華師這支跨學(xué)科團(tuán)隊

用20年時間

將價值數(shù)十萬元的進(jìn)口科研儀器

改造為千元級為基礎(chǔ)教育服務(wù)的教具

并在化學(xué)教育國際頂級期刊發(fā)表研究成果

他們是華師化學(xué)學(xué)院章偉光教授與范軍教授團(tuán)隊

便攜式QCM教學(xué)套件

近日，華師化學(xué)學(xué)院章偉光教授與范軍教授團(tuán)隊的教學(xué)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(xué)會旗下化學(xué)教育國際頂級期刊《Journal of Chemical Education》（《美國化學(xué)教育》）上。該研究設(shè)計了一種低成本的便攜式裝置，旨在革新中學(xué)生化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的學(xué)習(xí)方式。該研究成果獲得審稿人高度評價，認(rèn)為“這項工作在技術(shù)上令人印象深刻，彌補(bǔ)了STEM教育領(lǐng)域中的空白”，并被遴選為當(dāng)期雜志的封面文章。

團(tuán)隊設(shè)計的這一設(shè)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(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)的實時可視化、一鍵導(dǎo)出及交互投影等功能，系統(tǒng)性解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)痛點，將抽象概念轉(zhuǎn)化為基于實時數(shù)據(jù)的直觀學(xué)習(xí)體驗，無縫銜接理論教學(xué)與實踐操作。其低成本、可擴(kuò)展的設(shè)計既為學(xué)校提供了經(jīng)濟(jì)高效的課程適配工具，更通過創(chuàng)新功能推動構(gòu)建以學(xué)生為中心的現(xiàn)代化探究式學(xué)習(xí)范式，并結(jié)合開源框架與配套的教師培訓(xùn)方案，形成可復(fù)制的教育模式，顯著增強(qiáng)了數(shù)據(jù)驅(qū)動型科學(xué)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(jìn)中學(xué)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(xué)科邊界的探索，始于2004年章偉光在新加坡國立大學(xué)接觸石英晶體微天平（QCM）技術(shù)時的思考——當(dāng)科研推進(jìn)受到價格高昂的進(jìn)口設(shè)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(tuán)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(jìn)口設(shè)備，章偉光帶領(lǐng)團(tuán)隊最終以兩萬元成本定制出首臺國產(chǎn)QCM裝置，解決了當(dāng)時科研的燃眉之急。而團(tuán)隊研發(fā)的轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2017年前后，當(dāng)時課題組的教育碩士們在中學(xué)實習(xí)時發(fā)現(xiàn)，許多化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)實驗在中學(xué)難以開展，或是因設(shè)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?！皩χ袑W(xué)化學(xué)中的一些實驗，學(xué)生通過觀察氣泡產(chǎn)生來判斷反應(yīng)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(tuán)隊開始研發(fā)適用于中學(xué)化學(xué)課堂的教具。

從實驗室設(shè)備轉(zhuǎn)向中學(xué)教具研發(fā)

短短5年時間

讓QCM從大學(xué)走向中學(xué)

新方向新挑戰(zhàn)

多元協(xié)作是破局關(guān)鍵

跨學(xué)科組隊，打破專業(yè)壁壘

團(tuán)隊在轉(zhuǎn)向研發(fā)中學(xué)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(tuán)隊當(dāng)時僅有化學(xué)專業(yè)背景，不得不向外求援?！拔疫B最基礎(chǔ)的電路板設(shè)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(tuán)隊從挑選元器件到繪制電路圖紙，一步步搭建起QCM設(shè)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(jìn)口芯片受限，嚴(yán)重拖慢研發(fā)進(jìn)度。為此，團(tuán)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(xué)院2023級研究生趙豪杰作為軟件方向的研究生，不僅主導(dǎo)了電路板的重構(gòu)設(shè)計，更開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的源程序。團(tuán)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(xué)習(xí)、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(jī)調(diào)臺”。在不斷磨合中，團(tuán)隊逐漸建立起高效的協(xié)作模式。隨著項目推進(jìn)，研發(fā)涉及的領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。為讓產(chǎn)品更貼近教學(xué)實際，團(tuán)隊又引入機(jī)械工程與教育學(xué)專業(yè)的研究生，各展所長，共同攻克難題。

早期仿制歐洲設(shè)備時，制造成本仍高達(dá)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(shè)計制板。當(dāng)合作方拒絕提供源代碼時，團(tuán)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(xué)碩士研究生丘冠斯在天河中學(xué)進(jìn)行教學(xué)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(fù)調(diào)試裝置靈敏度，歷時三周進(jìn)行驗證。有一次深夜，他發(fā)現(xiàn)傳感器沒響應(yīng)，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(tuán)隊成為了一個取長補(bǔ)短、互通有無的大家庭。非假期時，團(tuán)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?？蒲兄校皫熜謳煹堋钡膫鞒懈浅B(tài)。趙豪杰在師兄的幫助和指導(dǎo)下，成功開發(fā)了整套軟件，此后他也負(fù)責(zé)“帶教”了兩個師弟，把電路設(shè)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(rèn)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(tuán)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(xué)實踐為科研團(tuán)隊帶回了第一手的教學(xué)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(xué)生相互學(xué)習(xí)、協(xié)同攻堅，正是這樣的跨學(xué)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(jìn)一線課堂

