以双向数字化的化学实验推动项目化学习的尝试——以教室中二氧化碳含量超标报警为例.pdf

化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）一、项目选择项目化学习（Project based learning简称PBL）是一种以建构主义理论为指导，以学生为中心的教学方式，主张学生通过小组合作的学习方式来实施一个完整的项目，用以解决真实世界中某些复杂的、具有挑战性的问题。1学生们发现自己所处的教室里，在冬天常常长时间门窗紧闭，待在里面时间久了会有昏昏欲睡的感觉，而每次进出教室，总能感受到教室内外温度、气味等的巨大差异。同学们阅读化学课本后知道空气中二氧化碳的含量为0.03%，即300 ppm，不同浓度的二氧化碳对人体的影响各不相同（见表1）。于是同学们就提出密闭教室内的二氧化碳浓度是多少，需要间隔多长时间开窗透气的真实问题。空气中二氧化碳的含量（%）14-510ppm1000040000-50000100000对人体的影响人感到气闷、头昏、心悸人感到气喘、头痛、眩晕人神志不清、呼吸停止，以致死亡表1空气中二氧化碳浓度对人体的影响经讨论，同学们和老师决定利用二氧化碳传感、LABQUEST2数据采集器，观察数据的变化和曲线的变化。但通过实验发现教室空间大，二氧化碳的浓度短时间内上升不明显，实验花费时间很长，学生时刻观察数据采集器做实验很显然不切实际。而如果不观察，又容易错过二氧化碳的临界值以及错过开窗通风的时间。于是，同学们积极思考，寻找能否实现自动化的办法，即超过设定值之后可以自动报警。至此经过多轮实验摸索和讨论，基于化学和信息学科的研究冬天教室内二氧化碳含量超标报警的项目成立了。二、项目研究计划在数字化实验输出部分，同学们经过比较乐高、TI图形转换器、Arduino开发板的难易程度，最终决定选用 Arduino 开发板。空气中二氧化碳的含量为0.03%，即 300 ppm，若超过一定的值会使人产生不适。用二氧化碳传感器测定气体中的二氧化碳含量，编写程序输入Arduino开发板中，当传感器检测值超过设定值时，小灯亮起，蜂鸣器发出嘀嘀的报警。学生根据报警信号，及时采取开窗等措施改善空气质量。项目结束后，开发更多的Arduino与传感器在生活中更多的应用。1.核心知识（1）研究实验所要达到的功能，找到适合项目的双向数字化实验工具Arduino开发板，学习编程软件，学习输入输出的方法。（2）选择合适的传感器，检测教室中的二氧化碳浓度，反馈环境质量。（3）根据装置的功能和目标，提出还有什么方式报警，报警之后怎么处理等问题，从而进行装置的进一步改进。2.待解决问题分析（1）了解数字化化学实验的趋势，思考如何实现化学双向数字化实验？以双向数字化的化学实验推动项目化学习的尝试以教室中二氧化碳含量超标报警为例褚晶程美芳（上海市延安初级中学上海200050）摘要：借助双向数字化学实验记录空气中二氧化碳含量的变化，若超过警戒值则转化为光和声的形式输出，提醒开窗通风改善室内环境。学生发现真实问题，通过前期调研后立项，通过小组分工合作突破复杂的、挑战性的问题后完成项目。在课堂教学中运用该装置发现并进行二氧化碳含量测定与报警，项目化学习发展了学生的创新能力，助力了学生素养的提升。关键词：双向化、数字化、项目化学习文章编号：1008-0546（2022）12x-0022-03中图分类号：G632.41文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.12x.005 教学研究 教学研究 22化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）（2）什么是Arduino开发板，如何编写程序？（3）传感器怎么与开发板相连接才能实现数据的输入输出？（4）完成实验后数据的处理分析，实验方案如何改进？3.研究流程（见图1）确立主题：密闭教室内二氧化碳含量超标报警思考如何实现化学双向数字化实验浓度编写程序交流、归纳、整理、汇报项目成果实验方案的改进实现数据的输入与输出分配任务任务1：了解数字化化学实验的趋势任务3：传感器怎么与开发板相连接任务4：完成实验后数据的处理分析任务2：了解arduino开发板图1研究流程三、项目具体实施任务1：查阅资料，了解数字化实验趋势，思考实验。第一小组经过查阅文献形成了一份调查报告。只有输入的单项数字化实验中，数据可以记录、处理，但形式只能以数字、表格、图像的形式呈现，无法输出动作，实验条件的控制还得实验者手动才能完成。“双向”化是指除了使用传感器来获取、输入信息，实验中还会涉及数字化信息的输出，输出的信息常以电、光、声等形式表现出来。在使用双向接口设备中，这些输出的动作就可以在程序的控制下通过相应的外围设备来完成。例如：电的输出表现为是否发光，还能在强度、颜色等方面有所变化1。资料查阅后，学生们选择了Arduino开发板和威尼尔二氧化碳传感器共同设计实验。任务2：了解Arduino开发板，尝试编写程序。第二小组的学生们对Arduino开发板（见图2、图3、图4）进行了进一步的研究，了解了Arduino开发板是由上层板和下层板组装而成的，它通过数据线连接电脑，通过Arduino程序编写软件在电脑上编写程序后，再通过数据线传输到Arduino开发板上，最后连接二氧化碳传感器进行二氧化碳数据的测量，该装置可以直接连接电脑，也可以连接外接电源，实现任何场合的二氧化碳含量的测量。同学们经过简单的学习后编程如下（见图5）：图2Arduino开发板图3上层板图4下层板、数据线图5Arduino编程界面和编写的程序任务3：解决传感器与开发板相连的问题，实现数据的输入与输出。第三小组完成装置的搭建，装置1用于编写程序输入开发板，还可以用来实验，方便数据的记录和图像的观察。装置2中电脑改成外接电源，可以带到教室或者任意场合进行实验。（见图6、图7）任务4：完成实验后数据处理。第四小组进行数据分析（见图8），通过软件中的监视器读出当前的二氧化碳浓度，通过绘图器读出二氧化碳的浓度变化图。当小灯从暗到亮，说明样品中 教学研究 教学研究 23化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）的二氧化碳超出了设定值，发出警报。图8实验数据分析该装置如果连接的是电脑，可以观察记录二氧化碳的数据和图像。装置中如果连接外接电源，则适用于多种场合的测量。该装置中报警采用的小灯由灭到亮起，可引导学生进行头脑风暴，还可有什么方式报警，报警之后怎么处理，如何进行装置进一步改进。结项时，同学们把这个项目设计的实验用视频的方式记录下来，完成项目的总结。四、教学实录教学片段一：实验验证二氧化碳的客观存在和含量。教师：二氧化碳是无色无味的气体，有什么方法可以证明其存在呢？如何测定二氧化碳的含量呢？呼吸作用发生后，二氧化碳的含量会改变多少呢？学生：小组讨论，用澄清石灰水证实了其存在，但是定量确定浓度上遇到了一些问题：氢氧化钙是微溶物，要完全吸收一定量空气中的二氧化碳所需用量大。通入的二氧化碳即使增大了与澄清石灰水的接触面积，仍然不能完全吸收。重量法在测定二氧化碳通入前后石灰水的质量差时，误差较大。用浓的氢氧化钠溶液代替时要考虑试剂的强腐蚀性、吸收的完全性、称量的准确性等问题。老师：提出可以用威尼尔二氧化碳传感器来测定，学生动手实验测出空气中的二氧化碳以及呼吸作用之后二氧化碳含量的变化。设计意图：从定性、定量的角度分别认识二氧化碳，针对传统实验中出现的难点，用数字化实验解决问题，使学生感受数字化实验仪器的便捷与高效。教学片段二：教室中二氧化碳超标的报警。教师：我们这节课中使用干冰升华获得了气态的二氧化碳，请学生们阅读课本，讲一下二氧化碳含量过高，对人体有何影响。学生：阅读课本后回答，含量高了之后气闷、头昏、心悸、眩晕，甚至窒息死亡。教师：那我们如何实时检测教室中的二氧化碳的变化呢？学生：介绍并使用双向数字化实验实施检测教室中的二氧化碳。设计意图：Arduino开发板与二氧化碳传感器相结合，实时进行数据采集并在数据超标后进行报警，省去长时间观测实验数据。让所有的师生第一时间知道，并采取开窗通风的措施。促使同学们关注身体健康，反思化学与技术、社会、环境的相互关系。促使学生思考空气中其它的污染物质的测量。五、研究价值与启示本研究中项目的确立是建立在解决真实问题的基础上的，教室中的空气质量如何以及从理论上用氢氧化钙还是氢氧化钠吸收二氧化碳都是真实的问题。利用Arduino开发板和威尼尔二氧化碳传感器相结合，设计实验对数据采集以及超标后进行报警，是学生能够实现的解决问题途径。该项目促使学生获得核心知识的同时，加深对生命教育的关注，通过小灯的亮起，指示空气中二氧化碳的浓度超过了设定值，避免了长时间观测实验数据的不便，让学生第一时间知道后采取开窗通风的措施，有助于保证大家的生命健康。项目设定时研究中问题围绕目标设计，活动指向目标达成，成果既包括目标的物化结果数据记录图6装置1图7装置2（下转第49页）教学设计研究 教学研究 24化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）结合高考题的图形（将原图倒过来，纵坐标从下往上pH上升）不难看出每个周期中前半阶段pH下降，并伴随着产生硫沉淀，主要以、三个反应为主；后半阶段，pH上升，并伴随着前面产生的硫沉淀溶解，主要以反应为主，见图10。时间9876pH图10周期分析图四、思考和启示振荡反应受很多因素的影响，药品浓度、容器体积大小、药品流速、磁力搅拌器转速等都会影响振荡现象的发生，体系有振荡现象是反应本身机理所决定的，我们的实验就是要通过调节实验过程的最佳条件找到振荡现象的发生，这样的振荡反应一般硕士生也要摸索一个学期。高中实验室条件比较简陋，比如双氧水浓度测定过程中也可能没有那么准确，所以结果有些偏差也在情理之中。从实验得到的pH曲线，见图11，可以看出，反应累积到一定程度，体系pH开始缓慢下降，但是有H+产生则反应自加速，pH随之急剧下降，HS-+H2O2+H+S+2H2O反应占主导，溶液出现硫沉淀，这个过程持续到HS-+4H2O2SO2-4+4H2O+H+反应产生的H+被基本耗尽。强碱性的Na2S溶液流入时，后续的氧化以S+3H2O2SO2-4+2H2O+2H+反应为主导，此过程中浑浊的混合液变得澄清，pH上升。但可能是溶液浓度有偏差，最终没有呈现出完美的振荡图像，后续将继续探究。高中阶段学习的化学反应基本都是趋于平衡态的线性反应，很少出现远离平衡态的非线性反应，但也不是没有，比如苏教版 实验化学 中曾出现过的亚甲基蓝和葡萄糖反复变色的“蓝瓶子”实验、“无色-黄色-蓝色”瞬息变幻的碘钟实验等，振荡反应一般机理都较为复杂，对于高中学生来说不必完全掌握其反应机理，但是在高中的教学过程中也有值得借鉴的地方。振荡反应现象一般都比较魔幻，可以强烈地激发学生的学习兴趣，很多振荡反应都是氧化还原反应的原理，在学习氧化还原反应，化学反应速率和限度的教学中亦可作为新课引入激发学生的好奇心、探究欲，从而引导学生进行深入学习。4化学教师也必须加强化学学科知识的学习与进修，提升自己的学科理解，并将化学前沿知识以适当的方式融入课堂或以此为素材编制化学习题，体现化学教学的时代特征和化学学科价值，培养学生在陌生情境下解决实际问题的能力，发展学生化学学科核心素养。参考文献1 Rabai，G.；Orban，M.；Epstein，I.R.J.Phys.Chem.，1992，96：5414.2 杨珊.pH振荡反应 M.北京：科学出版社.3 刘海苗等.过氧化氢氧化硫化钠反应体系的复杂振荡N.物理化学学报，2008（10）：1897-1901.4 刘昌华等.化学振荡反应及其在新课程中的应用 J.中学化学教学参考，2011.图11振荡曲线图产生黄色浑浊澄清pH上升过程中浑浊消失转速达到7.5转到pH下降，降低过程中溶液出现浑浊9876pH调节转速从10转到7.5转保持转速在7.5转时间及超标报警，也包括问题解决的思维模型的构建过程用何种形式采集数据，反馈数据，解读数据。项目中学生经历发现问题，与原有的实验进行比较，到最后真正解决问题的过程，有利于激发学生的科学探究好奇心和创新热情，有利于培养学生解决实际问题的能力，更为如何将双向数字化实验有效运用于培养学生学会运用科学方法、求实精神和证据意识的教学实践提供了教学新尝试与新思路。参考文献1 徐睿.中学化学数字化实验新趋势 J.化学教学，2020（6）：31-35.（上接第24页）复习与考试研究 复习与考试研究 49