谢叶玲
摘㊀要：采用先分类后综合的方法对国内手机传感器应用于中学化学实验的14篇文献进行了研究㊂研究表明手机传感器中光线㊁图像㊁声音和气压传感器在中学化学实验中应用较多，手机传感器在溶液浓度测定中应用最多，在特征光谱测定㊁气体压强测定等也有较好的应用㊂
关键词：手机传感器；数字化实验；中学化学实验谢叶玲，华中师范大学化学学院，在读硕士研究生㊂
㊀㊀一㊁研究背景
随着信息化教学技术飞速发展，数字化实验为化学实验注入了新鲜血液㊂数字化实验通过提供直观的化学反应曲线，在帮助学生建构化学反应相关概念㊁理解和巩固化学反应原理等过程中发挥着重要作用㊂教育现代化是新课改的重要目标㊂为推进基础教育现代化，教育部办公厅提出应 探索信息技术㊁智能技术支撑下适应本地区经济社会和教育发展实际需要的教与学模式 ㊁ 推进信息技术与教育教学的深度融合 [1]㊂但数字化设备昂贵，且并不是所有学校都配备，而手机方便易得，因此将手机传感器应用于化学实验是创新之举㊂
㊀㊀二㊁手机传感器在中学化学实验中
的应用
㊀㊀手机中传感器种类繁多，最常用的有图像㊁光线㊁加速度㊁距离㊁压强㊁温度㊁磁场㊁方向㊁陀螺仪㊁声音等[2]㊂手机传感器在中学物理实验中应用较多，如用于力学的加速度传感器㊁用于电磁学实验的磁感应传感器和用于声学实验的
声音传感器等[3]㊂在化学实验中可以用的传感器有图像㊁光线㊁声音㊁温度㊁气压传感器等㊂
在知网上以 手机传感器 或 智能手机 加 化学实验 为关键词搜索，筛选得到有关手机传感器在中学化学实验中的应用论文共14篇，最早出现于2015年，均为实验设计类文献㊂继续对文献内容进行梳理，发现共涉及到四类传感器，分别是光线㊁图像㊁声音和气压传感器(见表1)㊂
表1 手机传感器在中学化学实验中的应用研究文献的分类
传感器名称光线传感器图像传感器声音传感器气压传感器文献篇数
6
7
1
1
㊀㊀(一)手机光线传感器在中学化学实验中的应用
手机光线传感器在化学实验中的应用原理是将手机自带的光线传感器作为检测器，检测样品对单光的定量吸收，利用朗伯-比尔定律对样品进行定量分析㊂孙涛[2]最早在化学实验中运用手机光线传感器，制作了光电比装置，由光源㊁滤光片㊁比皿㊁光线感应器和手机组成，如图1所示㊂下载手机传感器App，打
96
开软件中的光线传感器作为检测器，检测得到不同标准高锰酸钾溶液的浓度，得到光照强度和高猛酸钾溶液浓度的线性关系，再将未知浓度的高锰酸钾溶液放入，则可以根据曲线得出该高锰酸钾溶液的浓度
㊂
图1㊀孙涛自制光电比装置
与孙涛的实验不同，刘琳琳[4]自制的比皿暗盒中手机光线传感器㊁比皿㊁单光源间紧密相连，形成不透光的密闭空间，如图2所示㊂比皿暗盒不需要用到价格昂贵的滤光片，降低了实验成本㊂通过实验绘制牛血清蛋白透光能力标准曲线图后，将待测鸡蛋蛋白样液放入比皿暗盒中测得鸡蛋白中卵蛋白的含量，与传统实验测得的含量相比，误差为5.33%，说明测量数值可靠㊂
图2㊀刘琳琳自制比皿暗盒以及测量装置图
温宁红[5
-7]
设计了四个将手机光线传感器
应用于化学实验的教学案例，分别是药剂中维生素B 12含量的测定㊁补铁剂中铁含量的测定㊁磷肥中磷含量的测定㊁牛奶中蛋白质含量的测定㊂四个实验装置相同，如图3所示㊂其创新点在于用到两部手机，单光源和检测装置都来源于手机，既不需要另外购买单光源，也不需要滤光片，降低了实验成本㊂实验中采用硬纸盒提供密闭环境，能避免其他光线干扰㊂实验测得吸光度与浓度呈良好的线性关系，拟合相关因子R 分别达到0.999㊁0.9992㊁0.9991㊁0.997㊂
上述实验均为定量分析实验，从需要滤光
片到不需要使用滤光片,
从需要购买单光源图3㊀温宁红测量装置图
到直接使用手机App 提供单光源，实验装置
越来越简单，精确度也逐步提高㊂
