行空板K10 案例征集：理化学习探究新工具 ——不同溶液导电性的研究 简单

第一部分 教学大纲

一、学习目标：
1. 了解智能硬件在其他学科学习中的应用。 
2. 通过探究不同溶液导电性规律的实践探索，掌握利用智能硬件解决问题的方法，并能迁移应用于解决其他问题。
 智能硬件技术为学习带来了诸多便利，为教师和学生营造更加优质的教学环境。利用智能硬件技术，可以更加便利地获取学习资源和服务，参与在线课程和互动学习活动，探究学科知识，从而帮助学生更好地发掘自己的潜能和学习兴趣。

二、探索智能硬件在学习中的应用：
智能硬件技术不仅能为学生营造智能化的学习环境，也是支持相关学科探究的工具。例如，教师可以利用加速度传感器帮助学生加深对速度的理解，用距离传感器或者超声波传感器帮助学生学习距离、半径、直径等概念，用光敏传感器帮助学生理解光的传播和反射规律，用电流传感器测量电流强度，用生物传感器（包括酶传感器、细胞传感器等）检测生物分子或细胞的活动，用温湿度传感器测量和监控实验过程中的温度和湿度变化，用电压、电流传感器测量和监控实验过程溶液的导电性变化。
三、探究不同溶液导电性的规律系统实践
溶液的导电性实验是一个科学实验，在实验过程中，实验者需要密切关注不同状态不同溶液导电性变化过程，记录关键数据，并根据数据进行分析。实验结束后，还需要对数据进行处理，得出溶液导电性的规律。能否利用智能硬件技术开展溶液导电性实验探究呢？
教学中，教师可以提出问题引导学生思考：与传统的实验方法相比，用智能硬件技术开展溶液的导电性实验，有哪些优势？
利用智能硬件技术开展该实验的优势很多，如可以实现实时数据采集、传输和分析，使得实验过程更加高效。可以实时显示待测指标实时变化数据，做出图形，方便查看变化趋势等等。
3.1 探究系统的功能实现
可以使用哪些智能硬件技术完成该科学实验？
教师要引导学生根据科学实验过程，初步设计物联系统完成该实验的过程。在本次实验中，可以设置两个以上的对照组，如选择食盐、小苏打、小石子、白砂糖四种溶质，四种溶质使用不同的量溶于纯净水中，纯净水的温度对导电性的影响，饱和溶液对导电性的影响等内容。

3.2 分析系统的功能需求
3.2.1 需求分析。按环节分析系统地功能需求，填写表3.1 
教师要引导学生根据科学实验过程，初步设计智能系统完成该实验的过程。在本次实验中，可以设置多个对照组，如选择食盐和柠檬酸两种溶质，两种溶质使用不同的量溶于纯净水中，纯净水的温度对导电性的影响，饱和溶液对导电性的影响等内容。

表3.1 系统功能需求表

3.2.2 功能实现。分析各个环节需要用到的物联实验设备、软件及平台

教师可以带领学生回顾各类传感器的功能和作用，引导学生根据本组需求分析，选择相关的硬件，参照表 3.1的功能描述，完善图3.1。

图 3.1

3.2.3 算法设计。根据需求分析和功能实现，绘制流程图

3.3 实现系统功能。根据确定的功能需求，模拟实现系统。

任务1 硬件搭建

1.选择传感器、主控板等智能硬件实验设备

2.按照任务需求连接硬件

任务2 采集数据

   用传感器采集电压和电流数据，在显示屏实时显示，将采集的数据记录在表3.2中。

教学中，可以向学生提问：如何实时采集水杯中的电压和电流数据，引导学生展开探究。本案例使用了柠檬酸溶质作为溶质，温度从90摄氏度开始降温，探究水杯中导电性情况。不必拘泥于课程内容涉及的材质，也可以适当增减。

表3.2 实验数据表

任务3 传输与存储数据

教学中，可以让学生思考：采集的数据存储在哪里？有没有其他存储地方？

任务 4 分析处理数据

分析数据的形式可以自由选择。可以将检测到的数据合并在同一张数据表中，绘制复式图。也可以直接利用物联网服务平台中的可视化呈现方式，在每一个项目设备下可以查看该主题的变化趋势。

