梁健恒??李運(yùn)洪

手持技術(shù)在國(guó)內(nèi)興起十余年，該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)和教師教學(xué)水平的提升起到積極作用。然而，手持設(shè)備相對(duì)昂貴，制約其發(fā)展^[1]。筆者研究當(dāng)前較為成熟的傳感器技術(shù)，購(gòu)置相關(guān)模塊和配套程序，組裝氣壓測(cè)量?jī)x和溫度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試。低成本自制手持設(shè)備，改進(jìn)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可助力學(xué)生提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、自制手持設(shè)備及其性能

筆者制作設(shè)備分硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分進(jìn)行。筆者以集成度高的電子模塊為基礎(chǔ)，按電路原理圖組裝部件。此設(shè)備由溫度傳感器（DS18B20）、氣壓傳感器（MSP20）、數(shù)據(jù)處理器（Arduino Nano）、OLED屏、軟件界面五部分構(gòu)成。溫度傳感器和氣壓傳感器采集的各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理器處理，傳遞到軟件界面，在電腦屏幕上以數(shù)字或曲線形式顯示?？傮w上，就是這樣自制溫度—?dú)鈮簻y(cè)量?jī)x（如圖1）。

（一）硬件與軟件的設(shè)計(jì)

1.溫度傳感器

測(cè)溫方面，筆者用DS18B20溫度傳感器作為探頭，測(cè)溫范圍在-55 ℃到125 ℃。特別地，在-1℃到85 ℃范圍內(nèi)精確度達(dá)到±0.5 ℃。信號(hào)測(cè)量以數(shù)字傳輸方式進(jìn)行，這樣大大提高了抗干擾能力，可確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。筆者對(duì)傳感器探頭進(jìn)行不銹鋼封裝，既防水又耐腐蝕。

2. MSP20氣壓傳感器

筆者選用的是MPS20氣壓傳感器（如圖2），用XGZP型壓阻式壓力傳感器作為探頭。當(dāng)彈性膜片受到壓力時(shí)，集成電路中的惠斯通電橋會(huì)產(chǎn)生一個(gè)線性電壓信號(hào)（mV）輸出。輸出直流模擬信號(hào)范圍在1.0 V至3.0 V。默認(rèn)1 V表征大氣壓強(qiáng)，校準(zhǔn)為100 kPa，2V時(shí)約為140 kPa。檢測(cè)量程范圍為50 kPa至200 kPa。

3.數(shù)據(jù)處理器（單片機(jī)）

筆者用數(shù)據(jù)處理器Arduino Nano搭配Arduino IDE平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)（如圖3），使設(shè)備具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)篩選功能。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生用此設(shè)備能有效處理氣壓傳感器和溫度傳感器采集的大量數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳遞到軟件界面。

4.軟件界面

筆者選用的實(shí)驗(yàn)軟件都可以自由切換“數(shù)據(jù)界面”或“曲線界面”。通過設(shè)置界面參數(shù)，筆者用這些軟件可以更好地顯示數(shù)據(jù)的細(xì)微變化。此次實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)量?jī)x軟件界面如圖4所示。氣壓測(cè)量?jī)x軟件界面與之類似。

軟件設(shè)計(jì)部分：設(shè)備搭配Arduino IDE平臺(tái)，寫好了代碼。

（二）設(shè)備的性能特點(diǎn)

此設(shè)備與市售傳感器相比，具有以下特點(diǎn)。

1.廉價(jià)

筆者組裝設(shè)備采用的都是市場(chǎng)上通用的模塊，技術(shù)成熟，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)（見表1）。

2.便攜

組裝設(shè)備具有體積小、重量輕、攜帶方便、耐用性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合。數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)、直觀顯示，并能有效保存。師生可隨時(shí)進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)。

3.準(zhǔn)確

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度達(dá)0.5%，完全滿足中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)精確度的要求。

二、教學(xué)案例分析

組裝的新設(shè)備可以應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科實(shí)驗(yàn)中，筆者選取初中階段幾個(gè)常見的實(shí)驗(yàn)舉例說明。

（一）水的沸騰——“普通之處顯細(xì)微”

實(shí)驗(yàn)過程：利用普通酒精燈加熱70 ml水，加熱35 min后沸騰，沸騰時(shí)水溫穩(wěn)定在92 ℃（如圖5和圖6）。

實(shí)驗(yàn)反思：將新設(shè)備與普通水銀溫度計(jì)對(duì)比，兩者的示數(shù)基本相同，證明新設(shè)備測(cè)溫的準(zhǔn)確度較高。加熱水至沸騰是一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)，新設(shè)備的應(yīng)用使水沸騰過程中溫度變化的細(xì)微之處充分顯露。這有利于揭示新知或驗(yàn)證規(guī)律：其一，水溫上升是先快后慢，為熱的傳遞規(guī)律提供例證;其二，水沸騰時(shí)的溫度并非固定在100 ℃，這與外界的大氣壓強(qiáng)有關(guān);其三，如果換成糖水、食鹽水等液體加熱，學(xué)生通過對(duì)比純水溫度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)新知識(shí)，激發(fā)探究熱情。

