自制手持設備提升化學課堂教學

梁健恒??李運洪

手持技術在國內興起十余年，該技術的應用對學生綜合素質和教師教學水平的提升起到積極作用。然而，手持設備相對昂貴，制約其發(fā)展^[1]。筆者研究當前較為成熟的傳感器技術，購置相關模塊和配套程序，組裝氣壓測量儀和溫度測量儀進行測試。低成本自制手持設備，改進中學化學實驗教學，可助力學生提高化學學科核心素養(yǎng)。

一、自制手持設備及其性能

筆者制作設備分硬件設計和軟件設計兩部分進行。筆者以集成度高的電子模塊為基礎，按電路原理圖組裝部件。此設備由溫度傳感器（DS18B20）、氣壓傳感器（MSP20）、數(shù)據(jù)處理器（Arduino Nano）、OLED屏、軟件界面五部分構成。溫度傳感器和氣壓傳感器采集的各種實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理器處理，傳遞到軟件界面，在電腦屏幕上以數(shù)字或曲線形式顯示。總體上，就是這樣自制溫度—氣壓測量儀（如圖1）。

（一）硬件與軟件的設計

1.溫度傳感器

測溫方面，筆者用DS18B20溫度傳感器作為探頭，測溫范圍在-55 ℃到125 ℃。特別地，在-1℃到85 ℃范圍內精確度達到±0.5 ℃。信號測量以數(shù)字傳輸方式進行，這樣大大提高了抗干擾能力，可確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。筆者對傳感器探頭進行不銹鋼封裝，既防水又耐腐蝕。

2. MSP20氣壓傳感器

筆者選用的是MPS20氣壓傳感器（如圖2），用XGZP型壓阻式壓力傳感器作為探頭。當彈性膜片受到壓力時，集成電路中的惠斯通電橋會產(chǎn)生一個線性電壓信號（mV）輸出。輸出直流模擬信號范圍在1.0 V至3.0 V。默認1 V表征大氣壓強，校準為100 kPa，2V時約為140 kPa。檢測量程范圍為50 kPa至200 kPa。

3.數(shù)據(jù)處理器（單片機）

筆者用數(shù)據(jù)處理器Arduino Nano搭配Arduino IDE平臺進行設計（如圖3），使設備具有強大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)篩選功能。實驗過程中，學生用此設備能有效處理氣壓傳感器和溫度傳感器采集的大量數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳遞到軟件界面。

4.軟件界面

筆者選用的實驗軟件都可以自由切換“數(shù)據(jù)界面”或“曲線界面”。通過設置界面參數(shù)，筆者用這些軟件可以更好地顯示數(shù)據(jù)的細微變化。此次實驗的溫度測量儀軟件界面如圖4所示。氣壓測量儀軟件界面與之類似。

軟件設計部分：設備搭配Arduino IDE平臺，寫好了代碼。

（二）設備的性能特點

此設備與市售傳感器相比，具有以下特點。

1.廉價

筆者組裝設備采用的都是市場上通用的模塊，技術成熟，成本低廉，實用性強（見表1）。

2.便攜

組裝設備具有體積小、重量輕、攜帶方便、耐用性好等優(yōu)點，適用于多種實驗場合。數(shù)據(jù)可實時、直觀顯示，并能有效保存。師生可隨時進行定量實驗。

3.準確

實驗數(shù)據(jù)精度達0.5%，完全滿足中學化學實驗中數(shù)據(jù)精確度的要求。

二、教學案例分析

組裝的新設備可以應用于物理、化學、生物學等學科實驗中，筆者選取初中階段幾個常見的實驗舉例說明。

（一）水的沸騰——“普通之處顯細微”

實驗過程：利用普通酒精燈加熱70 ml水，加熱35 min后沸騰，沸騰時水溫穩(wěn)定在92 ℃（如圖5和圖6）。

實驗反思：將新設備與普通水銀溫度計對比，兩者的示數(shù)基本相同，證明新設備測溫的準確度較高。加熱水至沸騰是一個普通實驗，新設備的應用使水沸騰過程中溫度變化的細微之處充分顯露。這有利于揭示新知或驗證規(guī)律：其一，水溫上升是先快后慢，為熱的傳遞規(guī)律提供例證;其二，水沸騰時的溫度并非固定在100 ℃，這與外界的大氣壓強有關;其三，如果換成糖水、食鹽水等液體加熱，學生通過對比純水溫度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)新知識，激發(fā)探究熱情。

