導(dǎo)讀

把科研級精密儀器“縮小”到課本大小，還能讓中學(xué)生親手操作——近日，華南師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)做到了。針對石英晶體微天平（QCM）價格昂貴、操作復(fù)雜、難以走進(jìn)中學(xué)課堂的痛點(diǎn)，章偉光-范軍團(tuán)隊(duì)提出“開源硬件深度集成”策略：用一塊 STM32 單片機(jī)加一臺樹莓派，重構(gòu)信號采集鏈路，嵌入自研實(shí)時算法，把原本幾十萬元的科研級 QCM“降維”成千元級、可隨身攜帶的教學(xué)裝備。相關(guān)成果以內(nèi)封面文章發(fā)表于美國化學(xué)會旗下化學(xué)教育國際頂級期刊《Journal of Chemical Education》

(DOI: 10.1021/acs.jchemed.5c00525)，第一作者為該校光電科學(xué)與工程學(xué)院研究生趙豪杰與化學(xué)學(xué)院研究生李祥馨以及由材料化工、電子工程與教育學(xué)等多學(xué)科研究生本科生團(tuán)隊(duì)協(xié)同完成，通訊作者為章偉光教授與范軍教授。

《Journal of Chemical Education》論文首頁與內(nèi)封面圖

正文

面對全球科學(xué)教育向數(shù)據(jù)驅(qū)動型教學(xué)模式轉(zhuǎn)型的迫切需求，中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)亟待突破傳統(tǒng)方法誤差大、高端儀器難普及、便攜傳感器功能有限等多重困境；本研究基于石英晶體微天平（QCM）技術(shù)的超高靈敏度與實(shí)時響應(yīng)特性，創(chuàng)新性采用“核心傳感模塊+開源硬件”架構(gòu)，成功開發(fā)便攜式低成本教學(xué)設(shè)備——通過高精度QCM傳感模塊捕獲反應(yīng)引發(fā)的頻率偏移（ΔF），依托STM32與樹莓派（Raspberry Pi）構(gòu)建的智能中樞實(shí)現(xiàn)毫秒級信號處理與瞬時反應(yīng)特征捕捉，同時驅(qū)動觸摸屏交互及實(shí)時投影將動態(tài)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為直觀曲線，其模塊化設(shè)計(jì)的3D打印可換探頭反應(yīng)池更輕松適配多元實(shí)驗(yàn)場景，突破了傳統(tǒng)單一功能傳感器陣列的局限，為中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了強(qiáng)大的多功能集成解決方案。該設(shè)備以革命性成本控制將尖端技術(shù)引入中學(xué)課堂，同步集成氣體吸附分析、無標(biāo)記檢測與催化反應(yīng)評估功能，完整覆蓋金屬活動性順序、原電池效應(yīng)、濃度梯度影響及過氧化氫分解催化效率四大核心教學(xué)內(nèi)容；其毫秒級分辨率與密閉防擾設(shè)計(jì)保障數(shù)據(jù)可靠性，而實(shí)時可視化曲線、一鍵生成時間戳報告與觸摸屏交互顯著提升課堂效率，首次系統(tǒng)性推動化學(xué)教學(xué)從定性觀察邁向數(shù)據(jù)驅(qū)動探究范式，為智能化實(shí)驗(yàn)室4.0建設(shè)提供可復(fù)制的技術(shù)路徑。

QCM 便攜教學(xué)平臺系統(tǒng)架構(gòu)與實(shí)時響應(yīng)曲線圖

通過下列典型教學(xué)案例，可見該設(shè)備如何將抽象概念轉(zhuǎn)化為可量化結(jié)論：

案例1：監(jiān)測Mg、Fe、Cu與稀H?SO?反應(yīng)，設(shè)備精準(zhǔn)捕獲金屬活性差異：Mg反應(yīng)最快（ΔF=1542±11.3 Hz），F(xiàn)e次之（710±17.1 Hz），Cu幾乎無變化（22.7±5.8 Hz），直觀驗(yàn)證反應(yīng)性順序。

案例2：對比Zn-H?SO?體系在添加CuSO?（實(shí)驗(yàn)組）與純水（對照組）的反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)組速率提升近10倍（160秒 vs 1505秒），其ΔF值（1565±21.2 Hz）顯著高于對照組（1536±34.4 Hz），揭示原電池電子轉(zhuǎn)移的加速效應(yīng)。

