化學教室活動:創客設計Arduino pH計應用在酸鹼課程 / 馮松林、陳映辛

星期五 , 11, 五月 2018 Leave a comment

化學教室活動:
創客設計Arduino pH計應用在酸鹼課程

馮松林1,2,*、陳映辛1,2

1國立竹山高級中學
2教育部高中化學學科中心
*
cs991001@gm.cshs.ntct.edu.tw

n  前言

目前很流行Maker一詞,強調實作的創客,被視為翻轉傳統觀念,讓大家從「想像」的大腦運作,具像到「動手做」,已成為影響未來競爭力的關鍵。Arduino板即是創客應用很廣的套件,在生活中有很多令人驚奇的應用實例,而化學本來就是動手做的科學,如果能在課堂上結合兩者,教導學生化學相關的創客基礎量測套件,讓學生自己動手設計,化學實驗就可能變成跨領域STEMScience, Technology, Engineering, and Mathematics;科學、技術、工程及數學)實作的課程。

在化學教學中,酸鹼是非常基礎的化學概念,實驗室中應用pH計去檢測酸鹼的強度,是酸鹼概念具像化的操作,對學生學習酸鹼概念非常重要。本文將引導教師應用新的科技教學,介紹如何在課堂上結合Arduino UNOpH計,融入創客精神在化學實驗中,讓學生學習結合Arduino UNOpH計,應用行動套件去量測溶液的pH值。

n  教學準備

要以Arduino教學,自然在教學前要先懂得Arduino怎麼操作,很多教師可能會擔心不會操作,更不用談教學生了。事實上,Arduino原本就是設計給非電子專業的人使用,不到2小時的基本課程,教師就可上手,尤其在Scratch圖像式操作環境下。只要懂得輸入及輸出的操作,加上基礎電學的概念,就可以自由應用了。在網路上有許多教學資料可參考,不妨請學校中的高手支援,即可上場教學。

教師可選用應用最廣最便宜的Arduino UNO板(見圖一左),價格在200元左右,如加購完整學習套件整組大約1000元,上課時最好每位學生一組。至於pH計套件(見圖一右),價格在1200元左右,則可視經費之多寡購買,至少2人共用一個pH計。

clip_image002 clip_image004

圖一:Arduino UNO板(左),Arduino pH檢測計(

由於Arduino運作初期要連接電腦,因此上課地點要有電腦或筆電,並且在電腦中要先下載安裝具Scratch操作界面的mBlock程式[1]Arduino IDE程式[2]等免費程式。

n  教學設計內容

應用Arduino量測套件融入酸鹼化學的教學,可以從引導學生認識及操控Arduino套件開始,再配合化學實驗技能的培養,教導學生應用Arduino套件做化學實作。教學時可視學生資訊能力,彈性應用以下五個歷程進行教學:

l  創客技能:教導學生對Arduino操作有基礎認識。

l  化學創客:安裝pH計的趨動程式,連結ArduinopH計,練習用pH計檢測酸鹼溶液。

l  實驗技能:讓學生學習配製酸鹼溶液,調配不同pH值的酸鹼溶液。

l  實驗實作:利用pH計,檢測酸鹼溶液的pH值。

l  綜合調查:讓學生比賽判斷日常生活物質的pH值。

一、  創客技能

Arduino板本來就是為非資訊專業人員所設計的控制板,易教易學,教學時不用教太多套件,從基礎概論開始,主要著重在學習程式界面的操作、如何輸出訊號做控制以及如何讀取套件獲得外部訊息等。建議的課程教學可按以下順序進行:

1.    Arduino的創意世界

Arduino做自動控制,可以發揮很多創意,在YouTube上可以找到很多精彩實例,比如音樂樓梯[3]、水果鋼琴[4]等,藉此引發學生的創意及巧思。

2.    認識Arduino UNO

Arduino UNO能夠做數位控制,主要是提供連結的數位腳位和類比腳位,要用Arduino操作就要認識所有腳位的位置和意義,每位學生最好都要有一片Arduino UNO,再逐一介紹認識板子上各種腳位及構造。

