化學探究實驗:ChemBox的製作與應用 / 呂子琦

星期五 , 1, 11 月 2019 Leave a comment

化學探究實驗:ChemBox的製作與應用

呂子琦

宜蘭縣私立慧燈高級中學

教育部高中化學學科中心
tzuchi929@gmail.com

 

n  摘要

在實驗中使用電子數位感測器來延伸或代替人類感官,搭配電子式螢幕更容易紀錄讀數,如果在連接電腦的環境下,除了自動定時紀錄數據也能即時作圖。在教育部化學學科中心與聯盟學校的資助下,筆者近兩年來(2017~2019)發展了一系列化學實驗數位感測模組,稱之為「ChemBox」,本文將從跨領域角度示範如何製作「ChemBox」,並對化學探究實驗應用層面做初步分享,未來會持續發展相關微課程,提供中小學師生在做化學實驗時的另一種學習體驗。

 

n  簡介

在正式介紹ChemBox」化學實驗數位感測模組之前,先以下面五種情境來切入,之後再對應個別模組時也更容易了解其特色與應用。

在實驗中測量溫度變化使用酒精或水銀溫度計是很稀鬆平常之事,但因刻度限制及觀測不易而使記錄數據存在誤差,使得實驗結果精準度下降,而採用電子式數位溫度計能輕鬆地改善此一缺陷,搭配液晶螢幕更容易紀錄讀數。

酸鹼滴定是高中化學重要的實驗,通常仰賴酸鹼指示劑的變色來判斷是否完成中和反應,如果需要繪製滴定曲線,此時pH計將會是我們的好幫手!邊滴定邊紀錄,是否擔心紀錄的數據無法做出美麗的曲線呢?尤其是弱酸強鹼或強酸弱鹼的緩衝區,是不是常常淪為紙上談兵的計算題型呢?

    各位是如何教氣體定律呢?國中小階段大多數使用注射針筒來感受壓力與體積的關聯,到了高中則在黑板上畫著J型管,說明當初波以耳如何對定溫定量的氣體做實驗,將得到的數據分析並作圖,因此找到壓力與體積成反比。但現今實驗室大多已經將水銀回收,更別說要做J型管的實驗了!

    在自然科學領域的七項跨科概念中,老師們常以自然環境與環境保育相關的內容為探究議題,筆者自己在規劃探究與實作課程時,也把水資源列為重要的學習內容。簡易水質檢測包括:溶氧量、酸鹼值、濁度及溫度等四項水質參數,利用濁度計可以檢測水中懸浮微粒的數量,搭配其他檢測法,由學生汲取不同水源探究水質及出現混濁的現象,建構水汙染與淨化的知識。

最後以化學平衡與平衡常數測定為例,在實驗室採用目視比色法的結果可想而知,誤差頗大,就算學生認真投入也未必有好的線性結果,畢竟人的視力只能憑感覺卻難以量化啊!如果改用光度計做為測量工具,除了縮短實驗所需時間,也能讓實驗數據符合期待呢!

以上五種實驗如能使用數位化的化學實驗數位感測模組,搭配電腦連線還可以依設定自動紀錄數據在Excel試算表中,如事先規劃數據關聯進而達到即時作圖,便利觀察實驗的結果,讓科學知識更輕易的建構在學生腦海裡!這也是筆者開發ChemBox」的初衷。

20197/30~8/1,筆者在臺灣國立台北教育大學舉辦的第8屆亞洲化學教育研討會(8th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry
Educators)
發表第二代「ChemBox」後,也正式宣告此系列模組細節內容將完全公開,歡迎有興趣帶領學生藉由自製化學數位感測模組或延伸到探究化學實驗的師長加入「ChemBox」聯盟,共同發展化學數位探究實驗。

n  跨領域

目前坊間也有幾間公司代理銷售著名品牌科學電子實驗器材,在一些研習場合也會看到廠商設置攤位展示與介紹,筆者十分認同這些產品的實用性,有這麼先進的電子實驗器材,數位化的介面應該也能讓學生做實驗更有效學習!然而一般中小學的電子實驗器材並不普及,或是礙於補助經費有限,只能購入少量套數,其中商業產品價格偏高佔了很大的因素,讓許多師長在編列預算採購實驗設備時,只好打消這個念頭!

