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摘要
物理课程是一门注重实验探究的自然科学基础课程,物理课程中的各种实验教学是培
养具有核心素养的创新型人才的重要途径。新时代培养创新型人才,就要求提升学生的核
心素养,明确培育核心素养“关键能力”和“必备品格”的“两大抓手”,促进学生全面发
展,以适应不断发展的社会。现今,中国教育即将进入“基础现代化”迈入“整体实现现
代化”新阶段,新时代的教育更加关注物联网、人工智能等技术对教育的推动作用,以落
实教育现代化建设的目标,这为将物联网技术引入教育带来了新的发展契机,也为创新型
人才的培养提供了莫大的帮助。
首先,本文从现今教育现代化发展角度出发,通过查阅国内外文献资料,初步了解了
中学物理实验中存在的问题、物联网技术在教育教学中的应用,主要包括实验室建设、实
验室管理、实验教学系统构建、物理实验仪器研制,确定了本课题研究的案例——中学物
理电磁感应定律探究实验,并通过查阅资料了解了本实验仪器的研究,这为本次研究的方
案提供了理论基础。
其次,对于电磁感应定律探究实验教具的设计,从硬件电路设计和软件设计两方面展
开。硬件电路设计中,主要以ESP32S 微控制器为核心部件,由其控制各模块硬件芯片的运
作和读取、传输数据,其他硬件模块包括信号发生器模块、功率放大模块、霍尔采样模块
和电源模块等,共同配合起来,构成整个实验装置,相应地,还运用相关编程软件使用 C
语言进行程序设计,其程序主要包括自动联网程序、智能配网程序、TCP 客户端连接和数
据读取程序、ADC 数据读取和发送程序等,其中还运用了TCP 协议、SPI 协议、IIC 协议等,
将该设计的程序传输给ESP32S 微控制器,就能发挥芯片的强大功能,达成实验目的。
最后,运用制作出的实验教具完成实验,观察实验现象,总结实验结论,阐述本次实
验教具取得的阶段性结果,分析该实验的创新之处和不足之处,并将其运用于实际教学中,
对学生和教师进行访谈,了解其对该实验教具的反馈和建议,由此提出今后该努力的方向,
并且展望基于物联网技术的物理实验教学今后发展的方向,希望该研究对中学物理实验教
学改革有所启示。
关键词:物联网技术 电磁感应定律 物理实验教学 ESP32S 微控制器
I
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究意义 3
1.4 研究综述 3
1.5 研究方法 8
1.6 理论基础 9
2 物联网概述 11
2.1 物联网定义 11
2.2 物联网特征 11
2.3 物联网分层体系结构 12
2.4 物联网的关键技术 14
3 实验教具硬件设计 17
3.1 实验原理及电路 17
3.2 Arduino ESP32S 模块介绍 18
3.3 信号发生器主线圈—功率放大模块 23
3.4 主线圈磁感应强度采样模块 28
3.5 副线圈感应电动势采样模块 30
3.6 LED 显示屏模块 30
3.7 电源和降压模块 31
3.8 硬件电路各部分成本 32
4 实验教具软件设计 33
4.1 软件总体设计 33
4.2 硬件设备初始化程序 34
4.3 自动联网和智能配网程序 35
4.4 TCP 客户端连接程序 36
4.5 TCP 客户端数据读取程序 37
4.6 ADC 数据读取和发送程序 39
4.7 LED 屏幕显示和TCP 客户端关闭程序 40
5 实验教具教学应用 42
5.1 实验的实施与结果 42
5.2 实验教学效果分析 48
IV
6 研究总结与反思 56
6.1 研究总结 56
6.2 研究启示 56
6.3 研究不足与展望 57
参考文献 59
附录 62
附录一:软件设计代码 62
附录二:实验仪器用于教学后的学生访谈提纲 72
附录三:实验仪器用于教学后的听课教师访谈提纲 73
致谢 74
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