來源 |龍灣中學
熱烈祝賀
近日,溫州市第二十八屆中小學生科技節高中組 “數據應用創新研究活動” 圓滿落幕。活動要求學生在真實生活情境中發現并提出問題,基于各種真實數據進行分析研究,最終得出結論或者解決實際問題。
賽事分為兩輪進行:第一輪開展文檔篩選,第二輪進行現場答辯。我校高三(6)班吳欽鑫、高二(14)班王品文,在鄭亞中老師指導下,憑借《面向生物過程模擬的物聯網發酵監控系統構建與應用驗證》項目,從全市眾多優秀作品中脫穎而出,以扎實的技術實力、創新的設計理念和精彩的現場答辯,斬獲一等獎第一名的優異成績!這一成果既是學生科創能力的集中展現,更是我校 “拔尖創新人才項目” 育人模式的生動實踐。
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項目分享
《面向生物過程模擬的物聯網發酵監控系統構建與應用驗證》這一項目是跨學科融合創新的典型代表——將信息技術、生物工程、機械設計等多學科知識有機結合。
本研究旨在基于ESP32微控制器設計并開發一款智能化發酵罐控制系統,重點解決傳統發酵過程中溫度與轉速控制精度低、響應滯后、能耗高等問題。通過集成高精度溫度傳感模塊與閉環PID控制算法,實現發酵罐內部溫度的毫伏級誤差恒溫調節;結合ESP32的PWM調速功能及電機驅動模塊,構建轉速自適應調控系統,確保不同發酵階段轉速參數的精準執行。借助ESP32的物聯網功能,系統可實時監測發酵環境數據并支持遠程控制,有效提升微生物發酵過程的穩定性與可控性,為模擬發酵生產提供低功耗、高精度的智能化控制解決方案。
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發酵系統工作流程圖
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發酵罐裝置實物圖
技術亮點
1.精準控制體系:采用 ESP32-WROOM 模塊為主控制器,搭配 DS18B20 高精度溫度傳感器與閉環 PID 控制算法,實現 30-60℃范圍內 ±1℃的恒溫控制,同時通過 L298N 電機驅動模塊與 PWM 調速功能,構建 50-500r/min 的無級調速系統,扭矩波動≤5%,滿足不同發酵場景的精準需求。
2.物聯網交互設計:搭建本地 Wi-Fi 熱點與 Web 控制界面,支持通過手機或電腦遠程監控溫度、轉速等實時數據,參數修改響應時間≤200ms,實現 “隨時隨地精準調控”,打破傳統發酵的空間限制。
3.低成本定制化方案:創新采用 3D 打印技術制作發酵罐頂蓋與支架,使用 PLA 耗材通過 Fusion360 建模優化,確保結構契合度與實用性;以純 HTTP 協議替代傳統物聯網平臺,在降低開發門檻的同時保證系統穩定性,水冷散熱效率達45W,為中小型發酵實驗提供高性價比解決方案。
應用價值
該系統已成功應用于蘋果醋釀造、醬油模擬發酵、家庭酸奶制作等多個場景。在酸奶發酵實驗中,系統穩定維持35℃恒溫環境,結合勻速攪拌功能使發酵更徹底,口感顯著提升;在醋酸菌發酵中,精準控制 28-32℃最適生長溫度,有效提升代謝產物產量。
作品既滿足了高中生物發酵實驗的教學需求,也為家庭發酵與小型科研提供了可靠工具,實現了“學以致用、知行合一”。
參賽剪影
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使用電烙鐵組裝發酵罐裝置
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現場答辯
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參賽學生與指導師鄭亞中賽前合影
育人密碼
學生的亮眼成績,離不開我校長期以來對“拔尖創新人才項目” 的系統化培養。學校以學術高中建設為核心,踐行 “因科施策、分類培養” 戰略,理科側重研究型課程,強化深度探究能力。學校提供的 3D 打印實驗室、物聯網實驗室等硬件支持,以及 “4T 榕博共同體”、綜合實踐教研組、跨學科項目課題組等學習共同體,為師生的科創實踐提供了全方位、高質量的保障。
在理科培養方面,學校側重研究型課程建設,強化學生深度探究能力,提升學生的實踐創新素養。學生在項目推進中,不僅熟練掌握了3D打印、ESP32編程、傳感器校準等專業技能,更通過需求分析、方案設計、硬件搭建、反復測試等完整科研流程,錘煉了科學思維與創新能力。
未來,學校將持續深化拔尖創新人才培養模式,拓展跨學科課程資源,完善創新實踐平臺,鼓勵更多學生探索未知、勇于創新,在科學的道路上不斷前行!
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