3. 结论： 

任务 5 探讨溶液导电性的应用和实践意义
热水在不同材质的容器里冷却的速度不同，这在生活中有哪些实际应用呢？

在得出结论的基础上，进行讨论和优化，进一步深入了解。

拓展与提升
1. 此次实验验证的原理在生活中的应用都有哪些？
2. 你觉得智能硬件技术还可以应用在哪些科学实验中？提出实践思路。

教学中，倡导学生将所学的知识运用于实际生产和生活，比如，通过监测溶液导电性判断水体质量好坏、判断化学反应进程，化学电池的设计等内容。

教师可搜集一些智能硬件技术在科学实验中的应用案例，如环境监测、生物学实验等，并通过分析这些案例，让学生认识到智能硬件技术在科学实验中的优势及发展前景。鼓励学生发挥创新思维，探讨智能硬件技术在其他科学实验中的潜在应用。例如，在植物生长实验中，利用智能硬件技术实时监测土壤湿度、光照强度等参数；在化学实验中，智能硬件技术可以实现精确控制实验条件及实时监测反应过程。

具备条件的学校可组织学生进行实际操作，利用智能硬件技术开展简单的科学实验。此外，教学过程中还可将智能硬件技术与物理、化学、生物学等学科实验相结合，开展跨学科的科学实验项目。这样既能提升学生的综合能力和跨学科思维，也能激发学生对科学实验的兴趣和热情。

第二部分 案例呈现

一、项目来源

在化学学科中，溶液的导电性是一个重要的物理性质，它反映了溶液中离子传导电流的能力。了解不同溶液的导电性规律对于理解化学反应、电解质性质以及设计相关应用具有重要意义。本项目旨在通过智能硬件技术，探究不同溶质、浓度和温度下溶液的导电性规律，为学生提供一种直观、高效的学习手段。

二、项目简介

本项目旨在利用智能硬件技术深入探究溶液的导电性规律。项目通过搭建智能化的实验系统，实时采集、传输、存储和分析不同溶质、浓度和温度下溶液的导电性数据。该系统集成了电流传感器、电压传感器、主控板和显示屏等智能硬件设备，能够直观地展示溶液导电性的变化规律。通过本项目，学生将掌握智能硬件技术在化学实验中的应用方法，了解溶液导电性的基本原理和影响因素。同时，学生还将提升实验操作能力、数据分析能力和跨学科思维能力。本项目不仅为化学实验教学提供了一种新的、高效的教学工具，还有助于培养学生的科学素养和创新能力。

此外，该项目的研究成果将为相关领域的研究提供有价值的参考和借鉴，推动化学与智能硬件技术的交叉融合，为科学研究和教育创新注入新的活力。

三、项目知识点

1.智能硬件技术基础：了解智能硬件的基本概念、分类和应用领域，掌握智能硬件设备的选择和连接方法。

2.溶液导电性原理：理解溶液导电性的基本概念，掌握影响溶液导电性的主要因素，如溶质种类、浓度和温度等。

3.数据采集与分析：学习使用智能硬件设备采集实验数据的方法，掌握数据的传输、存储和分析技巧，包括数据可视化呈现方式。

4.跨学科思维：培养学生在化学实验中运用智能硬件技术的能力，提升跨学科思维和创新能力。

四、项目原理

溶液导电性原理：

溶液的导电性主要取决于溶液中离子的种类、数量和迁移率。在电解质溶液中，离子在电场作用下定向移动形成电流，从而表现出导电性。不同溶质在溶解过程中会产生不同种类和数量的离子，因此其导电性也会有所不同。此外，溶液的浓度和温度也会影响离子的迁移率和溶液的电导率。浓度越高，离子数量越多，导电性通常越强；温度越高，离子运动速度加快，但也可能导致离子间相互作用增强，影响导电性。

智能硬件技术原理：

本项目利用智能硬件技术实现溶液导电性的实时监测和分析。电流传感器和电压传感器分别用于测量溶液中的电流和电压值，这些信号被传输到主控板进行处理和存储。主控板通过预设的算法计算溶液的电导率或电阻值，并将结果显示在显示屏上。同时，主控板还可以将采集到的数据通过无线网络传输到计算机或云端服务器进行进一步的分析和处理。通过可视化呈现方式，学生可以直观地看到不同条件下溶液的导电性变化规律。

