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基于行空板的数据可视化实例:探究丝藻对溶解氧的影响

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本帖最后由 digi_cow 于 2022-8-2 12:27 编辑

探究丝藻对溶解氧的影响-封面.jpg



上学期期末阶段,办公室对面小哥的乌龟缸疏于管理,结果绿藻爆发……听说绿藻大量繁殖,会导致水体溶解氧减少,危及水中小动物的生存。
但也有听说地球上的氧气大部分来自于藻类的光合作用。
那么绿藻对于水体溶解氧的影响到底如何呢?能不能量化考证?
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上军火库DF创客商城一搜,果然有对应的传感器,但是这价格……如果人体红外热释电传感器是机关枪的价格,那这溶解氧传感器就是导弹价格了。
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攒(hou)足(zhe)面(lian)子(pi),最后借了一个过来。

等待传感器到货的那两天,我已经根据传感器的说明页面标注的尺寸开始制作固定用的结构件
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然而还没等传感器到货,小哥勤快地把水换了,再后来就放假了。

那,要不我自己搞一缸绿藻玩儿吧!
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拎着捉鱼的网兜和水桶在小区池塘里捞来几团头发状的水藻

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这么看起来有点像海苔,不知道晒干了啥味道。网上查了下,这种水藻应该叫丝藻,绿藻纲,丝藻科。是一种对水质和日照都有点要求的水藻。为了清理掉团在水藻里的污垢,原本成团的水藻被我打散了。

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  • 器材准备
材料清单
行空板套件×1
Gravity: 18B20 防水温度传感器×1
Gravity: 溶解氧传感器套件×1
这可能是我做过的材料清单最简短的项目。主要是因为行空板一己之力提供了触控彩屏、按键、WiFi蓝牙、SIoT服务器等众多功能,为项目实施提供了极大的便利性。
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18B20 防水温度传感器可以投入水中或插入土壤进行温度检测。能够在3.0V到5.5V的电源下工作,温度显示范围为-10°C to +85°C(误差±0.5°C) 。是替换传统玻璃温度计进行数字化实验的必备神器。

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最后出场的是“重武器”溶解氧传感器套件

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传感器套件阵容豪华,包含所有达成实验所需的附件与耗材
原电池型溶解氧电极(含膜帽)  x1
备用膜帽     x1
信号转接板(变送板)     x1
模拟传感器连接线    x1
防水垫片     x2
BNC六角金属螺帽  x1
0.5mol/L氢氧化钠溶液30mL   x1
塑料滴管    x2

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这是传感器头部特写。膜帽上那层类似亚克力的透明薄片,实际上是氧渗透膜。这层膜比较敏感娇贵,需要避免弄破它。

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拧开电极的膜帽盖,将两者分离,电极顶部的银色部分应该是某种金属,安装到位时,电极的银色金属部位是顶住膜帽的。

准备电极
使用全新的溶解氧电极之前,需要在膜帽中加入0.5mol/L氢氧化钠溶液,作为电极的填充液。由于氢氧化钠具有很强的腐蚀性,操作时需要戴手套防护。
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用滴管滴入0.5mol/L氢氧化钠溶液到膜帽盖中,滴入量大概为膜帽内部容积的三分之二。

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然后使电极方向与水平面方向垂直,把膜帽套到电极上再拧紧,以溢出一点氢氧化钠溶液为佳。

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  • 硬件连接
DF的产品,接插件一般都是体系化的防呆设计,这给实验带来了很大便利。
行空板与传感器接口对应关系如下,使用附带的双头防呆3Pin连接线将传感器连接至行空板I/O口。

2022-08-01_12-39-23_副本.gif



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连线示意图

  • 校准传感器
为保证精度,初次使用电极,或者使用一段时间后,需要经过校准才能投入使用。
参照溶解氧传感器的说明,有两种校准方法:
单点校准:只校准单一温度下饱和溶解氧,适用于温度变化不大时测量
两点校准:校准不同温度下饱和溶解氧,可以进行温度补偿计算,适用于宽温度范围测量
强迫症患者自然选择两点校准
设计校准程序
校准公式迁移自传感器说明中的Arduino代码。程序中的变量VREF为ADC参考电压,变量ADC_RES为ADC分辨率。行空板ADC参考电压为3.3V,采用12位ADC,分辨率为4096,需要据此修改对应参数。
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校准过程
1.        制备常温饱和氧水
校准说明中要求两点校准时,适当加热其中一个样本(不得高于40℃),但因为当前室内开着空调气温也有26-28℃,所以常温下的样本也能满足校准需求。
说明书给出的制作饱和氧水的方法有两种
方法A:使用搅拌器、打蛋器,连续高速搅拌10分钟,使溶解氧达到饱和
方法B:使用气泵向水中连续充气十分钟,使溶解氧达到饱和
两种方法我都没有采用,因为我有神器——磁力搅拌机。它的基本原理是利用磁场的同性相斥、异性相吸的原理,让磁场推动放置在容器中带磁性的搅拌子进行圆周运转,这样便能达到可控的快速搅拌的功能。

