20年攻坚！华师团队获国际化学教育顶刊认可！

华师这支跨学科团队

用20年时间

将价值数十万元的进口科研仪器

改造为千元级为基础教育服务的教具

并在化学教育国际顶级期刊发表研究成果

他们是华师化学学院章伟光教授与范军教授团队

便携式QCM教学套件

近日，华师化学学院章伟光教授与范军教授团队的教学研究成果，以“Quartz Crystal Microbalance (QCM)-Based Portable System for Visualizing Reaction Kinetics in Secondary Chemistry Education”为题，发表在美国化学会旗下化学教育国际顶级期刊《Journal of Chemical Education》（《美国化学教育》）上。该研究设计了一种低成本的便携式装置，旨在革新中学生化学反应动力学的学习方式。该研究成果获得审稿人高度评价，认为“这项工作在技术上令人印象深刻，弥补了STEM教育领域中的空白”，并被遴选为当期杂志的封面文章。

团队设计的这一设备通过高灵敏度石英晶体微天平与STM32微控制器、树莓派等开源硬件的深度集成，实现反应动力学数据的实时可视化、一键导出及交互投影等功能，系统性解决了传统实验教学痛点，将抽象概念转化为基于实时数据的直观学习体验，无缝衔接理论教学与实践操作。其低成本、可扩展的设计既为学校提供了经济高效的课程适配工具，更通过创新功能推动构建以学生为中心的现代化探究式学习范式，并结合开源框架与配套的教师培训方案，形成可复制的教育模式，显著增强了数据驱动型科学教育的全球推广潜力。

在科研仪器精密化的浪潮中另辟蹊径

将原本价值数十万的石英晶体微天平（QCM）

从实验室搬进中学课堂

通过自主研发实现技术亲民化

在跨界探索中迸发的科研灵感

章伟光教授

这场跨越学科边界的探索，始于2004年章伟光在新加坡国立大学接触石英晶体微天平（QCM）技术时的思考——当科研推进受到价格高昂的进口设备阻碍时，能否通过自主研发实现技术亲民化？

范军教授

2006年，团队在与广州电子仪器厂的定制合作中拉开了研发的序幕。针对动辄八九十万的进口设备，章伟光带领团队最终以两万元成本定制出首台国产QCM装置，解决了当时科研的燃眉之急。而团队研发的转机出现在2017年前后，当时课题组的教育硕士们在中学实习时发现，许多化学反应动力学实验在中学难以开展，或是因设备精度不够，或是因存在安全隐患。而QCM就能完美解决这些难题——它适合需要检测气体、灵敏度要求高的实验。“对中学化学中的一些实验，学生通过观察气泡产生来判断反应速率的快慢；种子呼吸作用实验，只能等待种子发芽才知道结果。这些抽象概念需要更直观的呈现方式”，范军解释道。因此，团队开始研发适用于中学化学课堂的教具。

从实验室设备转向中学教具研发

短短5年时间

让QCM从大学走向中学

新方向新挑战

多元协作是破局关键

跨学科组队，打破专业壁垒

团队在转向研发中学教具后，面临的第一个难题是“电子线路”瓶颈。此前合作的广州电子仪器厂已停业，而团队当时仅有化学专业背景，不得不向外求援。“我连最基础的电路板设计都不懂，只能到处‘挖人’”，章伟光回忆道。他们找到物理系同事，联合招收了第一届通信工程专业研究生唐昊。随着这位电子信息背景的年轻人的加入，团队从挑选元器件到绘制电路图纸，一步步搭建起QCM设备的“电子骨架”。

硬件之外，软件是另一大挑战。2020年前后，受中美贸易战影响，进口芯片受限，严重拖慢研发进度。为此，团队招收了对口专业的研究生，专注数据处理软件的开发，走上全面自主研发的道路。光电学院2023级研究生赵豪杰作为软件方向的研究生，不仅主导了电路板的重构设计，更开发出具有自主知识产权的源程序。团队逐步实现了软件与硬件的全部知识产权闭环。为弥合专业间的知识壁垒，成员在协作中坚持主动学习、积极沟通，尽量以通俗语言代替专业术语——例如将“QCM的共振原理”比作“收音机调台”。在不断磨合中，团队逐渐建立起高效的协作模式。随着项目推进，研发涉及的领域不断扩展。为让产品更贴近教学实际，团队又引入机械工程与教育学专业的研究生，各展所长，共同攻克难题。

