
2.2 認(rèn)識工具助手
2.3 傳感器概述
2.4 開始第一次傳感器實(shí)驗(yàn)測量
2.4.1 方案
2.4.2 方案
2.4.3 組裝并標(biāo)定一個電子溫度計
思考與練習(xí)
第3章 再識傳感器
本章內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法簡介
3.1 電阻型傳感器
3.2 電容型傳感器
3.3 電感型傳感器
3.4 電源型傳感器
3.5 集成傳感器
思考與練習(xí)
第4章 再識myDAQ和LabVIEW
本章內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法簡介
4.1 創(chuàng)建一個基本LabVIEW程序
4.2 簡單控件與科學(xué)計算
4.3 數(shù)組及其簡單應(yīng)用
4.4 使用myDAQ測量傳感器數(shù)據(jù)
4.5 讀寫myDAQ數(shù)字控制端口(端口R/W)
4.6 創(chuàng)建第一個傳感器監(jiān)控程序
思考與練習(xí)
第5章 趣味傳感器實(shí)驗(yàn)電路
本章內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法簡介
5.1 電子溫度控制與報警
5.2 磁場測量與微小形變測量儀
5.3 濕度檢測儀
5.4 電子水平儀(集成加速度傳感器: 模擬輸出)
5.5 電子應(yīng)變測力計
思考與練習(xí)
第6章 進(jìn)階LabVIEW應(yīng)用
本章內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法簡介
6.1 子VI的應(yīng)用與模塊化編程初步
6.2 程序結(jié)構(gòu)與循環(huán)進(jìn)階
6.3 狀態(tài)機(jī)原理和應(yīng)用
6.4 通知和隊列初步
6.5 并行多循環(huán)初步
思考與練習(xí)
第7章 myDAQ在物理、數(shù)學(xué)、工程中的應(yīng)用
本章內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法簡介
7.1 制作myDAQ溫濕度測量儀
7.2 制作myDAQ自動控制魚缸
7.3 制作myDAQ超聲波測距儀
附錄A myDAQ和LabVIEW學(xué)習(xí)資源介紹
附錄B LabVIEW軟件界面介紹
附錄C TLA Innovative Toolkit for myDAQ實(shí)驗(yàn)板簡介
參考文獻(xiàn)