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包裹有磁铁的胶囊状搅拌子



常温-投放搅拌粒2022811214349.gif

投入瓶中

搅拌-常温2022811154576.gif

调整开关旋钮,由慢到快让搅拌子渐进提速,速度上去后瓶子里的水会产生一个小漩涡,搅拌效率极高,且不容易产生水泡。

2.        获取高温校准点数据


调低搅拌机转速,全程保持低速搅拌(以不产生气泡为准),插入传感器,启动行空板的校准程序。

校准-常温20228112181010.gif

测得28℃时,饱和电压为1551mv。


3.        制备低温饱和氧水


取出事先放入冰箱的纯净水样本,使用磁力搅拌机搅拌10分钟,获得低温饱和氧水。

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温差原因,瓶子表面有凝露

4.        获取低温校准点数据

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同样需要让磁力搅拌机保持低速搅拌,

测得10℃时饱和电压为906mv


校准原理

当温度固定时,电压与溶解氧浓度成线性关系。由于电极生产时的细微差异,需要先校准饱和溶解氧对应的电压,即可获得准确的数据
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但是饱和溶解氧受温度变化影响大,实际测量中也不可能长时间保持温度不变,因此需要考虑温度变化导致的溶解氧和饱和电压变化,并进行相应计算,提高精度。
饱和电压与温度大致关系如下图所示,需要测量两个不同温度下的饱和溶解氧电压,得到温度补偿曲线。
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标准大气压下温度与饱和溶解氧对应关系已知,即可通过测量温度确定当前温度饱和溶解氧浓度和对应电压,进而计算溶解氧。这一点将在后面的检测程序中体现。
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  • 配置行空板网络连接
由于本项目将使用物联网记录数据,所以需要对行空板进行网络配置,相关网络信息将用于检测程序的参数设置。
将行空板用附带的USB连接线与电脑连接,待板子启动,显示行空板LOGO时,打开浏览器,在地址栏输入10.1.2.3,即可打开配置页面。
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点击左侧网络设置按钮,输入WiFi账号密码,连接到网络
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刷新WiFi状态,记录下行空板的IP地址
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全新的行空板默认是开机运行SIoT服务器的。可以通过“应用开关”检查服务器状态。
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点击“打开页面”就可以登录后台逛逛了。
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一旦行空板连接到WiFi,那么在同网段内的其它设备均可访问行空板的SIoT服务器读取数据,甚至可以通过手机进行相关操作。
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  • 设计检测程序
添加matplotlib扩展库
Matplotlib是Python的绘图库,它能让使用者很轻松地将数据图形化,以更直观的方式呈现出来。DF创客社区的Nick-ccq为Mind+制作了Matplotlib库,让自带彩色屏幕的行空板在数据呈现方面有了更丰富的效果。
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单击“扩展”按钮,选择“用户库”
地址栏中填入https://gitee.com/chenqi1233/ext-matplotlib安装库文件
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安装完成后,积木菜单会加载Nick:matplotlib相关积木
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需要注意的是,matplotlib需要放在主线程使用,在子线程使用会报错。
下面给出检测程序的完整代码
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  • 功能测试
在正式实验前,我们先进行功能测试。检测对象为之前制备的常温饱和氧水,不过此时已静置了一段时间,氧气已经逸散了一部分。测得18℃下溶解氧含量为6531μg/L。
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鉴于白色背景拍摄时显示不够清晰,按板载的B键,切换至深色背景。
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由于此时打开了磁力搅拌机,溶解氧含量很快上升到了9343μg/L

按下板载A键,切换到折线图模式


远程桌面GIF.gif

关掉磁力搅拌机后,可以看到溶解氧含量迅速下降。这个现象一方面说明搅拌对于提高水体溶解氧是非常有效的,另一方面也说明我们这套检测装置的灵敏度较高。

在折线图模式下,还可以点击窗口上方工具栏上的按钮,对指定区域进行缩放、拖拽显示。再按下A键,还可以同时显示温度和溶解氧两个数据的折线图。(为便于显示,此时的溶解氧单位为(100μg/L)。
  
  • 实验探究
测试通过后,将原本放在阳台的测试对象搬到了工作台,开启实验探究。
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下图是29日下午2点38分至次日9点38分SIoT记录的数据
由图可见,在夜间,样本的溶解氧含量降低了一半,而天亮后又开始逐步恢复。说明水藻的光合作用对补充溶解氧作用巨大。
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为了进一步验证阳光对于水藻制氧能力是否有显著正相关,我又把整套装置搬到了阳台。
行空板与电脑连接时,可以通过点击Mind+的“运行”按钮运行程序。
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如果没有连接电脑该如何运行由Mind+编写的程序呢?
我们长按HOME键,依次选择:切换运行程序-mindplus-cache,即可看到通过Mind+运行过的历史程序,点击可脱机运行。
image59.png image60.png   

