指向創(chuàng)新創(chuàng)造力培養(yǎng)的實驗教學(xué)育人變革探索

摘" 要：" 結(jié)合編程教育，借助Arduino開源電子原型平臺、單點式壓力傳感器元件、K型熱電偶溫度傳感器元件、亞克力板等設(shè)計一款成本低廉、制作難度適中，可測溫、傳輸數(shù)據(jù)、外接擴展其他傳感器的電子天平，并就其在化學(xué)反應(yīng)速率和結(jié)晶水含量測定等改進實驗中的應(yīng)用進行具體闡釋與實踐。為基于開源硬件設(shè)計制作的電子天平在教學(xué)上的應(yīng)用，為創(chuàng)客式實驗教學(xué)在化學(xué)學(xué)科的具體實踐提供借鑒和參照。

關(guān)鍵詞：" 開源硬件； 實驗教學(xué)； 化學(xué)反應(yīng)速率測定； 結(jié)晶水含量測定； 創(chuàng)客式實驗設(shè)計

文章編號： 1005-6629（2025）01-0065-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1" 問題的提出

在根據(jù)“雙新”（新課程、新教材）實施要求修編上海市中小學(xué)校教學(xué)儀器配備標準和對全市中小學(xué)校實驗室調(diào)研工作中發(fā)現(xiàn)，當前中學(xué)化學(xué)實驗室配備的電子天平，能基本滿足精確的質(zhì)量測量需求，為實驗教學(xué)提供了基礎(chǔ)性保障，但大多數(shù)不具備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端（如計算機、iPad、手機等）以及形成數(shù)據(jù)曲線或進行數(shù)據(jù)分析處理等功能。也有部分學(xué)校配備的電子天平可通過數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換器（如RS-232或USB轉(zhuǎn)換器）與終端連接，并通過配套專用數(shù)據(jù)采集器和軟件從電子天平讀取數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)存儲在終端，生成并顯示質(zhì)量隨時間變化的曲線。然而，目前市場上具備上述功能的電子天平的價格普遍較高，從中小學(xué)校教育裝備配備的角度考慮，需要教育財政經(jīng)費的支持和專項投入，短時期內(nèi)尚難以滿足大規(guī)模學(xué)生的個性化實驗實踐需求，這并不利于“雙新”實驗教學(xué)的順利開展，且此類電子天平的連接端口往往為專用接口，一般無法擴容外接其他傳感器設(shè)備進行各類實驗拓展，具有一定的局限性。

在教學(xué)數(shù)智化轉(zhuǎn)型的背景下如何破解上述困境，讓教學(xué)儀器兼具經(jīng)濟性、可拓展性和教學(xué)適用性？鑒于近年來開源硬件在教學(xué)上的多元應(yīng)用［1～3］，及其在賦能科學(xué)教育和創(chuàng)新創(chuàng)造力培養(yǎng)方面展現(xiàn)出的巨大應(yīng)用潛力，能否基于經(jīng)濟實惠的開源硬件設(shè)計制作一款價格低廉、可傳輸數(shù)據(jù)繪制曲線且可實現(xiàn)外接拓展的電子天平來有效解決上述問題呢？鑒于此，本研究項目團隊，借助Arduino開源電子原型平臺、單點式壓力傳感器元件、K型熱電偶溫度傳感器元件、亞克力板等，結(jié)合編程教育，設(shè)計制作了一款可傳輸數(shù)據(jù)繪制曲線、可測量溫度、可外接擴展其他傳感器的電子天平（以下簡稱“基于開源硬件的電子天平”），且使用到的基礎(chǔ)電子元件成本僅需幾十元。由于成本低廉、制作難度適中，既能滿足當前大規(guī)模、個性化學(xué)生實驗實踐的需求，又能為物資缺乏地區(qū)學(xué)校“雙新”實驗教學(xué)實施提供新選擇，還能為探索創(chuàng)客式實驗教學(xué)［4］在化學(xué)學(xué)科的實踐應(yīng)用［5～8］提供參照。

2" 基于開源硬件的電子天平設(shè)計制作

項目團隊基于開源硬件設(shè)計制作的電子天平（如圖1所示），具體制作步驟如下：

第一步：將2塊亞克力板分別用螺絲固定在單點式壓力傳感器上下兩側(cè)。

第二步：將單點式壓力傳感器的輸出端與稱重模塊輸入端相連接、K型熱電偶溫度傳感器輸出端與溫度模塊輸入端相連接。

第三步：將稱重模塊輸出端、溫度模塊輸出端均與Arduino UNO開發(fā)板輸入端相連接，Arduino UNO開發(fā)板輸出端則與計算機端相連接，并通過程序指令實現(xiàn)從稱重模塊讀取質(zhì)量數(shù)據(jù)、從溫度模塊讀取溫度數(shù)據(jù)。

