以开源电子平台开发简易光度计及菠菜中铁元素的测定

叶梅 肖信 罗秀玲

摘要：基于Arduino（一种开源电子平台）技术，自主设计与开发了一款简易光度计。并从实验原理、装置开发、实验用品、实验步骤和实验结果等方面，介绍该装置用于“菠菜中铁含量的测定”实验，且与专业型分光光度计的测试结果对比，表明该简易光度计的测定数据可信。另在广州某中学两个高一平行班中开展了开发简易光度计及实验测定的课堂教学实践。

关键词：开源电子平台；铁元素分析；简易光度计；实验探究

1 引言

《普通高中化学课程标准》把科学探究与创新意识放在了突出的位置，强调发展学生科学探究能力的重要性^[1]，旨在促进学生学习方式的转变，在探究过程中获取知识并深入理解客观世界，培养学生的创新精神和实践能力。研究表明，发展学生科学探究能力的有效方式是进行科学实验^[2]。实验能给学生带来直观的感受，提高学生的课堂参与度，积极促进中学化学教学的开展。通过实验探索，激发学生求知欲，有助于学生对特定现象进行科学解释，对问题解决方案提出创造性的建议，发展学生的核心素养。

为落实“培养学生科学探究能力，发展学生化學核心素养”的理念，人教版高中化学必修第一册教科书在第71页设置了“检验食品中的铁元素”这一研究与实践活动^[3]，学生通过动手实践，完成对食品中铁元素的检验，形成物质检验的一般思路与方法。教材中“检验菠菜中的铁元素”的步骤有研磨、稀硝酸氧化、滴加硫氰化钾溶液显色等，这是定性检验。在化学教学中，非常有必要渗透“量”的概念，通过定量实验，促进学生的探究由定性水平走向定量水平，这对于发展学生解决实际问题的能力至关重要。目前，已有不少文献对食品中铁元素进行了定量探究，如采用色度传感器测定黑木耳中的铁元素^[4]，又如利用数字化手持技术测定学生午餐中菠菜的铁元素含量^[5]。然而，从仪器成本、配备数量和实验创新等方面考虑，适用于学生随时随地开展实验探究的优质教学资源尚欠缺充分性和灵活性，难以满足教学的多元化需求。鉴于此，本研究借助新兴的开源电子平台Arduino，自主设计与开发简易光度计，并应用于高一化学研究与实践活动中的“菠菜中铁含量的测定”。最后收集师生对Arduino简易光度计的使用体验，为后续改进提供方向，也为化学教学提供借鉴和启示。

2 Arduino简介

近年来，随着电子信息技术的快速发展和创客教育的不断推进，出现了新兴的Arduino开源电子平台。它是一种极简化的微型计算机，可以与各种传感器连接，测量和收集可靠准确的数据。且主机和传感器的价格都极为低廉，有助于普及推广，帮助学生进行科学探索，受到了不少教育研究者的青睐。如Seong-Joo Kang团队^[6]结合Arduino、压强传感器和电磁阀，开发了基于Arduino的二氧化碳喷泉装置（图1）。首先在500 mL的圆底烧瓶中充满CO₂，并加入50 mL 2.0 mol/L的NaOH溶液，立即用橡胶隔膜封闭圆底烧瓶口，然后，按照图1组装好实验装置，此时，电磁阀处于关闭状态。随着CO₂与NaOH反应，烧瓶内压强不断降低，其数值通过压强传感器监测。当烧瓶内压强小于代码上的设置值时，Arduino向电磁阀发出信号，阀门打开，烧杯中的水被压入圆底烧瓶中，形成喷泉。

国内研究者也开始了初步探索，但主要集中在物理、电子和信息技术等学科，将Arduino应用于中学化学实验教学的研究还极少。以“Arduino”为主题在中国知网（CNKI）进行检索，得到6872个结果，但进一步在结果中检索，将主题限定为“化学”，只得到2篇相关文献。许金等人^[7]基于Arduino平台开发了新型的可见光浊度检测仪，用于对日常生活用水的水质进行监测。李嘉^[8]基于Arduino技术，利用AS7341传感器、全彩LED灯珠、聚光透镜、蓝牙芯片搭配3D打印技术设计了掌上分光光度计。这些文献资料为后续开发提供了很好的启发和借鉴，但从装置的针对性和方便性，以及促进学生理解知识的有效性等方面还有待进一步探索。

