華師這支跨學科團隊

用20年時間

將價值數(shù)十萬元的進口科研儀器

改造為千元級為基礎教育服務的教具

并在化學教育國際頂級期刊發(fā)表研究成果

他們是華師化學學院章偉光教授與范軍教授團隊

便攜式QCM教學套件

近日，華師化學學院章偉光教授與范軍教授團隊的教學研究成果，以“Quartz Crystal Microbalance (QCM)-Based Portable System for Visualizing Reaction Kinetics in Secondary Chemistry Education”為題，發(fā)表在美國化學會旗下化學教育國際頂級期刊《Journal of Chemical Education》（《美國化學教育》）上。該研究設計了一種低成本的便攜式裝置，旨在革新中學生化學反應動力學的學習方式。該研究成果獲得審稿人高度評價，認為“這項工作在技術(shù)上令人印象深刻，彌補了STEM教育領(lǐng)域中的空白”，并被遴選為當期雜志的封面文章。

團隊設計的這一設備通過高靈敏度石英晶體微天平與STM32微控制器、樹莓派等開源硬件的深度集成，實現(xiàn)反應動力學數(shù)據(jù)的實時可視化、一鍵導出及交互投影等功能，系統(tǒng)性解決了傳統(tǒng)實驗教學痛點，將抽象概念轉(zhuǎn)化為基于實時數(shù)據(jù)的直觀學習體驗，無縫銜接理論教學與實踐操作。其低成本、可擴展的設計既為學校提供了經(jīng)濟高效的課程適配工具，更通過創(chuàng)新功能推動構(gòu)建以學生為中心的現(xiàn)代化探究式學習范式，并結(jié)合開源框架與配套的教師培訓方案，形成可復制的教育模式，顯著增強了數(shù)據(jù)驅(qū)動型科學教育的全球推廣潛力。

在科研儀器精密化的浪潮中另辟蹊徑

將原本價值數(shù)十萬的石英晶體微天平（QCM）

從實驗室搬進中學課堂

通過自主研發(fā)實現(xiàn)技術(shù)親民化

在跨界探索中迸發(fā)的科研靈感

章偉光教授

這場跨越學科邊界的探索，始于2004年章偉光在新加坡國立大學接觸石英晶體微天平（QCM）技術(shù)時的思考——當科研推進受到價格高昂的進口設備阻礙時，能否通過自主研發(fā)實現(xiàn)技術(shù)親民化？

范軍教授

2006年，團隊在與廣州電子儀器廠的定制合作中拉開了研發(fā)的序幕。針對動輒八九十萬的進口設備，章偉光帶領(lǐng)團隊最終以兩萬元成本定制出首臺國產(chǎn)QCM裝置，解決了當時科研的燃眉之急。而團隊研發(fā)的轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在2017年前后，當時課題組的教育碩士們在中學實習時發(fā)現(xiàn)，許多化學反應動力學實驗在中學難以開展，或是因設備精度不夠，或是因存在安全隱患。而QCM就能完美解決這些難題——它適合需要檢測氣體、靈敏度要求高的實驗。“對中學化學中的一些實驗，學生通過觀察氣泡產(chǎn)生來判斷反應速率的快慢；種子呼吸作用實驗，只能等待種子發(fā)芽才知道結(jié)果。這些抽象概念需要更直觀的呈現(xiàn)方式”，范軍解釋道。因此，團隊開始研發(fā)適用于中學化學課堂的教具。

從實驗室設備轉(zhuǎn)向中學教具研發(fā)

短短5年時間

讓QCM從大學走向中學

新方向新挑戰(zhàn)

多元協(xié)作是破局關(guān)鍵

跨學科組隊，打破專業(yè)壁壘

團隊在轉(zhuǎn)向研發(fā)中學教具后，面臨的第一個難題是“電子線路”瓶頸。此前合作的廣州電子儀器廠已停業(yè)，而團隊當時僅有化學專業(yè)背景，不得不向外求援?！拔疫B最基礎的電路板設計都不懂，只能到處‘挖人’”，章偉光回憶道。他們找到物理系同事，聯(lián)合招收了第一屆通信工程專業(yè)研究生唐昊。隨著這位電子信息背景的年輕人的加入，團隊從挑選元器件到繪制電路圖紙，一步步搭建起QCM設備的“電子骨架”。