值得注意的是，為確保質(zhì)量讀數(shù)的準確性，在稱重前需先編寫程序代碼進行初始校準。

3" 程序代碼編制

編制程序代碼時遵循以下實施步驟：

（1） 引入所需的庫，并聲明外部函數(shù)；

（2） 定義與稱重模塊連接的引腳；

（3） 定義稱重傳感器的零點校準值；

（4） 定義溫度模塊連接的引腳；

（5） 創(chuàng)建稱重模塊對象；

（6） 創(chuàng)建溫度模塊對象；

（7） 初始化重量傳感器串行通信，等待3秒，并運用比較校準法通過砝碼進行校準操作；

（8） 初始化溫度傳感器串行通信，等待3秒，并運用比較校準法通過水銀溫度計進行校準操作；

（9） 從稱重傳感器讀取質(zhì)量數(shù)據(jù)；

（10） 從溫度傳感器讀取溫度數(shù)據(jù)；

（11） 通過串行通信發(fā)送格式化的數(shù)據(jù)；

（12） 等待2秒，以便計算機軟件處理數(shù)據(jù)。

4" 實驗設(shè)計與現(xiàn)象

以滬科版教材中“化學(xué)反應(yīng)速率測定”和“硫酸銅晶體中結(jié)晶水的含量測定”實驗為例，對基于開源硬件設(shè)計制作的電子天平在化學(xué)實驗改進和教學(xué)上的具體應(yīng)用進行闡釋與實踐。

4.1" 化學(xué)反應(yīng)速率相關(guān)實驗

滬科版化學(xué)必修第二冊第六章\"化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡\"的第一節(jié)\"化學(xué)反應(yīng)速率\"中，通過實驗探究大理石與稀鹽酸反應(yīng)過程中混合物質(zhì)量隨時間的變化來引入化學(xué)反應(yīng)速率概念。教材中該實驗通過測定反應(yīng)體系的質(zhì)量變化，繪制出隨時間變化的曲線，很好地展示了如何用變量來表達化學(xué)反應(yīng)速率。然而，在實際操作過程中，由于實驗中是每隔10秒記錄一次混合物的總質(zhì)量，故無法較精準地展現(xiàn)10秒內(nèi)混合物質(zhì)量的變化，并涉及大量數(shù)據(jù)的讀取和記錄，且數(shù)據(jù)的不斷變化也給記錄工作帶來了挑戰(zhàn)。繪制變化曲線時，由于耗時較長、步驟繁瑣以及學(xué)生操作時可能會出現(xiàn)的誤差，都可能會對實驗結(jié)果的準確性造成影響。此外，學(xué)生通過速率曲線也難以判斷出具體影響該化學(xué)反應(yīng)速率的因素。

基于上述考慮，項目團隊運用前述設(shè)計制作的基于開源硬件的電子天平，測量反應(yīng)體系的溫度，并連續(xù)稱量大理石和稀鹽酸反應(yīng)進程中反應(yīng)體系的總質(zhì)量，觀察并記錄數(shù)據(jù)及曲線的變化。

4.1.1" 實驗裝置

將實驗裝置如圖2所示連接，并放置于前述制作的基于開源硬件的電子天平上。

4.1.2" 實驗操作步驟

（1） 打開前述設(shè)計制作的電子天平、計算機，并將兩者相連接，然后在計算機上運行經(jīng)測試的程序?qū)㈦娮犹炱秸{(diào)零；

（2） 向簡易啟普發(fā)生器中加入約2g塊狀大理石，向長頸漏斗中倒入約20mL稀鹽酸（10%）。將溫度傳感器探頭放置于液面下，并將該裝置整體放置于自制電子天平上（圖2）；

（3） 打開彈簧夾后，反應(yīng)開始，運行前述編寫的經(jīng)測試的程序采集數(shù)據(jù)；

（4） 待實驗結(jié)束后停止采集數(shù)據(jù)，并保存數(shù)據(jù)與圖像。

4.1.3" 實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)

實驗中可觀察到大理石表面逐漸產(chǎn)生氣泡，經(jīng)處理后計算機中顯示數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