走進(jìn)課堂，讓教與學(xué)更容易

團(tuán)隊研發(fā)QCM教具的初衷是“讓科研反哺教學(xué)”，但成果的落地與應(yīng)用并非一帆風(fēng)順。團(tuán)隊通過教育實習(xí)生將設(shè)備帶入天河中學(xué)、汕尾中學(xué)等一線課堂，并依據(jù)教師反饋迭代改進(jìn)。在試點教學(xué)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(dāng)學(xué)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(xué)家一樣工作”來形容這一全新體驗，真正感受到科學(xué)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(yīng)用場景仍有限 。 在實際教學(xué)中， 每個中學(xué)的教學(xué)進(jìn)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(tuán)隊需要 結(jié)合 更多 教學(xué) 案例，并根據(jù)實際情況靈活調(diào)整。 作為一支華師團(tuán)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(dá) 地區(qū) 的 教育 公平 ，實現(xiàn)初步推廣，而經(jīng)濟(jì) 較 發(fā)達(dá)地區(qū) 的 學(xué)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(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為屏幕上清晰的曲線。學(xué)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(yīng)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(shè)備有效解決了傳統(tǒng)實驗中的安全隱患。以往中學(xué)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(xué)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(yīng)過程。在中學(xué)課堂上，曾讓很多學(xué)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(yīng)、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(shè)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(xué)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(qiáng)，頻率變化越明顯’?！睆V州市天河中學(xué)的化學(xué)老師李老師反饋，在使用QCM進(jìn)行的“金屬活動性順序”實驗課時，學(xué)生提問量比以前多了一倍。課后，更有學(xué)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(xué)好奇心。

在今年5月，團(tuán)隊與天河中學(xué)合作的“QCM生物化學(xué)實驗項目”獲得了廣州市級二等獎。評委給予“大學(xué)精度落地中學(xué)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(tuán)隊仍在不斷進(jìn)行更新迭代，希望盡可能降低儀器在教學(xué)中的使用難度，就如趙豪杰所言：“把復(fù)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(xué)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(tuán)隊仍在不斷奮進(jìn)，而課堂上每一次學(xué)生的驚嘆與思考，都是對這份堅持最好的回應(yīng)。

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(xué)都用得起國際認(rèn)可的產(chǎn)品

團(tuán)隊的研究成果最終發(fā)表在美國化學(xué)會旗下化學(xué)教育國際頂級期刊《Journal of Chemical Education》，并被遴選為當(dāng)期封面文章。作為全球中學(xué)化學(xué)教育領(lǐng)域的“頂流期刊”，《Journal of Chemical Education》以審稿嚴(yán)格著稱，中國學(xué)者在該期刊發(fā)表封面文章的比例不足5%。而團(tuán)隊成果能獲得如此認(rèn)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(xué)科研或太空塵埃檢測，但從沒人想過把它改造成中學(xué)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。”

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

這項成果在國際化學(xué)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(xué)教育教授發(fā)來郵件，詢問設(shè)備的技術(shù)參數(shù)；歐洲一所中學(xué)也表達(dá)了試用意向，希望團(tuán)隊能提供簡化版教程?！斑@說明全球中學(xué)教育都面臨著‘抽象概念難教’的問題，而我們團(tuán)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(shè)備，但多是“萬元級”產(chǎn)品，而團(tuán)隊的QCM設(shè)備成本能控制在千元級以下，還能不依靠進(jìn)口技術(shù)和進(jìn)口元件進(jìn)行自主升級，“對資源有限的學(xué)校來說，這是更可行的選擇”。

如今，團(tuán)隊的目標(biāo)已從“發(fā)表論文”轉(zhuǎn)向“讓更多學(xué)校用得起”。在清遠(yuǎn)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(xué)校的研發(fā)經(jīng)費，做不了規(guī)模化生產(chǎn)?！蹦壳?，團(tuán)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(shè)備從“實驗室樣品”變成“市場化定型產(chǎn)品”。今年9月開學(xué)后，團(tuán)隊將分組前往廣東各地中學(xué)推進(jìn)試用，并收集師生反饋，持續(xù)優(yōu)化設(shè)備性能。

未來，團(tuán)隊還有兩個“小目標(biāo)”：一是拓展學(xué)科邊界。讓QCM設(shè)備不僅能做化學(xué)實驗，還能用于物理的“氣體壓強(qiáng)測量”、生物的“細(xì)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(yīng)，更好地滿足課堂分組實驗的需求。同時，團(tuán)隊還在持續(xù)努力降低產(chǎn)品成本，力爭將基礎(chǔ)款設(shè)備價格控制在800元以下，讓更多學(xué)?！百I得起、用得起”。

去年在向汕尾一所鄉(xiāng)村中學(xué)捐贈設(shè)備時，有學(xué)生追著團(tuán)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(tuán)隊?！敖当就茝V這件事，再多困難都值得做下去?！?/p>

這支跨學(xué)科團(tuán)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(jìn)課堂、改變教育的力量?！耙苍S未來某一天，會有學(xué)生因為QCM設(shè)備而愛上科學(xué)、走上科研路——這就是我們最大的期待。”

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(xué)學(xué)院

采寫丨周悅 孫英杰 樊嬌嬌

攝影 |藍(lán)麗珊

圖片丨受訪者提供

執(zhí)行編輯丨龍澳琦

責(zé)任編輯丨盧嘉裕 陳婧 吳建國

初審丨沈蔚瑜

復(fù)審丨林海岸

終審丨周憲

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