創(chuàng)客教育融合苯酚化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

摘" 要：" 通過Arduino和Matlab的串口通訊，實(shí)現(xiàn)對苯酚化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)時監(jiān)測和分析。實(shí)驗(yàn)中同步監(jiān)測苯酚的電導(dǎo)率、pH和氧化還原電位，通過數(shù)字實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持從多個維度理解苯酚的化學(xué)性質(zhì)。創(chuàng)客教育與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的融合旨在激發(fā)學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力的潛能，為未來教育模式的創(chuàng)新作一些探索。

關(guān)鍵詞：" 化學(xué)實(shí)驗(yàn)； 苯酚化學(xué)性質(zhì)； 創(chuàng)客教育； 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號： 1005-6629（2025）01-0061-04

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

教育部強(qiáng)調(diào)科學(xué)教育對學(xué)生的全面發(fā)展至關(guān)重要，倡導(dǎo)“做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)”的教學(xué)理念，旨在通過實(shí)踐提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和科學(xué)素養(yǎng)［1］。在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課程標(biāo)準(zhǔn)”）中強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)在提升化學(xué)教學(xué)效率和質(zhì)量方面的重要性，并鼓勵教師將信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)緊密結(jié)合，以增強(qiáng)教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展［2］。化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)探究的核心，通過將創(chuàng)客教育和化學(xué)實(shí)驗(yàn)融合的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

在傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生對苯酚的化學(xué)性質(zhì)的理解主要依賴于定性觀察，如顏色變化、沉淀生成等，這些方法受限于溶液濃度，難以全面揭示苯酚化學(xué)性質(zhì)的實(shí)質(zhì)，學(xué)生對反應(yīng)過程的理解是存在疑惑的。此外，苯酚的弱酸性是其重要特性，但僅通過定性觀察難以準(zhǔn)確理解其酸性的具體程度，以及苯酚酸性強(qiáng)于碳酸氫根離子，這些都對學(xué)生的深入學(xué)習(xí)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。“新課程標(biāo)準(zhǔn)”要求“優(yōu)化綜合實(shí)驗(yàn)活動實(shí)施方式和路徑，推進(jìn)工程與技術(shù)實(shí)踐”，培養(yǎng)學(xué)生利用簡單技術(shù)與工程方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)至關(guān)重要［3］。因此，需要創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，以更全面、直觀的方式幫助學(xué)生理解苯酚的化學(xué)性質(zhì)。

1" 創(chuàng)客教育

在高中化學(xué)教學(xué)中，創(chuàng)客教育的引入為學(xué)生提供了創(chuàng)新的學(xué)習(xí)方式，通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、技術(shù)融合、跨學(xué)科整合、創(chuàng)新競賽、科學(xué)探究與反思等多樣化教學(xué)活動，極大地豐富了化學(xué)教學(xué)的內(nèi)容和形式［4］。學(xué)生通過設(shè)計(jì)并實(shí)施自己的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，將化學(xué)知識與其他學(xué)科知識進(jìn)行跨學(xué)科整合，培養(yǎng)他們解決實(shí)際問題的能力。通過創(chuàng)客教育創(chuàng)新競賽和科學(xué)探究活動，學(xué)生不僅能夠展示自己的創(chuàng)意和實(shí)驗(yàn)技能，還能培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作和競爭意識，為未來的學(xué)習(xí)和職業(yè)生涯打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2" Arduino在創(chuàng)客教育中的應(yīng)用

Arduino作為一個開源的電子原型開發(fā)平臺，通過其簡單的微控制器板和配套的Arduino集成開發(fā)環(huán)境（IDE），成為創(chuàng)客教育中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能的理想工具。Arduino在跨學(xué)科教育中展現(xiàn)出強(qiáng)大的整合能力，Arduino特有的編程語言編寫程序，這些程序經(jīng)過編譯后生成二進(jìn)制代碼，進(jìn)而被燒錄到微控制器中，使其能夠執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)，從而在創(chuàng)客教育中發(fā)揮至關(guān)重要的作用［5］。

