用虚谷号和SIoT“观察”盐在水中的溶解

    狄勇 吴俊杰

    

    

    

    溶解是物质科学领域涉及的内容，小学科学课程标准给出的相关活动建议包含“观察常见物质在水中的溶解过程”。食盐是最常见、安全、廉价的实验对象，但传统实验方法却因其扩散过程透明不可见，往往安排学生采用生活中不常见的高锰酸钾代替食盐做溶解实验，学生也只能在高锰酸钾溶解实验的基础上通过想象进行认知迁移。有没有一种方法让食盐的溶解过程可被检测和观察到呢？其实借助虚谷号搭建的SIoT服务器和TDS传感器制作的实验装置，我们可以采集并呈现数据的方法让食盐溶解过程“可见”。

    ● 实验原理分析

    参考教材针对高锰酸钾的实验设计，实验装置主要被设计用于观察搅拌前的食盐溶解情况。我们需要寻找一种可以检测到盐分的传感器以量化该扩散过程。大量程的电导率传感器是最适合的选择，但相对廉价许多的TDS传感器也可用于该部分实验。TDS中文名称为总溶解固体（英文：Total dissolved solids，缩写TDS），又称溶解性固体总量，测量单位为毫克/升（mg/L），它表明1升水中溶有多少毫克溶解性固体。TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多。总溶解固体指水中全部溶质的总量，包括无机物和有机物两者的含量。通常可用电导率值大概了解溶液中的盐分，一般情况下，电导率越高，盐分越高，TDS越高。由于天然水中所含的有机物以及呈分子状的无机物一般可以不考虑，所以也把含盐量称为总溶解固体。

    完成这个实验，需要TDS传感器、虚谷号和扩展板。虚谷号需要联网，应在教室内部署一台无线路由器，该路由器无需连接外网，仅负责局域网内数据中转。虚谷号、教室计算机均连至该路由器以实现数据互通。实验的示意图如图1所示。

    实验时将一勺食盐轻轻放入烧杯中，静观食盐的变化。短时间内，沉入水底的食鹽颗粒并不会有太大的肉眼可见的变化发生，但扩散过程从食盐入水的一刻已经开始。此时可将TDS传感器插入烧杯中，并缓缓上下移动探头，检测不同水位的TDS值，检测到的数据将由虚谷号上的SIoT服务器进行记录，并自动生成图表。学生将从教室大屏幕呈现的折线图实时看到不同水位的TDS值，帮助理解和想象食盐在水中的扩散过程。

    ● 准备工作

    1.在虚谷号上搭建SIoT服务器

    SIoT已在虚谷号出厂预装，只要设置好Wi-Fi，就能访问虚谷号的SIoT服务。给虚谷号设置Wi-Fi的过程，可以通过U盘模式来完成。具体过程如下：

    ①将USB线连至虚谷号的OTG口，稍后系统会将虚谷号识别为一个U盘。

    ②打开vvBoard的文件夹，用记事本编辑vvBoard_config文件，将SSID和SSID_PSD改为局域网的Wi-Fi账号密码，保存配置文件（如图2）。

    ③按下RST键重启虚谷号，U盘将暂时消失。等再次出现的时候，就已经连上了Wi-Fi，vvBoard的文件夹中出现“访问siot”的快捷方式。

    2.实验装置的硬件搭建

    搭建这个实验装置，需要如下材料：

    ①虚谷号×1;②厚物—虚谷号扩展板×1（可选），或者任何一块Arduino的兼容扩展板;③Gravity： 模拟TDS传感器×1。

    虚谷号的接口板型和Arduino UNO相似，我们可以迁移经验连接设备，将TDS传感器连接至虚谷号的A0口。引脚对应关系如下表所示，虚谷号直连传感器示意图如图3所示。

    如果使用Arduino扩展板，如虚谷号专用扩展板“厚物”，那么连接Gravity系列传感器将更加简单，直接插到扩展板的3PIN模拟口上即可。注意，由于厚物的A0口被板载摇杆占用，我们选择将传感器接入到A1口（如图4）。

    ● 实验装置程序设计

    （1）参考SIoT官方使用手册中的Python章节样例代码（https：//siot.readthedocs.io/zh_CN/latest/demo/08_Python.html），编写如图5所示的程序，保存为TDS.py。

    （2）打开U盘模式的虚谷号，将TDS.py粘贴到Python目录下，并且改名为mian.py。这样，虚谷号开机就能自动运行这个Python文件了（如图6）。

    ● 系统测试

    根据前述实验原理，我们可通过提升和下放传感器探头，用SIoT记录不同水位的TDS值，让盐分在水中的分布数据可视化，测试场景如图7所示。

    双击“访问siot”快捷方式登录后台，我们可以看到已有数据被记录。实验证明，TDS传感器对盐分非常敏感，可以恰当反映盐分浓度的变化趋势（如图8、图9）。

    需要说明的是，虚谷号上面已经整合Jupyter服务。用网页访问Jupyter，将代码写成ipynb文件，就能在线执行Python代码，让整个实验过程更加可控。

    ● 小结

    经过教学实践，我们发现学生对基于虚谷物联的实验接受度良好。改进的实验方法以数据和图表的形式，让食盐的扩散过程明晰可见;相较于传统实验手段面对食盐的无能为力，实现了从无到有的进阶，教学上可以作为高锰酸钾溶解实验的有效补充。

    要培养学生的科学精神，须让学生懂得“用数据说话”，而数字化科学探究是培养学生这种意识和能力的重要途径。现阶段的中小学教育亟须一款开放、实用、廉价甚至能“跋山涉水”的数字化实验平台。成本不过几百块，能兼任实验终端和服务器，只需用充电宝供电的虚谷号极大地降低了数字化实验室的建设成本，且具备极大的便捷性和灵活性。事实上我们还在课堂上尝试了用掌控板作为终端访问虚谷号SIoT的策略，验证了基于虚谷物联对分组实验进行数据回收的方法，可满足不同类型的实验教学需求。

    最让师生兴奋的是，这种可由学生自己DIY的数字化实验装置，其完善过程本身，就是充满乐趣与成就感的STEM教育。