早期仿制欧洲设备时，制造成本仍高达数万元且精度不足。赵豪杰带领本科生引入3D打印技术，成功将检测池成本降至数百元，并同步优化电子线路，实现了自主设计制板。当合作方拒绝提供源代码时，团队并未退缩，而是重新开发了完全自主的软件系统。2025年，教育学硕士研究生丘冠斯在天河中学进行教学实践时发现，传统种子呼吸实验“只能等发芽，看不见过程”，便提出利用QCM检测二氧化碳变化。为此，他买来两斤绿豆，在实验室反复调试装置灵敏度，历时三周进行验证。有一次深夜，他发现传感器没响应，立即抱起仪器赶回实验室，熬到天亮才终于找到问题——是密封盖没拧紧，气体跑了。

这种“按需组队”的模式，让团队成为了一个取长补短、互通有无的大家庭。非假期时，团队每周举行线上会议，交流工作中遇到的困难，展示最新成果。在日常科研中，“师兄带师弟”的传承更是常态。赵豪杰在师兄的帮助和指导下，成功开发了整套软件，此后他也负责“带教”了两个师弟，把电路设计、软件调试的经验手把手传下去。“我刚来时，唐昊师兄从认元器件开始一点点教我，现在轮到我教师弟，就像把‘接力棒’传了下去。”团队中还有许多本科生成员，他们通过“三下乡”等活动的教学实践为科研团队带回了第一手的教学数据反馈，助力仪器持续优化升级。在这个多元融合的集体中，不同专业背景的学生相互学习、协同攻坚，正是这样的跨学科碰撞，催生了“多通道QCM装置”的构想。

千百个日夜的研究

攻克无数难题

终于从实验室走进一线课堂

走进课堂，让教与学更容易

团队研发QCM教具的初衷是“让科研反哺教学”，但成果的落地与应用并非一帆风顺。团队通过教育实习生将设备带入天河中学、汕尾中学等一线课堂，并依据教师反馈迭代改进。在试点教学中，QCM教具将原本观察“气泡量”的抽象实验，转化为直观的“频率曲线”。当学生在平板上首次看到气体吸附量变化的实时曲线时，不禁用“像科学家一样工作”来形容这一全新体验，真正感受到科学探究的乐趣。

推广过程中也面临 不少 挑战。范 军 直言 ， 目前产品的应用场景仍有限 。 在实际教学中， 每个中学的教学进度和需求都不一样，有的老师希望直接给现成的方案，有的则想自己参与开发。因此，团队需要 结合 更多 教学 案例，并根据实际情况灵活调整。 作为一支华师团队，面对“为何不在华师附中推广”的疑问时，章伟光从项目可持续发展角度作出解释：“我们通过捐赠 来 支持 欠发达 地区 的 教育 公平 ，实现初步推广，而经济 较 发达地区 的 学校则 希望他们 通过购买实现技术普及， 这样有利于 形成 产业化的 良性循环。”

如今，这套诞生于科研实验室的装置已发展为成熟产品。它能通过频率变化实时检测气体、分子作用力，将原本“看不见、摸不着”的化学反应，转化为屏幕上清晰的曲线。学生可以直观观察到“在稀硫酸中加入铜离子，金属锌与硫酸的反应速率如何变快”这一过程，也能24小时记录绿豆发芽时二氧化碳的变化轨迹。更重要的是，设备有效解决了传统实验中的安全隐患。以往中学课堂很少开展乙醛、二氧化硫等相关实验，而如今借助密闭的QCM教具，学生无需直接接触危险物质，即可通过数据变化理解反应过程。在中学课堂上，曾让很多学生难以理解的知识点，如靠“气泡多少”判断速率的原电池反应、只能等“发芽”才知道结果的种子呼吸作用等部分，都随着QCM设备的出现而由难转易。

“以前讲‘分子间作用力’，我口头举半天例子，学生仍然感到云里雾里，现在看着平板上下降的曲线，他们自然而然就理解了‘作用力越强，频率变化越明显’。”广州市天河中学的化学老师李老师反馈，在使用QCM进行的“金属活动性顺序”实验课时，学生提问量比以前多了一倍。课后，更有学生举一反三，主动提出：“这个教具是否也能检测家里绿萝的光合作用？”这正是数据可视化所激发的科学好奇心。

