基于自動控制技術的中學化學危險實驗教學創新

化學實驗是中學化學教學的重要組成部分，它是學生理解化學原理的重要途徑，也是培養學生科學探究能力和安全素養的關鍵環節。然而，化學實驗涉及高溫、高壓、易燃、易爆及有毒物質等危險因素，操作具有較高的風險。據調查，大部分化學實驗安全事故是因為操作失誤或設備缺陷造成的[11。因此，如何在保障安全的前提下提升化學危險實驗的教學效能，成為亟待解決的問題。數字化實驗技術的應用使單純的測量轉變為測量與控制兼備，使實驗控制兼具網絡化與智能化[2]。自動控制技術作為數字化實驗的重要組成部分，通過傳感器、控制器和執行器的協同作用，能夠實現對實驗過程的精準調控和遠程操作，顯著降低實驗操作過程中的風險，同時提升學生的技術應用能力。筆者探索自動控制技術在中學化學危險實驗中的應用方法，構建危險實驗分類體系，提出針對性優化策略，并通過教學案例和實證研究驗證其有效性，為化學危險實驗教學的創新提供可推廣的模式與路徑。

一、化學危險實驗教學的研究現狀與優化策略

（一）研究現狀

化學危險實驗的安全問題一直是教育工作者關注的焦點。傳統化學實驗中，涉及高溫、高壓、易燃、易爆及有毒物質的實驗操作風險較高，容易引發安全事故。近年來，隨著自動控制技術的發展，越來越多的研究者開始探索如何將自動控制技術應用于化學危險實驗，以降低實驗風險并提升教學效果。

祖一康等人應用自動控制原理設計了溫度智能控制系統，用于精確控制化學反應的溫度[3]。王立超通過控制電磁閥實現酸堿中和滴定的自動控制，顯著提高了實驗的精確性和安全性[4。筆者也通過引人氣壓傳感器和電磁閥，實現噴泉實驗的自動控制，進一步驗證了自動控制技術在化學危險實驗中的應用潛力[5]。

這些研究表明，應用自動控制技術能夠實現對實驗過程的精準調控和遠程操作，顯著降低實驗操作過程中的風險，同時提升學生應用技術的能力，為化學危險實驗教學的安全開展提供了新的思路和方法。

（二）危險實驗分類體系

基于危險產生的主客觀因素，我們可以從實驗儀器、實驗藥品、實驗條件控制和人為因素4個維度構建化學危險實驗分類體系[。筆者針對各類實驗的危險特征，結合自動控制技術的運用，分別進行針對性優化（見表1）。

表1中學化學危險實驗的分類、危險特征、安全措施及優化策略

（三）優化策略

1.實驗儀器優化

玻璃儀器易碎且耐壓性差，是化學實驗中的常見安全隱患。增加氣壓傳感器監測儀器內部壓強，并設置實時預警系統，可以有效避免因儀器破裂導致的安全事故。例如，在涉及氣體生成或高壓反應的實驗中，氣壓傳感器能夠實時監測壓強變化情況，一旦超過設定閾值，系統自動報警并采取措施（如關閉氣源或釋放多余氣體），確保實驗安全。

2.實驗藥品優化

化學實驗涉及易燃、易爆、有毒物質是引發安全事故的主要原因之一。引人氣體傳感器和遠程操作技術，可以有效降低這些危險物質帶來的風險。例如，在涉及有毒氣體生成的實驗中，氣體傳感器能夠實時監測氣體濃度，一旦檢測到氣體泄漏，系統自動關閉氣路并啟動通風設備，確保實驗環境的安全。

3.實驗條件控制優化

實驗參數調控精度低和誤差率高是導致實驗失敗和安全事故的重要原因之一。采用自動控制技術優化反應參數，可以顯著提高實驗的準確性和安全性。例如，在需要精確控制溫度的實驗中，閉環控制系統能夠根據傳感器反饋的溫度數據，自動調節加熱或冷卻裝置，確保反應在設定的溫度范圍內進行。

4.人為因素優化

操作失誤和安全意識不強是化學實驗中常見的安全隱患。結合自動控制系統規范操作流程，可以有效減少人為操作帶來的風險。例如，設計自動化流程保障實驗操作的每個步驟都嚴格按照預設程序進行，可以避免因人為失誤而導致事故。

二、化學實驗自動控制技術概述

（一）自動控制技術的基本原理

自動控制技術是指在沒有人為直接參與的情況下，通過具有自主控制功能的自動控制系統，按照預定要求運行，最終實現某種功能[7]。一套完整的自動控制系統由傳感器、控制器和執行器等組成。傳感器用于實時采集實驗參數，控制器對傳感器數據進行處理并生成控制指令，執行器則根據控制器的指令執行物理操作，從而實現對實驗條件和進程的精準控制。