（二）金屬與稀酸反應的放熱情況探究——“感覺變數(shù)據(jù)”

金屬與稀酸的反應是中學化學常見實驗，體系中溫度壓強有變化，教師利用傳感器技術，可以讓學生從能量變化的角度深入理解化學反應。

實驗過程如下。首先，筆者選取鎂、鋅兩種金屬各2.0 g，分別加入40 ml約0.2 mol/L的稀鹽酸中，引導學生探究不同金屬與稀鹽酸反應的溶液溫度變化。實驗時，先將溫度探頭伸入稀鹽酸中，一段時間后再加入金屬。然后，筆者選取三種不同濃度的稀鹽酸及鎂，引導學生探究不同濃度的稀鹽酸與鎂反應時溶液的溫度變化情況。稀鹽酸濃度分別是0.2 mol/L、0.1 mol/L、0.05 mol/L，均用40 ml ;鎂質量均為2.0 g（實驗裝置如圖7所示）。

實驗結果如下。

第一，測得鎂、鋁、鋅與稀鹽酸反應的溶液溫度變化曲線（如圖8）。

實驗證明：鎂與稀鹽酸反應劇烈，溶液溫度變化明顯;鋅與稀鹽酸反應較慢，溶液溫度略微上升。

第二，測得三種濃度的稀鹽酸與鎂反應的溶液溫度變化曲線如圖9所示。

實驗反思：

其一，在0.2 mol/L濃度的鹽酸中浸泡超過30 min，溫度探頭基本無損，說明耐腐蝕性良好，滿足中學階段的強酸實驗要求。

其二，得到的曲線平滑連貫，對比明顯，說明設備信號傳輸穩(wěn)定，靈敏性好。

其三，實驗中，鋅與稀鹽酸反應較慢，放出的氣泡不多，用手觸摸燒杯外壁，基本感覺不到溫度變化，而通過調整軟件界面上“繪圖選項”參數(shù)，能明顯看出溶液溫度有所上升，將實驗中溫度變化情況準確而清晰地呈現(xiàn)出來。

其四，證明該反應放熱的傳統(tǒng)方式通常是“用手觸摸，感覺發(fā)燙”，即使利用溫度計進行測量，顯示的也不過是瞬時的溫度，而使用新設備可以完整記錄溫度變化過程，為抽象的放熱現(xiàn)象提供準確、可視、直觀的圖像，便于學生對實驗過程進行分析，得到的溫度變化曲線也可復用。

其五，實驗者通過分析溫度變化數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當稀鹽酸三種濃度呈倍數(shù)關系（4∶2∶1）時，溶液溫度改變量的最大值（Δt_max）分別約70 ℃、40 ℃、20 ℃，考慮到溶液溫度高時散熱更快，稀鹽酸濃度與Δt_max大致呈正比關系，由此可對反應熱進行更深入的探索。

（三）測定空氣中氧氣含量實驗——“抽象變直觀”

科粵版《化學》九年級上冊“空氣的成分”一節(jié)中，測定空氣中氧氣含量實驗是重要內容。該實驗是中考?？键c，題型變化多樣。測定空氣中氧氣含量作為初中化學第一個較復雜的實驗，對于初次接觸化學課程的學生具有啟蒙意義。雖然氣壓不可見，但是筆者使用新設備可以將裝置內的氣壓變化情況外顯為數(shù)值變化或曲線變化（如圖10），實現(xiàn)可視化教學，降低學生學習難度。

教學設計簡述如下。

1.課堂引入環(huán)節(jié)，教師用小實驗引導學生探究影響裝置內氣壓變化的兩個因素：利用氣球套住錐形瓶口，加熱，觀察氣壓狀況;捏住膨脹的氣球，松開手，氣球變扁。

