摘"要："通過Arduino和Matlab的串口通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)苯酚化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。實(shí)驗(yàn)中同步監(jiān)測(cè)苯酚的電導(dǎo)率、pH和氧化還原電位，通過數(shù)字實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持從多個(gè)維度理解苯酚的化學(xué)性質(zhì)。創(chuàng)客教育與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的融合旨在激發(fā)學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力的潛能，為未來教育模式的創(chuàng)新作一些探索。關(guān)鍵詞："化學(xué)實(shí)驗(yàn)；苯酚化學(xué)性質(zhì)；創(chuàng)客教育；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教育部強(qiáng)調(diào)科學(xué)教育對(duì)學(xué)生的全面發(fā)展至關(guān)重要，倡導(dǎo)“做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)”的教學(xué)理念，旨在通過實(shí)踐提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和科學(xué)素養(yǎng)［1］。在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課程標(biāo)準(zhǔn)”）中強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)在提升化學(xué)教學(xué)效率和質(zhì)量方面的重要性，并鼓勵(lì)教師將信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)緊密結(jié)合，以增強(qiáng)教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展［2］?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)探究的核心，通過將創(chuàng)客教育和化學(xué)實(shí)驗(yàn)融合的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。在傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生對(duì)苯酚的化學(xué)性質(zhì)的理解主要依賴于定性觀察，如顏色變化、沉淀生成等，這些方法受限于溶液濃度，難以全面揭示苯酚化學(xué)性質(zhì)的實(shí)質(zhì)，學(xué)生對(duì)反應(yīng)過程的理解是存在疑惑的。此外，苯酚的弱酸性是其重要特性，但僅通過定性觀察難以準(zhǔn)確理解其酸性的具體程度，以及苯酚酸性強(qiáng)于碳酸氫根離子，這些都對(duì)學(xué)生的深入學(xué)習(xí)構(gòu)成了挑戰(zhàn)?！靶抡n程標(biāo)準(zhǔn)”要求“優(yōu)化綜合實(shí)驗(yàn)活動(dòng)實(shí)施方式和路徑，推進(jìn)工程與技術(shù)實(shí)踐”，培養(yǎng)學(xué)生利用簡(jiǎn)單技術(shù)與工程方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)至關(guān)重要［3］。因此，需要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，以更全面、直觀的方式幫助學(xué)生理解苯酚的化學(xué)性質(zhì)。1"創(chuàng)客教育在高中化學(xué)教學(xué)中，創(chuàng)客教育的引入為學(xué)生提供了創(chuàng)新的學(xué)習(xí)方式，通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、技術(shù)融合、跨學(xué)科整合、創(chuàng)新競(jìng)賽、科學(xué)探究與反思等多樣化教學(xué)活動(dòng)，極大地豐富了化學(xué)教學(xué)的內(nèi)容和形式［4］。學(xué)生通過設(shè)計(jì)并實(shí)施自己的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，將化學(xué)知識(shí)與其他學(xué)科知識(shí)進(jìn)行跨學(xué)科整合，培養(yǎng)他們解決實(shí)際問題的能力。通過創(chuàng)客教育創(chuàng)新競(jìng)賽和科學(xué)探究活動(dòng)，學(xué)生不僅能夠展示自己的創(chuàng)意和實(shí)驗(yàn)技能，還能培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，為未來的學(xué)習(xí)和職業(yè)生涯打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2"Arduino在創(chuàng)客教育中的應(yīng)用Arduino作為一個(gè)開源的電子原型開發(fā)平臺(tái)，通過其簡(jiǎn)單的微控制器板和配套的Arduino集成開發(fā)環(huán)境（IDE），成為創(chuàng)客教育中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能的理想工具。