在本次實(shí)驗(yàn)中，我們利用Arduino設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置，測試苯酚的化學(xué)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中整合多種傳感器，包括pH傳感器、電導(dǎo)率傳感器和氧化還原電位（ORP）傳感器。通過Arduino的設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R與實(shí)踐操作相結(jié)合，借助創(chuàng)客教育模式深入探究苯酚的化學(xué)性質(zhì)。

3" 采用Arduino進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和Matlab測試界面

3.1" 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

（1） 通過電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測反應(yīng)過程，觀察并分析前后電導(dǎo)率的變化，從而深入理解苯酚與溴水反應(yīng)的類型，培養(yǎng)科學(xué)探究精神和批判性思維。

（2） 通過pH傳感器監(jiān)測反應(yīng)過程，觀察并分析前后pH的變化，通過數(shù)據(jù)理解苯酚與碳酸氫根離子的酸性強(qiáng)弱，培養(yǎng)證據(jù)推理與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的能力。

（3） 通過ORP傳感器監(jiān)測反應(yīng)過程，觀察并分析前后電位的變化，通過數(shù)據(jù)準(zhǔn)確理解苯酚的還原性，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識。

3.2" 實(shí)驗(yàn)器材及界面設(shè)計(jì)

3.2.1" 實(shí)驗(yàn)器材

藥品：0.1mol/L苯酚溶液、飽和溴水、0.1mol/L碳酸鈉溶液，稀酸性高錳酸鉀溶液

儀器：磁力攪拌器、125mL廣口瓶、鐵架臺、長頸漏斗，具支試管、止水夾、乳膠管、玻璃導(dǎo)管、二通閥、點(diǎn)膠針頭

3.2.2" 設(shè)備搭建

設(shè)備：筆記本電腦、UNO板、已設(shè)置好的實(shí)驗(yàn)軟件和程序以及傳感器組合

（1） 線路搭建

① 電導(dǎo)率傳感器② pH傳感器③ 氧化還原傳感器（ORP）

將電導(dǎo)率電極連接到電導(dǎo)率模塊的輸入端；

將電導(dǎo)率模塊的輸出端連接到Arduino的模擬輸入端（例如A0）。將pH電極連接到pH模塊的輸入端；

將pH模塊的輸出端連接到Arduino的模擬輸入端（例如A1）。將ORP電極連接到ORP模塊的輸入端；

將ORP模塊的輸出端連接到Arduino的模擬輸入端（例如A2）。

確保所有傳感器的電源和地線正確連接到Arduino的5V和GND端。

（2） Arduino代碼設(shè)計(jì)

Arduino代碼通過模擬輸入引腳讀取電導(dǎo)率、pH和ORP傳感器的數(shù)據(jù)，并通過串口每秒輸出一次。使用analogRead函數(shù)讀取傳感器的模擬值，然后通過map函數(shù)將這些值轉(zhuǎn)換為實(shí)際的測量范圍。電導(dǎo)率值（0～5000微西門子）、pH（0～14）和ORP值（-1000到1000毫伏）分別通過Serial.print和Serial.println函數(shù)輸出到串口監(jiān)視器。程序在每次讀取后暫停一秒鐘。

為了實(shí)現(xiàn)Arduino與電導(dǎo)率、pH和ORP傳感器的通信，并在Matlab中進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，需要將上述Arduino代碼燒錄到連接好的UNO板上，通過傳感器的模擬信號，并使用map（）函數(shù)將傳感器的模擬讀數(shù)映射到相應(yīng)的物理量范圍，這通常需要根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)Arduino與Matlab間的串口通信。

（3） Matlab界面設(shè)計(jì)