由圖像可以觀察到，反應(yīng)開始后質(zhì)量數(shù)據(jù)逐漸減小，溫度數(shù)據(jù)逐漸增大，且質(zhì)量數(shù)據(jù)變化幅度先增后減。由此可以得出，在反應(yīng)剛開始時，溫度影響為主導(dǎo)因素，雖然反應(yīng)物濃度有所減小，但此時反應(yīng)物濃度總體仍處于較高水平，且由于反應(yīng)放熱，反應(yīng)速率隨溫度升高而顯著增大；之后隨著反應(yīng)的進行，反應(yīng)物濃度不斷降低，反應(yīng)物濃度逐漸成為影響反應(yīng)速率的主導(dǎo)因素，反應(yīng)速率逐漸下降。教學(xué)中借助本實驗，可以幫助學(xué)生更好地認識在真實反應(yīng)過程中不同因素的變化對化學(xué)反應(yīng)速率產(chǎn)生的綜合影響，加深對化學(xué)反應(yīng)速率影響因素的理解。

4.1.4" 實驗優(yōu)點

借助前述設(shè)計制作的電子天平稱量大理石和稀鹽酸反應(yīng)進行的過程中反應(yīng)體系的總質(zhì)量、測量過程中體系溫度，可以準確、連續(xù)地展示并自動記錄該反應(yīng)體系的質(zhì)量變化、溫度變化，幫助學(xué)生更直觀地觀測其變化趨勢，更好地分析并推斷出影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，培養(yǎng)基于證據(jù)的推理意識與能力，提高問題分析及解決能力。

4.2" 晶體中結(jié)晶水含量測定的相關(guān)實驗

測定物質(zhì)的組成、確定化學(xué)式是化學(xué)研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。滬科版高中化學(xué)教材將測定硫酸銅晶體中結(jié)晶水的含量實驗作為必修第一冊第三章的項目學(xué)習(xí)活動，在該項目學(xué)習(xí)活動中需要學(xué)生通過稱量、加熱、恒重等操作，計算得出硫酸銅中的結(jié)晶水含量。該實驗總體較為直觀，學(xué)生也容易理解，但是該實驗的操作過程較為繁瑣、耗時也較長。

從儀器角度來說，可以選用熱重儀來進行該實驗。熱重儀作為大學(xué)化學(xué)實驗室的常見設(shè)備，經(jīng)常用于測量樣品在加熱過程中的質(zhì)量變化，且具有操作簡便、自動化程度高、測量準確度高等優(yōu)點。毋庸置疑，使用熱重儀測定硫酸銅中結(jié)晶水的含量是一種高效且精確的方法，但由于目前市場上熱重儀的價格普遍較高，短時期內(nèi)難以實現(xiàn)其在中學(xué)化學(xué)實驗室配備的全覆蓋，更難以滿足當前做好科學(xué)教育加法背景下大規(guī)模學(xué)生實驗實踐的個性化需求。

基于上述考慮，項目團隊借助前述設(shè)計制作的電子天平，結(jié)合自制的迷你加熱臺，設(shè)置加熱程序，實時記錄樣品的質(zhì)量變化，并生成溫度、質(zhì)量曲線。通過分析曲線，可以確定結(jié)晶水開始失去的溫度范圍，以及結(jié)晶水完全失去時的溫度。

4.2.1" 實驗裝置

4.2.1.1" 實驗裝置總圖

將實驗裝置如圖4所示連接，并放置于前述制作的基于開源硬件的電子天平上。

4.2.1.2" 迷你加熱臺的設(shè)計制作

設(shè)計的迷你加熱臺主要由鋁基加熱板（55mm×55mm，約6Ω）、隔熱板（55mm×55mm）、主控板、顯示屏（OLED，0.9寸）、調(diào)控按鈕、銅柱等組成（如圖5所示）。具體制作方法如下：

（1） 在鋁基板下方通過導(dǎo)熱膠將熱敏電阻固定，制作鋁基加熱板。該鋁基加熱板電阻約6Ω，當使用20V的電壓供電時，鋁基加熱板上的功率消耗約為65W。可通過增加鋁基板走線寬度或增大供電電壓的方式提升鋁基加熱板的功率以達到更高溫度；

（2） 通過銅柱將鋁基加熱板與隔熱板、主控板依次相連接；

（3） 通過導(dǎo)線將鋁基加熱板的熱敏電阻、主控板的顯示屏、調(diào)控按鈕等分別與主控板連接。為美觀考慮還可3D打印外殼，使顯示屏、調(diào)控按鈕恰好嵌入外殼；

