自制手持设备提升化学课堂教学

梁健恒??李运洪

手持技术在国内兴起十余年，该技术的应用对学生综合素质和教师教学水平的提升起到积极作用。然而，手持设备相对昂贵，制约其发展^[1]。笔者研究当前较为成熟的传感器技术，购置相关模块和配套程序，组装气压测量仪和温度测量仪进行测试。低成本自制手持设备，改进中学化学实验教学，可助力学生提高化学学科核心素养。

一、自制手持设备及其性能

笔者制作设备分硬件设计和软件设计两部分进行。笔者以集成度高的电子模块为基础，按电路原理图组装部件。此设备由温度传感器（DS18B20）、气压传感器（MSP20）、数据处理器（Arduino Nano）、OLED屏、软件界面五部分构成。温度传感器和气压传感器采集的各种实验数据，经过数据处理器处理，传递到软件界面，在电脑屏幕上以数字或曲线形式显示。总体上，就是这样自制温度—气压测量仪（如图1）。

（一）硬件与软件的设计

1.温度传感器

测温方面，笔者用DS18B20温度传感器作为探头，测温范围在-55 ℃到125 ℃。特别地，在-1℃到85 ℃范围内精确度达到±0.5 ℃。信号测量以数字传输方式进行，这样大大提高了抗干扰能力，可确保数据稳定性。笔者对传感器探头进行不锈钢封装，既防水又耐腐蚀。

2. MSP20气压传感器

笔者选用的是MPS20气压传感器（如图2），用XGZP型压阻式压力传感器作为探头。当弹性膜片受到压力时，集成电路中的惠斯通电桥会产生一个线性电压信号（mV）输出。输出直流模拟信号范围在1.0 V至3.0 V。默认1 V表征大气压强，校准为100 kPa，2V时约为140 kPa。检测量程范围为50 kPa至200 kPa。

3.数据处理器（单片机）

笔者用数据处理器Arduino Nano搭配Arduino IDE平台进行设计（如图3），使设备具有强大的数据采集、数据分析、数据筛选功能。实验过程中，学生用此设备能有效处理气压传感器和温度传感器采集的大量数据，并把数据传递到软件界面。

4.软件界面

笔者选用的实验软件都可以自由切换“数据界面”或“曲线界面”。通过设置界面参数，笔者用这些软件可以更好地显示数据的细微变化。此次实验的温度测量仪软件界面如图4所示。气压测量仪软件界面与之类似。

软件设计部分：设备搭配Arduino IDE平台，写好了代码。

（二）设备的性能特点

此设备与市售传感器相比，具有以下特点。

1.廉价

笔者组装设备采用的都是市场上通用的模块，技术成熟，成本低廉，实用性强（见表1）。

2.便携

组装设备具有体积小、重量轻、携带方便、耐用性好等优点，适用于多种实验场合。数据可实时、直观显示，并能有效保存。师生可随时进行定量实验。

3.准确

实验数据精度达0.5%，完全满足中学化学实验中数据精确度的要求。

二、教学案例分析

组装的新设备可以应用于物理、化学、生物学等学科实验中，笔者选取初中阶段几个常见的实验举例说明。

（一）水的沸腾——“普通之处显细微”

实验过程：利用普通酒精灯加热70 ml水，加热35 min后沸腾，沸腾时水温稳定在92 ℃（如图5和图6）。

实验反思：将新设备与普通水银温度计对比，两者的示数基本相同，证明新设备测温的准确度较高。加热水至沸腾是一个普通实验，新设备的应用使水沸腾过程中温度变化的细微之处充分显露。这有利于揭示新知或验证规律：其一，水温上升是先快后慢，为热的传递规律提供例证;其二，水沸腾时的温度并非固定在100 ℃，这与外界的大气压强有关;其三，如果换成糖水、食盐水等液体加热，学生通过对比纯水温度变化曲线，可以发现新知识，激发探究热情。

（二）金属与稀酸反应的放热情况探究——“感觉变数据”

金属与稀酸的反应是中学化学常见实验，体系中温度压强有变化，教师利用传感器技术，可以让学生从能量变化的角度深入理解化学反应。

实验过程如下。首先，笔者选取镁、锌两种金属各2.0 g，分别加入40 ml约0.2 mol/L的稀盐酸中，引导学生探究不同金属与稀盐酸反应的溶液温度变化。实验时，先将温度探头伸入稀盐酸中，一段时间后再加入金属。然后，笔者选取三种不同浓度的稀盐酸及镁，引导学生探究不同浓度的稀盐酸与镁反应时溶液的温度变化情况。稀盐酸浓度分别是0.2 mol/L、0.1 mol/L、0.05 mol/L，均用40 ml ;镁质量均为2.0 g（实验装置如图7所示）。

实验结果如下。

第一，测得镁、铝、锌与稀盐酸反应的溶液温度变化曲线（如图8）。

实验证明：镁与稀盐酸反应剧烈，溶液温度变化明显;锌与稀盐酸反应较慢，溶液温度略微上升。

第二，测得三种浓度的稀盐酸与镁反应的溶液温度变化曲线如图9所示。

实验反思：

其一，在0.2 mol/L浓度的盐酸中浸泡超过30 min，温度探头基本无损，说明耐腐蚀性良好，满足中学阶段的强酸实验要求。

其二，得到的曲线平滑连贯，对比明显，说明设备信号传输稳定，灵敏性好。

其三，实验中，锌与稀盐酸反应较慢，放出的气泡不多，用手触摸烧杯外壁，基本感觉不到温度变化，而通过调整软件界面上“绘图选项”参数，能明显看出溶液温度有所上升，将实验中温度变化情况准确而清晰地呈现出来。

