创客教育融合苯酚化学性质实验的设计

摘"要："通过Arduino和Matlab的串口通讯，实现对苯酚化学性质实验的实时监测和分析。实验中同步监测苯酚的电导率、pH和氧化还原电位，通过数字实验提供数据支持从多个维度理解苯酚的化学性质。创客教育与化学实验的融合旨在激发学生在化学实验设计和创新能力的潜能，为未来教育模式的创新作一些探索。关键词："化学实验；苯酚化学性质；创客教育；实验设计教育部强调科学教育对学生的全面发展至关重要，倡导“做中学、用中学、创中学”的教学理念，旨在通过实践提升学生解决实际问题的能力和科学素养［1］。在《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课程标准”）中强调信息技术在提升化学教学效率和质量方面的重要性，并鼓励教师将信息技术与化学教学紧密结合，以增强教学效果，促进学生全面发展［2］。化学实验作为科学探究的核心，通过将创客教育和化学实验融合的创新实验设计，有利于培养学生的创新精神和实践能力。在传统化学实验教学中，学生对苯酚的化学性质的理解主要依赖于定性观察，如颜色变化、沉淀生成等，这些方法受限于溶液浓度，难以全面揭示苯酚化学性质的实质，学生对反应过程的理解是存在疑惑的。此外，苯酚的弱酸性是其重要特性，但仅通过定性观察难以准确理解其酸性的具体程度，以及苯酚酸性强于碳酸氢根离子，这些都对学生的深入学习构成了挑战。“新课程标准”要求“优化综合实验活动实施方式和路径，推进工程与技术实践”，培养学生利用简单技术与工程方法进行实验设计至关重要［3］。因此，需要创新实验方法，以更全面、直观的方式帮助学生理解苯酚的化学性质。1"创客教育在高中化学教学中，创客教育的引入为学生提供了创新的学习方式，通过实验创新、项目式学习、技术融合、跨学科整合、创新竞赛、科学探究与反思等多样化教学活动，极大地丰富了化学教学的内容和形式［4］。学生通过设计并实施自己的化学实验，将化学知识与其他学科知识进行跨学科整合，培养他们解决实际问题的能力。通过创客教育创新竞赛和科学探究活动，学生不仅能够展示自己的创意和实验技能，还能培养团队合作和竞争意识，为未来的学习和职业生涯打下坚实的基础。2"Arduino在创客教育中的应用Arduino作为一个开源的电子原型开发平台，通过其简单的微控制器板和配套的Arduino集成开发环境（IDE），成为创客教育中培养学生创新能力和实践技能的理想工具。Arduino在跨学科教育中展现出强大的整合能力，Arduino特有的编程语言编写程序，这些程序经过编译后生成二进制代码，进而被烧录到微控制器中，使其能够执行预定的任务，从而在创客教育中发挥至关重要的作用［5］。在本次实验中，我们利用Arduino设计了实验装置，测试苯酚的化学性质。实验中整合多种传感器，包括pH传感器、电导率传感器和氧化还原电位（ORP）传感器。通过Arduino的设计，学生能够将理论知识与实践操作相结合，借助创客教育模式深入探究苯酚的化学性质。3"采用Arduino进行数字化实验设计和Matlab测试界面3.1"实验教学目标（1）通过电导率传感器监测反应过程，观察并分析前后电导率的变化，从而深入理解苯酚与溴水反应的类型，培养科学探究精神和批判性思维。（2）通过pH传感器监测反应过程，观察并分析前后pH的变化，通过数据理解苯酚与碳酸氢根离子的酸性强弱，培养证据推理与实验验证的能力。（3）通过ORP传感器监测反应过程，观察并分析前后电位的变化，通过数据准确理解苯酚的还原性，培养实验设计能力和创新意识。3.2"实验器材及界面设计3.2.1"实验器材药品：0.1mol/L苯酚溶液、饱和溴水、0.1mol/L碳酸钠溶液，稀酸性高锰酸钾溶液仪器：磁力搅拌器、125mL广口瓶、铁架台、长颈漏斗，具支试管、止水夹、乳胶管、玻璃导管、二通阀、点胶针头3.2.2"设备搭建设备：笔记本电脑、UNO板、已设置好的实验软件和程序以及传感器组合（1）线路搭建①电导率传感器②pH传感器③氧化还原传感器（ORP）将电导率电极连接到电导率模块的输入端；将电导率模块的输出端连接到Arduino的模拟输入端（例如A0）。将pH电极连接到pH模块的输入端；将pH模块的输出端连接到Arduino的模拟输入端（例如A1）。将ORP电极连接到ORP模块的输入端；将ORP模块的输出端连接到Arduino的模拟输入端（例如A2）。确保所有传感器的电源和地线正确连接到Arduino的5V和GND端。（2）Arduino代码设计Arduino代码通过模拟输入引脚读取电导率、pH和ORP传感器的数据，并通过串口每秒输出一次。使用analogRead函数读取传感器的模拟值，然后通过map函数将这些值转换为实际的测量范围。