□宋 潔 李祥培

數(shù)字化信息系統(tǒng) （Digital Information System，簡稱DIS）由傳感器、數(shù)字采集器、計算機和應用軟件組成。隨著現(xiàn)代實驗技術(shù)的革新與發(fā)展，DIS越來越多地應用于實驗教學之中。DIS是在實驗數(shù)據(jù)的采集、傳輸和預處理方面采用傳感器和數(shù)字電路等技術(shù)，實驗數(shù)據(jù)上傳至計算機，由特定的軟件加以計算、處理，最終得出實驗結(jié)果的新型實驗教學體系[1]。傳感器可以實時記錄下溫度、PH值、壓強、電流、電壓、電導率、氣體濃度等物理量，并將其轉(zhuǎn)化成電信號；數(shù)據(jù)采集器將傳感器采集的電信號處理后輸入計算機；計算機將采集器輸入的信號通過軟件分析后顯示出來，或根據(jù)用戶需求輸出表示各物理量相互關(guān)系的數(shù)字曲線圖。DIS實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、分析實時完成，提高了實驗的精度和效率。各種傳感器可以組合使用，以滿足實驗的個性化設(shè)置需求。有調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，南京已有66.4%的學校建立了DIS實驗室，有14.3%的學校建立了兩個DIS實驗室，這說明DIS實驗正逐步受到重視。[2]以DIS及DIS實驗為關(guān)鍵詞在中國知網(wǎng)檢索，發(fā)表的文獻數(shù)量逐年上升，而且中學相關(guān)研究數(shù)量呈明顯上升趨勢，DIS實驗正以其快速、精確、高效等優(yōu)勢成為當前中學實驗教學研究中的一個熱點問題。本文對數(shù)字化信息系統(tǒng)在中學化學實驗教學中的應用進行探討。

一、應用DIS進行中學實驗教學的優(yōu)缺點

信息技術(shù)與課程整合是我國面向21世紀基礎(chǔ)教育教學改革的新視點，既具有一定相對獨立性，又與傳統(tǒng)的教學模式有著密切聯(lián)系和繼承性。DIS實驗的實施為實驗學科教學提供了新的手段和方法，對發(fā)展學生主體性、創(chuàng)造性、培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力都有著重要意義。[3]應用DIS進行中學實驗教學有以下優(yōu)點：

第一，拓展探究的深度。在中學大量的定性實驗中引入定量實驗，讓學生學會應用DIS技術(shù)進行量化實驗，從感性認識上升到理性認識，將對實驗現(xiàn)象的關(guān)注轉(zhuǎn)到對現(xiàn)象本質(zhì)的研究。探究深度的深化不僅可以加深學生對學科知識的理解和鞏固，重要意義在于可以通過科學研究方法的掌握培養(yǎng)學生的科學思維。[4]

第二，為教學提供了多種可能。DIS優(yōu)質(zhì)的技術(shù)平臺以及可以組合使用的多種傳感器、可以個性化定制的實驗儀器為推動實驗改革創(chuàng)新、教師科研、教育改革提供了有力支撐。

第三，促進科學與技術(shù)結(jié)合。自然科學與新技術(shù)的結(jié)合，開辟了一個實驗教學的新領(lǐng)域，為問題的解決提供了多種途徑，在提高學生綜合素質(zhì)和培養(yǎng)創(chuàng)新思維等方面發(fā)揮了重要作用。

第四，豐富課程體驗。DIS將現(xiàn)代新科技引入實驗教學，豐富了學生的實踐體驗，豐富了實驗形態(tài)，增加了新的實驗工具，對促進教學多樣化以提升教學效果有重要意義。

但是，與傳統(tǒng)實驗相比，DIS實驗也存在一些弊病，如DIS自動化程度較高，數(shù)據(jù)的采集和處理同時在較短時間內(nèi)完成，壓縮了學生認知、思考、理解實驗現(xiàn)象的時間，容易使學生過多關(guān)注具有新鮮感的DIS技術(shù)，而忽略對實驗現(xiàn)象本質(zhì)的關(guān)注和理解。另外，數(shù)據(jù)采集、處理、顯示由DIS儀器完成，取代了人的大部分操作，對學生觀察能力、動手能力、數(shù)據(jù)選擇以及誤差分析等方面能力的培養(yǎng)較欠缺，不能發(fā)揮出實驗原有的功能而容易使DIS實驗流于形式。因而，如何設(shè)計實驗，將DIS技術(shù)與傳統(tǒng)實驗優(yōu)化整合，最大限度地發(fā)揮它們各自優(yōu)勢，為中學實驗教學服務，是下一階段教師著重思考的方向。

二、DIS技術(shù)在中學化學實驗教學中的應用

化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，實驗在教學中占有非常重要地位。改進實驗手段、提升實驗效果、拓展實驗的廣度和深度、培養(yǎng)創(chuàng)新思維等是新課程改革對實驗學科提出的新要求。利用數(shù)字化信息系統(tǒng)先進的傳感技術(shù)、直觀的數(shù)據(jù)顯示功能、強大的數(shù)據(jù)處理功能等特點，將它與傳統(tǒng)的化學實驗有機整合，創(chuàng)新化學實驗教學手段，優(yōu)化實驗教育功能，提高化學實驗效能，推動信息技術(shù)與中學化學實驗教學的融合創(chuàng)新。

