臺灣化學教育

利用Arduino裝置測定反應速率—
兼談此裝置的教學特色

鄭志鵬

臺北市立龍山國民中學
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•  何謂Arduino？

Arduino是什麼？在創客（Maker）風潮席捲全球的這幾年，就算是不會寫程式的人，或多或少會聽過或看過這個名詞。實際上，Arduino開發板是一種開源硬體，裡面整合一些微處理器和控制器的電路板。簡單地說，它就是一台小電腦，有潛力可以做很多事，只是我們要教它，它才會做一些事。我們要怎麼教會這小電腦做事？就是用程式的語言來教會它。

其實，在日常生活中有很多電器裝置裡有一些具有單晶片的小電路板。它就像一台小電腦，由設計者寫入程式，就能讓這塊電路板具備特定的功能，在冷氣、冰箱、電視遙控器、音響和紅外線自動感應沖水系統等電子設備裡扮演某種角色。這不是什麼最新科技，而是人類社會已經使用很久的技術。

在Arduino問世之後，這樣的技術就從專門的業界下放到普羅大眾。大眾可以用便宜的價格購買零件自己組裝，用相對簡單易學的程式語言寫程式並灌進去，就能擁有專屬於自己的，100%客製化的電子裝置。如果你問Arduino的玩家們「這個裝置到底可以作些什麼？」，他們會告訴你「什麼都可以啊，只要你想得到…」。

在這幾年來，創客思維席捲教育圈，Arduino和其他相關的軟硬體，大量的出現在教育界中，學生和教師常以Arduino或其他開發板進行各種專案課程。這些課程大多是設計機器人、自走車或其他自動控制的裝置。這些專案課程可以訓練學生進行編程和機電整合等科技方面的學習。我身為科學教師，看到這些裝置的想法就是：「Arduino裝置可以用在科學教育上嗎？」如果你問Arduino的玩家們，他們也會告訴你：「可以啊，只要你想得到」。於是，在經過一番努力之後，我從一個寫程式和電子裝置設備的門外漢，慢慢學習並瞭解這些元件的運作原理，也慢慢有能力設計一些裝置來幫助科學課程的進行。

• 科學實驗教學的挑戰

「探究學習」是科學教育的核心，學習探究自然現象，學生要知道如何觀察現象、提出假設、設計實驗、進行實驗、收集資料並做出結論。在中學階段，科學教師面臨的挑戰是，如何用淺顯易懂的方式，讓學生進行適當的實驗，取得可信的數據，並且學習如何分析數據做出論述。當然，這裡所謂的「適當」和「可信」的標準，是中學教育的標準，而非科學家的標準。

目前在中學課程裡面，取得數據的方式，有時會採取傳統的器材，例如：使用上皿天平，有時使用容易操作且容易取得數據的方式，例如：生物課用「接尺」來取得人體反應時間；化學課用硫代硫酸鈉與鹽酸反應產生不透明的硫沉澱，直到「遮住十字」的時間測定來測量反應速率。

以「遮住十字」的時間取得化學反應速率來說，就有很明顯的實驗誤差來自於觀察者判定的標準不一致。這樣的實驗方式取得的數據誤差很大，有時會造成實驗數據誤差大到無法分析。若要以高階的儀器來取得夠好的數據，通常就需要購買昂貴的器材。儀器價格太高或是難以取得夠好的實驗數據，也是科學教師不願意進行真實實驗的原因之一。

• 用Arduino設計實驗裝置

我們可以利用Arduino來設計一個相對便宜、原理易懂且能取得相對精準結果的實驗裝置。這個裝置要以Arduino代替人眼來判定「遮住十字」的時間，能讓學生容易上手，而且在簡短的解說之後學生就能使用。

如何用Arduino組裝實驗裝置呢？我們可以製作一組光閘門搭配計時器，即可組裝完成。光閘門是由一組雷射模組（見圖一左）和光敏電阻模組（見圖一中）組成的。雷射模組是一個可以發出雷射的LED燈，訊號輸入就發光。光敏電阻模組是由一個硫化鎘的光敏電阻，串聯一個電阻，使環境光強度轉成電位訊號，並以Arduino讀取。我們設定亮度越高時，訊號的數字就越大，數字分布從0~1023。在實際使用時，將雷射直接打到光敏電阻上，可以將亮度輸出數字拉到約1000。沒有雷射光時，由於有環境光，數字有時會達到五六百甚至以上。此時，可以拿一個黑色塑膠套（例如熱縮套）套在光敏電阻上，就可以減少環境光的影響（見圖一右）。 

