以雙向數字化的化學實驗推動項目化學習的嘗試

褚晶 程美芳

摘要：借助雙向數字化學實驗記錄空氣中二氧化碳含量的變化，若超過警戒值則轉化為光和聲的形式輸出，提醒開窗通風改善室內環境。學生發現真實問題，通過前期調研后立項，通過小組分工合作突破復雜的、挑戰性的問題后完成項目。在課堂教學中運用該裝置發現并進行二氧化碳含量測定與報警，項目化學習發展了學生的創新能力，助力了學生素養的提升。

關鍵詞：雙向化、數字化、項目化學習

文章編號：1008-0546（2022）12x-0022-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.005

一、項目選擇

項目化學習（Project based learning簡稱PBL）是一種以建構主義理論為指導，以學生為中心的教學方式，主張學生通過小組合作的學習方式來實施一個完整的項目，用以解決真實世界中某些復雜的、具有挑戰性的問題。[1]

學生們發現自己所處的教室里，在冬天常常長時間門窗緊閉，待在里面時間久了會有昏昏欲睡的感覺，而每次進出教室，總能感受到教室內外溫度、氣味等的巨大差異。同學們閱讀化學課本后知道空氣中二氧化碳的含量為0.03%，即300 ppm，不同濃度的二氧化碳對人體的影響各不相同（見表1）。于是同學們就提出密閉教室內的二氧化碳濃度是多少，需要間隔多長時間開窗透氣的真實問題。

經討論，同學們和老師決定利用二氧化碳傳感、LABQUEST2數據采集器，觀察數據的變化和曲線的變化。但通過實驗發現教室空間大，二氧化碳的濃度短時間內上升不明顯，實驗花費時間很長，學生時刻觀察數據采集器做實驗很顯然不切實際。而如果不觀察，又容易錯過二氧化碳的臨界值以及錯過開窗通風的時間。于是，同學們積極思考，尋找能否實現自動化的辦法，即超過設定值之后可以自動報警。至此經過多輪實驗摸索和討論，基于化學和信息學科的研究冬天教室內二氧化碳含量超標報警的項目成立了。

二、項目研究計劃

在數字化實驗輸出部分，同學們經過比較樂高、TI圖形轉換器、Arduino開發板的難易程度，最終決定選用Arduino開發板。空氣中二氧化碳的含量為0.03%，即300 ppm，若超過一定的值會使人產生不適。用二氧化碳傳感器測定氣體中的二氧化碳含量，編寫程序輸入Arduino開發板中，當傳感器檢測值超過設定值時，小燈亮起，蜂鳴器發出嘀嘀的報警。學生根據報警信號，及時采取開窗等措施改善空氣質量。項目結束后，開發更多的Arduino與傳感器在生活中更多的應用。

1．核心知識

（1）研究實驗所要達到的功能，找到適合項目的雙向數字化實驗工具-Arduino開發板，學習編程軟件，學習輸入輸出的方法。

（2）選擇合適的傳感器，檢測教室中的二氧化碳濃度，反饋環境質量。

（3）根據裝置的功能和目標，提出還有什么方式報警，報警之后怎么處理等問題，從而進行裝置的進一步改進。

2．待解決問題分析

（1）了解數字化化學實驗的趨勢，思考如何實現化學雙向數字化實驗？

（2）什么是Arduino開發板，如何編寫程序？

（3）傳感器怎么與開發板相連接才能實現數據的輸入輸出？

（4）完成實驗后數據的處理分析，實驗方案如何改進？

3．研究流程（見圖1）

三、項目具體實施

任務1：查閱資料，了解數字化實驗趨勢，思考實驗。

第一小組經過查閱文獻形成了一份調查報告。只有輸入的單項數字化實驗中，數據可以記錄、處理，但形式只能以數字、表格、圖像的形式呈現，無法輸出動作，實驗條件的控制還得實驗者手動才能完成。“雙向”化是指除了使用傳感器來獲取、輸入信息，實驗中還會涉及數字化信息的輸出，輸出的信息常以電、光、聲等形式表現出來。在使用雙向接口設備中，這些輸出的動作就可以在程序的控制下通過相應的外圍設備來完成。例如：電的輸出表現為是否發光，還能在強度、顏色等方面有所變化[1]。資料查閱后，學生們選擇了Arduino開發板和威尼爾二氧化碳傳感器共同設計實驗。

任務2：了解Arduino開發板，嘗試編寫程序。

第二小組的學生們對Arduino開發板（見圖2、圖3、圖4）進行了進一步的研究，了解了Arduino開發板是由上層板和下層板組裝而成的，它通過數據線連接電腦，通過Arduino程序編寫軟件在電腦上編寫程序后，再通過數據線傳輸到Arduino開發板上，最后連接二氧化碳傳感器進行二氧化碳數據的測量，該裝置可以直接連接電腦，也可以連接外接電源，實現任何場合的二氧化碳含量的測量。同學們經過簡單的學習后編程如下（見圖5）：