教師：如果裝置容積固定，氣壓與哪些因素有關？

學生：溫度、裝置內氣體分子數(shù)目。

【設計意圖】教師通過兩個小實驗，激發(fā)學生學習興趣，引導學生探究影響氣壓的因素，為后續(xù)實驗作鋪墊。

2.設備講解：教師介紹新設備，強調用設備能顯示氣壓變化曲線。

3.演示實驗：教師檢查裝置氣密性，點燃紅磷，封閉活塞，冷卻后，6分鐘內得到氣壓變化曲線（如圖11）。

教師：大家看溫度變化曲線。現(xiàn)在將曲線分成4部分，用字母標注。AB段實驗開始前，數(shù)值為98.18 kPa。大家觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)，B點開始封閉活塞，BC段氣壓快速上升，CD段氣壓又快速下降，DE段基本保持不變，數(shù)值為91.12 kPa。請問：實驗開始時，氣壓保持不變，等于多少？這個數(shù)值約等于什么？

學生：大氣壓力。

教師：剛剛說，對于固定容積的裝置，氣壓與溫度、氣體分子數(shù)目有關。那么，圖中BC段氣壓首先上升快速，主要受哪個因素影響？

學生：溫度，紅磷燃燒放熱。

教師：CD段氣壓為什么又快速下降？主要是哪個因素影響的？

學生：氣體分子數(shù)目，紅磷燃燒消耗了O₂分子，生成固態(tài)的五氧化二磷。

【設計意圖】教師演示，并引導學生觀察氣壓曲線變化情況。隨后，教師通過提問，引導學生思考，得出實驗結論。

教師：按照理論的數(shù)值，DE段氣壓最后會接近哪個數(shù)值？計算一下。

學生：98.18×4/5=78.54（kPa），理論值應該是78.54 kPa左右。

教師：實際上，DE段數(shù)值為91.12 kPa，與理論值相差約12 kPa。為什么出現(xiàn)較大誤差？

學生：可能是裝置漏氣。

學生：可能紅磷的量不足。

學生：可能是里面的氧氣沒有消耗完。

學生：可能是設備不夠精確。

教師：上述原因都可能存在，能不能設計實驗進行驗證。

【設計意圖】教師承認存在實驗誤差，并讓學生自己設計，主動參與到實驗探究中，將待研究的問題作為小型課題，在課外探究，與課程后面的知識學習（“檢查裝置氣密性”“物質的燃燒”等）遙相呼應。

至此，教師通過實驗獲得氣壓變化曲線，在交流中，讓學生自主思考，得出實驗結論。教師通過新設備的簡單應用，實時、直觀、準確地顯示了裝置內氣壓的變化情況，讓學生根據(jù)外顯的信息，更直觀地理解變化過程，較輕松地掌握知識要點，降低了學生學習難度。同時，教師引導學生分析實驗誤差，調動了學生自主探索、主動研究的熱情，有助于培養(yǎng)學生的探索精神和動手能力。

三、展望

近年來，在中小學科技教師隊伍建設方面，一些地區(qū)加大了應用軟硬件教學的培訓力度，在中小學科技創(chuàng)新類型比賽中，有些地區(qū)加入了傳感器和單片機等方面的內容，說明傳感器（手持技術）教學越來越受到重視。筆者認為，低成本自制手持設備，在教學中有較高的應用價值，也有廣闊的開拓前景。

其一，筆者自制簡單易用的手持設備可應用于中學多學科實驗教學，有利于實現(xiàn)跨學科協(xié)同下的STEM教育，幫助學生進行探究性學習和項目式學習。

其二，此設備尚有改善的空間，如擴大溫度和氣壓測量范圍，加裝外殼，通過藍牙模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，可進一步提升設備的功能。

其三，此設備基本框架為溫度探頭/氣壓探頭+數(shù)據(jù)采集器+電腦軟件。通過調試，可與其他類型探頭相容，同時實現(xiàn)其他類型傳感器的低成本改造，如pH傳感器、各種分子離子傳感器等。

其四，教師可與高職院校（如嵌入式工程、硬件工程專業(yè)）合作，開展傳感器教學研究活動，助力產(chǎn)教融合，同時解決在經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)推廣手持技術的難題，促進教育公平。

參考文獻

[1] 羅嘉.數(shù)字化傳感技術與初中化學教學的整合研究[D].蘇州：蘇州大學，2014：15-17.

（作者梁健恒系廣東碧桂園職業(yè)學院教師;李運洪系廣東省清遠市清新區(qū)第二中學教師）