以開源電子平臺開發(fā)簡易光度計及菠菜中鐵元素的測定

葉梅 肖信 羅秀玲

摘要：基于Arduino（一種開源電子平臺）技術(shù)，自主設(shè)計與開發(fā)了一款簡易光度計。并從實驗原理、裝置開發(fā)、實驗用品、實驗步驟和實驗結(jié)果等方面，介紹該裝置用于“菠菜中鐵含量的測定”實驗，且與專業(yè)型分光光度計的測試結(jié)果對比，表明該簡易光度計的測定數(shù)據(jù)可信。另在廣州某中學(xué)兩個高一平行班中開展了開發(fā)簡易光度計及實驗測定的課堂教學(xué)實踐。

關(guān)鍵詞：開源電子平臺；鐵元素分析；簡易光度計；實驗探究

1?引言

《普通高中化學(xué)課程標準》把科學(xué)探究與創(chuàng)新意識放在了突出的位置，強調(diào)發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力的重要性^[1]，旨在促進學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，在探究過程中獲取知識并深入理解客觀世界，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。研究表明，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力的有效方式是進行科學(xué)實驗^[2]。實驗?zāi)芙o學(xué)生帶來直觀的感受，提高學(xué)生的課堂參與度，積極促進中學(xué)化學(xué)教學(xué)的開展。通過實驗探索，激發(fā)學(xué)生求知欲，有助于學(xué)生對特定現(xiàn)象進行科學(xué)解釋，對問題解決方案提出創(chuàng)造性的建議，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

為落實“培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)”的理念，人教版高中化學(xué)必修第一冊教科書在第71頁設(shè)置了“檢驗食品中的鐵元素”這一研究與實踐活動^[3]，學(xué)生通過動手實踐，完成對食品中鐵元素的檢驗，形成物質(zhì)檢驗的一般思路與方法。教材中“檢驗菠菜中的鐵元素”的步驟有研磨、稀硝酸氧化、滴加硫氰化鉀溶液顯色等，這是定性檢驗。在化學(xué)教學(xué)中，非常有必要滲透“量”的概念，通過定量實驗，促進學(xué)生的探究由定性水平走向定量水平，這對于發(fā)展學(xué)生解決實際問題的能力至關(guān)重要。目前，已有不少文獻對食品中鐵元素進行了定量探究，如采用色度傳感器測定黑木耳中的鐵元素^[4]，又如利用數(shù)字化手持技術(shù)測定學(xué)生午餐中菠菜的鐵元素含量^[5]。然而，從儀器成本、配備數(shù)量和實驗創(chuàng)新等方面考慮，適用于學(xué)生隨時隨地開展實驗探究的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源尚欠缺充分性和靈活性，難以滿足教學(xué)的多元化需求。鑒于此，本研究借助新興的開源電子平臺Arduino，自主設(shè)計與開發(fā)簡易光度計，并應(yīng)用于高一化學(xué)研究與實踐活動中的“菠菜中鐵含量的測定”。最后收集師生對Arduino簡易光度計的使用體驗，為后續(xù)改進提供方向，也為化學(xué)教學(xué)提供借鑒和啟示。

2 Arduino簡介

近年來，隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展和創(chuàng)客教育的不斷推進，出現(xiàn)了新興的Arduino開源電子平臺。它是一種極簡化的微型計算機，可以與各種傳感器連接，測量和收集可靠準確的數(shù)據(jù)。且主機和傳感器的價格都極為低廉，有助于普及推廣，幫助學(xué)生進行科學(xué)探索，受到了不少教育研究者的青睞。如Seong-Joo Kang團隊^[6]結(jié)合Arduino、壓強傳感器和電磁閥，開發(fā)了基于Arduino的二氧化碳噴泉裝置（圖1）。首先在500 mL的圓底燒瓶中充滿CO₂，并加入50 mL 2.0 mol/L的NaOH溶液，立即用橡膠隔膜封閉圓底燒瓶口，然后，按照圖1組裝好實驗裝置，此時，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。隨著CO₂與NaOH反應(yīng)，燒瓶內(nèi)壓強不斷降低，其數(shù)值通過壓強傳感器監(jiān)測。當燒瓶內(nèi)壓強小于代碼上的設(shè)置值時，Arduino向電磁閥發(fā)出信號，閥門打開，燒杯中的水被壓入圓底燒瓶中，形成噴泉。