手机光线传感器不仅可以检测某一时刻的光照强度，也可以实时检测光照强度㊂与上述实验不同，实时检测不需要用到单光源㊂卢雨辰[8]自制浓度对反应速率的影响实验装置如图4所示㊂装置记录透过光照强度随时间的变化数据，绘制得到实验数据图表，改进了高中化学教材中浓度对反应速率的影响实验㊂通过动态监测反应透过光的强度，可以看出反应物浓度随时间的变化㊂在传统实验中反应在几秒内发生完毕，由肉眼观察的反应终点误差较大，而由智能手机组装的数字化实验装置组装简单且误差小，得到的实验结果更具说服力
㊂
图4㊀卢雨辰自制浓度对反应速率的影响实验装置
(二)手机图像传感器在中学化学实验中的应用
手机图像传感器可以用来测光谱㊂孙涛[2]用自制的测光谱装置观察烛光的连续光谱图㊁酒精灯的焰光谱图㊁钠的光谱图，装置如图5所示㊂这是在中学化学实验中应用手机图像传感器的初步尝试㊂李嘉[9]借助手机图像传感器完成了鉴别混合物的焰反应实验㊂实验装置如图6所示，通过将所得光谱图导入ImageJ
07
和Excel 中得到较为精准的光谱波长图
㊂
图5㊀
孙涛自制的测光谱装置
图6㊀李嘉焰反应实验实验装置
手机图像传感器也可以定量检测有溶液的浓度㊂与手机光线传感器相似，手机图像传感器在有溶液浓度检测中的应用亦用到了朗伯比尔定律，其原理为有透明溶液对某一波长光吸收的强弱与溶液浓度及其液层厚度之间存在线性关系㊂与手机光线传感器不同的是，手机图像传感器需要借助图像处理软件来读取溶液的亮度值[10]㊂
李嘉[11]利用手机相机传感器配合安卓手
机软件Color Grab，通过获得不同已知浓度梯度透明有溶液的差值，建立差值与浓度关系的标准曲线，再测得未知浓度溶液的差值，对照曲线即得到该溶液浓度，从而实现透明有溶液浓度的快速检验㊂该装置也可用来探究浓度对化学平衡的影响，通过计算不同浓度的有溶液与标准样品之间的差值，直观反映化学平衡移动的方向[12]㊂后设计简易度仪,
改进了以往的分光光度计和度传感器进行实验的方法，误差控制在 2.54%㊁1.40%和0.60%，具有较高的准确性[13]㊂为解决教材实验中氯化铜溶液颜判断误差难题，卢运等[14]也通过手机设计了简易度仪，对不同浓度氯化铜溶液的颜进行了探究，用仪器代替肉眼，使得实验结果更具说服力㊂
丁宗庆等[15]用手机拍摄溶液图像，用Pho-toshop 软件读取图像中相应颜的亮度值，得到亮度值与溶液中铬浓度的线性关系，且测定结果与分光光度法一致㊂袁金涛等[16]用手机拍摄溶液图像，用ImageJ 读取三原数值，根据绿光和蓝光与血糖浓度的线性关系，同样建立标准曲线，且测定结果与分光光度法一致㊂
(三)手机气压传感器在中学化学实验中的应用
对于有气体参加的化学反应，无法直接测定其浓度，但可以通过手机气压传感器测定反应装置中气压的变化㊂李嘉[17]运用手机设计了气压测定实验装置，如图7所示，通过手机软件Phyphox 连接手机气压传感器，显示装置内的压强变化㊂实验测得标准状况下氢气的气体
摩尔体积的平均误差为1.70%㊂此外，用气压传感器也可以测化学平衡的移动
㊂
图7㊀李嘉自制测气压装置
(四)手机声音传感器在中学化学实验中的应用
对于无溶液，不能通过比法测定其浓度㊂其浓度信息可以通过其他信号，如声音信号展现㊂温宁红[5]基于智能手机声音传感器，结合免费软件Sound Meter 设计了电解质溶液
的导电性实验㊁酸碱中和滴定过程中电导率的变化㊁制备氢氧化铝过程中电导率的变化三个教学案例，通过蜂鸣器发出声音的分贝值反映电解质溶液中自由离子浓度，实验装置如图8所示㊂经过调查，大部分学生对智能手机改进部分化学实验表示赞同，且对相应学习内容掌握良好，可见智能手机应用于化学实验能收获良好的成果㊂
㊀㊀三㊁研究结论与启示
(一)研究结论
一是在中学化学实验中应用手机传感器能
17
图8㊀温宁红自制测电导率装置