其四，证明该反应放热的传统方式通常是“用手触摸，感觉发烫”，即使利用温度计进行测量，显示的也不过是瞬时的温度，而使用新设备可以完整记录温度变化过程，为抽象的放热现象提供准确、可视、直观的图像，便于学生对实验过程进行分析，得到的温度变化曲线也可复用。

其五，实验者通过分析温度变化数据发现，当稀盐酸三种浓度呈倍数关系（4∶2∶1）时，溶液温度改变量的最大值（Δt_max）分别约70 ℃、40 ℃、20 ℃，考虑到溶液温度高时散热更快，稀盐酸浓度与Δt_max大致呈正比关系，由此可对反应热进行更深入的探索。

（三）测定空气中氧气含量实验——“抽象变直观”

科粤版《化学》九年级上册“空气的成分”一节中，测定空气中氧气含量实验是重要内容。该实验是中考常考点，题型变化多样。测定空气中氧气含量作为初中化学第一个较复杂的实验，对于初次接触化学课程的学生具有启蒙意义。虽然气压不可见，但是笔者使用新设备可以将装置内的气压变化情况外显为数值变化或曲线变化（如图10），实现可视化教学，降低学生学习难度。

教学设计简述如下。

1.课堂引入环节，教师用小实验引导学生探究影响装置内气压变化的两个因素：利用气球套住锥形瓶口，加热，观察气压状况;捏住膨胀的气球，松开手，气球变扁。

教师：如果装置容积固定，气压与哪些因素有关？

学生：温度、装置内气体分子数目。

【设计意图】教师通过两个小实验，激发学生学习兴趣，引导学生探究影响气压的因素，为后续实验作铺垫。

2.设备讲解：教师介绍新设备，强调用设备能显示气压变化曲线。

3.演示实验：教师检查装置气密性，点燃红磷，封闭活塞，冷却后，6分钟内得到气压变化曲线（如图11）。

教师：大家看温度变化曲线。现在将曲线分成4部分，用字母标注。AB段实验开始前，数值为98.18 kPa。大家观察曲线可以发现，B点开始封闭活塞，BC段气压快速上升，CD段气压又快速下降，DE段基本保持不变，数值为91.12 kPa。请问：实验开始时，气压保持不变，等于多少？这个数值约等于什么？

学生：大气压力。

教师：刚刚说，对于固定容积的装置，气压与温度、气体分子数目有关。那么，图中BC段气压首先上升快速，主要受哪个因素影响？

学生：温度，红磷燃烧放热。

教师：CD段气压为什么又快速下降？主要是哪个因素影响的？

学生：气体分子数目，红磷燃烧消耗了O₂分子，生成固态的五氧化二磷。

【设计意图】教师演示，并引导学生观察气压曲线变化情况。随后，教师通过提问，引导学生思考，得出实验结论。

教师：按照理论的数值，DE段气压最后会接近哪个数值？计算一下。

学生：98.18×4/5=78.54（kPa），理论值应该是78.54 kPa左右。

教师：实际上，DE段数值为91.12 kPa，与理论值相差约12 kPa。为什么出现较大误差？

学生：可能是装置漏气。

学生：可能红磷的量不足。

学生：可能是里面的氧气没有消耗完。

学生：可能是设备不够精确。

教师：上述原因都可能存在，能不能设计实验进行验证。

【设计意图】教师承认存在实验误差，并让学生自己设计，主动参与到实验探究中，将待研究的问题作为小型课题，在课外探究，与课程后面的知识学习（“检查装置气密性”“物质的燃烧”等）遥相呼应。

至此，教师通过实验获得气压变化曲线，在交流中，让学生自主思考，得出实验结论。教师通过新设备的简单应用，实时、直观、准确地显示了装置内气压的变化情况，让学生根据外显的信息，更直观地理解变化过程，较轻松地掌握知识要点，降低了学生学习难度。同时，教师引导学生分析实验误差，调动了学生自主探索、主动研究的热情，有助于培养学生的探索精神和动手能力。

三、展望

近年来，在中小学科技教师队伍建设方面，一些地区加大了应用软硬件教学的培训力度，在中小学科技创新类型比赛中，有些地区加入了传感器和单片机等方面的内容，说明传感器（手持技术）教学越来越受到重视。笔者认为，低成本自制手持设备，在教学中有较高的应用价值，也有广阔的开拓前景。

其一，笔者自制简单易用的手持设备可应用于中学多学科实验教学，有利于实现跨学科协同下的STEM教育，帮助学生进行探究性学习和项目式学习。

其二，此设备尚有改善的空间，如扩大温度和气压测量范围，加装外壳，通过蓝牙模块实现无线数据传输，可进一步提升设备的功能。

其三，此设备基本框架为温度探头/气压探头+数据采集器+电脑软件。通过调试，可与其他类型探头相容，同时实现其他类型传感器的低成本改造，如pH传感器、各种分子离子传感器等。

其四，教师可与高职院校（如嵌入式工程、硬件工程专业）合作，开展传感器教学研究活动，助力产教融合，同时解决在经济欠发达地区推广手持技术的难题，促进教育公平。

参考文献

[1] 罗嘉.数字化传感技术与初中化学教学的整合研究[D].苏州：苏州大学，2014：15-17.

（作者梁健恒系广东碧桂园职业学院教师;李运洪系广东省清远市清新区第二中学教师）