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得到阳光照耀的绿藻,开启了疯狂制氧模式,溶解氧含量明显提升。
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原来被打散的丝藻,此时已经自动抱团,成了一个绿茸茸的毛球。
到中午11点,阳光直射水面的时候,溶解氧峰值达到了7398μg/L,这和前一日刚将其从阳台搬到书房时测得的数据接近。
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经过观察,图中的一些大幅波动,与短时的光照变化有关,这说明丝藻的感光“开关”非常敏感。

  • 思辨与小结
1.        绿藻与溶解氧的关系如何?
从实验结果来看,作为绿藻门下的一个种类,丝藻制氧能力相当彪悍。日照充分的情况下,在2小时左右即可以让实验样本接近氧饱和状态,一旦水体达到氧饱和状态,丝藻光合作用制造的氧气将散逸到空气中,所以地球上大部分氧气来自于水藻的说法不无道理,因为海洋占地球总面积的71%,大海里的水藻会产生巨量氧气。
那么在夜间,丝藻自身呼吸作用的耗氧量大吗?从SIoT的折线图看,天黑以后,即便水里还有几条小鱼跟着一起耗氧,样本的溶解氧下降趋势依然较为平缓,而白天上升幅度则比较陡峭,这些丝藻应该是贡献大于消耗,具备老黄牛的工作态度。

可为什么绿藻爆发会成为当今世界面对的主要水污染问题之一呢?
我猜想应该还是量变引起了质变,打破了平衡。当水体富营养化导致藻类过量繁殖时,白天水藻制造的大量氧气因为水的溶解度有限,大部分都逸散到了空气中;而夜间这些水藻呼吸作用的耗氧量又大大超过了他们白天产出且留存在水中的氧气,剥夺了水里其它生物的氧气份额;同时藻类过度繁殖会导致互相争夺阳光和夜间水中的溶解氧,繁殖越多死亡越多,它们的残骸被微生物分解时,也会消耗大量氧气,最终导致水质劣化。
当然,本次实验只是为猜想提供了一个方向,要验证猜想正确性,还需要海量严谨的实验和数据来支撑。
2.        是否有助于深化跨学科核心概念?

作为一名教书匠,很自然地在完成这个实验后会想到是否能将其应用于教学。将个人爱好与教学工作结合,实属我等的 “燕雀之乐”。
翻看2022版义务教育科学课程标准,本项目涉及13个学科核心概念中的三个,包括生命系统的构成层次、生物体的稳态与调节、生物与环境的相互关系。
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        我们再来看本项目在科学教材中的知识关联。在六下教材中,对于植物通过光合作用增加大气氧含量,是一笔带过;在科学八上教材中,对于富营养化导致水体溶解氧的降低,也仅有一段粗略概述。
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对于一贯强调通过实验、实践、观察来获取直接经验的科学学科,为何不引导学生深入探究相关知识呢?可能正是因为局限于学科本位,缺乏适合学生参与实验的方法、手段,导致对于相关知识只能点蜻蜓点水,无法深入。但如果以本项目的方式,在与信息科技学科进行跨学科主题的“双向奔赴”后,那么学生就能够在不同领域内容之间建立联系和思考,通过实践应用增进对核心知识的理解。尤其是整合了信息科技的优势后,系统与模型、结构与功能这两项跨学科概念也将获得攀援生长的支架。
对于信息科技学科而言,这个项目同样是一个优质的跨学科主题。相关观点可以查看上篇文章基于Gravity: 串口数据记录器观测风,本文不再赘述。










俺是胡胡  初级技师

发表于 2022-8-2 19:47:16

牛啊,学到了
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派大星ym  初级技匠

发表于 2022-8-3 08:45:05

酷酷酷酷酷
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派大星ym  初级技匠

发表于 2022-8-3 08:48:10

。。。。。
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俺是胡胡  初级技师

发表于 2022-8-12 18:15:33

                 
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俺是胡胡  初级技师

发表于 2022-8-13 08:55:39

               
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俺是胡胡  初级技师

发表于 2022-8-13 09:02:32

                             
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 初级技匠

发表于 2022-8-18 12:42:02

这个有实用性,可以用来做实验探究
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TuTu  高级技师

发表于 2022-8-22 18:03:36

日常膜拜
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卖打火机的小男孩  学徒

发表于 2022-8-23 08:42:23

看看就好  买不起买不起
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rdou  学徒

发表于 2022-8-29 20:42:21

星空版啥时候可以买到啊。
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罗卡  见习技师

发表于 2022-9-2 21:22:17

真有意思
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liweilin  高级技师

发表于 2022-9-12 17:01:06

与科学结合就有很多案例好玩
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赤星三春牛!  高级技匠

发表于 2022-10-4 20:46:31

厉害厉害
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赤星三春牛!  高级技匠

发表于 2022-10-4 20:47:32

很有意思的作品!
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赤星三春牛!  高级技匠

发表于 2022-10-4 20:48:33

点赞点赞!!!
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赤星三春牛!  高级技匠

发表于 2022-10-4 20:49:49

6666666666
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KkQ1VrB7W776  中级技师

发表于 2022-10-11 17:02:27

66666666666666666\
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