以開源電子平臺開發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，自主設計與開發了一款簡易光度計。并從實驗原理、裝置開發、實驗用品、實驗步驟和實驗結果等方面，介紹該裝置用于“菠菜中鐵含量的測定”實驗，且與專業型分光光度計的測試結果對比，表明該簡易光度計的測定數據可信。另在廣州某中學兩個高一平行班中開展了開發簡易光度計及實驗測定的課堂教學實踐。

關鍵詞：開源電子平臺；鐵元素分析；簡易光度計；實驗探究

1?引言

《普通高中化學課程標準》把科學探究與創新意識放在了突出的位置，強調發展學生科學探究能力的重要性^[1]，旨在促進學生學習方式的轉變，在探究過程中獲取知識并深入理解客觀世界，培養學生的創新精神和實踐能力。研究表明，發展學生科學探究能力的有效方式是進行科學實驗^[2]。實驗能給學生帶來直觀的感受，提高學生的課堂參與度，積極促進中學化學教學的開展。通過實驗探索，激發學生求知欲，有助于學生對特定現象進行科學解釋，對問題解決方案提出創造性的建議，發展學生的核心素養。

為落實“培養學生科學探究能力，發展學生化學核心素養”的理念，人教版高中化學必修第一冊教科書在第71頁設置了“檢驗食品中的鐵元素”這一研究與實踐活動^[3]，學生通過動手實踐，完成對食品中鐵元素的檢驗，形成物質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。在化學教學中，非常有必要滲透“量”的概念，通過定量實驗，促進學生的探究由定性水平走向定量水平，這對于發展學生解決實際問題的能力至關重要。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]，又如利用數字化手持技術測定學生午餐中菠菜的鐵元素含量^[5]。然而，從儀器成本、配備數量和實驗創新等方面考慮，適用于學生隨時隨地開展實驗探究的優質教學資源尚欠缺充分性和靈活性，難以滿足教學的多元化需求。鑒于此，本研究借助新興的開源電子平臺Arduino，自主設計與開發簡易光度計，并應用于高一化學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，為后續改進提供方向，也為化學教學提供借鑒和啟示。

2 Arduino簡介

近年來，隨著電子信息技術的快速發展和創客教育的不斷推進，出現了新興的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據。且主機和傳感器的價格都極為低廉，有助于普及推廣，幫助學生進行科學探索，受到了不少教育研究者的青睞。如Seong-Joo Kang團隊^[6]結合Arduino、壓強傳感器和電磁閥，開發了基于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，電磁閥處于關閉狀態。隨著CO₂與NaOH反應，燒瓶內壓強不斷降低，其數值通過壓強傳感器監測。當燒瓶內壓強小于代碼上的設置值時，Arduino向電磁閥發出信號，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、電子和信息技術等學科，將Arduino應用于中學化學實驗教學的研究還極少。以“Arduino”為主題在中國知網（CNKI）進行檢索，得到6872個結果，但進一步在結果中檢索，將主題限定為“化學”，只得到2篇相關文獻。許金等人^[7]基于Arduino平臺開發了新型的可見光濁度檢測儀，用于對日常生活用水的水質進行監測。李嘉^[8]基于Arduino技術，利用AS7341傳感器、全彩LED燈珠、聚光透鏡、藍牙芯片搭配3D打印技術設計了掌上分光光度計。這些文獻資料為后續開發提供了很好的啟發和借鑒，但從裝置的針對性和方便性，以及促進學生理解知識的有效性等方面還有待進一步探索。

3?基于Arduino的簡易光度計的設計開發

3.1 實驗原理

基于朗伯-比爾定律 （Lambert-Beer law） ，結合硫氰化鉀色度法檢測Fe³⁺的原理，自主開發了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時，一部分光會被介質吸收，從而導致透射光的強度減弱，光吸收的程度與吸光物質的濃度及液層厚度間存在如下關系：

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，l為吸收介質的厚度，為吸收介質的濃度。Fe³⁺的硫氰酸鐵絡合物呈紅色，主要吸收藍光，因此光源可直接采用藍色LED燈（λ=450 ± 20 nm）代替分光設備。

實驗過程中，先測定系列濃度Fe³⁺的硫氰酸鐵絡合物的吸光度，對數據進行線性回歸（），擬合出濃度與吸光度值的關系系數。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

首先設計和連接電路。裝置的核心是Arduino開發板，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，以及Arduino擴展板和USB數據線等，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開發環境（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的對數，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，則電阻值越小），具體滿足如下比例關系：