（二）金屬與稀酸反應(yīng)的放熱情況探究——“感覺變數(shù)據(jù)”

金屬與稀酸的反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)常見實(shí)驗(yàn)，體系中溫度壓強(qiáng)有變化，教師利用傳感器技術(shù)，可以讓學(xué)生從能量變化的角度深入理解化學(xué)反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)過程如下。首先，筆者選取鎂、鋅兩種金屬各2.0 g，分別加入40 ml約0.2 mol/L的稀鹽酸中，引導(dǎo)學(xué)生探究不同金屬與稀鹽酸反應(yīng)的溶液溫度變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將溫度探頭伸入稀鹽酸中，一段時(shí)間后再加入金屬。然后，筆者選取三種不同濃度的稀鹽酸及鎂，引導(dǎo)學(xué)生探究不同濃度的稀鹽酸與鎂反應(yīng)時(shí)溶液的溫度變化情況。稀鹽酸濃度分別是0.2 mol/L、0.1 mol/L、0.05 mol/L，均用40 ml ;鎂質(zhì)量均為2.0 g（實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

第一，測(cè)得鎂、鋁、鋅與稀鹽酸反應(yīng)的溶液溫度變化曲線（如圖8）。

實(shí)驗(yàn)證明：鎂與稀鹽酸反應(yīng)劇烈，溶液溫度變化明顯;鋅與稀鹽酸反應(yīng)較慢，溶液溫度略微上升。

第二，測(cè)得三種濃度的稀鹽酸與鎂反應(yīng)的溶液溫度變化曲線如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)反思：

其一，在0.2 mol/L濃度的鹽酸中浸泡超過30 min，溫度探頭基本無損，說明耐腐蝕性良好，滿足中學(xué)階段的強(qiáng)酸實(shí)驗(yàn)要求。

其二，得到的曲線平滑連貫，對(duì)比明顯，說明設(shè)備信號(hào)傳輸穩(wěn)定，靈敏性好。

其三，實(shí)驗(yàn)中，鋅與稀鹽酸反應(yīng)較慢，放出的氣泡不多，用手觸摸燒杯外壁，基本感覺不到溫度變化，而通過調(diào)整軟件界面上“繪圖選項(xiàng)”參數(shù)，能明顯看出溶液溫度有所上升，將實(shí)驗(yàn)中溫度變化情況準(zhǔn)確而清晰地呈現(xiàn)出來。

其四，證明該反應(yīng)放熱的傳統(tǒng)方式通常是“用手觸摸，感覺發(fā)燙”，即使利用溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，顯示的也不過是瞬時(shí)的溫度，而使用新設(shè)備可以完整記錄溫度變化過程，為抽象的放熱現(xiàn)象提供準(zhǔn)確、可視、直觀的圖像，便于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析，得到的溫度變化曲線也可復(fù)用。

其五，實(shí)驗(yàn)者通過分析溫度變化數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)稀鹽酸三種濃度呈倍數(shù)關(guān)系（4∶2∶1）時(shí)，溶液溫度改變量的最大值（Δt_max）分別約70 ℃、40 ℃、20 ℃，考慮到溶液溫度高時(shí)散熱更快，稀鹽酸濃度與Δt_max大致呈正比關(guān)系，由此可對(duì)反應(yīng)熱進(jìn)行更深入的探索。

（三）測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)——“抽象變直觀”

科粵版《化學(xué)》九年級(jí)上冊(cè)“空氣的成分”一節(jié)中，測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)是重要內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)是中考?？键c(diǎn)，題型變化多樣。測(cè)定空氣中氧氣含量作為初中化學(xué)第一個(gè)較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，對(duì)于初次接觸化學(xué)課程的學(xué)生具有啟蒙意義。雖然氣壓不可見，但是筆者使用新設(shè)備可以將裝置內(nèi)的氣壓變化情況外顯為數(shù)值變化或曲線變化（如圖10），實(shí)現(xiàn)可視化教學(xué)，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度。

教學(xué)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述如下。

1.課堂引入環(huán)節(jié)，教師用小實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生探究影響裝置內(nèi)氣壓變化的兩個(gè)因素：利用氣球套住錐形瓶口，加熱，觀察氣壓狀況;捏住膨脹的氣球，松開手，氣球變扁。

教師：如果裝置容積固定，氣壓與哪些因素有關(guān)？

學(xué)生：溫度、裝置內(nèi)氣體分子數(shù)目。

【設(shè)計(jì)意圖】教師通過兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生探究影響氣壓的因素，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)作鋪墊。