3.    Arduino IDE控制程式介紹

Arduino板要運作需要撰寫程式來控制,Arduino原廠提供一個控制程式,這個程式叫Arduino IDE (見圖二),雖然撰寫控制程式的語法類似C/C++語言,我們只要介紹如何連結Arduino板、程式撰寫區塊位置,以及如何上傳程式即可。不必花時間介紹語法結構,未來在連結pH計時,才會用Arduino IDE來上傳pH計控制程式。

clip_image006

圖二:Arduino IDE界面

4.    mBlock控制程式介紹

Scratch積木式的語言去控制Arduino板,是初學Arduino很不錯的方式,mBlock程式提供了Scratch簡捷的操作環境(見圖三),宜蘭竹林國小就提供很多很棒的mBlock教學課程[5],上課時可參考選用網站中適合的課程讓學生做練習。

clip_image008 

圖三:mBlock程式界面

 

5.    基本電路概念

Arduino板連結控制套件,就像一般簡單電路的串接一樣,因Arduino板可供電,套件的「+極」要接在Arduino板有編號的腳位插孔上,「極」則要接在GND(接地)插孔上(見圖四),形成完整迴路,安裝完成即可寫程式控制套件。

clip_image010

圖四:Arduino板與套件連結方式

至於套件與電線間的連結,一般的作法是將套件插在麵包板上(見圖五),用杜邦線連結,這樣可方便改變套件的線路設計,操作前要知道,麵包板上的排孔有固定的導電方向,圖五麵包板的最上方和最下方各有二排水平方向的排孔,水平排孔間可彼此相連導電,中間排孔則是垂直方向相連導電。組裝時要提醒學生麵包板的排孔很小,不要插錯位置,更不要把套件的金屬線頭插變形了。

clip_image012

圖五:麵包板

6.    套件控制實作

要學會控制套件,基本上就是要弄懂如何輸出訊號來控制套件,和如何接收套件在偵測時發出的訊號。

Arduino的套件有很多種(見圖六),要練習輸出訊號控制套件,最基本的方式是讓學生練習控制LED的亮暗,練習時可從控制單顆LED到多顆LED,並加入各種明暗順序。

clip_image014

圖六:Arduino套件

至於要接收套件發出的訊號,則可用光敏電阻感應不同的亮度傳回的數值訊號,用程式判斷調整LED亮度。

Arduino IDE撰寫程式做控制並不簡單,但在mBlock環境下用Scratch語言撰寫(見圖七),就像是堆積木一樣,撰寫前要配合程式組裝套件,依程式將LED燈的「+極」接在第13腳位,「極」接在GND接地,圖七程式執行時,藍色積木指定讓第13腳位為高電位,就是讓電路供電,點亮LED燈,中間等待1秒,接下來讓第13腳位為低電位就是斷電,LED燈即熄滅。再用一個不停重複的積木包住這三個程序,將此程式傳送到Arduino板後,LED燈就會一亮一暗的運作。

clip_image016

圖七:讓LED閃爍程式

本課程只是要讓學生了解控制套件的運作原理,不必教太多套件影響進度,實際教學應用可參考前述竹林國小課程或其它網站資料。

二、  化學創客

對操控Arduino板有基礎認識後,接下來要應用與化學相關Arduino套件做化學創客,目前市面上可應用的套件有pH計、溫度、濁度、VOC、二氧化碳及PM2.5等偵測套件,其中pH檢測計可應用於酸鹼實驗課程,而且學生經過前面創客技能的練習,對於pH套件的操作就比較沒問題。

pH套件(見圖八左)的組裝要注意連接Arduino板的方式,其中圖八右標A的接腳要接5V電源,標「+極」要接A2腳位,標「極」則要接GND,至於pH計的程式可向購買的廠商要求附上,目前市面上pH計型號大致是V1.1版,可在網路上下載到公用程式。

clip_image018 clip_image020

圖八:pH套件(左),電路板連結位置(右)

pH計程式是以Arduino IDE格式撰寫,並非用Scratch格式,所以在上傳程式時,要用Arduino IDE程式上傳。若將網路上的程式複製再貼到Arduino IDE界面,要注意原本Arduino IDE程式上有原先預留的起始程式碼要先消除,再貼上程式,不然執行時會顯示程式錯誤。

