基于自動(dòng)控制技術(shù)的中學(xué)化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，它是學(xué)生理解化學(xué)原理的重要途徑，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和安全素養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及高溫、高壓、易燃、易爆及有毒物質(zhì)等危險(xiǎn)因素，操作具有較高的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)調(diào)查，大部分化學(xué)實(shí)驗(yàn)安全事故是因?yàn)椴僮魇д`或設(shè)備缺陷造成的[11。因此，如何在保障安全的前提下提升化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效能，成為亟待解決的問題。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用使單純的測量轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量與控制兼?zhèn)洌箤?shí)驗(yàn)控制兼具網(wǎng)絡(luò)化與智能化[2]。自動(dòng)控制技術(shù)作為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，通過傳感器、控制器和執(zhí)行器的協(xié)同作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對實(shí)驗(yàn)過程的精準(zhǔn)調(diào)控和遠(yuǎn)程操作，顯著降低實(shí)驗(yàn)操作過程中的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提升學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力。筆者探索自動(dòng)控制技術(shù)在中學(xué)化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用方法，構(gòu)建危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)分類體系，提出針對性優(yōu)化策略，并通過教學(xué)案例和實(shí)證研究驗(yàn)證其有效性，為化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新提供可推廣的模式與路徑。

一、化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究現(xiàn)狀與優(yōu)化策略

（一）研究現(xiàn)狀

化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)的安全問題一直是教育工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，涉及高溫、高壓、易燃、易爆及有毒物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)操作風(fēng)險(xiǎn)較高，容易引發(fā)安全事故。近年來，隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究者開始探索如何將自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)，以降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)并提升教學(xué)效果。

祖一康等人應(yīng)用自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì)了溫度智能控制系統(tǒng)，用于精確控制化學(xué)反應(yīng)的溫度[3]。王立超通過控制電磁閥實(shí)現(xiàn)酸堿中和滴定的自動(dòng)控制，顯著提高了實(shí)驗(yàn)的精確性和安全性[4。筆者也通過引人氣壓傳感器和電磁閥，實(shí)現(xiàn)噴泉實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)控制，進(jìn)一步驗(yàn)證了自動(dòng)控制技術(shù)在化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用潛力[5]。

這些研究表明，應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對實(shí)驗(yàn)過程的精準(zhǔn)調(diào)控和遠(yuǎn)程操作，顯著降低實(shí)驗(yàn)操作過程中的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提升學(xué)生應(yīng)用技術(shù)的能力，為化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全開展提供了新的思路和方法。

（二）危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)分類體系

基于危險(xiǎn)產(chǎn)生的主客觀因素，我們可以從實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)藥品、實(shí)驗(yàn)條件控制和人為因素4個(gè)維度構(gòu)建化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)分類體系[。筆者針對各類實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)特征，結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)的運(yùn)用，分別進(jìn)行針對性優(yōu)化（見表1）。

表1中學(xué)化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)的分類、危險(xiǎn)特征、安全措施及優(yōu)化策略

（三）優(yōu)化策略

1.實(shí)驗(yàn)儀器優(yōu)化

玻璃儀器易碎且耐壓性差，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的常見安全隱患。增加氣壓傳感器監(jiān)測儀器內(nèi)部壓強(qiáng)，并設(shè)置實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)，可以有效避免因儀器破裂導(dǎo)致的安全事故。例如，在涉及氣體生成或高壓反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，氣壓傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測壓強(qiáng)變化情況，一旦超過設(shè)定閾值，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并采取措施（如關(guān)閉氣源或釋放多余氣體），確保實(shí)驗(yàn)安全。

2.實(shí)驗(yàn)藥品優(yōu)化

化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及易燃、易爆、有毒物質(zhì)是引發(fā)安全事故的主要原因之一。引人氣體傳感器和遠(yuǎn)程操作技術(shù)，可以有效降低這些危險(xiǎn)物質(zhì)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在涉及有毒氣體生成的實(shí)驗(yàn)中，氣體傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測氣體濃度，一旦檢測到氣體泄漏，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉氣路并啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備，確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境的安全。

3.實(shí)驗(yàn)條件控制優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)參數(shù)調(diào)控精度低和誤差率高是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗和安全事故的重要原因之一。采用自動(dòng)控制技術(shù)優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)，可以顯著提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和安全性。例如，在需要精確控制溫度的實(shí)驗(yàn)中，閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器反饋的溫度數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱或冷卻裝置，確保反應(yīng)在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。