隨著資訊與科技的進步,大家越來越依賴使用電腦,如同此刻我正使用Word趕著稿件!通常我們只認識基本架構與一般應用軟體,更深入的內部構造與原理並非社會大眾的專業領域了。培養電子資訊專長的學生也要循序漸進的學習,假以時日才能成為專家!近幾年在中小學資訊與生活科技領域教學現場出現了一個新寵兒Arduino[1][2]及其感測器模組,不僅讓學生更快掌握程式與硬體的互動,就連一般人想要自主學習門檻也不會太高(當然還是要有興趣才有學習的動力喔!)(註示:如果您想快速了解什麼是「Arduino」,可上網搜尋關鍵字,或觀看Youtube影片[3]的介紹喔!)

    筆者自學生時期對資訊領域持有濃厚興趣,就算成為化學老師也常到資訊中心找電腦老師挖寶取經,開始接觸「Arduino」不久,在20172月,教育部化學學科中心突破以往的框架與國立高雄師範大學自造者基地(FabLab-NKNU)[4]合辦「自造技術在化學之學科融入」研習活動,帶領許多化學種子教師跨入創客的世界,為期三天的緊湊課程替我打通了任督二脈,還在摸索階段的盲點立刻秒懂,猶如水庫在雨神來襲迅速到達滿水位了!

    在研習結束後,大家帶著作業返回工作岡位,預計在3月底要將研習所提出的構想實作成一件化學實驗教材!每天花費許多時間惡補研習中失落的片段,不斷畫設計圖以改良結構與功能,最終完成不可能的任務:神氣活現氣體定律之探究專題[5]。化學學科中心的種子老師潛力更是無窮無盡,紀錄影片:2017自造者技術融入教學成果展[6]內容令人讚嘆!

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12017自造者技術融入教學成果發表波以耳定律教具()並榮獲銀牌獎()

    在發表會結束後壓力釋放而信心大增,開始思索下一步要做甚麼?同年6月,聽到當時任職教育部化學學科中心助理的張雅雯小姐正招募前往韓國首爾參加20177屆亞洲化學教育研討會,當時她與彰化高中劉曉倩老師正在開發旋光度計,原本只是想要參與改良工作的我,突然靈光乍現:何不開發能廣泛用在高中化學實驗的模組呢?能否以自製的化學數位感測模組代替昂貴的商業產品?自此一個化學創客踏上一條漫長的開發之路!

同年1125日,國立交通大學校友會與教育部化學學科中心合辦「高中基礎科學教學研習會」,助理張雅雯小姐再度發揮個人獨特的領導魅力,讓筆者尚未思考周全之際卻不自主地允諾前往研習會分享,中間雖然歷經一些製作上的困難與經費不足的危機,甚至到前一天都還在筆者學校加工測試到三更半夜,隔天仍打起精神由宜蘭開車載著40套第一代「ChemBox」化學數位感測模組一路直達新竹交大研習會場!下午化學場次首先由彰化高中劉曉倩老師分享旋光度計,再由筆者中繼介紹「ChemBox」架構與濁度計模組的使用,最後武陵高中張明娟老師帶領大家使用「ChemBox」與濁度計模組,進行探索反應速率與反應級數的實驗。雖然現場人數眾多,無法全面解決部分老師在操作上的障礙,但這一場極具挑戰性的研習活動!更是「ChemBox」能發展至今的重要關鍵!

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22017在交大的高中基礎科學教學研習會分享第一代「ChemBox&濁度計實驗

    隨後在2017年底,受到多位化學老師的鼓舞,並收到各校補助經費用來認購第一代「ChemBox」化學數位感測模組,除了解決積欠廠商的電子材料款項,還提供了後續研發其它模組的基金。並於2018年舉辦五場「ChemBox」研習,雖然幫大家準備材料與組裝代工十分費時費工,不過沒有各位的支持,相信這個計劃就不會實現了!看著老師們體驗自製化學數位感測模組,逐步發展出「ChemBox」聯盟學校,共同開發實驗操作手冊與經驗分享,這一切真是太棒了!

    2019年初筆者開始改良第一代「ChemBox」的缺失與通病,開發了第二代「ChemBox」,並在3月的「ChemBox」系列研習中首次曝光,也有化學老師因緣際會下接觸到「ChemBox」進而深感興趣,同時希望增設第二批購入電子零組件與相關材料的機會!在3月〜7月間,筆者除了無償協助原來的40套第一代升級到第二代,盡力備齊第二代材料包轉交至各校,藉由研習或拍攝製作Youtube影片[7]教學指導各校師生自行升級或組裝。總計這兩年來採用平價電子零件與感測器完成的「ChemBox」系列模組,截至今年8月已達到100套了!