Arduino在跨學(xué)科教育中展現(xiàn)出強(qiáng)大的整合能力，Arduino特有的編程語(yǔ)言編寫程序，這些程序經(jīng)過編譯后生成二進(jìn)制代碼，進(jìn)而被燒錄到微控制器中，使其能夠執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)，從而在創(chuàng)客教育中發(fā)揮至關(guān)重要的作用［5］。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們利用Arduino設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試苯酚的化學(xué)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中整合多種傳感器，包括pH傳感器、電導(dǎo)率傳感器和氧化還原電位（ORP）傳感器。通過Arduino的設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與實(shí)踐操作相結(jié)合，借助創(chuàng)客教育模式深入探究苯酚的化學(xué)性質(zhì)。3"采用Arduino進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和Matlab測(cè)試界面3.1"實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)（1）通過電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程，觀察并分析前后電導(dǎo)率的變化，從而深入理解苯酚與溴水反應(yīng)的類型，培養(yǎng)科學(xué)探究精神和批判性思維。（2）通過pH傳感器監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程，觀察并分析前后pH的變化，通過數(shù)據(jù)理解苯酚與碳酸氫根離子的酸性強(qiáng)弱，培養(yǎng)證據(jù)推理與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的能力。（3）通過ORP傳感器監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程，觀察并分析前后電位的變化，通過數(shù)據(jù)準(zhǔn)確理解苯酚的還原性，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)。3.2"實(shí)驗(yàn)器材及界面設(shè)計(jì)3.2.1"實(shí)驗(yàn)器材藥品：0.1mol/L苯酚溶液、飽和溴水、0.1mol/L碳酸鈉溶液，稀酸性高錳酸鉀溶液儀器：磁力攪拌器、125mL廣口瓶、鐵架臺(tái)、長(zhǎng)頸漏斗，具支試管、止水夾、乳膠管、玻璃導(dǎo)管、二通閥、點(diǎn)膠針頭3.2.2"設(shè)備搭建設(shè)備：筆記本電腦、UNO板、已設(shè)置好的實(shí)驗(yàn)軟件和程序以及傳感器組合（1）線路搭建①電導(dǎo)率傳感器②pH傳感器③氧化還原傳感器（ORP）將電導(dǎo)率電極連接到電導(dǎo)率模塊的輸入端；將電導(dǎo)率模塊的輸出端連接到Arduino的模擬輸入端（例如A0）。將pH電極連接到pH模塊的輸入端；將pH模塊的輸出端連接到Arduino的模擬輸入端（例如A1）。將ORP電極連接到ORP模塊的輸入端；將ORP模塊的輸出端連接到Arduino的模擬輸入端（例如A2）。確保所有傳感器的電源和地線正確連接到Arduino的5V和GND端。（2）Arduino代碼設(shè)計(jì)Arduino代碼通過模擬輸入引腳讀取電導(dǎo)率、pH和ORP傳感器的數(shù)據(jù)，并通過串口每秒輸出一次。使用analogRead函數(shù)讀取傳感器的模擬值，然后通過map函數(shù)將這些值轉(zhuǎn)換為實(shí)際的測(cè)量范圍。電導(dǎo)率值（0～5000微西門子）、pH（0～14）和ORP值（-1000到1000毫伏）分別通過Serial.print和Serial.println函數(shù)輸出到串口監(jiān)視器。程序在每次讀取后暫停一秒鐘。為了實(shí)現(xiàn)Arduino與電導(dǎo)率、pH和ORP傳感器的通信，并在Matlab中進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，需要將上述Arduino代碼燒錄到連接好的UNO板上，通過傳感器的模擬信號(hào)，并使用map（）函數(shù)將傳感器的模擬讀數(shù)映射到相應(yīng)的物理量范圍，這通常需要根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)Arduino與Matlab間的串口通信。（3）Matlab界面設(shè)計(jì)為了探究苯酚與溴水的反應(yīng)類型、苯酚與碳酸氫根離子的酸性強(qiáng)弱以及苯酚的還原性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)集成Matlab和Arduino的實(shí)驗(yàn)測(cè)試界面（見圖2）。該界面通過采集來自Arduino的串口數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理。通過Matlab界面呈現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析數(shù)據(jù)，提高師生實(shí)驗(yàn)操作技能和數(shù)據(jù)處理能力。