取得良好的实验结果，将手机传感器应用于中学化学数字化实验得到的结果与常规数字化实验得到的数据相差不大㊂二是在中学化学实验中应用最多的有手机光线传感器和手机图像传感器，其次是手机声音传感器和手机气压传感器㊂三是手机传感器在溶液浓度测定中应用最多，手机光线㊁图像传感器常用于定量测定有溶液浓度，手机声音传感器可用于定量测定无溶液浓度㊂
(二)对教学的启示
通过对国内手机传感器用于中学化学实验的整体研究分析，对教师在中学化学实验教学中应用手机传感器具有一定的启示作用㊂一是应以实验需求为出发点正确选择手机传感器，如若测光谱应选择手机图像传感器，测有透明液体浓度可选择手机光线传感器或手机图像传感器，测无透明溶液浓度可以借助手机声音传感器等等㊂二是应勇于在前人的基础上改进手机传感器实验㊂从运用手机光线传感器的系列化学实验中可以看出，通过改进实验光源可以既能降低实验成本，也能简化实验装置㊂因此在已有的实验基础上进行改进也是未来发展方向㊂
参考文献:
[1]中华人民教育部.教育部办公厅发布‘关于推荐遴
选 基于教学改革㊁融合信息技术的新型教与学模式 实验区的通知“[EB/OL]. gov/srcsite/A06/s7053/201911/t20191107_4073 38.html.2019-10-25.
[2]孙涛，李鑫，焦利燕.手机传感器在化学实验中的
应用[J].中学化学教学参考,2015,(23):46. [3]饶迪，程敏熙，李锡均.智能手机传感器在中学物
理实验中的应用综述[J].物理通报,2019,(04): 123-128.
[4]刘琳琳，马青，杨天林.盐析鸡蛋清制取卵白蛋白
课外活动实验[J].化学教学,2017,(05):66-69.
[5]温宁红.智能手机在化学实验中的应用设计与实
践研究[D].宁夏大学,2018:18-43.
[6]温宁红，倪刚，李海玲，吴晓红.利用智能手机测
定药剂中维生素B12含量的研究[J].化学教育(中英文),2019,40(09):75-77.
[7]温宁红，倪刚，赵瑞雪，何洋，吴晓红.利用智能手
机测定牛奶中蛋白质的含量[J].化学教与学, 2019,(01):81-82+64.
[8]卢雨辰.巧用智能手机开展探究实验 以 浓
度对反应速率的影响 实验改进为例[J].中学化学教学参考,2019,(20):48-49.
[9]李嘉.借助智能手机和分光镜鉴别混合物的焰
反应实验[J].化学教育(中英文),2019,40(05): 77-79.
[10]董志强，刘丰俊，翁玉华，潘蕊，颜长明，许振玲，张
春艳，吕银云，欧阳小清，阮婵姿，任艳平.智能手机在化学实验中的应用[J/OL].大学化学:1-11. kns-cnki-net--hfut.naihes/kcms/detail/ 11.1815.O6.20200619.1340.004.html.2020-08-
04.
[11]李嘉.利用安卓智能手机快速检测透明有溶液
的浓度[J].化学教育,2017,38(01):57-60. [12]李嘉.利用安卓智能手机探究浓度对化学平衡的
影响[J].化学教育,2017,38(07):65-68. [13]李嘉.基于智能手机设计的简易度仪及其实验
应用[J].化学教育(中英文),2018,39(07):56.
孙涛[14]卢运，许燕红，覃稔.智能手机用于氯化铜溶液颜
变化的实验探究[J].化学教学,2019,(08):80 -84.
[15]丁宗庆，朱圣平，周向宇.手机成像数码比法测
定水样中6价铬[J].化学教育,2017,38(04):68 -71.
[16]袁金涛，于树玲.手机成像数字图像法测定血糖
[J].化学教育(中英文),2019,40(16):81-83.
[17]李嘉.智能手机在气体摩尔体积测定实验中的应
用[J].化学教育(中英文),2020,41(11):98-100.
(责任编辑：李巧红)
27
发布评论