（4） 對主控板進行加熱程序代碼編制。

4.2.1.3" 迷你加熱臺程序編制

為實現(xiàn)加熱控制，編制程序代碼時遵循以下實施步驟：

（1） 引入所需的庫，并聲明外部函數(shù)；

（2） 定義與熱電偶模塊、脈沖寬度控制模塊連接的引腳；

（3） 初始化顯示屏、熱電偶傳感器等；

（4） 設(shè)置函數(shù)用于初始化串口通信、OLED顯示屏、熱電偶傳感器和其他硬件；

（5） 設(shè)置觸發(fā)函數(shù)用于讀取當前溫度，并更新目標溫度和其他相關(guān)變量；

（6） 設(shè)置循環(huán)函數(shù)負責(zé)更新OLED顯示屏、檢測按鈕輸入、根據(jù)當前工作模式調(diào)節(jié)加熱器功率；

（7） 設(shè)置函數(shù)負責(zé)在OLED顯示屏上繪制當前溫度、目標溫度、功率和其他狀態(tài)信息；

（8） 設(shè)置函數(shù)進行加熱控制，根據(jù)當前的溫度和目標溫度差距，邏輯程序會決定是否需要加熱以及加熱模式選擇、切換等；

（9） 設(shè)置程序通過檢測按鈕的輸入來啟動或改變加熱臺的工作模式。

4.2.2" 實驗操作步驟

（1） 打開前述設(shè)計制作的電子天平、迷你加熱臺和計算機，并將電子天平、迷你加熱臺與計算機連接；

（2） 在電子天平上放置迷你加熱臺、迷你加熱臺上放置坩堝，然后在計算機上運行前述編寫的經(jīng)測試的程序?qū)㈦娮犹炱秸{(diào)零；

（3） 將研磨后的硫酸銅晶體放置于坩堝中，讀取初始質(zhì)量，并將溫度傳感器放置于坩堝中；

（4） 調(diào)節(jié)迷你加熱臺參數(shù)pid［比例（proportional）-積分（integral）-微分（derivative）］，控制升溫速率，每間隔固定時長手動設(shè)置目標溫度，如間隔每分鐘設(shè)置升溫10℃，直至達到目標溫度，如260℃；

（5） 運行前述編寫的經(jīng)測試的程序采集溫度與質(zhì)量的數(shù)據(jù)；

（6） 待實驗結(jié)束后停止采集數(shù)據(jù)，并保存數(shù)據(jù)與圖像。

4.2.3" 實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)

最終可觀察到坩堝中硫酸銅晶體由藍色晶體變?yōu)榘咨勰?jīng)處理后計算機中顯示數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

由圖像可以觀察到，隨著溫度的升高，曲線開始下降，表示硫酸銅晶體開始失去結(jié)晶水。在102℃左右時，硫酸銅晶體可能失去部分結(jié)晶水，經(jīng)計算可知殘留物的化學(xué)組成為CuSO4·3H2O；在約113℃時，經(jīng)計算可知殘留物的化學(xué)組成為CuSO4·H2O。在更高的溫度下（如約258℃），硫酸銅會完全失去結(jié)晶水。

4.2.4" 實驗優(yōu)點

改進后的實驗裝置成本低廉、操作簡單，相比傳統(tǒng)的加熱、冷卻和稱量的方法，只需通過預(yù)設(shè)的控溫程序，就可以自動執(zhí)行加熱、測量和數(shù)據(jù)記錄等步驟，既提高實驗效率，又極大地減少人為干預(yù)，從而確保實驗結(jié)果的準確性和可重復(fù)性，有利于課內(nèi)課外學(xué)生實驗的組織與開展。

該實驗裝置能夠自動繪制溫度曲線與質(zhì)量曲線，通過分析曲線可以得到被測樣品的質(zhì)量變化量和對應(yīng)的溫度以及時間點數(shù)據(jù)，為實驗數(shù)據(jù)的分析和處理提供了更為豐富的信息，讓學(xué)生在經(jīng)歷和體驗通過編程解決化學(xué)問題、建構(gòu)（跨）學(xué)科概念和認知模型的實驗（實踐）過程中，對化學(xué)知識進行深度加工、對化學(xué)學(xué)科思想與方法靈活運用，并鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力，激發(fā)差異化思維，培養(yǎng)批判性思維，提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造意識與能力，達成核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)目標。

此外，利用該實驗裝置還可以測量物質(zhì)的分解溫度、揮發(fā)物含量，甚至拓展完成氣體不同溫度下溶解度曲線的繪制等，圖7即為拓展進行二氧化硫在不同溫度下溶解度測定的實驗裝置設(shè)計。

5" 思考與展望

本課題基于開源硬件設(shè)計制作的電子天平，具備開放性、兼容性和可拓展性等特征，使得其在實驗改進和教學(xué)上的應(yīng)用具有多元性，并不局限于上述提供的兩個案例。研究能夠為實驗教學(xué)中有機融入編程教育和創(chuàng)客教育提供范例，能夠為具體的化學(xué)學(xué)科創(chuàng)客式實驗教學(xué)實踐提供參照。教師可針對自身的教學(xué)需求，選擇適切的（跨）學(xué)科實驗（實踐）內(nèi)容開展基于前述自制電子天平的應(yīng)用研究，也可引入新的模塊進行多元化拓展設(shè)計。

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