硬件之外，軟件是另一大挑戰(zhàn)。2020年前后，受中美貿(mào)易戰(zhàn)影響，進口芯片受限，嚴重拖慢研發(fā)進度。為此，團隊招收了對口專業(yè)的研究生，專注數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)，走上全面自主研發(fā)的道路。光電學院2023級研究生趙豪杰作為軟件方向的研究生，不僅主導了電路板的重構(gòu)設計，更開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的源程序。團隊逐步實現(xiàn)了軟件與硬件的全部知識產(chǎn)權(quán)閉環(huán)。為彌合專業(yè)間的知識壁壘，成員在協(xié)作中堅持主動學習、積極溝通，盡量以通俗語言代替專業(yè)術(shù)語——例如將“QCM的共振原理”比作“收音機調(diào)臺”。在不斷磨合中，團隊逐漸建立起高效的協(xié)作模式。隨著項目推進，研發(fā)涉及的領(lǐng)域不斷擴展。為讓產(chǎn)品更貼近教學實際，團隊又引入機械工程與教育學專業(yè)的研究生，各展所長，共同攻克難題。

早期仿制歐洲設備時，制造成本仍高達數(shù)萬元且精度不足。趙豪杰帶領(lǐng)本科生引入3D打印技術(shù)，成功將檢測池成本降至數(shù)百元，并同步優(yōu)化電子線路，實現(xiàn)了自主設計制板。當合作方拒絕提供源代碼時，團隊并未退縮，而是重新開發(fā)了完全自主的軟件系統(tǒng)。2025年，教育學碩士研究生丘冠斯在天河中學進行教學實踐時發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)種子呼吸實驗“只能等發(fā)芽，看不見過程”，便提出利用QCM檢測二氧化碳變化。為此，他買來兩斤綠豆，在實驗室反復調(diào)試裝置靈敏度，歷時三周進行驗證。有一次深夜，他發(fā)現(xiàn)傳感器沒響應，立即抱起儀器趕回實驗室，熬到天亮才終于找到問題——是密封蓋沒擰緊，氣體跑了。

這種“按需組隊”的模式，讓團隊成為了一個取長補短、互通有無的大家庭。非假期時，團隊每周舉行線上會議，交流工作中遇到的困難，展示最新成果。在日?？蒲兄?，“師兄帶師弟”的傳承更是常態(tài)。趙豪杰在師兄的幫助和指導下，成功開發(fā)了整套軟件，此后他也負責“帶教”了兩個師弟，把電路設計、軟件調(diào)試的經(jīng)驗手把手傳下去?！拔覄倎頃r，唐昊師兄從認元器件開始一點點教我，現(xiàn)在輪到我教師弟，就像把‘接力棒’傳了下去?！眻F隊中還有許多本科生成員，他們通過“三下鄉(xiāng)”等活動的教學實踐為科研團隊帶回了第一手的教學數(shù)據(jù)反饋，助力儀器持續(xù)優(yōu)化升級。在這個多元融合的集體中，不同專業(yè)背景的學生相互學習、協(xié)同攻堅，正是這樣的跨學科碰撞，催生了“多通道QCM裝置”的構(gòu)想。

千百個日夜的研究

攻克無數(shù)難題

終于從實驗室走進一線課堂

走進課堂，讓教與學更容易

團隊研發(fā)QCM教具的初衷是“讓科研反哺教學”，但成果的落地與應用并非一帆風順。團隊通過教育實習生將設備帶入天河中學、汕尾中學等一線課堂，并依據(jù)教師反饋迭代改進。在試點教學中，QCM教具將原本觀察“氣泡量”的抽象實驗，轉(zhuǎn)化為直觀的“頻率曲線”。當學生在平板上首次看到氣體吸附量變化的實時曲線時，不禁用“像科學家一樣工作”來形容這一全新體驗，真正感受到科學探究的樂趣。

