当前，用于数字化实验的传感器品牌与种类很多，但能与乐高无缝对接的品牌或传感器并不多。笔者选择的传感器是威尼尔（Vernier）化学实验传感器，通过Vernier Nxt Adapter转换接头与乐高EV3机器人应用程序连接。化学传感器采集的化学实验数据，通过转换接头被输送到乐高机器人主机，由主机反馈到EV3程序单元，EV3程序单元通过计算输出指令到机器人主机使其做出相应动作，这就是基本的工作模式（如图1）。

图１　化学传感器与 EV3 程序机器人工作模式

（二）教学流程

项目学习是一种重要的学习方式，是将知识教学转换成学生在完成项目任务（解决实际问题）过程中的自主学习。对于项目学习而言，内容更丰富，项目任务完成时间可长可短，空间上可以自由变换，突破了教室环境下课时授课的束缚。研究表明，以项目学习的方式教学，学生学习动力更足，参与度更高，效果比传统教学更好。项目学习大多需要跨学科，更契合STEM教育理念。笔者将化学传感器与乐高EV3结合，引导学生开展STEM项目学习——以课外学习为主，解决课内问题或生活中的实际问题。这既非线性教学模式也不是一个规定时间内的教学计划。学习以项目开始到结束为周期，时间可长可短，主要流程如图2所示。

图２　化学传感器与乐高 EV3 结合项目学习流程

二、应用案例

（一）配制pH=1盐酸

1.任务分析

对于酸碱滴定教学，通常的做法是用已知浓度的HCl（或NaOH）溶液通过酸碱滴定实验，测定未知NaOH（或HCl）溶液的浓度。在“强弱电解质”教学中，也常常分析pH=1的盐酸加水稀释后pH的变化。“已知浓度的盐酸溶液是怎么配制的，能准确配制pH=1的盐酸吗？”

（1）学科知识与数学能力分析。用浓盐酸配制0.100 mol•L-1的稀盐酸，就是溶液稀释过程。溶液稀释过程中溶质物质的量不变，故有c1•V1=c2•V2。学生算出需要浓盐酸的体积，再根据物质的量浓度和溶液配制的基本操作要求可完成溶液的配制。

（2）创设情境呈现问题。对于市售纯度为AR级的盐酸，从标签上可见含量不低于36%。“到底是多少？”由于浓盐酸易挥发，在量取、转移过程中会挥发导致溶质损失，这样即便计算准确、操作无误，配得的溶液pH一定是1或浓度一定是0.100 mol•L-1吗？答案是否定的。准确配制pH=1的盐酸是一个实际课题。

2.学习过程

（1）明确解决问题的思路。学生研讨后明确方案：利用乐高机器人实现自动控制，将浓盐酸逐滴滴入蒸馏水（溶液的pH将从7逐渐减小），通过化学pH传感器对溶液的pH数据实时采集，当溶液的pH=1时立即停止滴加，即可实现目标。

（2）工程与技术的应用。搭建机械臂是关键工作之一。搭建的机械臂要能够准确地控制滴液器（可以是酸碱滴定管或其他旋塞）开关。机械臂旋转的角度、力度需要计算。机械臂本身的强度、牢固程度等均涉及工程与技术知识。学生学习相应的工程与技术知识后开始设计，动手搭建。最终学生搭建的机械臂通过连杆带动滴管上的活塞实现开启或关闭功能（如图3）。

图３　学生搭建的乐高机器人与化学传感器连接装置

（3）数学与信息技术的应用。要实现自动控制，学生需要编程来实现指令的输入与输出。为此，学生自学了EV3的编程技术和算法。

学生按以下流程和逻辑编写了程序：当威尼尔化学pH传感器采集的数据pH>1，EV3程序给主机下达指令，启动机械臂通过一定力度旋转一定角度，再通过连杆控制滴管的活塞开启，滴加浓盐酸。pH传感器则随时采集溶液pH数据，反馈到EV3程序单元。当威尼尔pH传感器采集的数据pH=1时，EV3程序给主机下达指令，启动机械臂并通过一定力度旋转一定角度，通过连杆控制滴管的活塞立即关闭。

3.优化完善

实践过程中，学生会遇到许多困难或问题，比如学科知识不完备，设备搭建不牢固，程序编写不完善，数据采集不及时，力度角度计算不准确，威尼尔化学传感器与乐高EV3数据不匹配，等等。面对这些新问题，学生主动寻找原因、查阅资料，深度学习，然后对方案进行优化。这个过程是学生主动学习，发现问题、解决问题的过程，也是一次探究与创新的过程。

（二）搭建自动浇水装置

1.创设情境，提出问题

如今，很多家庭养花、养草，同时随着生活水平的不断提高，旅游的愿望也越来越强烈。旅游与养花时常矛盾，能不能实现自动对花草实施精准浇水，这是生活中的实际问题。

2.方案确定

师生商定的方案：利用化学土壤湿度传感器、盐度传感器及光照度传感器等实现数据的实时采集，通过EV3交换数据，融合应用乐高机器人实现自动控制浇水、补盐以及光照控制。

3.实施过程

（1）科学与技术的应用。选定一种植物，借助生物学科的学习知识明确植物生长属性，如该植物生长湿度范围、适宜生长温度、喜光性、施肥频次等。对于有些查阅不到的，教师设计实验让学生探究其习性，比如利用温度传感器与土壤湿度传感器研究植物生长情况（如图4）。