化學實驗自動控制技術是用于化學實驗場景的自動化控制手段。它通過傳感器采集溫度、壓強、濃度等重要實驗數據并傳至控制器，控制器分析處理后向執行器發出指令，執行器自動調整實驗裝置參數，實現無需人工持續干預下的精準控制。這種技術不僅保障實驗結果的準確、穩定和可重復，而且滿足了實驗者對實驗精細化控制和實驗安全的需求。

（二）傳感器與執行器

傳感器是自動控制系統的重要組成部分，用于實時采集實驗參數?；瘜W數字化實驗中常用的傳感器包括溫度傳感器、壓強傳感器、pH傳感器以及各種氣體傳感器。例如，溫度傳感器能夠監測反應體系的實時溫度變化，氣體傳感器可以檢測易燃易爆氣體的濃度，為實驗安全控制提供數據支撐。執行器則根據控制器的指令執行物理操作。常見的執行器包括舵機、電磁閥、電加熱器、步進電機、氣泵和水泵等。例如：舵機可以精確控制角度，用于添加藥品或調節閥門；電磁閥可以控制液體或氣體的流動，調節流量；步進電機可以用于攪拌或控制滴定速度。

（三）控制系統類型

自動控制系統按反饋情況分為開環控制系統和閉環控制系統。

1.開環控制系統

開環控制系統依據預先設定的程序持續輸出控制指令，沒有反饋回路，系統輸出不會反過來影響控制過程。其控制精度取決于系統各組件和元件的性能。在化學實驗自動控制中，開環控制發揮著重要作用。例如，精準調控滴定速度，嚴格按照既定參數操作，或是準確控制閥門的開合，從而減少人為操作帶來的誤差。

2.閉環控制系統

閉環控制系統借助傳感器實時捕捉被控制對象的狀態信息，并將這些信息傳送給控制器?？刂破鲗⒔邮盏降男畔⑴c預設參數進行比對，計算偏差值，隨后發出信號，指揮執行器對被控對象進行狀態修正，確保其始終能按照設計要求運行。在化學實驗自動控制中，閉環控制可以根據外部環境參數的變化動態調節實驗條件。例如，將溫度控制在一定范圍，檢測到有毒氣體泄漏時自動關閉閥門等，從而保障實驗安全。

三、教學案例

筆者結合自動控制技術，開發了多種具有不同功能的自動化實驗儀器。以下結合兩個典型實驗案例，闡述自動控制技術在化學危險實驗中的應用，以期促進化學危險實驗教學實現從被動防護到主動防控的轉變。

（一）氫氣爆鳴實驗的自動化改進

1.技術方案

傳統氫氣爆鳴實驗因需手動混合易燃氣體且近距離點火，存在較高風險。為解決這一問題，筆者設計了遠程自動控制系統，包含氣體流量控制模塊和遠程點火裝置。氣體流量控制模塊可以自動調節氫氣的輸人量，遠程點火裝置由ESP8266Wi-Fi繼電器模塊和自帶電源的電弧點火器連接構成，可通過App無線操控實驗，點火時學生無需靠近裝置即可操作實驗（如圖1）。

圖1氫氣爆鳴實驗自動控制系統

2.教學創新

改進后的實驗使學生從“被動避險”轉為“主動探究”。課堂上，學生可自由調節氫氣濃度參數（如 3% 、 5% 、 20% 、 50% 等），觀察不同比例下的爆炸強度差異。學生對比實驗數據，發現當氫氣濃度低于 4% 時僅產生微弱火花，而超過 75% 時反應反而減弱。以這種基于證據的認知方式幫助學生直觀理解“爆炸極限”概念，有效培養了他們的科學探究能力。

（二）濃硫酸稀釋實驗的精準控制

1.技術方案

濃硫酸稀釋實驗因需手工緩慢注入濃硫酸，易因操作不當引發劇烈放熱、液體飛濺甚至灼傷事故。筆者設計了基于Arduino的自動控制系統（如圖2），通過步進電機驅動分液漏斗旋塞，實現酸液流速的精準控制。系統包括三個核心模塊：一是流速控制模塊，通過步進電機精確調節旋塞開度，控制流速（ 0.2mL/s ），確保酸液勻速注入水中；二是溫度監測模塊，使用DS18B20溫度傳感器，實時監測稀釋過程中溶液溫度變化，數據通過OLED顯示屏顯示；三是安全預警模塊，當溶液溫度超過 65°C 時，系統自動暫停滴加濃硫酸并觸發報警器，進行實驗安全提示。