任務3：解決傳感器與開發板相連的問題，實現數據的輸入與輸出。

第三小組完成裝置的搭建，裝置1用于編寫程序輸入開發板，還可以用來實驗，方便數據的記錄和圖像的觀察。裝置2中電腦改成外接電源，可以帶到教室或者任意場合進行實驗。（見圖6、圖7）

任務4：完成實驗后數據處理。

第四小組進行數據分析（見圖8），通過軟件中的監視器讀出當前的二氧化碳濃度，通過繪圖器讀出二氧化碳的濃度變化圖。當小燈從暗到亮，說明樣品中

該裝置如果連接的是電腦，可以觀察記錄二氧化碳的數據和圖像。裝置中如果連接外接電源，則適用于多種場合的測量。該裝置中報警采用的小燈由滅到亮起，可引導學生進行頭腦風暴，還可有什么方式報警，報警之后怎么處理，如何進行裝置進一步改進。結項時，同學們把這個項目設計的實驗用視頻的方式記錄下來，完成項目的總結。

四、教學實錄

教學片段一：實驗驗證二氧化碳的客觀存在和含量。

教師：二氧化碳是無色無味的氣體，有什么方法可以證明其存在呢？如何測定二氧化碳的含量呢？呼吸作用發生后，二氧化碳的含量會改變多少呢？

學生：小組討論，用澄清石灰水證實了其存在，但是定量確定濃度上遇到了一些問題：①氫氧化鈣是微溶物，要完全吸收一定量空氣中的二氧化碳所需用量大。②通人的二氧化碳即使增大了與澄清石灰水的接觸面積，仍然不能完全吸收。③重量法在測定二氧化碳通人前后石灰水的質量差時，誤差較大。④用濃的氫氧化鈉溶液代替時要考慮試劑的強腐蝕性、吸收的完全性、稱量的準確性等問題。

老師：提出可以用威尼爾二氧化碳傳感器來測定，學生動手實驗測出空氣中的二氧化碳以及呼吸作用之后二氧化碳含量的變化。

設計意圖：從定性、定量的角度分別認識二氧化碳，針對傳統實驗中出現的難點，用數字化實驗解決問題，使學生感受數字化實驗儀器的便捷與高效。

教學片段二：教室中二氧化碳超標的報警。

教師：我們這節課中使用干冰升華獲得了氣態的二氧化碳，請學生們閱讀課本，講一下二氧化碳含量過高，對人體有何影響。

學生：閱讀課本后回答，含量高了之后氣悶、頭昏、心悸、眩暈，甚至窒息死亡。

教師：那我們如何實時檢測教室中的二氧化碳的變化呢？

學生：介紹并使用雙向數字化實驗實施檢測教室中的二氧化碳。

設計意圖：Arduino開發板與二氧化碳傳感器相結合，實時進行數據采集并在數據超標后進行報警，省去長時間觀測實驗數據。讓所有的師生第一時間知道，并采取開窗通風的措施。促使同學們關注身體健康，反思化學與技術、社會、環境的相互關系。促使學生思考空氣中其它的污染物質的測量。

五、研究價值與啟示

本研究中項目的確立是建立在解決真實問題的基礎上的，教室中的空氣質量如何以及從理論上用氫氧化鈣還是氫氧化鈉吸收二氧化碳都是真實的問題。利用Arduino開發板和威尼爾二氧化碳傳感器相結合，設計實驗對數據采集以及超標后進行報警，是學生能夠實現的解決問題途徑。該項目促使學生獲得核心知識的同時，加深對生命教育的關注．通過小燈的亮起，指示空氣中二氧化碳的濃度超過了設定值，避免了長時間觀測實驗數據的不便，讓學生第一時間知道后采取開窗通風的措施，有助于保證大家的生命健康。

項目設定時研究中問題圍繞目標設計，活動指向目標達成，成果既包括目標的物化結果——數據記錄及超標報警，也包括問題解決的思維模型的構建過程——用何種形式采集數據，反饋數據，解讀數據。項目中學生經歷發現問題，與原有的實驗進行比較，到最后真正解決問題的過程，有利于激發學生的科學探究好奇心和創新熱情，有利于培養學生解決實際問題的能力，更為如何將雙向數字化實驗有效運用于培養學生學會運用科學方法、求實精神和證據意識的教學實踐提供了教學新嘗試與新思路。

參考文獻

[1]徐睿．中學化學數字化實驗新趨勢[J]．化學教學，2020 （6）：31-35．