國內(nèi)研究者也開始了初步探索，但主要集中在物理、電子和信息技術(shù)等學(xué)科，將Arduino應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的研究還極少。以“Arduino”為主題在中國知網(wǎng)（CNKI）進行檢索，得到6872個結(jié)果，但進一步在結(jié)果中檢索，將主題限定為“化學(xué)”，只得到2篇相關(guān)文獻。許金等人^[7]基于Arduino平臺開發(fā)了新型的可見光濁度檢測儀，用于對日常生活用水的水質(zhì)進行監(jiān)測。李嘉^[8]基于Arduino技術(shù)，利用AS7341傳感器、全彩LED燈珠、聚光透鏡、藍牙芯片搭配3D打印技術(shù)設(shè)計了掌上分光光度計。這些文獻資料為后續(xù)開發(fā)提供了很好的啟發(fā)和借鑒，但從裝置的針對性和方便性，以及促進學(xué)生理解知識的有效性等方面還有待進一步探索。

3?基于Arduino的簡易光度計的設(shè)計開發(fā)

3.1 實驗原理

基于朗伯-比爾定律 （Lambert-Beer law） ，結(jié)合硫氰化鉀色度法檢測Fe³⁺的原理，自主開發(fā)了Arduino簡易光度計。朗伯-比爾定律是指當一束特定波長的光通過具有一定厚度的吸收介質(zhì)時，一部分光會被介質(zhì)吸收，從而導(dǎo)致透射光的強度減弱，光吸收的程度與吸光物質(zhì)的濃度及液層厚度間存在如下關(guān)系：

其中為吸光度，I₀為入射光強度，I_t為透射光強度，T為透射率，K為吸收系數(shù)，l為吸收介質(zhì)的厚度，為吸收介質(zhì)的濃度。Fe³⁺的硫氰酸鐵絡(luò)合物呈紅色，主要吸收藍光，因此光源可直接采用藍色LED燈（λ=450 ± 20 nm）代替分光設(shè)備。

實驗過程中，先測定系列濃度Fe³⁺的硫氰酸鐵絡(luò)合物的吸光度，對數(shù)據(jù)進行線性回歸（），擬合出濃度與吸光度值的關(guān)系系數(shù)。然后將方程式寫在算法中，當測量未知濃度的樣品時，只需獲得吸光度數(shù)值即可代入公式，換算得到被測體系中的Fe³⁺濃度。

3.2 裝置開發(fā)

首先設(shè)計和連接電路。裝置的核心是Arduino開發(fā)板，配件包括光敏電阻傳感器、藍LED燈（光源）、LCD液晶顯示屏、按鍵開關(guān)，以及Arduino擴展板和USB數(shù)據(jù)線等，圖2是電路連接示意圖，擴展板的意義在于使線路連接更加簡便。在電路連接中，將光敏電阻傳感器的A0引腳接到擴展板的A0引腳；LED燈的IN引腳接到擴展板的引腳9；按鍵開關(guān)的OUT引腳接到擴展板的引腳2；LCD屏的CS、DC、RES、SDA、SCL引腳分別接擴展板的3、4、5、6、7引腳；VCC連接到擴展板的5V引腳；GND連接到擴展板的地線引腳。所有引腳數(shù)字在Arduino擴展板上均有明確標識。整套裝置的造價約為210元。

然后，打開個人電腦上的Arduino官方IDE開發(fā)環(huán)境（運行于Windows上的編程軟件），編寫代碼并進行測試。測試后，將程序上傳到主機，即可脫離電腦獨立運行。算法上，吸光度是透射率倒數(shù)的對數(shù)，而透射率被定義為透射光強與入射光強的比值，故只需使用光敏電阻傳感器獲得入射光強與透射光強（光強越強，則電阻值越?。唧w滿足如下比例關(guān)系：

此外，引入一個按鍵用于參考溶液的測量。當按下按鍵時，程序緩存參考溶液的電壓值即；當測定某一濃度的溶液時，傳感器讀取此時的電壓值即，通過計算它們的比值即可得到透射率，然后再轉(zhuǎn)換成吸光度。其中，按鍵的狀態(tài)可通過讀取其電平高低來判斷（按下時處于高電平，否則為低電平）。

3.3 實驗儀器、試劑等

儀器：自制Arduino簡易光度計、電子天平（型號：JJ224BF）、馬福爐、坩堝、移液管、玻璃比色皿、試管、洗耳球、漏斗、濾紙、燒杯、玻璃棒。

試劑：稀硫酸（廣州化學(xué)試劑廠，AR）、過氧化氫溶液（廣州化學(xué)試劑廠，AR）、硫氰酸鉀溶液（廣州化學(xué)試劑廠，AR）、蒸餾水、適量新鮮菠菜。

3.4 實驗步驟

教學(xué)前，教師先進行樣品的預(yù)處理。稱取10 g干凈新鮮的菠菜在馬福爐中煅燒（800℃，6h），將灼燒產(chǎn)物加入20 mL?0.2 mol/L稀硫酸充分溶解?；旌弦哼^濾后獲得上層清液，在上層清液中加入4 mL的5%雙氧水將樣品中的鐵全部氧化為Fe³⁺。