圖2濃硫酸稀釋實驗自動控制系統

2.教學創新

筆者改進實驗后，操作風險從被動規避轉為主動防控。學生可以自主設定流速參數（如0.1mL/s、 0.2mL/s 、 0.5mL/s ），觀察溫度變化與濃硫酸流速的關系。實驗數據顯示，當流速超過 0.6mL/s 時，溶液溫度在30s內驟升至 65^°C 學生通過對比數據直觀理解“濃硫酸稀釋需緩慢加人”的原理。上述改進措施不僅降低了操作風險，而且培養了學生基于數據的實證分析能力。

四、教學效果實證研究

（一）評價體系構建

為評估學生在化學危險實驗自動化設計與實施過程中的跨學科素養發展情況，筆者構建了“風險評估與安全意識”“科學探究與實踐能力”“技術理解與應用水平”三維評價體系，并針對每個維度制訂了科學的評測方法。

1.風險評估與安全意識

筆者創設含有多種潛在風險因素的化學危險實驗情境，以問答形式開展評估，讓學生識別隱患并提出防范措施，以此測評學生的風險評估能力和安全意識。

2.科學探究與實踐能力

筆者運用評價量表進行測評，即依據科學探究的一般流程和實踐能力的關鍵要素，設置提出問題、設計方案、實施實驗、分析數據以及得出結論等多個環節，憑借明確的評價標準和量化指標，客觀反映學生的能力水平。

3.技術理解與應用水平

采用技術接受模型（TAM）進行評測。該模型通過分析感知有用性（PU）和感知易用性（PEOU）等指標，預測學生對信息技術的接受度，進而了解學生對相關技術的理解和應用意愿。

（二）實驗數據分析

筆者對本校高一年級設置了實驗班（4個班，共198人）與對照班（4個班，共195人）開展對比研究。實驗班學生在教師指導下，自主開發并運用數字化自動控制裝備進行實驗，對照班則沿用傳統實驗方法。經數據分析，得出以下結論。

1.安全素養提升

實驗班學生的風險識別準確率從 58% 提高至 83% （對照班為 62% ），應急措施正確率提高至 91% （對照班為 75% ）。這表明引入自動控制技術的教學模式能夠有效提升學生的安全意識與風險評估能力。

2.科學探究與實踐能力增強

評價量表結果顯示，實驗班學生在實驗設計、操作技能、數據分析等方面的能力均得到顯著提升，能夠更為獨立、高效地完成探究任務。

3.技術理解水平提高

TAM模型顯示，學生對自動控制數字化實驗的感知有用性與易用性均高于傳統實驗。部分學生表示，使用自動控制技術和遠程點火系統后，敢于嘗試以往被認為存在高風險的實驗了。

筆者基于自動控制技術改進中學化學危險實驗設計，提升了實驗的安全性與教學效能。本文構建的“安全素養一科學探究一技術應用”三維評價體系為跨學科素養的量化評測提供了科學依據。需要強調的是，自動控制技術并非取代傳統實驗，而是通過技術賦能提升實驗安全性，激發學生解決真實問題的潛力。未來，可從以下兩方面深化研究：在技術迭代方面探索物聯網技術對實驗數據的云端共享支持，實現實驗數據的遠程監控和分析，進一步提升實驗的智能化水平；在教學協同方面建立教師培訓機制，明確技術介人邊界，避免過度依賴技術弱化動手能力，促進自動控制技術與傳統動手實驗深度融合。

參考文獻

[1]李雪軍，周保金，曹葵，等.中學化學實驗室安全事故的現狀與防范[J].教學與管理，2020（4）：73-75.

[2]徐睿．數字化實驗的發展及建議：從全國化學實驗教學創新參展作品說開去[J].中小學數字化教學，2020（8）：10-13.

[3]祖一康，徐妙婧.基于單片機和PID算法的溫度智能控制系統設計[J].現代電子技術，2024（8）：83-89.

[4]王立超.自制數字化酸堿中和自動滴定演示裝置[J].實驗教學與儀器，2022（Z1）：103-105.

[5]杜鋒濤，周娟，葛秋萍.語音智能控制技術在中學化學實驗中的應用：以智能噴泉實驗設計為例[J].中學化學教學參考，2024（12）：77-78.

[6]吳曉紅.人教版高中《化學1》實驗教學安全隱患淺析及規避方法［J].化學教學，2016（5）：19-22.

[7]楊華，龔家樂，李佳玲，等，自動控制技術發展情況綜述[J].信息記錄材料，2023（3）：24-26.

（作者杜鋒濤、周娟系陜西省銅川市王益中學教師；劉玲系銅川市教育科學研究室教研員）

責任編輯：祝元志