STEAM(ScienceTechnologyEngineeringArtand Mathematics)是結合科學、技術、工程、藝術,以及數學的跨學科教學方法,在開發與製作ChemBox」系列模組過程其實就是一個跨領域的教學活動,也曾有「ChemBox」聯盟學校邀請筆者擔任講師,在領域研習時間將自然科老師與學生一同分組,在實驗室從無到有體驗一場多元式教學,老師從旁指導,學生動手做,形成一幅美麗的風景畫!

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32019在秀峰高中的研習,師生共同體驗「ChemBox」實驗

 

n  Chemis try

    萬事起頭難!許多化學老師最常遇到的困難就是關於電子電路與程式撰寫,其實不用過度擔心,筆者已經開發了模組化介面並拍攝組裝與應用影片來降低使用門檻,只要老師願意自己動手或引導學生在課餘協助組裝,學生也會很有成就感的!而且這些開源模組花費比起商業產品低很多,更容易在班級實驗課時廣泛被使用。詳細內容皆收錄在筆者的協作平台網站[8]{9},免費提供收集的資源!或加入「ChemBox」聯盟學校透過網路通訊方式解答喔!

底下簡易提供一套第二代「ChemBox」化學實驗數位模組所需材料與工具的清單:

1.使用雷射切割機製作壓克力外殼,以保護電子零件與電路,圖4~9為本系列所裁切的壓克力零件組(需要雷切檔請來信索取)

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4:主機                                 5:溫度計

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6pH             7:溫度壓力計

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8:濁度計             9:光度計

2.主要電子零件:可到各大電子材料行或網路銷售平台購入,但多數是由大陸地區代工生產,再由台灣電子廠商引進,零件售價雖然不貴,但價差頗大,務必貨比三家喔!


模組名稱


電子零件名稱


數量


主機


Arduino UNO


1


1.3 I2C OLED
螢幕


1


PS/2
搖桿


1


防水型數位溫度計


DS18B20

溫度計


2


4.7KΩ(黃紫紅)電阻


1


pH


pH計模組


1


濁度計


濁度計模組


1


溫度壓力計


BMP280 溫度壓力計


1


光度計


BH1750 光度計


1


RGB LED


1


附屬零件


D-SUB 15 轉接頭


母座1個,

公頭5


10cm杜邦線


公對公20

公對母30


M3 螺絲


6mm(4)

9mm(14)

12mm(4)


六角螺帽


17


六角銅柱


5mm(4)

 

3.手工具(可視情況調整)銲槍、銲錫、美工刀、剪刀、銼刀、十字螺絲起子、尖嘴鉗、撥線器、三用電表膠帶、熱熔膠、矽利康、AB膠、氯仿

    備齊以上材料與工具後,就可以按照筆者網站[8][9]資料與Youtube教學影片[7]製作囉!

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10:第二代「ChemBox」全貌:主機、溫度計、pH計、濁度計、溫度壓力計、光度計

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11:第二代「ChemBox」:主機與感測器採統一的連接頭,具有防呆與耐用的特性

n  實際應用

 

    目前「ChemBox」有溫度計、pH計、濁度計、溫度壓力計、光度計五種感測器模組,這些感測器模組與主機連接後透過USB連接電腦,開啟具有巨集功能的Excel(由國外網友NetDevil分享的PLX-DAQ v2.11)[10]收集測量的數據。以下為筆者在研習常做的示範實驗。

1.數位溫度計

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12:「ChemBox」主機與溫度感測器連接13:「ChemBox」主機螢幕上顯示溫度

酸鹼中和為顯著的放熱反應,在實驗中如能連續測量並記錄,作圖可得溫度變化曲線,如此可由溫差求得放熱多寡,即為中和熱。亦可應用在其他適合的反應熱實驗喔!

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14:強酸、弱酸與強鹼的中和反應溫度曲線

2.pH

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15pH計感測器16:「ChemBox」主機螢幕上顯示pH

酸鹼滴定為中學階段十分重要的化學實驗,除了酸鹼指示劑外,電子式pH計也能協助我們偵測實驗進行的狀況,但想要紀錄完整的過程,趕緊來試試「ChemBoxpH計模組吧!

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17強酸強鹼滴定曲線

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18弱酸強鹼滴定曲線

由上面兩個圖型可以清楚看到:圖17的垂直線段較長,適合做為酸鹼指示劑的種類也較多,而圖18的垂直線段較短,並且大部分存在鹼性條件下,指示計的種類就以酚酞較適合了!另外此實驗值得一提的是因同離子效應而產生的緩衝區,也在即時作圖顯示出來,學生無不露出興奮的表情,可以知道這次的酸鹼滴定實驗與結果已經深植人心,之後回到課堂進行教學與討論的成效就更高了!