  

圖一：雷射模組（左）；雷射光射入的光敏電阻模組（中）；以及套上熱縮套阻隔環境光的光敏電阻模組（右）

在操作此實驗裝置時，一開始先調整雷射方向，讓雷射打到光敏電阻上，再由Arduino收取光敏電阻的數值。放置裝有1M硫代硫酸鈉的燒杯（或試管）在光敏電阻與雷射模組之間，由於硫代硫酸鈉的水溶液是透明的，因此光敏電阻讀到的亮度數值是高的（見圖二左），此時設定一個數值作為閾值（threshold）（見圖二中），當光敏電阻數值低於閾值時，就代表「遮住」（見圖二右）。

  

圖二：當雷射光直射光敏電阻時，顯示數值超過1000（左）；用手遮住雷射時，顯示數值降低到327左右（中）；以及用藍色旋鈕調整閾值到500，當亮度數值降低到500以下時，視為「遮住」（右）。

放置裝有1M硫代硫酸鈉的燒杯（或試管）在光敏電阻與雷射模組之間，設定並調整閾值後（見圖三左），倒入1M的鹽酸，並且按下紅色按鈕，讓計時器開始計時（見圖三右）。

 

圖三：放置裝有硫代硫酸鈉水溶液的燒杯（或試管）在雷射與光敏電阻之間，調整容器位置，讓雷射光可以直射光敏電阻（左）；在設定完成後，倒入鹽酸並且按下紅色按鈕，碼表開始計時，同時顯示亮度變化（右）。

隨著反應的進行，硫的沉澱會越來越多（見圖四左）。當硫的沉澱物會越來越多時，就會遮住雷射光，使光敏電阻的數值越來越低，低於設定的閾值時，就會自動停止計時（見圖四右）。

 

圖四：當產生硫沉澱後，越來越多的雷射光會遮住，使光敏電阻數值下降（左）；以及當亮度數值降低到閾值以下之後，計時器就自動停止計時，顯示反應時間（右）。

• 實驗結果

在不同濃度的硫代硫酸鈉溶液和鹽酸混合之後，當計時器就自動停止計時（設定閾值為300），顯示反應時間。在同一條件下，進行三次實驗並取得平均反應時間。

使用不同濃度的硫代硫酸鈉溶液和鹽酸反應時間的實驗數據和處理，如表一所示。

表一：硫代硫酸鈉溶液和鹽酸反應速率的實驗數據

以硫代硫酸鈉溶液的濃度對反應時間倒數作圖，其趨勢線如圖五所示。

圖五：硫代硫酸鈉溶液的濃度與反應速率的關係

實驗發現：硫代硫酸鈉溶液的濃度與反應時間的倒數之間呈現線性關係，亦即硫代硫酸鈉溶液的濃度越高，反應時間的倒數越小。

•  以Arduino裝置進行實驗的優點

(一)接近學生學習的門檻

基本上，這個反應速率的測定與傳統課本的設定相同，只是以Arduino取代人的眼睛（傳碼表的手。解說實驗原理與傳統課程的差異不大。教師在解說實驗的時候，也可以先說明傳統課本設計的測量方式），讓學生討論傳統課本可能的缺點。引進Arduino裝置，讓學生比較兩種實驗方法的差別。

(二)實驗再現性高

以傳統實驗的方式，學生觀看「遮住十字」的判定時間，有時候會不確定地提出「到底遮住了沒？」。不同學生的判定標準有時差異很大，甚至差異高達50%。相對於傳統的作法，Arduino實驗裝置的再現性高。實際測試的結果，反應時間差異小於8%。

