臺灣化學教育

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
^*[email protected]

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STEM（Science, 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 UNO和pH計，融入創客精神在化學實驗中，讓學生學習結合Arduino UNO和pH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。

 

圖一：Arduino UNO板（左），Arduino pH檢測計（右）

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]和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Arduino與pH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

以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。

圖二：Arduino IDE界面

4.    mBlock控制程式介紹

用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。

 

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。

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。

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。

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。

以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。

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。

 

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。

 

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。

圖十：各種pH溶液

實驗前每位學生取回各100 mL的0.1 M HCl和0.1 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。

 

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.        mBlock，http://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。