微型空气质量检测站的组装与应用

摘要

依据人教版（2024年版）化学九年级上册“跨学科实践活动1”的教学要求，研发与教材内容高度契合的“微型空气质量检测站”教具，并据此组织实施配套教学活动。实践表明，该教具兼具空气成分检测与净化功能，主要特点为：凸显化学学科特色，实现跨学科知识整合；设计方案智能高效、绿色环保且性价比高；整体实用性强，便于携带与现场操作。通过该课程的学习，学生的化学、物理、信息等多学科素养得到有效提升，并培养其跨学科综合解决问题的能力与思维品质。同时，引导学生亲历科学探究过程，提升化学实验技能，从而促使其深入理解科学、技术与社会（STS）的相互关系。

Graphical abstract

关键词

微型 / 空气质量检测站 / 自制教具 / 跨学科实践 / 探究实验 / 绿色环保

《义务教育化学课程标准（2022年版）》在课程内容中增设了10个跨学科实践活动^［1］。其中，跨学科实践活动1是“微型空气质量检测站的组装与使用”。

在教学过程中，普遍存在化学学科素养难以有效凸显、跨学科整合难度较大等问题。同时，适用于该活动的教学仪器匮乏；市售空气检测仪大多只能检测部分空气成分，且多采取“多合一”捆绑销售模式，针对性不强；高效的空气检测与净化设备体积较大、结构精密且价格昂贵，难以满足学生实验活动的需求^［2］。为破解上述教学难点，提升学生的化学学科核心素养与跨学科实践能力，笔者研发并制作了一套“微型空气质量检测站”教具，并将其应用于教学实践，取得了良好成效。

1 教学目标

（1） 通过教材学习和资料查阅，认识空气质量检测和空气净化的重要性；了解通过化学反应可以实现物质的转化，初步形成物质观和转化观。

（2） 通过微型空气质量检测站的设计、组装和使用，提升学生化学、物理、信息等多学科素养，培养跨学科解决实际问题的思维能力，体会科学与技术的相互关系。

（3） 使用该装置开展探究实验，践行“做中学、做中思、做中创”理念，提高学生的化学实验技能，提升科学探究能力，培养其科学探究思维。

（4） 学会把生活问题转化为化学问题，逐步形成化学改变生活，化学促进社会可持续发展的正确认识，体会科学、社会的相互关系^［3］。

2 装置制作

2.1 实验器材

单片机开发板、显示屏、传感器、移动电源、面包板、风扇、电焊铁、万用表、小刀、串口屏调试器、USB线缆、收集罩、普通导线若干、排针等。

2.2 装置设计

整套装置主要由3部分组成：检测装置、吸附装置和控制系统。装置设计图如图1所示。

其中，空气检测装置由传感器和显示屏组成，传感器检测空气成分和浓度，显示屏显示空气成分和浓度。

空气净化由吸附装置完成，吸附装置包括收集罩、滤芯、风机、支架、底座等。收集罩主要起导流与集中空气的作用。滤芯用于吸附污染物，可以根据检测物的性质，选择最合适的吸附剂组合。风机用于产生吸力，使待测空气穿过滤芯，吸附其中超标的空气成分，从而达到净化空气的作用。

控制系统为整套装置的核心，由单片机开发板组成，电源、显示屏、传感器、吸附装置分别连接在单片机开发板上。编写的软件代码能控制系统智能运行，且吸附装置能根据检测装置的结果进行相应的操作。

2.3 硬件制作

选用8051内核的单片机作为控制核心，单片机控制板的硬件设计图如图2所示。其中，5 V电源用于给整个系统供电，电源既可以采用移动电源，也可以采用固定电源；单片机控制板将电源和信号引到插座上，再将显示屏、传感器、吸附装置直接连接到对应的插座上，即可实现单片机控制板与显示屏、传感器、吸附装置的相互通信。

2.4 软件编写

单片机控制板的软件设计使用Keil uVision4软件，软件设计流程如图3所示。启动系统后，实时解析传感器采集并上传的数据，识别被测物质的种类及其浓度，并通过显示屏动态显示当前浓度，完成空气质量检测功能。