3 基于Arduino的简易光度计的设计开发

3.1 实验原理

基于朗伯-比尔定律 （Lambert-Beer law） ，结合硫氰化钾色度法检测Fe³⁺的原理，自主开发了Arduino简易光度计。朗伯-比尔定律是指当一束特定波长的光通过具有一定厚度的吸收介质时，一部分光会被介质吸收，从而导致透射光的强度减弱，光吸收的程度与吸光物质的浓度及液层厚度间存在如下关系：

其中为吸光度，I₀为入射光强度，I_t为透射光强度，T为透射率，K为吸收系数，l为吸收介质的厚度，为吸收介质的浓度。Fe³⁺的硫氰酸铁络合物呈红色，主要吸收蓝光，因此光源可直接采用蓝色LED灯（λ=450 ± 20 nm）代替分光设备。

实验过程中，先测定系列浓度Fe³⁺的硫氰酸铁络合物的吸光度，对数据进行线性回归（），拟合出浓度与吸光度值的关系系数。然后将方程式写在算法中，当测量未知浓度的样品时，只需获得吸光度数值即可代入公式，换算得到被测体系中的Fe³⁺浓度。

3.2 装置开发

首先设计和连接电路。装置的核心是Arduino开发板，配件包括光敏电阻传感器、蓝LED灯（光源）、LCD液晶显示屏、按键开关，以及Arduino扩展板和USB数据线等，图2是电路连接示意图，扩展板的意义在于使线路连接更加简便。在电路连接中，将光敏电阻传感器的A0引脚接到扩展板的A0引脚；LED灯的IN引脚接到扩展板的引脚9；按键开关的OUT引脚接到扩展板的引脚2；LCD屏的CS、DC、RES、SDA、SCL引脚分别接扩展板的3、4、5、6、7引脚；VCC连接到扩展板的5V引脚；GND连接到扩展板的地线引脚。所有引脚数字在Arduino扩展板上均有明确标识。整套装置的造价约为210元。

然后，打开个人电脑上的Arduino官方IDE开发环境（运行于Windows上的编程软件），编写代码并进行测试。测试后，将程序上传到主机，即可脱离电脑独立运行。算法上，吸光度是透射率倒数的对数，而透射率被定义为透射光强与入射光强的比值，故只需使用光敏电阻传感器获得入射光强与透射光强（光强越强，则电阻值越小），具体满足如下比例关系：

此外，引入一个按键用于参考溶液的测量。当按下按键时，程序缓存参考溶液的电压值即；当测定某一浓度的溶液时，传感器读取此时的电压值即，通过计算它们的比值即可得到透射率，然后再转换成吸光度。其中，按键的状态可通过读取其电平高低来判断（按下时处于高电平，否则为低电平）。

3.3 实验仪器、试剂等

仪器：自制Arduino简易光度计、电子天平（型号：JJ224BF）、马福炉、坩埚、移液管、玻璃比色皿、试管、洗耳球、漏斗、滤纸、烧杯、玻璃棒。

试剂：稀硫酸（广州化学试剂厂，AR）、过氧化氢溶液（广州化学试剂厂，AR）、硫氰酸钾溶液（广州化学试剂厂，AR）、蒸馏水、适量新鲜菠菜。

3.4 实验步骤

教学前，教师先进行样品的预处理。称取10 g干净新鲜的菠菜在马福炉中煅烧（800℃，6h），将灼烧产物加入20 mL 0.2 mol/L稀硫酸充分溶解。混合液过滤后获得上层清液，在上层清液中加入4 mL的5%双氧水将样品中的铁全部氧化为Fe³⁺。

课堂教学中，在教师的引导下，学生将Arduino简易光度计与电脑连接（见图3）。打开电源，先以蒸馏水为参比溶液，将装有蒸馏水的比色皿放置于样品池中，按下按键，记录实验数据。接着，在预处理好的样品溶液中滴加3～4滴浓度为3 mol/L的硫氰化钾溶液，并移取到比色皿中，放入样品池，记录实验数据。根据实验得到的吸光度数值，换算成样品溶液中Fe³⁺的浓度，进而计算出10 g新鲜菠菜中的铁含量。