為了探究苯酚與溴水的反應(yīng)類型、苯酚與碳酸氫根離子的酸性強(qiáng)弱以及苯酚的還原性，我們設(shè)計(jì)了一個集成Matlab和Arduino的實(shí)驗(yàn)測試界面（見圖2）。該界面通過采集來自Arduino的串口數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與處理。通過Matlab界面呈現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和分析數(shù)據(jù)，提高師生實(shí)驗(yàn)操作技能和數(shù)據(jù)處理能力。

3.3" 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)一" 探究苯酚與溴水的反應(yīng)類型

基于反應(yīng)后生成物的性質(zhì)確定本次實(shí)驗(yàn)的方案為：

利用電導(dǎo)率傳感器測定0.1mol/L苯酚溶液滴定25mL飽和溴水，觀察對比電導(dǎo)率曲線前后的變化情況。

猜想：觀察溶液中電導(dǎo)率曲線前后的變化情況。

（1） 若曲線變化不明顯或甚至不變化，則得出發(fā)生的是加成反應(yīng)；

（2） 若曲線變化較明顯，則得出發(fā)生的是取代反應(yīng)；

設(shè)計(jì)意圖：本實(shí)驗(yàn)旨在通過電導(dǎo)率的變化來探究苯酚與溴水反應(yīng)的類型。電導(dǎo)率的變化可以反映溶液中離子濃度的變化，從而間接判斷反應(yīng)類型。加成反應(yīng)通常不會顯著改變?nèi)芤旱碾x子濃度，因此電導(dǎo)率曲線變化不明顯；而取代反應(yīng)往往伴隨著離子的生成或消耗，導(dǎo)致電導(dǎo)率曲線有顯著變化。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以直觀地理解苯酚與溴水反應(yīng)的性質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)二" 探究苯酚與碳酸氫根離子的酸性強(qiáng)弱

關(guān)于學(xué)生存在苯酚酸性弱到什么程度和苯酚的酸性強(qiáng)于碳酸氫根離子的疑惑，教材并未做詳細(xì)說明，因此本實(shí)驗(yàn)的方案確定為：

利用pH傳感器測定0.1mol/L苯酚溶液滴定25mL 0.1mol/L碳酸鈉溶液，觀察對比前后pH曲線的變化情況。

根據(jù)表1結(jié)合水解平衡常數(shù)，計(jì)算得到：

0.05mol/L的Na2CO3溶液pH約為10.53

0.05mol/L的NaHCO3溶液pH約為9.53

猜想：觀察反應(yīng)前后的溶液pH曲線是否趨于9.53。

（1） 若不趨于，則得出苯酚的酸性比碳酸氫根離子弱；

（2） 若趨于，則得出苯酚的酸性比碳酸氫根離子強(qiáng)。

設(shè)計(jì)意圖：本實(shí)驗(yàn)通過測定苯酚與碳酸鈉溶液反應(yīng)前后的pH變化，來探究苯酚的酸性強(qiáng)弱。通過比較苯酚溶液與碳酸氫根離子溶液的pH，學(xué)生可以直觀地了解苯酚的酸性與碳酸氫根離子的酸性強(qiáng)弱關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于學(xué)生理解苯酚酸性在化學(xué)反應(yīng)中的作用，以及其在酸堿平衡中的地位。

實(shí)驗(yàn)三" 探究苯酚的還原性（與酸性高錳酸鉀反應(yīng)為例）

方案：利用ORP傳感器測定0.1mol/L苯酚溶液滴定25mL稀酸性高錳酸鉀溶液，觀察前后電位曲線的變化情況。

猜想：觀察反應(yīng)前后溶液電位曲線的變化情況。

（1） 若有明顯變化，則得出苯酚具有還原性；

（2） 若無明顯變化，則得出苯酚不具有還原性。

設(shè)計(jì)意圖：

本實(shí)驗(yàn)通過測定苯酚與酸性高錳酸鉀反應(yīng)前后的電位變化，來探究苯酚的還原性。氧化還原電位的變化可以反映反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的情況，從而判斷物質(zhì)的氧化還原性質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以驗(yàn)證苯酚是否具有還原性，以及其在氧化還原反應(yīng)中的行為。