課堂教學(xué)中，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生將Arduino簡易光度計與電腦連接（見圖3）。打開電源，先以蒸餾水為參比溶液，將裝有蒸餾水的比色皿放置于樣品池中，按下按鍵，記錄實驗數(shù)據(jù)。接著，在預(yù)處理好的樣品溶液中滴加3～4滴濃度為3 mol/L的硫氰化鉀溶液，并移取到比色皿中，放入樣品池，記錄實驗數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗得到的吸光度數(shù)值，換算成樣品溶液中Fe³⁺的濃度，進而計算出10 g新鮮菠菜中的鐵含量。

3.5 實驗結(jié)果

實驗得出Fe（SCN）₃溶液濃度在低于0.0001 mol/L的范圍時，吸光度與濃度之間滿足線性關(guān)系：y=231.86114x+0.02474（R²=0.9559），其中y表示吸光度，x表示濃度。在課堂教學(xué)中，學(xué)生通過實驗，測得菠菜樣品的吸光度為0.033，在設(shè)備可測的線性范圍內(nèi)。再根據(jù)菠菜溶液總體積為32.5 mL，從而計算得到每10 g菠菜中鐵含量為0.06484 mg。本測試結(jié)果在專業(yè)文獻報道的范圍內(nèi)^[9]。進一步將數(shù)據(jù)與專業(yè)型的紫外-可見分光光度計（UV-1800.日本島津）比較，誤差范圍在5%以內(nèi)，表明該簡易光度計的測定數(shù)據(jù)可信。

4?實踐案例

選取了廣州市某重點中學(xué)兩個高一平行班進行教學(xué)實踐，其中實驗班50人，對照班52人，兩個班為同一任課教師。實踐后，采用半結(jié)構(gòu)化訪談法，收集師生對Arduino實驗裝置應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)的反饋。

多數(shù)學(xué)生表示將Arduino微控制器運用于課堂教學(xué)很新奇，認為將信息技術(shù)、化學(xué)原理和線路連接等知識結(jié)合，具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。能隨時隨地根據(jù)實驗需求，修改與設(shè)定參數(shù)，操作簡便，具有很強的實用性。學(xué)生認為這樣的實驗探究能直觀觀測實驗數(shù)據(jù)的變化，揭示現(xiàn)象背后的原理，可以加深對知識的理解，希望在未來學(xué)習(xí)中能多接觸這樣的創(chuàng)新實驗。訪談還意外發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生已經(jīng)接觸過Arduino的相關(guān)產(chǎn)品，甚至有些學(xué)生可以利用Arduino制作簡單的智能玩具。

同年級的其他任課教師認為將Arduino技術(shù)應(yīng)用在課堂中具有雙面性。優(yōu)點是形式新穎，能給學(xué)生直觀形象的認識，作為一個開源電子平臺，更能激發(fā)學(xué)生的奇思妙想，容易受到學(xué)生的歡迎。開展基于Arduino的創(chuàng)新實驗課堂，帶領(lǐng)學(xué)生定量檢測菠菜中的鐵含量，能有效發(fā)展學(xué)生的定量思維。該簡易光度計的檢測原理與實驗室專用的分光光度計相同，還能根據(jù)教學(xué)需求隨時隨地修改與設(shè)定參數(shù)，且整套裝置的開發(fā)成本較低，具有平民化和開放性等優(yōu)點。但對于不具備編程知識或不熟悉軟件應(yīng)用的老師來說，開發(fā)這樣的創(chuàng)新教學(xué)工具會花費較多時間和精力，這是主要的缺點。

最后，教師表示利用自主開發(fā)的簡易科學(xué)小工具來發(fā)現(xiàn)和解決生活中的問題非常值得提倡。在課堂中使用Arduino技術(shù)，打造一個多學(xué)科融合的教學(xué)體系，就如當前流行的STEM教育，不僅可以輔助學(xué)生完成學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，還可以進行課外知識的延伸，實現(xiàn)在實踐中提升學(xué)生的科學(xué)探究能力與創(chuàng)新意識，真正實現(xiàn)“做中學(xué)”。未來教育中，利用Arduino技術(shù)開發(fā)其它實驗工具值得期待，如讓學(xué)生自主探究與開發(fā)可用于檢測酒駕、空氣質(zhì)量等的簡易裝置，使化學(xué)和技術(shù)更好地融入學(xué)生生活。

5?結(jié)語

Arduino作為一種開源電子技術(shù)，裝置開發(fā)成本低，具有良好的創(chuàng)新空間，既能很好地應(yīng)對中學(xué)實驗資源不足的問題，也能有效推動教育教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。其開發(fā)與應(yīng)用涉及科學(xué)原理性知識、信息技術(shù)和工程設(shè)計等內(nèi)容的理解與應(yīng)用，特別適合應(yīng)用于跨學(xué)科實踐活動，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。展望未來，將Arduino技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)，順應(yīng)時代信息化的發(fā)展趨勢，符合新課改的理念與要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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