推廣過程中也面臨 不少 挑戰(zhàn)。范 軍 直言 ， 目前產(chǎn)品的應用場景仍有限 。 在實際教學中， 每個中學的教學進度和需求都不一樣，有的老師希望直接給現(xiàn)成的方案，有的則想自己參與開發(fā)。因此，團隊需要 結(jié)合 更多 教學 案例，并根據(jù)實際情況靈活調(diào)整。 作為一支華師團隊，面對“為何不在華師附中推廣”的疑問時，章偉光從項目可持續(xù)發(fā)展角度作出解釋：“我們通過捐贈 來 支持 欠發(fā)達 地區(qū) 的 教育 公平 ，實現(xiàn)初步推廣，而經(jīng)濟 較 發(fā)達地區(qū) 的 學校則 希望他們 通過購買實現(xiàn)技術(shù)普及， 這樣有利于 形成 產(chǎn)業(yè)化的 良性循環(huán)?！?/p>

如今，這套誕生于科研實驗室的裝置已發(fā)展為成熟產(chǎn)品。它能通過頻率變化實時檢測氣體、分子作用力，將原本“看不見、摸不著”的化學反應，轉(zhuǎn)化為屏幕上清晰的曲線。學生可以直觀觀察到“在稀硫酸中加入銅離子，金屬鋅與硫酸的反應速率如何變快”這一過程，也能24小時記錄綠豆發(fā)芽時二氧化碳的變化軌跡。更重要的是，設備有效解決了傳統(tǒng)實驗中的安全隱患。以往中學課堂很少開展乙醛、二氧化硫等相關(guān)實驗，而如今借助密閉的QCM教具，學生無需直接接觸危險物質(zhì)，即可通過數(shù)據(jù)變化理解反應過程。在中學課堂上，曾讓很多學生難以理解的知識點，如靠“氣泡多少”判斷速率的原電池反應、只能等“發(fā)芽”才知道結(jié)果的種子呼吸作用等部分，都隨著QCM設備的出現(xiàn)而由難轉(zhuǎn)易。

“以前講‘分子間作用力’，我口頭舉半天例子，學生仍然感到云里霧里，現(xiàn)在看著平板上下降的曲線，他們自然而然就理解了‘作用力越強，頻率變化越明顯’?！睆V州市天河中學的化學老師李老師反饋，在使用QCM進行的“金屬活動性順序”實驗課時，學生提問量比以前多了一倍。課后，更有學生舉一反三，主動提出：“這個教具是否也能檢測家里綠蘿的光合作用？”這正是數(shù)據(jù)可視化所激發(fā)的科學好奇心。

在今年5月，團隊與天河中學合作的“QCM生物化學實驗項目”獲得了廣州市級二等獎。評委給予“大學精度落地中學課堂”高度肯定，為后續(xù)優(yōu)化升級、沖擊更高獎項積蓄了蓬勃動能。如今，雖然項目成果已經(jīng)基本落地，但團隊仍在不斷進行更新迭代，希望盡可能降低儀器在教學中的使用難度，就如趙豪杰所言：“把復雜留給自己，把便捷交給用戶?！?/p>

這場始于成本突破的創(chuàng)新之旅，最終在中學課堂綻放出了教育變革的光芒。如今，在優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)化的道路上，團隊仍在不斷奮進，而課堂上每一次學生的驚嘆與思考，都是對這份堅持最好的回應。

成果已然落地

但這并不是終點

不僅好用還要實惠

不止推廣更要普惠

讓每個中學都用得起國際認可的產(chǎn)品

團隊的研究成果最終發(fā)表在美國化學會旗下化學教育國際頂級期刊《Journal of Chemical Education》，并被遴選為當期封面文章。作為全球中學化學教育領(lǐng)域的“頂流期刊”，《Journal of Chemical Education》以審稿嚴格著稱，中國學者在該期刊發(fā)表封面文章的比例不足5%。而團隊成果能獲得如此認可，核心在于其“全球首創(chuàng)”的價值——此前，QCM技術(shù)多用于大學科研或太空塵埃檢測，但從沒人想過把它改造成中學教具，更沒人實現(xiàn)“全自主研發(fā)+千元級的低成本”?！懊绹袑ξ覀兊某晒︻H為驚訝，他們沒想到我們能將精密儀器做得如此便宜、好用?！?br/>