3.4" 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1） 利用25mL移液管分別向三個廣口瓶中加入25mL濃溴水、0.1mol/L碳酸鈉溶液和稀酸性高錳酸鉀溶液。

（2） 按照圖1所示的裝置進(jìn)行連接，向長頸漏斗中加入0.1mol/L的苯酚溶液，打開止水夾，控制好每個位置的滴速備用，關(guān)閉止水夾。

（3） 打開磁力攪拌器開關(guān)，按照如圖1所示的設(shè)備進(jìn)行連接，打開電腦程序，選擇好端口、波特率、打開開關(guān)，待綠燈亮起，點(diǎn)擊對照組數(shù)據(jù)采集/停止按鈕，等待300s。

（4） 再次點(diǎn)擊對照組數(shù)據(jù)采集/停止按鈕，點(diǎn)擊實(shí)測采集/停止按鈕，打開連通閥和止水夾，開始采集數(shù)據(jù)，繪制曲線；待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后停止采集，關(guān)閉止水夾，關(guān)閉磁力攪拌器，導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

（5） 對比前后曲線的變化（圖2～圖5），分析苯酚的化學(xué)性質(zhì)。

3.5" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示與分析：

3.5.1" 定性觀察

裝有飽和溴水的廣口瓶中溶液紅棕色退去且有白色沉淀生成；裝有碳酸鈉溶液的廣口瓶前后無明顯變化；裝有酸性高錳酸鉀溶液的廣口瓶中溶液紫紅色退去。

3.5.2" 定量分析

根據(jù)Matlab測試界面數(shù)據(jù)變化曲線（圖2～圖5）分析結(jié)果見表2。

4" 實(shí)驗(yàn)效果評價

本實(shí)驗(yàn)將創(chuàng)客教育與化學(xué)實(shí)驗(yàn)相融合，體現(xiàn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方法與現(xiàn)代傳感器技術(shù)相結(jié)合的潛力。通過Arduino和Matlab的集成，構(gòu)建的測試界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和處理，綜合實(shí)驗(yàn)的定性觀察和定量分析，實(shí)驗(yàn)的精確度和效率得到了一定的提升，如實(shí)際測出的pH的趨勢與理論計(jì)算數(shù)據(jù)9.53相接近。實(shí)驗(yàn)中同步監(jiān)測苯酚的電導(dǎo)率、pH和ORP，從多個維度深入分析了苯酚的化學(xué)性質(zhì)，為化學(xué)研究提供了更全面的數(shù)據(jù)支持。這種創(chuàng)新的方法不僅使學(xué)生能夠從定量角度深入理解苯酚的化學(xué)性質(zhì)，包括親電取代反應(yīng)、酸性強(qiáng)度以及還原性，而且在科學(xué)探究、數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的能力得到了顯著提升。

參考文獻(xiàn)：

［1］教育部辦公廳關(guān)于印發(fā)《基礎(chǔ)教育課程教學(xué)改革深化行動方案》的通知［EB/OL］. （2023-05-26）. http：//www.moe.gov.cn/sresite/A26/jcj_kejcgh/202306/120230601_1062380.html？share_token=fa9dr97c62a4287446146926a018621.

［2］中華人民共和國教育部制定， 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［3］李奎， 趙珍， 張婷. 基于創(chuàng)客教育的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——探究硫酸銅溶解性的影響因素［J］. 化學(xué)教與學(xué)， 2023， （23）： 49～52.

［4］潘雅. 創(chuàng)客教育理念下的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析［J］. 學(xué)周刊， 2024， （9）： 70～72.

［5］張侃. 創(chuàng)客教育中高中生邏輯思維能力培養(yǎng)的研究［D］. 上海：上海師范大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2019.