4.人為因素優(yōu)化

操作失誤和安全意識不強(qiáng)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的安全隱患。結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng)規(guī)范操作流程，可以有效減少人為操作帶來的風(fēng)險(xiǎn)。例如，設(shè)計(jì)自動(dòng)化流程保障實(shí)驗(yàn)操作的每個(gè)步驟都嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)程序進(jìn)行，可以避免因人為失誤而導(dǎo)致事故。

二、化學(xué)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制技術(shù)概述

（一）自動(dòng)控制技術(shù)的基本原理

自動(dòng)控制技術(shù)是指在沒有人為直接參與的情況下，通過具有自主控制功能的自動(dòng)控制系統(tǒng)，按照預(yù)定要求運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)某種功能[7]。一套完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)由傳感器、控制器和執(zhí)行器等組成。傳感器用于實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)參數(shù)，控制器對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并生成控制指令，執(zhí)行器則根據(jù)控制器的指令執(zhí)行物理操作，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)條件和進(jìn)程的精準(zhǔn)控制。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制技術(shù)是用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)場景的自動(dòng)化控制手段。它通過傳感器采集溫度、壓強(qiáng)、濃度等重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并傳至控制器，控制器分析處理后向執(zhí)行器發(fā)出指令，執(zhí)行器自動(dòng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無需人工持續(xù)干預(yù)下的精準(zhǔn)控制。這種技術(shù)不僅保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可重復(fù)，而且滿足了實(shí)驗(yàn)者對實(shí)驗(yàn)精細(xì)化控制和實(shí)驗(yàn)安全的需求。

（二）傳感器與執(zhí)行器

傳感器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，用于實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)參數(shù)。化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中常用的傳感器包括溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器、pH傳感器以及各種氣體傳感器。例如，溫度傳感器能夠監(jiān)測反應(yīng)體系的實(shí)時(shí)溫度變化，氣體傳感器可以檢測易燃易爆氣體的濃度，為實(shí)驗(yàn)安全控制提供數(shù)據(jù)支撐。執(zhí)行器則根據(jù)控制器的指令執(zhí)行物理操作。常見的執(zhí)行器包括舵機(jī)、電磁閥、電加熱器、步進(jìn)電機(jī)、氣泵和水泵等。例如：舵機(jī)可以精確控制角度，用于添加藥品或調(diào)節(jié)閥門；電磁閥可以控制液體或氣體的流動(dòng)，調(diào)節(jié)流量；步進(jìn)電機(jī)可以用于攪拌或控制滴定速度。

（三）控制系統(tǒng)類型

自動(dòng)控制系統(tǒng)按反饋情況分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)依據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序持續(xù)輸出控制指令，沒有反饋回路，系統(tǒng)輸出不會(huì)反過來影響控制過程。其控制精度取決于系統(tǒng)各組件和元件的性能。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制中，開環(huán)控制發(fā)揮著重要作用。例如，精準(zhǔn)調(diào)控滴定速度，嚴(yán)格按照既定參數(shù)操作，或是準(zhǔn)確控制閥門的開合，從而減少人為操作帶來的誤差。

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)借助傳感器實(shí)時(shí)捕捉被控制對象的狀態(tài)信息，并將這些信息傳送給控制器。控制器將接收到的信息與預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行比對，計(jì)算偏差值，隨后發(fā)出信號，指揮執(zhí)行器對被控對象進(jìn)行狀態(tài)修正，確保其始終能按照設(shè)計(jì)要求運(yùn)行。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制中，閉環(huán)控制可以根據(jù)外部環(huán)境參數(shù)的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)條件。例如，將溫度控制在一定范圍，檢測到有毒氣體泄漏時(shí)自動(dòng)關(guān)閉閥門等，從而保障實(shí)驗(yàn)安全。

三、教學(xué)案例

筆者結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)，開發(fā)了多種具有不同功能的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)儀器。以下結(jié)合兩個(gè)典型實(shí)驗(yàn)案例，闡述自動(dòng)控制技術(shù)在化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，以期促進(jìn)化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)防護(hù)到主動(dòng)防控的轉(zhuǎn)變。

（一）氫氣爆鳴實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化改進(jìn)