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，然后再轉換成吸光度。其中，按鍵的狀態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（廣州化學試劑廠，AR）、過氧化氫溶液（廣州化學試劑廠，AR）、硫氰酸鉀溶液（廣州化學試劑廠，AR）、蒸餾水、適量新鮮菠菜。

3.4 實驗步驟

教學前，教師先進行樣品的預處理。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⁺。

課堂教學中，在教師的引導下，學生將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，記錄實驗數據。接著，在預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，記錄實驗數據。根據實驗得到的吸光度數值，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。在課堂教學中，學生通過實驗，測得菠菜樣品的吸光度為0.033，在設備可測的線性范圍內。再根據菠菜溶液總體積為32.5 mL，從而計算得到每10 g菠菜中鐵含量為0.06484 mg。本測試結果在專業文獻報道的范圍內^[9]。進一步將數據與專業型的紫外-可見分光光度計（UV-1800.日本島津）比較，誤差范圍在5%以內，表明該簡易光度計的測定數據可信。

4?實踐案例

選取了廣州市某重點中學兩個高一平行班進行教學實踐，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，采用半結構化訪談法，收集師生對Arduino實驗裝置應用于化學教學的反饋。

多數學生表示將Arduino微控制器運用于課堂教學很新奇，認為將信息技術、化學原理和線路連接等知識結合，具有創新性和挑戰性。能隨時隨地根據實驗需求，修改與設定參數，操作簡便，具有很強的實用性。學生認為這樣的實驗探究能直觀觀測實驗數據的變化，揭示現象背后的原理，可以加深對知識的理解，希望在未來學習中能多接觸這樣的創新實驗。訪談還意外發現不少學生已經接觸過Arduino的相關產品，甚至有些學生可以利用Arduino制作簡單的智能玩具。

同年級的其他任課教師認為將Arduino技術應用在課堂中具有雙面性。優點是形式新穎，能給學生直觀形象的認識，作為一個開源電子平臺，更能激發學生的奇思妙想，容易受到學生的歡迎。開展基于Arduino的創新實驗課堂，帶領學生定量檢測菠菜中的鐵含量，能有效發展學生的定量思維。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，還能根據教學需求隨時隨地修改與設定參數，且整套裝置的開發成本較低，具有平民化和開放性等優點。但對于不具備編程知識或不熟悉軟件應用的老師來說，開發這樣的創新教學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的簡易科學小工具來發現和解決生活中的問題非常值得提倡。在課堂中使用Arduino技術，打造一個多學科融合的教學體系，就如當前流行的STEM教育，不僅可以輔助學生完成學科知識的學習，還可以進行課外知識的延伸，實現在實踐中提升學生的科學探究能力與創新意識，真正實現“做中學”。未來教育中，利用Arduino技術開發其它實驗工具值得期待，如讓學生自主探究與開發可用于檢測酒駕、空氣質量等的簡易裝置，使化學和技術更好地融入學生生活。

5?結語

Arduino作為一種開源電子技術，裝置開發成本低，具有良好的創新空間，既能很好地應對中學實驗資源不足的問題，也能有效推動教育教學方式的轉變。其開發與應用涉及科學原理性知識、信息技術和工程設計等內容的理解與應用，特別適合應用于跨學科實踐活動，發展學生的核心素養，培養學生的創新意識。展望未來，將Arduino技術應用于中學化學課堂教學，順應時代信息化的發展趨勢，符合新課改的理念與要求，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[2] 孫佳林，鄭長龍. 中學化學實驗教學發展歷程回顧及啟示（下）?[J]. 化學教育，2018，39（15）：44-48.

[3] 人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心. 普通高中教科書：化學必修第一冊[M]. 北京：人民教育出版社，2019：71.

[4] 張馥，康天泓，喬元楨，范雨美，于海鷹.黑木耳鐵含量測定的實驗探索[J].化學教學， 2017， （11）：?62-65.

[5] 榮鳳娜，姚澄.學生營養午餐中鐵元素含量的測定[J].化學教學，?2018， （07）： 70-74.

[6]?Seong-Joo Kang，Hye-WonYeo，Jihyun Yoon. Applying Chemistry Knowledge to Code， Construct， and Demonstrate an Arduino–Carbon Dioxide Fountain[J]. Journal of Chemical Education， 2019，96（2）： 313-316.

[7]?許金，李姮，葉懋. 基于Arduino的可見光濁度檢測創新實驗設計[J]. 實驗技術與管理， 2019， 36（08）： 57-60+64.

[8]?李嘉.掌上分光光度計的開發及應用[J].化學教育（中英文），?2022，?43（07）：?84-92.

[9] 周曉霞， 馮雪，趙亞利.分光光度法測定菠菜中鐵的含量[J].河北化工，2011， 34（08）： 72-75.