当系统判定被测物质浓度超过预设阈值时，随即启动吸附装置，对被测物质进行吸附净化；当传感器监测到浓度回落至正常范围时，则停止吸附装置运行。

2.5 装置组装

根据小风扇与收集罩的尺寸，切割亚克力板，制作装置外壳。按照设计图1，使用热熔胶固定各元器件。装置组装后的实物如图4所示。

3 微型空气质量检测站的应用

方案设计、元器件选型由教师完成，软件编程、装置组装部分由师生合作完成，探究实验由学生小组合作完成。学生针对生活中可能导致室内空气质量超标的几个情境开展探究实验。

【资料1】空气质量日报检测成分包含SO₂、NO₂、O₃、CO、PM2.5、PM10.0。而《室内空气质量标准（GB/T 18883—2022）》要求室内空气还需检测CO₂、HCHO、TVOC、NH₃等其他物质浓度。

【资料2】室内空气质量标准（部分）见表1^［4］，根据环境空气质量功能区分类和标准分级，家庭和学校属于二类区，遵循国家二级标准。

【资料3】常见空气污染物的物理和化学吸附方法包括：固体颗粒物可采用活性炭吸附、静电吸附、HEPA过滤等方式；氨气可利用氯化钙、常见的酸等进行吸收，常见的酸包括盐酸、硫酸、磷酸、醋酸等。

综合考虑腐蚀性、毒性、挥发性，笔者决定选择磷酸作为吸附剂与氨气发生中和反应，生成的盐类可以作为肥料使用，安全、污染少；CO₂气体的吸收，根据非金属氧化物与碱反应，利用氢氧化钠固体、氢氧化钙溶液、氧化钙固体等吸收，以降低空气中二氧化碳浓度，实现检测后空气的净化。

3.1 探究实验一

【实验目的】检测家用蚊香燃烧过程中PM2.5浓度的变化，并探究PM2.5的吸附方法。

【实验仪器、药品】微型空气质量检测站、PM2.5传感器（测试量程0~1 000 μg/m³）、蚊香、点火器、活性炭口罩、静电吸附棉、HEPA过滤网、铁丝网、移动充电宝。

【实验步骤】

（1） 选择PM2.5传感器并接入系统。

（2） 吸附装置中依次放入活性炭口罩、静电吸附棉、HEPA过滤网，中间用铁丝网间隔。

（3） 接通电源，系统智能运行。

（4） 记录实验数据（同步用市售空气质量检测仪检测，数值变化大致相同）。

（5） 在PM2.5传感器下方点燃蚊香，分别在连接/不连接吸附装置条件下燃烧约5 s后熄灭，观察实验现象。

（6） 关闭电源，实验结束，实验记录如表2所示。在蚊香使用过程中，PM2.5变化如图5所示，撰写实验报告。

3.2 探究实验二

【实验目的】检测家庭野餐时木炭燃烧的CO₂浓度变化，并探究CO₂的吸附方法。

【实验仪器、药品】微型空气质量检测站、CO₂传感器、无纺布袋、小喷壶、滤纸、药匙、铁丝网、移动充电宝、碱石灰、氢氧化钠溶液等。

【实验步骤】

（1） 选择CO₂传感器并接入系统。

（2） 将50 g碱石灰颗粒装入无纺布袋，在滤纸上喷氢氧化钠溶液。

（3） 向吸附装置中依次放入碱石灰颗粒、喷有氢氧化钠溶液的滤纸，中间用铁丝网间隔。

（4） 接通电源，系统智能运行，记录实验数据。

（5） 在连接/不连接吸附装置条件下，分别燃烧木炭约1 min，观察实验现象，并记录150 s内空气中CO₂浓度。

（6） 实验结束，关闭电源，实验记录如表3所示。木炭燃烧时CO₂浓度变化如图6所示，撰写实验报告。

3.3 探究实验三

【实验目的】模拟化粪池周围空气，检测NH₃含量，并探究NH₃的吸附方法^［5］。

【实验仪器、药品】微型空气质量检测站、NH₃传感器、滤纸、无纺布袋、小喷壶、药匙、铁丝网、移动充电宝、氯化钙颗粒、活性炭颗粒、磷酸溶液等。

【实验步骤】

（1） 选择NH₃传感器并接入系统。

（2） 将约50 g氯化钙颗粒装入一个无纺布袋中，再将约10 g活性炭颗粒装入另一个无纺布袋中，在滤纸上喷磷酸溶液。

（3） 向吸附装置中依次放入氯化钙颗粒、活性炭颗粒、喷有磷酸的滤纸，同时中间用铁丝网进行间隔。

（4） 接通电源，系统智能实时运行，随即记录实验数据。

（5） 在连接/不连接吸附装置条件下，分别打开浓氨水试剂瓶，取一个小烧杯，向其中加入5 mL浓氨水，再盖上大烧杯，观察实验现象（考虑到安全因素，学生并没有直接打开化粪池进行检测，而是使用氨水进行模拟）。