(三)有機會討論「閾值」觀念

在中學階段的實驗，很少有機會探討「閾值」，例如：在「純水是不導電的，電解質溶解在水中時，水溶液會導電」。測試導電的裝置是電池和燈泡相接，然後中間電路被截斷。被截斷的部分插到水溶液中，再觀察燈泡是否發光來判斷水溶液是否導電。對國中生而言，測量的觀念就是很簡單的非黑即白。釐清「背景值」和「訊號」的觀念，對於國中生來說比較困難。因此教師在進行實驗的時候，要先設定閾值，讓背景值消失，讓訊號突顯出來，例如：串聯一個適當的電阻，或是選用雜質更少的水。在Arduino實驗裡，教師可以嘗試作簡單的說明。討論「什麼叫做被遮住」、「數值降低到多少的時候，叫做遮住了」。這個閾值的設定，是實驗進行過程中的一部分。傳統的實驗方式，是用「眼睛看不到十字」作為閾值的觀念。只是對人來說，這個數值會浮動。以光閘門的實驗來說，因為要經由人為設定數值的關係，就可以藉由這過程簡單說明「閾值」觀念。

(四)提高課程效率

以數位化測量實驗數據，除了可以取得相對穩定的數值之外，還可以在實驗課程的設計上進行一些調整，讓課程進行更加順暢有效率。例如：在觀察水沸點的實驗中，我們想長時間加熱水來觀察水溫上升的趨勢，當溫度到達沸點時，繼續加熱不會讓溫度繼續上升的現象。如果實驗活動的設計是讓學生守在酒精燈旁，定時紀錄溫度的數據直到沸騰，往往需要耗費許多時間。如果使用Arduino裝置來進行實驗，設定每30秒取得一個數據。就可以在裝置架設好之後，開始實驗並自動收取數據。在這段時間，教師就可以先解說別的主題。等到水沸騰，再將數據製作成統計圖後，教師就可以解說水從常溫到沸騰的加熱趨勢線。

使用Arduino裝置，除了可以取得需要較長時間的實驗數據外，也可以取得極短時間的實驗數據，例如：測量聲音速度。如果要測量聲音速度，對一般中學實驗室來說，會遇到速度太快，時間太短的問題。若使用Arduino來進行測量音速，可以取得毫秒甚至微秒等級的時間間隔的數據，可以輕易的取得人類反應時間以內的實驗數據。

(五)客製化實驗裝置

最後也是最大的優點就是教師可以依照實驗的需求，製作自己的客製化實驗裝置。市面上有許多套裝的軟硬體可以用於課堂中進行實驗。然而，這些軟硬體的設計是不是符合教師上課的需求，那就不一定了。在這個創客的年代，身為一個科學教師，其實可以應用Arduino、3D列印和雷射切割機等設備，製作一套自己的實驗裝備，視自己與學生的狀況進行調整功能，讓我們更能夠在課堂中進行探究實驗課程。

• 提醒與注意事項

對於科學課程的進行，最重要的是要學生學習到科學的種種面向。使用方便取得數據的工具，有時候會讓「取得數據」的過程太過輕易而缺少科學實驗學習的深刻感受。教師有時候會希望學生去感受守在實驗裝置旁邊，耐心的取得數據的過程，細心的操作器材，以取得較精準的數據。這些情意面的學習，可能會因工具的方便使用而缺乏或弱化。在教學目標中，希望學生學習某一種測量的技術或背後的原理，也會因工具的改變而產生變化。因此，在使用Arduino或其他方便的工具時，在達成方便或加速的目的之下必須要小心使用。原本該有的技能和情意方面的學習會不會被弱化了？如果會的話，教師應該視情況而定。在這個單元，若因運用Arduino工具而削弱的部分，應該在其他單元強化。

另外，使用Arduino進行測量，有一個部分要非常小心的就是往往這些測量的裝置並沒有經過校正，可能會有數據不準的問題。以我的經驗來說，在一般教學的使用上，是綽綽有餘的。如果只是要觀看定性的比較數值，那更是沒有問題。然而，如果要取得在科學研究上精準的數據，或是在測量體溫判斷是否發燒的醫療用途的話，就必須更謹慎的看待數據的精準度了。

• 結語

Arduino是一個方便有效的工具，可以幫助我們達成許多教學目標，也能有效的增進教學的效率。雖然教師剛開始接觸對Arduino不熟悉，但是經過一段時間的學習，一定可以自己製作一些工具來輔助教學。在我學習Arduino的過程中，領悟到許多以前不甚清楚的測量相關的概念，是非常有價值的學習。在相對便宜的價格和客製化的優點之下，教師一定可以讓探究實驗的教學有更多可能性。