五、硬件介绍

1.行空板K10

行空板K10是一款专为快速体验和学习人工智能而设计的开发学习板，100%采用国产芯片，知识产权自主可控，符合信息科技课程中编程学习、物联网及人工智能等教学需求。该板集成LCD彩屏、WiFi蓝牙、摄像头、麦克风、扬声器、RGB指示灯、多种传感器及丰富的扩展接口。凭借高度集成的板载资源，教学过程中无需额外连接其他设备，便可轻松实现传感器控制、物联网应用以及人脸识别、语音识别、语音合成等人工智能项目。

2.功率传感器

I2C数字功率计是一款可测量26V 8A以内各类电子模块、用电设备的电压、电流和功率，最大相对误差不超过±0.2%的高分辨、高精度、大量程测量模块（使用前需进行一次简单的手动校准）。可用于太阳能系统、电池库仑计、电机、主控板或电子模块的功耗测量、电池续航评估与实时电源参数在线监控。 模块采用TI INA219零温漂电流/功率监控芯片和2W大功率低温漂10mΩ合金采样电阻，电压和电流分辨率分别可达4mV与1mA，在满量程测量条件下，电压与电流的最大测量相对误差不超过±0.2%，并提供4个可通过拨码开关配置的I2C地址。模块可对双向高侧电流（流经电源或电池正极的电流）进行准确测量，这在太阳能或库仑计应用，电池既需要充电，也需要放电的场合尤为有用，用户可通过电流的正负读数了解电池的充放电状态，也可以了解电池的冲放电的实时电压、电流与功率。在电机应用场景，可通过实时监控电机电流是否由于堵转或负载过大导致电流过大，从而及时采取保护措施。此外，也可以使用该模块测量各类电子模块或整个项目的实时功耗，从而评估电池的续航时间。

备选：电流传感器

这款电流转电压模块能将0~25mA电流信号线性转换成0~3V电压信号。工业传感器或设备通常具有4~20mA电流信号输出，主控板搭配本产品后就能方便的读取电流信号了。

通常情况下，低于4mA的电流信号可用于故障诊断，高于20mA的电流信号可用于超限检测，因此这款模块特意设计了0~25mA的宽量程检测范围，兼容故障检测、超限检测等需求。

本模块采用0.1%高精密检流电阻和超低噪声轨到轨零漂移运放，精度高，无需校准，使用起来简单方便。3.3V~5.5V宽电压供电、0~3V电压信号输出，能兼容更多的主控板，适应更多的应用场景。

备选：电压传感器

基于电阻分压原理的电压检测模块，配合Arduino传感器扩展板可以完成对电压电量大小的检测，可以监控互动媒体作品的电量或机器人供电的电量。电压检测模块能使输入的电压缩小5倍。由于Arduino模拟输入电压最大为5V，故电压检测模块的输入电压不能大于5Vx5=25V。Arduino的模拟分辨率最小为0.0049V，所以电压检测模块输入最小电压为0.0049Vx5=0.0245V。被测电源引线到接线柱上，正极接input，负接GND。

六、硬件接线图

七、流程图

实验一：

实验二：

八、程序截图

实验一：

实验二：

九、实验步骤

实验一：1.  分别向100ml纯净水中加入10g柠檬酸和10g食盐，编号烧杯1和烧杯2；

2. 将两个电极依次放入烧杯1和烧杯2中；

3. 按照设置的程序操作。

实验二：1.  将10g柠檬酸加入烧杯中，向杯中加入90℃的纯净水100ml；

2.  将防水温度计18B20和两个电极放入烧杯中；

3.  按照设置的程序操作记录数据。

十、实验结论

实验一：

实验截图：

实验结论：不同溶质在相同温度下的导电性不同，食盐水溶液优于柠檬酸水溶液。

实验二：

实验截图：

实验结论：柠檬酸溶液导电性随温度降低而降低。

十一、附件下载

实验数据：

表 实验数据表

 程序附件：