2.設(shè)備講解：教師介紹新設(shè)備，強(qiáng)調(diào)用設(shè)備能顯示氣壓變化曲線。

3.演示實(shí)驗(yàn)：教師檢查裝置氣密性，點(diǎn)燃紅磷，封閉活塞，冷卻后，6分鐘內(nèi)得到氣壓變化曲線（如圖11）。

教師：大家看溫度變化曲線?，F(xiàn)在將曲線分成4部分，用字母標(biāo)注。AB段實(shí)驗(yàn)開始前，數(shù)值為98.18 kPa。大家觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)，B點(diǎn)開始封閉活塞，BC段氣壓快速上升，CD段氣壓又快速下降，DE段基本保持不變，數(shù)值為91.12 kPa。請(qǐng)問：實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，氣壓保持不變，等于多少？這個(gè)數(shù)值約等于什么？

學(xué)生：大氣壓力。

教師：剛剛說，對(duì)于固定容積的裝置，氣壓與溫度、氣體分子數(shù)目有關(guān)。那么，圖中BC段氣壓首先上升快速，主要受哪個(gè)因素影響？

學(xué)生：溫度，紅磷燃燒放熱。

教師：CD段氣壓為什么又快速下降？主要是哪個(gè)因素影響的？

學(xué)生：氣體分子數(shù)目，紅磷燃燒消耗了O₂分子，生成固態(tài)的五氧化二磷。

【設(shè)計(jì)意圖】教師演示，并引導(dǎo)學(xué)生觀察氣壓曲線變化情況。隨后，教師通過提問，引導(dǎo)學(xué)生思考，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

教師：按照理論的數(shù)值，DE段氣壓最后會(huì)接近哪個(gè)數(shù)值？計(jì)算一下。

學(xué)生：98.18×4/5=78.54（kPa），理論值應(yīng)該是78.54 kPa左右。

教師：實(shí)際上，DE段數(shù)值為91.12 kPa，與理論值相差約12 kPa。為什么出現(xiàn)較大誤差？

學(xué)生：可能是裝置漏氣。

學(xué)生：可能紅磷的量不足。

學(xué)生：可能是里面的氧氣沒有消耗完。

學(xué)生：可能是設(shè)備不夠精確。

教師：上述原因都可能存在，能不能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

【設(shè)計(jì)意圖】教師承認(rèn)存在實(shí)驗(yàn)誤差，并讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)，主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)探究中，將待研究的問題作為小型課題，在課外探究，與課程后面的知識(shí)學(xué)習(xí)（“檢查裝置氣密性”“物質(zhì)的燃燒”等）遙相呼應(yīng)。

至此，教師通過實(shí)驗(yàn)獲得氣壓變化曲線，在交流中，讓學(xué)生自主思考，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。教師通過新設(shè)備的簡(jiǎn)單應(yīng)用，實(shí)時(shí)、直觀、準(zhǔn)確地顯示了裝置內(nèi)氣壓的變化情況，讓學(xué)生根據(jù)外顯的信息，更直觀地理解變化過程，較輕松地掌握知識(shí)要點(diǎn)，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)誤差，調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主探索、主動(dòng)研究的熱情，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和動(dòng)手能力。

三、展望

近年來，在中小學(xué)科技教師隊(duì)伍建設(shè)方面，一些地區(qū)加大了應(yīng)用軟硬件教學(xué)的培訓(xùn)力度，在中小學(xué)科技創(chuàng)新類型比賽中，有些地區(qū)加入了傳感器和單片機(jī)等方面的內(nèi)容，說明傳感器（手持技術(shù)）教學(xué)越來越受到重視。筆者認(rèn)為，低成本自制手持設(shè)備，在教學(xué)中有較高的應(yīng)用價(jià)值，也有廣闊的開拓前景。

其一，筆者自制簡(jiǎn)單易用的手持設(shè)備可應(yīng)用于中學(xué)多學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科協(xié)同下的STEM教育，幫助學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。

其二，此設(shè)備尚有改善的空間，如擴(kuò)大溫度和氣壓測(cè)量范圍，加裝外殼，通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，可進(jìn)一步提升設(shè)備的功能。

其三，此設(shè)備基本框架為溫度探頭/氣壓探頭+數(shù)據(jù)采集器+電腦軟件。通過調(diào)試，可與其他類型探頭相容，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其他類型傳感器的低成本改造，如pH傳感器、各種分子離子傳感器等。

其四，教師可與高職院校（如嵌入式工程、硬件工程專業(yè)）合作，開展傳感器教學(xué)研究活動(dòng)，助力產(chǎn)教融合，同時(shí)解決在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)推廣手持技術(shù)的難題，促進(jìn)教育公平。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅嘉.數(shù)字化傳感技術(shù)與初中化學(xué)教學(xué)的整合研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2014：15-17.

（作者梁健恒系廣東碧桂園職業(yè)學(xué)院教師;李運(yùn)洪系廣東省清遠(yuǎn)市清新區(qū)第二中學(xué)教師）