3.3"實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路實(shí)驗(yàn)一"探究苯酚與溴水的反應(yīng)類型基于反應(yīng)后生成物的性質(zhì)確定本次實(shí)驗(yàn)的方案為：利用電導(dǎo)率傳感器測(cè)定0.1mol/L苯酚溶液滴定25mL飽和溴水，觀察對(duì)比電導(dǎo)率曲線前后的變化情況。猜想：觀察溶液中電導(dǎo)率曲線前后的變化情況。（1）若曲線變化不明顯或甚至不變化，則得出發(fā)生的是加成反應(yīng)；（2）若曲線變化較明顯，則得出發(fā)生的是取代反應(yīng)；設(shè)計(jì)意圖：本實(shí)驗(yàn)旨在通過電導(dǎo)率的變化來探究苯酚與溴水反應(yīng)的類型。電導(dǎo)率的變化可以反映溶液中離子濃度的變化，從而間接判斷反應(yīng)類型。加成反應(yīng)通常不會(huì)顯著改變?nèi)芤旱碾x子濃度，因此電導(dǎo)率曲線變化不明顯；而取代反應(yīng)往往伴隨著離子的生成或消耗，導(dǎo)致電導(dǎo)率曲線有顯著變化。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以直觀地理解苯酚與溴水反應(yīng)的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)二"探究苯酚與碳酸氫根離子的酸性強(qiáng)弱關(guān)于學(xué)生存在苯酚酸性弱到什么程度和苯酚的酸性強(qiáng)于碳酸氫根離子的疑惑，教材并未做詳細(xì)說明，因此本實(shí)驗(yàn)的方案確定為：利用pH傳感器測(cè)定0.1mol/L苯酚溶液滴定25mL0.1mol/L碳酸鈉溶液，觀察對(duì)比前后pH曲線的變化情況。根據(jù)表1結(jié)合水解平衡常數(shù)，計(jì)算得到：0.05mol/L的Na2CO3溶液pH約為10.530.05mol/L的NaHCO3溶液pH約為9.53猜想：觀察反應(yīng)前后的溶液pH曲線是否趨于9.53。（1）若不趨于，則得出苯酚的酸性比碳酸氫根離子弱；（2）若趨于，則得出苯酚的酸性比碳酸氫根離子強(qiáng)。設(shè)計(jì)意圖：本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)定苯酚與碳酸鈉溶液反應(yīng)前后的pH變化，來探究苯酚的酸性強(qiáng)弱。通過比較苯酚溶液與碳酸氫根離子溶液的pH，學(xué)生可以直觀地了解苯酚的酸性與碳酸氫根離子的酸性強(qiáng)弱關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于學(xué)生理解苯酚酸性在化學(xué)反應(yīng)中的作用，以及其在酸堿平衡中的地位。實(shí)驗(yàn)三"探究苯酚的還原性（與酸性高錳酸鉀反應(yīng)為例）方案：利用ORP傳感器測(cè)定0.1mol/L苯酚溶液滴定25mL稀酸性高錳酸鉀溶液，觀察前后電位曲線的變化情況。猜想：觀察反應(yīng)前后溶液電位曲線的變化情況。（1）若有明顯變化，則得出苯酚具有還原性；（2）若無明顯變化，則得出苯酚不具有還原性。設(shè)計(jì)意圖：本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)定苯酚與酸性高錳酸鉀反應(yīng)前后的電位變化，來探究苯酚的還原性。氧化還原電位的變化可以反映反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的情況，從而判斷物質(zhì)的氧化還原性質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以驗(yàn)證苯酚是否具有還原性，以及其在氧化還原反應(yīng)中的行為。3.4"實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程實(shí)驗(yàn)步驟：（1）利用25mL移液管分別向三個(gè)廣口瓶中加入25mL濃溴水、0.1mol/L碳酸鈉溶液和稀酸性高錳酸鉀溶液。（2）按照?qǐng)D1所示的裝置進(jìn)行連接，向長(zhǎng)頸漏斗中加入0.1mol/L的苯酚溶液，打開止水夾，控制好每個(gè)位置的滴速備用，關(guān)閉止水夾。（3）打開磁力攪拌器開關(guān)，按照如圖1所示的設(shè)備進(jìn)行連接，打開電腦程序，選擇好端口、波特率、打開開關(guān)，待綠燈亮起，點(diǎn)擊對(duì)照組數(shù)據(jù)采集/停止按鈕，等待300s。（4）再次點(diǎn)擊對(duì)照組數(shù)據(jù)采集/停止按鈕，點(diǎn)擊實(shí)測(cè)采集/停止按鈕，打開連通閥和止水夾，開始采集數(shù)據(jù)，繪制曲線；待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后停止采集，關(guān)閉止水夾，關(guān)閉磁力攪拌器，導(dǎo)出數(shù)據(jù)。（5）對(duì)比前后曲線的變化（圖2～圖5），分析苯酚的化學(xué)性質(zhì)。3.5"實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示與分析：3.5.1"定性觀察裝有飽和溴水的廣口瓶中溶液紅棕色退去且有白色沉淀生成；裝有碳酸鈉溶液的廣口瓶前后無明顯變化；裝有酸性高錳酸鉀溶液的廣口瓶中溶液紫紅色退去。3.5.2"定量分析根據(jù)Matlab測(cè)試界面數(shù)據(jù)變化曲線（圖2～圖5）分析結(jié)果見表2。4"實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)本實(shí)驗(yàn)將創(chuàng)客教育與化學(xué)實(shí)驗(yàn)相融合，體現(xiàn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方法與現(xiàn)代傳感器技術(shù)相結(jié)合的潛力。通過Arduino和Matlab的集成，構(gòu)建的測(cè)試界面，