1.技術(shù)方案

傳統(tǒng)氫氣爆鳴實(shí)驗(yàn)因需手動(dòng)混合易燃?xì)怏w且近距離點(diǎn)火，存在較高風(fēng)險(xiǎn)。為解決這一問題，筆者設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，包含氣體流量控制模塊和遠(yuǎn)程點(diǎn)火裝置。氣體流量控制模塊可以自動(dòng)調(diào)節(jié)氫氣的輸人量，遠(yuǎn)程點(diǎn)火裝置由ESP8266Wi-Fi繼電器模塊和自帶電源的電弧點(diǎn)火器連接構(gòu)成，可通過App無線操控實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)火時(shí)學(xué)生無需靠近裝置即可操作實(shí)驗(yàn)（如圖1）。

圖1氫氣爆鳴實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.教學(xué)創(chuàng)新

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)使學(xué)生從“被動(dòng)避險(xiǎn)”轉(zhuǎn)為“主動(dòng)探究”。課堂上，學(xué)生可自由調(diào)節(jié)氫氣濃度參數(shù)（如 3% 、 5% 、 20% 、 50% 等），觀察不同比例下的爆炸強(qiáng)度差異。學(xué)生對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫氣濃度低于 4% 時(shí)僅產(chǎn)生微弱火花，而超過 75% 時(shí)反應(yīng)反而減弱。以這種基于證據(jù)的認(rèn)知方式幫助學(xué)生直觀理解“爆炸極限”概念，有效培養(yǎng)了他們的科學(xué)探究能力。

（二）濃硫酸稀釋實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)控制

1.技術(shù)方案

濃硫酸稀釋實(shí)驗(yàn)因需手工緩慢注入濃硫酸，易因操作不當(dāng)引發(fā)劇烈放熱、液體飛濺甚至灼傷事故。筆者設(shè)計(jì)了基于Arduino的自動(dòng)控制系統(tǒng)（如圖2），通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分液漏斗旋塞，實(shí)現(xiàn)酸液流速的精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)包括三個(gè)核心模塊：一是流速控制模塊，通過步進(jìn)電機(jī)精確調(diào)節(jié)旋塞開度，控制流速（ 0.2mL/s ），確保酸液勻速注入水中；二是溫度監(jiān)測模塊，使用DS18B20溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測稀釋過程中溶液溫度變化，數(shù)據(jù)通過OLED顯示屏顯示；三是安全預(yù)警模塊，當(dāng)溶液溫度超過 65°C 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)暫停滴加濃硫酸并觸發(fā)報(bào)警器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安全提示。

圖2濃硫酸稀釋實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.教學(xué)創(chuàng)新

筆者改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后，操作風(fēng)險(xiǎn)從被動(dòng)規(guī)避轉(zhuǎn)為主動(dòng)防控。學(xué)生可以自主設(shè)定流速參數(shù)（如0.1mL/s、 0.2mL/s 、 0.5mL/s ），觀察溫度變化與濃硫酸流速的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)流速超過 0.6mL/s 時(shí)，溶液溫度在30s內(nèi)驟升至 65^°C 學(xué)生通過對比數(shù)據(jù)直觀理解“濃硫酸稀釋需緩慢加人”的原理。上述改進(jìn)措施不僅降低了操作風(fēng)險(xiǎn)，而且培養(yǎng)了學(xué)生基于數(shù)據(jù)的實(shí)證分析能力。

四、教學(xué)效果實(shí)證研究

（一）評價(jià)體系構(gòu)建

為評估學(xué)生在化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中的跨學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展情況，筆者構(gòu)建了“風(fēng)險(xiǎn)評估與安全意識”“科學(xué)探究與實(shí)踐能力”“技術(shù)理解與應(yīng)用水平”三維評價(jià)體系，并針對每個(gè)維度制訂了科學(xué)的評測方法。

1.風(fēng)險(xiǎn)評估與安全意識

筆者創(chuàng)設(shè)含有多種潛在風(fēng)險(xiǎn)因素的化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)情境，以問答形式開展評估，讓學(xué)生識別隱患并提出防范措施，以此測評學(xué)生的風(fēng)險(xiǎn)評估能力和安全意識。