图 4　利用温度传感器与土壤湿度传感器研究植物生长情况

（2）数学计算。学生根据花盆大小计算相应湿度需要水的量，根据外出时间计算蓄水容器大小、补盐容器大小。

（3）工程与技术的应用。蓄水池的设计、补光灯的选用、机械臂的搭建都需要用到工程技术知识。例如，在电器开关控制机械臂的设计中，学生首先想到的是触控方式，但是在实际操作中发现较难精准控制。学生又应用水平移动的搬动式电键，但实际使用中又遇到力度、角度匹配效果不好的问题。由于发动机工作是转动方式，而开关是平动方式，转换运动方式时力矩不平衡，造成开关控制效果不佳。如何解决这些问题，学生将科学知识、工程技术与实践操作技能融合应用，经过多次设计、否定、再设计、再否定，最终形成可执行的方案。学生用乐高45544组件成功搭建了自动浇水装置。

（4）科学与技术的应用。补水浇花及补光设备控制需要用到电路。电路的设计、电路控制器的选择，怎样通过乐高组件设计电路开关的控制等，都是学生必须思考、学习并实践的。

（5）数学与信息技术应用。为实现自动控制，学生融合应用EV3的编程技术与数学的算法运算，通过编程实现指令的输入与输出，最终完成自动浇水的程序。编程的思路如下：利用威尼尔化学土壤湿度传感器不停地采集土壤湿度等数据，并随时传给EV3程序单元。当测到的数据显示土壤湿度低于30%，EV3程序给主机下达指令，启动机械臂通过一定力度旋转一定角度，通过连杆控制电机开关，闭合开关启动水泵喷水，滴加浓盐酸。当威尼尔土壤湿度传感器采集的数据显示土壤湿度等于60%，EV3程序给主机下达指令，启动机械臂关闭发动机，停止供水。

（6）测试与成果分享。学生取一般土壤用烘箱烘干后，将化学土壤湿度传感器按要求埋在土壤中间层，启动乐高EV3程序，实验效果非常好（一周内见证效果）。

三、思考

（一）STEM项目学习是非常有效的方式

融合应用化学传感器与乐高开展项目学习，是发展学生核心素养，践行STEM教育非常有效的措施。实施项目学习后，学生不仅在学科知识、学科能力上得到提高，而且综合能力明显提高。学生在完成项目学习任务的过程中，需要应用学科知识解释问题，多次进行数学计算，在理解工程概念的基础上动手搭建模型，还需要编程，操作机械臂实现设计功能。可见，学生完成一个项目需要跨学科知识的深度融合应用。

（二）应充分发挥各自优势

化学数字传感器种类多，采集数据范围广，数据采取与反馈迅速。传感器在学科领域应用优势明显，乐高工具的应用有利于培养工程和技术能力，EV3的应用可以提升学生的编程能力和计算能力。教师在实践中应发挥各种工具的优势，用好各种工具促进STEM在化学教学中有效落实。

（三）项目选择应以实验为载体

科学探究与创新意识是化学学科的核心素养之一，实验探究则是化学科学探究的主要学习方式。项目学习中应该增加实验内容，以实验探究为主、以乐高创新设计为重点。当今，人工智能技术已经深入人们生活的各个方面，在教学中尽可能让学生应用编程技术来完成项目任务。教师可将化学实验进行再次设计或开发新的实验，引导学生创造作品。以STEM 理念开展化学数字化实验，在提高学生科学探究能力的同时，也提高了学生的工程能力和科学素养。

（四）组建团队是成功的关键

应用化学传感器与乐高工具开展项目学习，需要做好分工与合作。STEM项目学习必然是跨学科的，团队需要有较强的动手能力，既要有较完备的学科知识、较强的数学能力，又要有一定的编程能力，显然不通过分工合作是难以完成的。因此，开始就应组建合适的团队。在项目学习过程中，团队成员在各方面都能得到提高。

（五）实施多元评价，提高学生参与积极性

正因为跨学科，需要分工合作，团队成员完成的任务不尽相同，所以评价目标、评价内容要有差异。

（作者系华东师范大学附属东昌中学正高级教师，特级教师）

喜欢吗？关注“中小学数字化教学”微信吧！

《中小学数字化教学》是由教育部主管、人民教育出版社主办的国家级教育专业期刊，国内统一刊号CN10-1490/G4。

期刊以“面向教育现代化，引领数字化教学”为办刊理念，聚焦基础教育教学主战场，刊载信息技术与学科教学深度融合的典型案例，分享数字化教学的新理念、新作法、新技术、新成果。返回搜狐，查看更多