狄勇 吳俊杰

溶解是物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域涉及的內(nèi)容，小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)給出的相關(guān)活動(dòng)建議包含“觀察常見物質(zhì)在水中的溶解過程”。食鹽是最常見、安全、廉價(jià)的實(shí)驗(yàn)對象，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法卻因其擴(kuò)散過程透明不可見，往往安排學(xué)生采用生活中不常見的高錳酸鉀代替食鹽做溶解實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也只能在高錳酸鉀溶解實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過想象進(jìn)行認(rèn)知遷移。有沒有一種方法讓食鹽的溶解過程可被檢測和觀察到呢？其實(shí)借助虛谷號(hào)搭建的SIoT服務(wù)器和TDS傳感器制作的實(shí)驗(yàn)裝置，我們可以采集并呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的方法讓食鹽溶解過程“可見”。

● 實(shí)驗(yàn)原理分析

參考教材針對高錳酸鉀的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)裝置主要被設(shè)計(jì)用于觀察攪拌前的食鹽溶解情況。我們需要尋找一種可以檢測到鹽分的傳感器以量化該擴(kuò)散過程。大量程的電導(dǎo)率傳感器是最適合的選擇，但相對廉價(jià)許多的TDS傳感器也可用于該部分實(shí)驗(yàn)。TDS中文名稱為總?cè)芙夤腆w（英文：Total dissolved solids，縮寫TDS），又稱溶解性固體總量，測量單位為毫克/升（mg/L），它表明1升水中溶有多少毫克溶解性固體。TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多。總?cè)芙夤腆w指水中全部溶質(zhì)的總量，包括無機(jī)物和有機(jī)物兩者的含量。通?？捎秒妼?dǎo)率值大概了解溶液中的鹽分，一般情況下，電導(dǎo)率越高，鹽分越高，TDS越高。由于天然水中所含的有機(jī)物以及呈分子狀的無機(jī)物一般可以不考慮，所以也把含鹽量稱為總?cè)芙夤腆w。

完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，需要TDS傳感器、虛谷號(hào)和擴(kuò)展板。虛谷號(hào)需要聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)在教室內(nèi)部署一臺(tái)無線路由器，該路由器無需連接外網(wǎng)，僅負(fù)責(zé)局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。虛谷號(hào)、教室計(jì)算機(jī)均連至該路由器以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將一勺食鹽輕輕放入燒杯中，靜觀食鹽的變化。短時(shí)間內(nèi)，沉入水底的食鹽顆粒并不會(huì)有太大的肉眼可見的變化發(fā)生，但擴(kuò)散過程從食鹽入水的一刻已經(jīng)開始。此時(shí)可將TDS傳感器插入燒杯中，并緩緩上下移動(dòng)探頭，檢測不同水位的TDS值，檢測到的數(shù)據(jù)將由虛谷號(hào)上的SIoT服務(wù)器進(jìn)行記錄，并自動(dòng)生成圖表。學(xué)生將從教室大屏幕呈現(xiàn)的折線圖實(shí)時(shí)看到不同水位的TDS值，幫助理解和想象食鹽在水中的擴(kuò)散過程。

● 準(zhǔn)備工作

1.在虛谷號(hào)上搭建SIoT服務(wù)器

SIoT已在虛谷號(hào)出廠預(yù)裝，只要設(shè)置好Wi-Fi，就能訪問虛谷號(hào)的SIoT服務(wù)。給虛谷號(hào)設(shè)置Wi-Fi的過程，可以通過U盤模式來完成。具體過程如下：

①將USB線連至虛谷號(hào)的OTG口，稍后系統(tǒng)會(huì)將虛谷號(hào)識(shí)別為一個(gè)U盤。

②打開vvBoard的文件夾，用記事本編輯vvBoard_config文件，將SSID和SSID_PSD改為局域網(wǎng)的Wi-Fi賬號(hào)密碼，保存配置文件（如圖2）。