案例3：分析H?SO?濃度（1/2/5 mol/L）對Na?CO?反應(yīng)速率的影響，5 mol/L組僅需36秒（1 mol/L組需157秒），ΔF值隨濃度上升（176±14.8 Hz→1115±29.7 Hz），清晰呈現(xiàn)濃度與速率正相關(guān)。

案例4：評估催化劑對H?O?分解效率，MnO?僅需25秒（FeCl?:158秒，CuSO?:516秒），其ΔF值（1000±70.0 Hz）的顯著優(yōu)勢，為學(xué)生提供催化劑選擇的量化依據(jù)。

這些可量化的精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，源于基于石英晶體微天平（QCM）傳感技術(shù)的反應(yīng)動力學(xué)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實(shí)時捕獲反應(yīng)體系內(nèi)氣體吸附導(dǎo)致的諧振頻率偏移量（ΔF），將傳統(tǒng)教學(xué)中難以量化的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程（如反應(yīng)速率、催化效率）直接轉(zhuǎn)化為可交互的可視化數(shù)據(jù)流。各實(shí)驗(yàn)均嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)化操作協(xié)議，充分結(jié)合QCM傳感器對氣體吸附質(zhì)量的超高敏感響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)過程的動態(tài)監(jiān)測與速率變化的直觀呈現(xiàn)，不僅直觀驗(yàn)證了化學(xué)原理，更實(shí)證了該平臺將尖端傳感技術(shù)轉(zhuǎn)化為有效教學(xué)工具的突破性價值。

四實(shí)驗(yàn)案例穩(wěn)定性與反應(yīng)完成時間對比圖

總結(jié)

這款基于QCM技術(shù)的便攜式教學(xué)平臺，以創(chuàng)新的“核心傳感+開源硬件（STM32+樹莓派）”架構(gòu)，成功突破成本與技術(shù)壁壘，首次將高精度QCM技術(shù)引入中學(xué)課堂。該設(shè)備不僅顯著降低了接觸尖端傳感技術(shù)的門檻，其通用化設(shè)計(jì)更可靈活適配化學(xué)、生物等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的核心探究實(shí)驗(yàn)，更通過毫秒級實(shí)時數(shù)據(jù)與量化輸出（ΔF值），構(gòu)建起以學(xué)生為中心的現(xiàn)代化探究式學(xué)習(xí)范式，系統(tǒng)性推動化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)從定性觀察向定量研究的深刻轉(zhuǎn)型。 開源硬件與模塊化理念確保了設(shè)備的可復(fù)制性與普惠性，一方面為資源薄弱地區(qū)學(xué)校提供了經(jīng)濟(jì)高效的實(shí)驗(yàn)解決方案，另一方面則為發(fā)達(dá)地區(qū)課堂注入了強(qiáng)大的創(chuàng)新動能，使學(xué)生得以高效探索化學(xué)反應(yīng)的微觀動態(tài)。

目前，該“QCM教具”已在多所中學(xué)成功應(yīng)用。為加速推廣，華南師范大學(xué)已向幫扶對象汕尾海豐實(shí)驗(yàn)中學(xué)捐贈該設(shè)備。結(jié)合開源框架與配套教師培訓(xùn)方案，該平臺正形成可復(fù)制的教育模式，其成功實(shí)踐不僅為開發(fā)低成本、智能化的跨學(xué)科教學(xué)裝備鋪平道路，更顯著提升了數(shù)據(jù)驅(qū)動型科學(xué)教育的全球推廣潛力，為建設(shè)未來智能化實(shí)驗(yàn)室提供了示范樣本。

（QCM教具捐贈儀式現(xiàn)場）

文獻(xiàn)詳情：

Quartz Crystal Microbalance (QCM)-Based Portable System for Visualizing Reaction Kinetics in Secondary Chemistry Education

Haojie Zhao，Xiangxin Li，Siyu Lei，Minjun Zhang，Guansi Qiu，Wenjun Tang，Yilin Chen，Yu Shi，Peng Wang，Sheng Yu，Jun Fan*，Weiguang Zhang*

J. Chem. Educ.

https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.5c00525

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