2.科學(xué)探究與實(shí)踐能力

筆者運(yùn)用評價(jià)量表進(jìn)行測評，即依據(jù)科學(xué)探究的一般流程和實(shí)踐能力的關(guān)鍵要素，設(shè)置提出問題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)以及得出結(jié)論等多個(gè)環(huán)節(jié)，憑借明確的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和量化指標(biāo)，客觀反映學(xué)生的能力水平。

3.技術(shù)理解與應(yīng)用水平

采用技術(shù)接受模型（TAM）進(jìn)行評測。該模型通過分析感知有用性（PU）和感知易用性（PEOU）等指標(biāo)，預(yù)測學(xué)生對信息技術(shù)的接受度，進(jìn)而了解學(xué)生對相關(guān)技術(shù)的理解和應(yīng)用意愿。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

筆者對本校高一年級設(shè)置了實(shí)驗(yàn)班（4個(gè)班，共198人）與對照班（4個(gè)班，共195人）開展對比研究。實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在教師指導(dǎo)下，自主開發(fā)并運(yùn)用數(shù)字化自動(dòng)控制裝備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對照班則沿用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論。

1.安全素養(yǎng)提升

實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的風(fēng)險(xiǎn)識別準(zhǔn)確率從 58% 提高至 83% （對照班為 62% ），應(yīng)急措施正確率提高至 91% （對照班為 75% ）。這表明引入自動(dòng)控制技術(shù)的教學(xué)模式能夠有效提升學(xué)生的安全意識與風(fēng)險(xiǎn)評估能力。

2.科學(xué)探究與實(shí)踐能力增強(qiáng)

評價(jià)量表結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作技能、數(shù)據(jù)分析等方面的能力均得到顯著提升，能夠更為獨(dú)立、高效地完成探究任務(wù)。

3.技術(shù)理解水平提高

TAM模型顯示，學(xué)生對自動(dòng)控制數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的感知有用性與易用性均高于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。部分學(xué)生表示，使用自動(dòng)控制技術(shù)和遠(yuǎn)程點(diǎn)火系統(tǒng)后，敢于嘗試以往被認(rèn)為存在高風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)了。

筆者基于自動(dòng)控制技術(shù)改進(jìn)中學(xué)化學(xué)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提升了實(shí)驗(yàn)的安全性與教學(xué)效能。本文構(gòu)建的“安全素養(yǎng)一科學(xué)探究一技術(shù)應(yīng)用”三維評價(jià)體系為跨學(xué)科素養(yǎng)的量化評測提供了科學(xué)依據(jù)。需要強(qiáng)調(diào)的是，自動(dòng)控制技術(shù)并非取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，而是通過技術(shù)賦能提升實(shí)驗(yàn)安全性，激發(fā)學(xué)生解決真實(shí)問題的潛力。未來，可從以下兩方面深化研究：在技術(shù)迭代方面探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的云端共享支持，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和分析，進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)的智能化水平；在教學(xué)協(xié)同方面建立教師培訓(xùn)機(jī)制，明確技術(shù)介人邊界，避免過度依賴技術(shù)弱化動(dòng)手能力，促進(jìn)自動(dòng)控制技術(shù)與傳統(tǒng)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)深度融合。

參考文獻(xiàn)

[1]李雪軍，周保金，曹葵，等.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全事故的現(xiàn)狀與防范[J].教學(xué)與管理，2020（4）：73-75.

[2]徐睿．?dāng)?shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展及建議：從全國化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新參展作品說開去[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2020（8）：10-13.

[3]祖一康，徐妙婧.基于單片機(jī)和PID算法的溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024（8）：83-89.

[4]王立超.自制數(shù)字化酸堿中和自動(dòng)滴定演示裝置[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2022（Z1）：103-105.

[5]杜鋒濤，周娟，葛秋萍.語音智能控制技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用：以智能噴泉實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2024（12）：77-78.

[6]吳曉紅.人教版高中《化學(xué)1》實(shí)驗(yàn)教學(xué)安全隱患淺析及規(guī)避方法［J].化學(xué)教學(xué)，2016（5）：19-22.

[7]楊華，龔家樂，李佳玲，等，自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展情況綜述[J].信息記錄材料，2023（3）：24-26.

（作者杜鋒濤、周娟系陜西省銅川市王益中學(xué)教師；劉玲系銅川市教育科學(xué)研究室教研員）

責(zé)任編輯：祝元志