3.5 实验结果

实验得出Fe（SCN）₃溶液浓度在低于0.0001 mol/L的范圍时，吸光度与浓度之间满足线性关系：y=231.86114x+0.02474（R²=0.9559），其中y表示吸光度，x表示浓度。在课堂教学中，学生通过实验，测得菠菜样品的吸光度为0.033，在设备可测的线性范围内。再根据菠菜溶液总体积为32.5 mL，从而计算得到每10 g菠菜中铁含量为0.06484 mg。本测试结果在专业文献报道的范围内^[9]。进一步将数据与专业型的紫外-可见分光光度计（UV-1800.日本岛津）比较，误差范围在5%以内，表明该简易光度计的测定数据可信。

4 实践案例

选取了广州市某重点中学两个高一平行班进行教学实践，其中实验班50人，对照班52人，两个班为同一任课教师。实践后，采用半结构化访谈法，收集师生对Arduino实验装置应用于化学教学的反馈。

多数学生表示将Arduino微控制器运用于课堂教学很新奇，认为将信息技术、化学原理和线路连接等知识结合，具有创新性和挑战性。能随时随地根据实验需求，修改与设定参数，操作简便，具有很强的实用性。学生认为这样的实验探究能直观观测实验数据的变化，揭示现象背后的原理，可以加深对知识的理解，希望在未来学习中能多接触这样的创新实验。访谈还意外发现不少学生已经接触过Arduino的相关产品，甚至有些学生可以利用Arduino制作简单的智能玩具。

同年级的其他任课教师认为将Arduino技术应用在课堂中具有双面性。优点是形式新颖，能给学生直观形象的认识，作为一个开源电子平台，更能激发学生的奇思妙想，容易受到学生的欢迎。开展基于Arduino的创新实验课堂，带领学生定量检测菠菜中的铁含量，能有效发展学生的定量思维。该简易光度计的检测原理与实验室专用的分光光度计相同，还能根据教学需求随时随地修改与设定参数，且整套装置的开发成本较低，具有平民化和开放性等优点。但对于不具备编程知识或不熟悉软件应用的老师来说，开发这样的创新教学工具会花费较多时间和精力，这是主要的缺点。

最后，教师表示利用自主开发的简易科学小工具来发现和解决生活中的问题非常值得提倡。在课堂中使用Arduino技术，打造一个多学科融合的教学体系，就如当前流行的STEM教育，不仅可以辅助学生完成学科知识的学习，还可以进行课外知识的延伸，实现在实践中提升学生的科学探究能力与创新意识，真正实现“做中学”。未来教育中，利用Arduino技术开发其它实验工具值得期待，如让学生自主探究与开发可用于检测酒驾、空气质量等的简易装置，使化学和技术更好地融入学生生活。

5 结语

Arduino作为一种开源电子技术，装置开发成本低，具有良好的创新空间，既能很好地应对中学实验资源不足的问题，也能有效推动教育教学方式的转变。其开发与应用涉及科学原理性知识、信息技术和工程设计等内容的理解与应用，特别适合应用于跨学科实践活动，发展学生的核心素养，培养学生的创新意识。展望未来，将Arduino技术应用于中学化学课堂教学，顺应时代信息化的发展趋势，符合新课改的理念与要求，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[2] 孙佳林，郑长龙. 中学化学实验教学发展历程回顾及启示（下） [J]. 化学教育，2018，39（15）：44-48.

[3] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心. 普通高中教科书：化学必修第一册[M]. 北京：人民教育出版社，2019：71.

[4] 张馥，康天泓，乔元桢，范雨美，于海鹰.黑木耳铁含量测定的实验探索[J].化学教学， 2017， （11）： 62-65.

[5] 荣凤娜，姚澄.学生营养午餐中铁元素含量的测定[J].化学教学， 2018， （07）： 70-74.

[6] Seong-Joo Kang，Hye-WonYeo，Jihyun Yoon. Applying Chemistry Knowledge to Code， Construct， and Demonstrate an Arduino–Carbon Dioxide Fountain[J]. Journal of Chemical Education， 2019，96（2）： 313-316.

[7] 許金，李姮，叶懋. 基于Arduino的可见光浊度检测创新实验设计[J]. 实验技术与管理， 2019， 36（08）： 57-60+64.

[8] 李嘉.掌上分光光度计的开发及应用[J].化学教育（中英文）， 2022， 43（07）： 84-92.

[9] 周晓霞， 冯雪，赵亚利.分光光度法测定菠菜中铁的含量[J].河北化工，2011， 34（08）： 72-75.