在今年5月，团队与天河中学合作的“QCM生物化学实验项目”获得了广州市级二等奖。评委给予“大学精度落地中学课堂”高度肯定，为后续优化升级、冲击更高奖项积蓄了蓬勃动能。如今，虽然项目成果已经基本落地，但团队仍在不断进行更新迭代，希望尽可能降低仪器在教学中的使用难度，就如赵豪杰所言：“把复杂留给自己，把便捷交给用户。”

这场始于成本突破的创新之旅，最终在中学课堂绽放出了教育变革的光芒。如今，在优化和产业化的道路上，团队仍在不断奋进，而课堂上每一次学生的惊叹与思考，都是对这份坚持最好的回应。

成果已然落地

但这并不是终点

不仅好用还要实惠

不止推广更要普惠

让每个中学都用得起国际认可的产品

团队的研究成果最终发表在美国化学会旗下化学教育国际顶级期刊《Journal of Chemical Education》，并被遴选为当期封面文章。作为全球中学化学教育领域的“顶流期刊”，《Journal of Chemical Education》以审稿严格著称，中国学者在该期刊发表封面文章的比例不足5%。而团队成果能获得如此认可，核心在于其“全球首创”的价值——此前，QCM技术多用于大学科研或太空尘埃检测，但从没人想过把它改造成中学教具，更没人实现“全自主研发+千元级的低成本”。“美国同行对我们的成功颇为惊讶，他们没想到我们能将精密仪器做得如此便宜、好用。”

赵豪杰主笔完成论文初稿后，团队重点修改打磨了“教学案例”部分，清晰呈现了金属与酸反应规律、原电池效应、浓度梯度反应及催化剂作用等实验细节。审稿人特别关注“学生能不能操作”，团队就实地拍摄视频，证明了中学生可以在半小时内学会自主使用教具。

这项成果在国际化学教育界引发了不小的关注。投稿期间，有美国高校的化学教育教授发来邮件，询问设备的技术参数；欧洲一所中学也表达了试用意向，希望团队能提供简化版教程。“这说明全球中学教育都面临着‘抽象概念难教’的问题，而我们团队的方案为这种困难的解决提供了一个新方向”，章伟光解释道。国外虽已有数字化实验设备，但多是“万元级”产品，而团队的QCM设备成本能控制在千元级以下，还能不依靠进口技术和进口元件进行自主升级，“对资源有限的学校来说，这是更可行的选择”。

如今，团队的目标已从“发表论文”转向“让更多学校用得起”。在清远研究院的支持下，他们开始尝试产业化，探索成果推广的新路径。章伟光坦言，“单靠学校的研发经费，做不了规模化生产。”目前，团队已尝试与教育企业和相关投资者接触，计划引入外部资金，把设备从“实验室样品”变成“市场化定型产品”。今年9月开学后，团队将分组前往广东各地中学推进试用，并收集师生反馈，持续优化设备性能。

未来，团队还有两个“小目标”：一是拓展学科边界。让QCM设备不仅能做化学实验，还能用于物理的“气体压强测量”、生物的“细胞呼吸监测”等实验，让教具购买“更实惠”；二是研发多通道技术。未来争取实现可同时监测四个反应，更好地满足课堂分组实验的需求。同时，团队还在持续努力降低产品成本，力争将基础款设备价格控制在800元以下，让更多学校“买得起、用得起”。

去年在向汕尾一所乡村中学捐赠设备时，有学生追着团队成员诚恳发问：“能不能教我做传感器？”孩子们眼中对知识的渴望与探索新知的喜悦，深深触动了团队。“降本推广这件事，再多困难都值得做下去。”

这支跨学科团队披荆斩棘，用20年的刻苦攻关与亮眼的实践成果证明：科研不只是实验室里的论文，更是能走进课堂、改变教育的力量。“也许未来某一天，会有学生因为QCM设备而爱上科学、走上科研路——这就是我们最大的期待。”

QCM教具已经落地

更新和推广依然步履不停

不忘初心 不惧困难

祝愿他们朝着新的方向

继续开拓创新 阔步前行

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来源 |化学学院

采写丨周悦 孙英杰 樊娇娇

摄影 |蓝丽珊

图片丨受访者提供

执行编辑丨龙澳琦

责任编辑丨卢嘉裕 陈婧 吴建国

初审丨沈蔚瑜

复审丨林海岸

终审丨周宪

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