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jjpong@lsjh.tp.edu.tw  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 硫代硫酸鈉濃度(M) 第一次(s) 第二次(s) 第三次(s) 平均(s) 時間倒數(1/s) 0.4 33.33 32.66 33.19 33.06 0.0302 0.5 27.87 26.94 26.54 27.12 0.0369 0.7 18.84 18.84 18.96 18.88 0.0530 0.8 […]