（6） 关闭电源，实验结束，实验记录如表4所示。模拟实验中NH₃浓度变化如图7所示，撰写实验报告。

4 装置创新点与优点

（1） 聚焦化学学科素养：强调化学变化观与科学探究方法的培养，认识化学知识有效应用与跨学科协同创新在解决生活实际问题中的重要价值。

（2） 深度跨学科：在化学学科知识的基础上，深度融合信息科技、物理、美术、劳动等多学科知识，实现多学科知识的有机整合与协同应用。同时，有助于全面展现学生的多元优势，如团队协作能力、创新精神及跨学科综合解决问题的能力。

（3） 智能高效：实时检测空气中目标污染物（如CO₂、NH₃等）浓度，且当浓度超过预设阈值时，自动启动吸附装置实施净化处理；待浓度恢复至安全阈值内，则停止吸附装置运行。

（4） 绿色环保：系统可针对不同环境特征，通过传感器精准检测目标污染物，并利用吸附装置高效吸附，从而有效改善空气质量；检测范围广泛，支持单一传感器或多参数集成传感器的灵活配置，以满足不同场景的检测需求。

（5） 性价比高，实用性强：相较于市售同类装置，该教具在成本与性能上优势显著，尤其适用于新教材中的学生实验探究活动。在日常生活中，可用于检测与捕集CO₂，助力低碳生活理念的实践；同时兼具除尘、除甲醛等多重空气净化功能。

（6） 数字化检测：通过传感器与显示终端，将空气中不可直接观测的成分或浓度变化实时转化为可视化数据并予以呈现，兼具科学性与直观性，契合信息化时代的实验教学需求。

（7） 便携，易操作：该装置采用一体式结构设计，体积小巧，便于携带与移动；接通电源后即可启动运行，无需复杂调试，操作简便。

5 总结与展望

围绕微型空气质量检测站的组装与使用开展教学，具有以下优势：学生结合编程逻辑与工程技术知识完成检测站的组装，有效提升了多学科知识的综合运用能力，初步形成跨学科综合解决实际问题的思维方式；通过分析空气污染物来源并开展检测，能够从综合与环保视角认识空气质量检测的重要性，有效培育了“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养；有机整合初中化学第2、3、6、10、11、12单元相关知识，设计探究实验，进行污染物吸附、空气净化或低碳行动实践，有助于建构大单元学习的整体理念。

此外，该过程有效回应了生活中的真实问题情境，凸显了“做中学”“用中学”“创中学”的教育理念；促进学生建构“物质分离与提纯”的思维模型，形成“化学与可持续发展”的学科大概念认知，推动其化学观念、科学思维、科学探究及跨学科综合能力等核心素养的发展。

当然，微型空气质量检测站的组装与使用过程中仍存在一定不足，后续研究拟从以下方面加以优化：①优化吸附性能。针对目标污染物，系统探究不同吸附剂的筛选及组合排列方式，并优化单一吸附剂用量，以获得最佳吸附效率。②拓展检测与净化功能。增加氮氧化物、SO₂等典型有毒有害气体的检测与吸附模块。③提升装置结构与外观。优化一体化设计，确保结构稳固、外观简洁美观且实用性强。④拓展应用场景与功能^［6］。开发装置的多场景适用性与多功能集成，实现“一器多用”。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 郑丽娟，杨砚宁，彭建云.指向数字素养提升的初中化学跨学科教学实践：以“微型空气质量检测站的组装与使用”为例［J］.化学教学，2025（05）：56-62.

[3] 林丽璇，洪兹田，赖泓伊，等.基于核心素养培养的初中化学跨学科实践探索：以“微型空气质量‘检测站’的组装与使用”为例［J］.化学教与学，2024（03）：57-60，91.

[4] 张海婧，陆一夫，王秦，等.《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2022）检验方法的制修订研究［J］.中华预防医学杂志，2023，57（11）：1777-1781.

[5] 谢贵香，王玲杰.微型化“分子运动现象”探究实验改进［J］.实验教学与仪器，2024，41（11）：80-81.

[6] 朱琦.运用信息化手段开展初中化学跨学科实践活动的设计与实施：以“微型空气质量‘检测站’的组装与使用”为例［J］.化学教与学，2025（12）：35-38，18.