3.溫度壓力計

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19:改良自2017筆者自製波以耳定律教具,參加2019.09.05高師大自造者基地主辦教育部記者會:星球基地X數位自造/NKNUBLOCK+4060普及扎根中小學運算思維及程式教育

利用步進馬達能精密轉動的特性,帶動螺桿改變注射針筒體積,在定溫定量的氣體下偵測壓力的變化,雖然不是理想氣體,卻也在10毫升的體積變化下即可看出壓力與體積的關聯性。將數據作圖更能讓學生建構出波以耳定律的內涵!

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20:壓力對體積關係圖                21:壓力對體積倒數關係圖

4.光度計:

    光度計的組成需要一個光源與光度感測器,為了能研究不同色光與溶液顏色的吸收度關聯,因此採用具有RGB三色的LED燈。而在搜尋資料時,有人使用光敏電阻做為偵測光吸收度的感測器,筆者則改用更為靈敏的BH1750光強度感測器模組,讓數據更為精確。

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22:主機與光度計連接樣式,開機進行操作

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23:取用未知濃度的咖啡當作試驗樣品,依序加入等量倍數的水稀釋

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24:在不同光源的測試下,紀錄數據作圖,皆具有不錯的線性關係

這是一個無心插柳柳成蔭的試驗,原本只是想測試「ChemBox」與光度計模組的程式是否功能正常,將手邊咖啡以滴管吸取若干,配製五個濃度等量遞減的咖啡水溶液,分別放入塑膠比色槽中利用自製光度計中,RGB三色LED依序產生紅(R)、綠(G)、藍(B)、黃(RG)、紫(RB)、青(GB)、白(RGB)七種色光測量各濃度的光吸收度,連接電腦由Excel收集數據作圖畫出檢量線求得相關係數R2值,本系列實驗的R2值幾乎在0.98以上,其中以紅光0.9326效果最差,青光0.9954為最佳值,由此結果也符合採用待測物吸收光(約相當於對比色)之光源會有較佳解析效果的推論。

礙於篇幅只能粗略介紹到此,當然還有許多值得探究的實驗等待大家開發與交流,我常跟夥伴分享的就是:雖然身為化學老師,並非要任教學生都想唸化學系,「ChemBox」也不是多精密的儀器,但對學生藉由實驗更輕易理解科學概念就足夠了!如果藉由「ChemBox」的啟發進入大學電子、機械、資工或相關科系,不也是一樁美事!

n  致謝

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252019.07.31筆者帶領本校學生在8thNICE張貼海報與提供實際體驗解說

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262019.07.31邱美虹教授與慧燈高中「ChemBox」團隊在8thNICE會場合影

這一路走來要感謝的貴人很多,化學學科中心前助理張雅雯小姐功不可沒;北區桃園幫的種子教師:張明娟老師、吳德鵬老師、徐欣慈老師是幕後協助優化的好夥伴;參與研習給我回饋的老師們;還有慧燈高中可愛的學生們,默默被我壓榨幫忙組裝,宛如生產線的作業員。沒有大家就沒有「ChemBox」的成果!感謝邱美虹教授邀稿,讓「ChemBox」在台灣化學教育期刊與大家共享,在此皆一併致謝!有人問:還會繼續維護與改良嗎?答案是肯定的!

n  參考資料

1.      Arduino Home,https://www.arduino.cc/

2.      Arduino, https://zh.wikipedia.org/wiki/Arduino

3.      LazyTomatoLab 懶番茄工作室Arduino #1 – Arduino 到底是什麼?What is Arduino? (ENG SUB)

4.      國立高雄師範大學自造者基地(FabLab-NKNU)https://www.fablab.nknu.edu.tw/

5.      呂子琦,2017自造者技術融入教學:神氣活現氣體定律之探究專題。https://sites.google.com/hdsh.ilc.edu.tw/fablab-hdsh/

6.      TMCTorg攝影剪輯:化學學科中心種子教師群:2017自造者技術融入教學成果展https://www.youtube.com/watch?v=Vj-GOY1B7xc

7.      呂子琦,2019 ChemBox二代製作影片:https://www.youtube.com/playlist?list=PLtpxqOz24EL2BwxWDwCjRocFZEV8MQIO_

8.      呂子琦,2019ChemBox協作平台:https://sites.google.com/hdsh.ilc.edu.tw/chembox-8th-nice/

9.      呂子琦,化學創客ChemBox融入教學協作平台:https://sites.google.com/hdsh.ilc.edu.tw/2017-chembox/

10. NetDevil,PLX-DAQ version 2 – now with 64 bit support!https://forum.arduino.cc/index.php?topic=437398.0

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