电导率值（0～5000微西门子）、pH（0～14）和ORP值（-1000到1000毫伏）分别通过Serial.print和Serial.println函数输出到串口监视器。程序在每次读取后暂停一秒钟。为了实现Arduino与电导率、pH和ORP传感器的通信，并在Matlab中进行数据呈现，需要将上述Arduino代码烧录到连接好的UNO板上，通过传感器的模拟信号，并使用map（）函数将传感器的模拟读数映射到相应的物理量范围，这通常需要根据传感器的数据手册进行调整，最终实现Arduino与Matlab间的串口通信。（3）Matlab界面设计为了探究苯酚与溴水的反应类型、苯酚与碳酸氢根离子的酸性强弱以及苯酚的还原性，我们设计了一个集成Matlab和Arduino的实验测试界面（见图2）。该界面通过采集来自Arduino的串口数据，实现数据的实时采集与处理。通过Matlab界面呈现实时监测和分析数据，提高师生实验操作技能和数据处理能力。3.3"实验设计思路实验一"探究苯酚与溴水的反应类型基于反应后生成物的性质确定本次实验的方案为：利用电导率传感器测定0.1mol/L苯酚溶液滴定25mL饱和溴水，观察对比电导率曲线前后的变化情况。猜想：观察溶液中电导率曲线前后的变化情况。（1）若曲线变化不明显或甚至不变化，则得出发生的是加成反应；（2）若曲线变化较明显，则得出发生的是取代反应；设计意图：本实验旨在通过电导率的变化来探究苯酚与溴水反应的类型。电导率的变化可以反映溶液中离子浓度的变化，从而间接判断反应类型。加成反应通常不会显著改变溶液的离子浓度，因此电导率曲线变化不明显；而取代反应往往伴随着离子的生成或消耗，导致电导率曲线有显著变化。通过实验数据，学生可以直观地理解苯酚与溴水反应的性质。实验二"探究苯酚与碳酸氢根离子的酸性强弱关于学生存在苯酚酸性弱到什么程度和苯酚的酸性强于碳酸氢根离子的疑惑，教材并未做详细说明，因此本实验的方案确定为：利用pH传感器测定0.1mol/L苯酚溶液滴定25mL0.1mol/L碳酸钠溶液，观察对比前后pH曲线的变化情况。根据表1结合水解平衡常数，计算得到：0.05mol/L的Na2CO3溶液pH约为10.530.05mol/L的NaHCO3溶液pH约为9.53猜想：观察反应前后的溶液pH曲线是否趋于9.53。（1）若不趋于，则得出苯酚的酸性比碳酸氢根离子弱；（2）若趋于，则得出苯酚的酸性比碳酸氢根离子强。设计意图：本实验通过测定苯酚与碳酸钠溶液反应前后的pH变化，来探究苯酚的酸性强弱。通过比较苯酚溶液与碳酸氢根离子溶液的pH，学生可以直观地了解苯酚的酸性与碳酸氢根离子的酸性强弱关系。实验结果有助于学生理解苯酚酸性在化学反应中的作用，以及其在酸碱平衡中的地位。实验三"探究苯酚的还原性（与酸性高锰酸钾反应为例）方案：利用ORP传感器测定0.1mol/L苯酚溶液滴定25mL稀酸性高锰酸钾溶液，观察前后电位曲线的变化情况。猜想：观察反应前后溶液电位曲线的变化情况。（1）若有明显变化，则得出苯酚具有还原性；（2）若无明显变化，则得出苯酚不具有还原性。设计意图：本实验通过测定苯酚与酸性高锰酸钾反应前后的电位变化，来探究苯酚的还原性。氧化还原电位的变化可以反映反应中电子转移的情况，从而判断物质的氧化还原性质。通过实验数据，学生可以验证苯酚是否具有还原性，以及其在氧化还原反应中的行为。3.4"实验教学过程实验步骤：（1）利用25mL移液管分别向三个广口瓶中加入25mL浓溴水、0.1mol/L碳酸钠溶液和稀酸性高锰酸钾溶液。（2）按照图1所示的装置进行连接，向长颈漏斗中加入0.1mol/L的苯酚溶液，打开止水夹，控制好每个位置的滴速备用，关闭止水夹。（3）打开磁力搅拌器开关，按照如图1所示的设备进行连接，打开电脑程序，选择好端口、波特率、打开开关，待绿灯亮起，点击对照组数据采集/停止按钮，等待300s。（4）再次点击对照组数据采集/停止按钮，点击实测采集/停止按钮，打开连通阀和止水夹，开始采集数据，绘制曲线；待实验结束后停止采集，关闭止水夹，关闭磁力搅拌器，导出数据。（5）对比前后曲线的变化（图2～图5），分析苯酚的化学性质。3.5"实验结果展示与分析：3.5.1"定性观察装有饱和溴水的广口瓶中溶液红棕色退去且有白色沉淀生成；装有碳酸钠溶液的广口瓶前后无明显变化；装有酸性高锰酸钾溶液的广口瓶中溶液紫红色退去。3.5.2"定量分析根据Matlab测试界面数据变化曲线（图2～图5）分析结果见表2。4"实验效果评价本实验将创客教育与化学实验相融合，体现了数字化实验方法与现代传感器技术相结合的潜力。通过Arduino和Matlab的集成，构建的测试界面，