學生組裝完成後,要先做pH校正練習(見圖九左),教師要提供校正用的酸鹼液,讓學生校正套件的誤差,螢幕視窗會顯示測量得到的pH值(見圖九右)。校正測量誤差的方法是,比方標準液pH值為4.0,實際測得4.5,表示測量會有0.5的誤差,因此要將程式中offset數值改為‒0.5,這樣就完成校正的操作。若有時間可讓學生測蒸餾水或逆滲逆水之pH值,增加學生的操作熟練度。

clip_image022 clip_image024

圖九:用pH計測量校正液(左),pH值顯示視窗(右)

三、  實驗技能

配製溶液是很重要的實驗技能,教師可以讓學生配製一系列不同pH溶液(見圖十)做練習,配溶液的過程學生除了要做溶液稀釋的計算,規劃溶液的配製方式,重要的是能學習取用藥品、燒杯、量筒、滴管、量瓶等器材的操作技能。

clip_image026

圖十:各種pH溶液

實驗前每位學生取回各100 mL0.1 M HCl0.1 M NaOH,並請各組同學上台發表所規劃配製一系列不同pH溶液的方式,教師就此可檢驗同學對稀釋計算的理解。溶液配製時要求同學帶上手套稀釋強酸強鹼,並注意實驗安全,最後滴入廣用指示劑到各杯的溶液,即可觀察到一系列顏色的變化。

四、  實驗實作

配製好各pH值溶液後,學生先啟動Arduino pH套件,上傳pH計趨動程式,並取得pH meter的緩衝溶液來校正,調整offset值(見圖十一左)。接下來,檢測各溶液的pH值,檢測時注意提醒學生,每測一次要清洗一次pH計再重覆施測(見圖十一右),避免因檢測溶液殘留而影響實驗結果。

clip_image028 clip_image030

圖十一:學生啟動pH計檢測(左),檢驗不同溶液pH值(右)

學生記錄各杯的pH值,比較檢測結果和理論計算值的差異,各組討論檢測結果及其差異,並將結果登錄在黑板,讓學生上台發表討論結果。

五、  綜合調查

日常生活中有眾多不同酸鹼之物質,其實學生並不太知道這些物質的pH值大小,在課程的最後透過準備好的可樂、汽水、果汁、蘇打水、食用醋及礦泉水等,讓學生分組比賽,預測各種物質pH值是多少?比比看量測結果,與那一組同學猜的數值最接近,透過競賽方式結合pH值的概念到日常生活中,不僅活化課程,亦可增加學生對酸鹼的認識。

另外一個活動,則是準備一杯酸性溶液,讓兩組同學輪流加任意量的鹼到酸液中,或者是準備鹼性溶液讓同學加酸性溶液,比比看那一組使溶液的pH值停在7.0。這個活動可看到酸鹼中和時pH值的變化,非常緊張刺激,同學都能玩化學玩得很開心。

n  結語

Arduino的操作環境很友善,本課程設計在簡單的操作過程中,讓學生學得帶得走的技能,期待學生結合創客套件讓化學實驗走出教室,在實驗室外需要量測化學數值的環境,自己動手做各種探究。

n  參考資料和附註

1.        mBlockhttp://www.mblock.cc/zh-home/download/?noredirect=zh_CN

2.        Arduino IDE https://www.arduino.cc/en/Main/Software

3.        The Fun Theory 1 – an initiative of Volkswagen: Piano Staircase , https://youtu.be/SByymar3bds

4.        Arduino + Makey Makey + Scratch = 簡單的水果鋼琴(柚子皮),https://youtu.be/nAYMK-Kpaxc

5.        竹林資訊站,http://blog.ilc.edu.tw/blog/blog/868/catid=103154

 

1816 Total Views 4 Views Today
Print Friendly, PDF & Email

Please give us your valuable comment

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *