数字化化学实验仪器的开发与教学应用

数字化化学实验仪器的开发与教学应用

魏清远

广东梅县东山中学，广东 梅州 514017

摘要：借助传感器进行的数字化化学实验能够利用电信号多角度准确收集多种实验数据，是对传统化学实验的有效补充与拓展。充分开发数字化化学实验，有利于丰富学生的实验观测角度，激发学生的创造力与想象力，培养学生的化学学科核心素养，也有利于提高教师的化学教研水平，促进教师的专业发展。

关键词：数字化化学实验；Arduino；树莓派；教学应用

数字化化学实验，是使用信息技术，通过传感器和配套软件定量采集实验过程的电信号数据，并通过计算机记录并转换处理数据，可将化学实验过程的变化以数据图像形式呈现。数字化实验起源并发展于美国，于 20 世纪 90 年代进入我国中学化学领域，相比传统化学实验仅用人体感官或温度计等传统计量仪器收集颜色、状态、气味、温度等信息，借助传感器进行的数字化实验能够利用电信号传输迅速、准确地收集pH值、浓度、电导率、压强、温度、色度、浊度、特定物质浓度等多种数据，同时在配套软件的辅助下可储存数据、分析数据绘制对应数据变化曲线等，是对传统化学实验的有效补充与拓展。如在酸碱中和滴定等数据逐步变化的实验中，传统实验仅能借助指示剂或物质特征变化观察特定的典型突变点，不能将实验过程的逐步变化很好地展现；借助pH传感器或温度传感器，可将整个实验的变化过程通过数据及数据变化曲线良好呈现出来，加深学生对实验过程的认识与理解，在化学教学中具有非常好的辅助作用。随着硬件设施和信息技术的不断更新，数字化实验设备和数字化实验应用都在迅速发展，传感器种类越来越丰富，实验仪器的智能性、便携性、精确度、应用范围等都有了很大的提高。

1 数字化实验仪器的发展与教学应用现状

1.1 基于仪器厂商研发平台的数字化实验仪器

国外的传感器化学实验仪器有德州仪器(TI)、威尼尔(Vernier)、帕斯科(PASCO)等品牌，国内的传感器化学实验仪器有上海雷磁、南大万和等，随传感器设备的普及，生产传感器类化学实验仪器的厂商还在不断增加。仪器厂商研发的数字化实验仪器一般由传感器、数据采集器、分析软件、数据处理器(或连接计算机)组成。随着技术的发展，数字化实验仪器出现了小型化、便携化、无线化、测定精确度提高、可测定对象扩大的特征。以往的数字化仪器一般需连接计算机安装软件后由计算机处理数据，输出结果，当前不少数字化仪器可以连接蓝牙模块或WIFI模块代替数据线传输数据，实验仪器出现无线化的特征。同时传感器可连接小型手持数据处理器处理数据，甚至设备集成化内置处理器、存储器、电池，直接处理数据并通过显示屏显示数据结果，不再需要计算机辅助。最近还出现了与 Google Chrome Book连接的数字化实验装置，实验数据处理、存储均在云端完成。受益于传感器技术的发展，当前的数字化实验仪器的传感器趋于小型化、多功能化，某些传感器如空气质量传感器能同时测定PM2．5、 甲醛、温度、湿度四个物理量。在使用恰当的情况下，借助基于传感器的数字化实验仪器，可以实现对传统实验从精确数据角度更快更简单实现验证，甚至实现多角度的验证探究。如借助色度计、分光计快速实现对胆矾结晶水含量的分析，摆脱了热重分析法耗时久、操作繁琐的不足。如二氧化碳与氢氧化钠反应，数字化实验可以通过压强、pH值、温度等多种角度借助传感器测定数据进行验证；空气中氧气含量的测定实验既可以通过氧气传感器进行验证，也可以通过压强传感器进行验证，相比传统实验有更多的验证路线。基于仪器厂商研发平台的数字化实验仪器的主要优点在于设备质量稳定、软件完善性较好、数字测定精确度和稳定性较高，缺点在于这类仪器的售价高昂、配件亦价格不菲，且兼容性一般较差，有特定规格的数据接口和非通用软件，只能兼容自身或有合作关系品牌的传感器，不能使用市场上的其他同类型传感器替代。

1.2 基于Arduino和Raspberry Pi(树莓派)平台的数字化化学实验仪器

Arduino是一个可快速开发的开源电子原型平台，其硬件为增强型单片机。Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内可以任意修改原始设计及相应代码，硬件接口丰富，可以免费从网络获得平台电路原理图、开发接口等，非常适合二次开发。Arduino平台可以通过主控电路板连接大量的各类输入模块如pH计传感器、温度传感器、压力传感器、浊度传感器、色度传感器等获取电信号信息，同时可以连接输出传感器如各类显示输出模块和电机控制模块等输出测定数据或输出预设电控信号。自2005年Arduino被开发设计出来至今，因其开源平台的优势，被大量应用于开发各种电子产品，如开发智能车、机器人等各种智能化电子设备。

Raspberry Pi(树莓派)是一种基于Linux系统和ARM 架构芯片的微型计算机主板，可运行 Linux 或Win10操作系统。树莓派只有信用卡大小，却具有电脑的所有基本功能，其设计目的是以低价硬件及自由软件推广计算机相关学科的教育，培养青少年计算机程序设计的兴趣和能力。连接键盘、鼠标和显示设备后，树莓派主板可以替代日常桌面计算机完成多种用途，包括网页浏览、文字处理、电子表格、视频播放和游戏等。

在国内，Arduino和树莓派两种平台都因其低廉的硬件成本和便于快速学习入门的软件平台而被广泛应用于智能电子产品的开发及应用。相较于Arduino，树莓派作为微型计算机则可以实现网络通信、视频图像处理等更复杂的功能。而Arduino平台虽相对于树莓派平台智能化较低，其设计初衷就是为了获取便宜好用的微控制器，硬件成本又更低，因此应用研究更多更广泛。这两个平台应用于计算机技术课程教育，有大量的结合两个平台进行硬件开发应用的教学案例，同理也可以应用于开发设计pH计等数字化化学实验仪器。Arduino平台的智能性在于还能根据输入数据实现对外界设备的预设控制，如马雄雄基于Arduino平台开发设计了实验控制主机，在设定参数后，实现了对实验操作的智能化控制，在保证一氧化碳还原氧化铜实验展示效果的同时，使实验安全性得到提升，尾气处理得到良好保障。在教学过程中，笔者与同事合作，从淘宝平台购入Arduino开发板和对应传感器，也成功地开发出了pH计、浊度计、电子温度计等数字化实验仪器，硬件成本远低于实验仪器厂商的供应价格，成本十分低廉。将其应用于课堂教学后，相较传统实验教学，明显更好地调动了学生的学习兴趣和学习热情。自制数字化实验仪器的局限处在于从公开市场采购的传感器类型较少，测定的精度和稳定性不一定能达到实验要求，需要开发者去试验，同时，需要传感器厂商提供相应的底层程序代码，否则也较难完成对应的开发设计。因此，基于Arduino和树莓派等平台自制数字化化学实验仪器有利有弊，需要一定的时间和技术，但是能够大幅度降低实验的仪器成本。

2 数字化实验对化学教学的意义

数字化实验是对传统实验观测方法的重要补充，对化学教学有多方面的积极意义。

2.1 数字化实验是对传统实验观测方法的重要补充与改进

数字化实验教学借助传感器的电信号能迅速、准确地收集并记录pH值、浓度、电导率、压强、温度、色度、浊度、特定物质浓度等多种数据，一是能有效补充实验数据，为实验提供有力支撑，如酸碱中和滴定实验中，传统实验方式为使用指示剂辅助滴定，整个滴定过程仅有滴定终点的指示剂颜色变化特征，借助数字化传感器实验仪器，教师可以从pH、温度变化、电导率变化等多重特征向学生展现实验过程的变化，解决了实验现象难观察的问题；二是借助数字化实验仪器，能从多个角度对同一化学实验进行验证，如空气中氧气含量的测定，借助氧气传感器和压强传感器，可以从不同角度进行实验验证；三是数字化实验的引入，可以从原理上改变实验设计方案，如胆矾中结晶水含量的测定，传统实验教学方案为热重分析法，步骤繁琐、操作复杂、耗时久、易失误，借助色度计、分光计可以快速准确完成实验测定，这更有利于培养学生的学习兴趣和调动他们的学习热情。

2.2 数字化实验教学，对培养学生化学学科核心素养具有重要帮助

在数字化实验中，信息技术与学科教学深度融合，学生除了使用传统的观测手段对化学实验进行观察记录，还能根据数字化实验仪器所记录的数据进行整理分析，实验现象的记录数据化、定量化，使学生能从更多的视角观察、审视实验，能更精确观察、判断实验的变化与结果。在实验过程中，学生不仅数据和图像分析能力得到培养提高，科学探究的维度、广度和深度得到了拓展，科学探究意识得到激发成长，化学学科核心素养尤其是“证据推理与模型认知”素养也得到了很好的培养。

2.3 数字化实验教学推动课堂实验教学模式变革

2020年9月22日，习近平在教育文化卫生体育领域专家代表座谈会上的讲话中提出：“利用信息技术更新教育理念、变革教育模式”。通过数字化实验仪器的使用，教师不仅优化了化学实验的教学过程，从多个角度向学生展示了实验的变化过程，有助于学生从多个维度深入认识化学实验，同时还有利于引导学生从定性观察到定量观察转变，有利于培养学生分析解决问题的思维能力，学生的化学学科核心素养和信息技术应用能力也有新的认知与提高。数字化实验的应用开展，同样有助于帮助教师对化学实验进一步深入研究，激发教师对化学实验的多维度观察认识，拓宽教师对实验改进和创新的途径，改变教师的化学实验教学思路，提高教师的化学实验教研水平，促进教师的专业发展。

3 结语

化学是一门以实验为主的学科，数字化化学实验，是对传统化学实验的有效补充与拓展。在条件允许的情况下，教师结合数字化实验仪器或结合Arduino和树莓派等开源平台自制数字化实验仪器，充分开发数字化化学实验，有利于丰富学生的实验观测角度，激发学生的创造力与想象力，培养学生的化学学科核心素养，也有利于提高教师的化学教研水平，促进教师的专业发展。

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