③按下RST鍵重啟虛谷號(hào)，U盤將暫時(shí)消失。等再次出現(xiàn)的時(shí)候，就已經(jīng)連上了Wi-Fi，vvBoard的文件夾中出現(xiàn)“訪問siot”的快捷方式。

2.實(shí)驗(yàn)裝置的硬件搭建

搭建這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，需要如下材料：

①虛谷號(hào)×1;②厚物—虛谷號(hào)擴(kuò)展板×1（可選），或者任何一塊Arduino的兼容擴(kuò)展板;③Gravity： 模擬TDS傳感器×1。

虛谷號(hào)的接口板型和Arduino UNO相似，我們可以遷移經(jīng)驗(yàn)連接設(shè)備，將TDS傳感器連接至虛谷號(hào)的A0口。引腳對應(yīng)關(guān)系如下表所示，虛谷號(hào)直連傳感器示意圖如圖3所示。

如果使用Arduino擴(kuò)展板，如虛谷號(hào)專用擴(kuò)展板“厚物”，那么連接Gravity系列傳感器將更加簡單，直接插到擴(kuò)展板的3PIN模擬口上即可。注意，由于厚物的A0口被板載搖桿占用，我們選擇將傳感器接入到A1口（如圖4）。

● 實(shí)驗(yàn)裝置程序設(shè)計(jì)

（1）參考SIoT官方使用手冊中的Python章節(jié)樣例代碼（https：//siot.readthedocs.io/zh_CN/latest/demo/08_Python.html），編寫如圖5所示的程序，保存為TDS.py。

（2）打開U盤模式的虛谷號(hào)，將TDS.py粘貼到Python目錄下，并且改名為mian.py。這樣，虛谷號(hào)開機(jī)就能自動(dòng)運(yùn)行這個(gè)Python文件了（如圖6）。

● 系統(tǒng)測試

根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)原理，我們可通過提升和下放傳感器探頭，用SIoT記錄不同水位的TDS值，讓鹽分在水中的分布數(shù)據(jù)可視化，測試場景如圖7所示。

雙擊“訪問siot”快捷方式登錄后臺(tái)，我們可以看到已有數(shù)據(jù)被記錄。實(shí)驗(yàn)證明，TDS傳感器對鹽分非常敏感，可以恰當(dāng)反映鹽分濃度的變化趨勢（如圖8、圖9）。

需要說明的是，虛谷號(hào)上面已經(jīng)整合Jupyter服務(wù)。用網(wǎng)頁訪問Jupyter，將代碼寫成ipynb文件，就能在線執(zhí)行Python代碼，讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程更加可控。

● 小結(jié)

經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對基于虛谷物聯(lián)的實(shí)驗(yàn)接受度良好。改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法以數(shù)據(jù)和圖表的形式，讓食鹽的擴(kuò)散過程明晰可見;相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段面對食鹽的無能為力，實(shí)現(xiàn)了從無到有的進(jìn)階，教學(xué)上可以作為高錳酸鉀溶解實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充。

要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，須讓學(xué)生懂得“用數(shù)據(jù)說話”，而數(shù)字化科學(xué)探究是培養(yǎng)學(xué)生這種意識(shí)和能力的重要途徑。現(xiàn)階段的中小學(xué)教育亟須一款開放、實(shí)用、廉價(jià)甚至能“跋山涉水”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。成本不過幾百塊，能兼任實(shí)驗(yàn)終端和服務(wù)器，只需用充電寶供電的虛谷號(hào)極大地降低了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本，且具備極大的便捷性和靈活性。事實(shí)上我們還在課堂上嘗試了用掌控板作為終端訪問虛谷號(hào)SIoT的策略，驗(yàn)證了基于虛谷物聯(lián)對分組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)回收的方法，可滿足不同類型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

最讓師生興奮的是，這種可由學(xué)生自己DIY的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置，其完善過程本身，就是充滿樂趣與成就感的STEM教育。