趙豪杰主筆完成論文初稿后，團隊重點修改打磨了“教學案例”部分，清晰呈現(xiàn)了金屬與酸反應規(guī)律、原電池效應、濃度梯度反應及催化劑作用等實驗細節(jié)。審稿人特別關(guān)注“學生能不能操作”，團隊就實地拍攝視頻，證明了中學生可以在半小時內(nèi)學會自主使用教具。

這項成果在國際化學教育界引發(fā)了不小的關(guān)注。投稿期間，有美國高校的化學教育教授發(fā)來郵件，詢問設備的技術(shù)參數(shù)；歐洲一所中學也表達了試用意向，希望團隊能提供簡化版教程?！斑@說明全球中學教育都面臨著‘抽象概念難教’的問題，而我們團隊的方案為這種困難的解決提供了一個新方向”，章偉光解釋道。國外雖已有數(shù)字化實驗設備，但多是“萬元級”產(chǎn)品，而團隊的QCM設備成本能控制在千元級以下，還能不依靠進口技術(shù)和進口元件進行自主升級，“對資源有限的學校來說，這是更可行的選擇”。

如今，團隊的目標已從“發(fā)表論文”轉(zhuǎn)向“讓更多學校用得起”。在清遠研究院的支持下，他們開始嘗試產(chǎn)業(yè)化，探索成果推廣的新路徑。章偉光坦言，“單靠學校的研發(fā)經(jīng)費，做不了規(guī)?；a(chǎn)?！蹦壳?，團隊已嘗試與教育企業(yè)和相關(guān)投資者接觸，計劃引入外部資金，把設備從“實驗室樣品”變成“市場化定型產(chǎn)品”。今年9月開學后，團隊將分組前往廣東各地中學推進試用，并收集師生反饋，持續(xù)優(yōu)化設備性能。

未來，團隊還有兩個“小目標”：一是拓展學科邊界。讓QCM設備不僅能做化學實驗，還能用于物理的“氣體壓強測量”、生物的“細胞呼吸監(jiān)測”等實驗，讓教具購買“更實惠”；二是研發(fā)多通道技術(shù)。未來爭取實現(xiàn)可同時監(jiān)測四個反應，更好地滿足課堂分組實驗的需求。同時，團隊還在持續(xù)努力降低產(chǎn)品成本，力爭將基礎款設備價格控制在800元以下，讓更多學?！百I得起、用得起”。

去年在向汕尾一所鄉(xiāng)村中學捐贈設備時，有學生追著團隊成員誠懇發(fā)問：“能不能教我做傳感器？”孩子們眼中對知識的渴望與探索新知的喜悅，深深觸動了團隊。“降本推廣這件事，再多困難都值得做下去?！?/p>

這支跨學科團隊披荊斬棘，用20年的刻苦攻關(guān)與亮眼的實踐成果證明：科研不只是實驗室里的論文，更是能走進課堂、改變教育的力量。“也許未來某一天，會有學生因為QCM設備而愛上科學、走上科研路——這就是我們最大的期待?！?/p>

QCM教具已經(jīng)落地

更新和推廣依然步履不停

不忘初心 不懼困難

祝愿他們朝著新的方向

繼續(xù)開拓創(chuàng)新 闊步前行

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來源 |化學學院

采寫丨周悅 孫英杰 樊嬌嬌

攝影 |藍麗珊

圖片丨受訪者提供

執(zhí)行編輯丨龍澳琦

責任編輯丨盧嘉裕 陳婧 吳建國

初審丨沈蔚瑜

復審丨林海岸

終審丨周憲

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