1.介紹幾個化學學科常用的傳感器及其主要用途。

PH傳感器：用于探究不同溶液的PH值，酸堿中和滴定，測量雨水的PH值。

溫度傳感器、高溫傳感器：測量化學反應熱，探究晶體的熔點，測量火焰的溫度，固體融化時溫度變化規(guī)律的探究。

濁度傳感器：探究澄清石灰水中通入二氧化碳時濁度的變化，探究不同水樣中的濁度，不同濃度濁液的濁度，比較樣品的沉淀率。

電導率傳感器：不同水樣的電導率比較，苯酚與飽和溴水反應，飲水純凈度探究。

色度傳感器：探究有色溶液化學反應的速率，測定食物中維生素C的含量。

氧傳感器：人體呼出的氣體與環(huán)境中氣體的比較。

溶氧傳感器：不同水質(zhì)的溶氧含量探究。

二氧化碳傳感器：空氣質(zhì)量評估，化學反應中CO2產(chǎn)生的速率。

濕度傳感器：濃硫酸吸水性實驗。

滴定計數(shù)器：酸堿中和滴定，其他滴定實驗。

氧化還原傳感器：工業(yè)污水處理，水的消毒與應用，水質(zhì)監(jiān)測。

2.DIS技術(shù)在化學實驗中的應用實例。一是完成不能做和做不好的實驗。DIS實驗與傳統(tǒng)實驗互補，大幅提高了實驗效能，完成傳統(tǒng)實驗不能做或做不好的實驗，將不可見的現(xiàn)象以數(shù)字化的方式呈現(xiàn)。這一類沒有明顯實驗現(xiàn)象、只能靠死記硬背記結(jié)論的實驗，例如比較相同摩爾濃度的強酸和弱酸的PH值；弱酸弱堿鹽對其同類強酸弱堿鹽或弱酸強堿鹽水解的影響，當多種因素對平衡移動有影響，哪一種影響更大，[5]這些原來只能通過理論推導得到的結(jié)論可以通過PH計測得，給學生更直觀更清晰的認識。

二是需要獲得精確數(shù)值的實驗。DIS實驗直接解決傳統(tǒng)化學實驗中不能精確測量一些數(shù)據(jù)的問題。例如，用溫度傳感器測定化學反應熱、探究晶體的熔點、火焰的溫度，用氣體傳感器測氣體的濃度、反應速率、溶氧含量等問題。

三是課外探究活動。DIS實驗給探究性實驗提供了更大的發(fā)揮空間，它極大地擴展了化學實驗教學的內(nèi)容，拓展了化學教學的廣度和深度，提高了學生的實驗設(shè)計能力。例如，學生可以利用DIS開展廢水處理研究、水質(zhì)監(jiān)測研究、食物中維生素C含量測定等課外研究活動。

四是需與傳統(tǒng)實驗配合的實驗。DIS技術(shù)與傳統(tǒng)的化學實驗結(jié)合，可以各取所長、優(yōu)勢互補，既滿足讓實驗者動手、動腦的要求，又可以實現(xiàn)精確數(shù)據(jù)測量、捕捉不可見的過程等要求。例如，驗證氯化銨晶體與氫氧化鋇晶體混合是吸熱反應這一實驗，傳統(tǒng)實驗是用觸覺和溫度計來了解反應的熱量變化，不能準確測得反應前后溫度變化的具體數(shù)值，DIS實驗則可以解決這一問題。但是，只用DIS實驗測量實驗數(shù)據(jù)，缺少觸覺體驗，則印象不深刻。將兩者結(jié)合，先利用DIS實驗系統(tǒng)中的溫度傳感器記錄反應過程中的溫度變化，然后再觸摸反應容器，直接體驗熱量變化，得到反應體系的溫度變化具體數(shù)值，從而進一步開展定量實驗研究。

三、利用DIS創(chuàng)新中學化學實驗教學的意義

1.有利于開發(fā)學生的創(chuàng)新思維能力。將DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)引入傳統(tǒng)中學化學實驗中，使用先進的傳感技術(shù)，利用DIS實驗能直觀精確地顯示實驗數(shù)據(jù)以及強大的數(shù)據(jù)處理功能，以促進學生思維能力提高。[6]化學實驗的特點是現(xiàn)象明顯、反應迅速，當來不及觀察變化速度太快的實驗過程和實驗現(xiàn)象時，DIS可以準確、迅速、客觀真實地記錄實驗過程，讓實驗更具有說服力。還有一些不能通過實驗想象觀察到的實驗，DIS可以用數(shù)據(jù)、圖像、表格等來反應實驗真實過程，不僅可以讓學生理解較為抽象的內(nèi)容，而且對實驗現(xiàn)象進行多角度的認知以及廣泛、深入的分析與研究，有利于學生進行深層次的思考，達到常規(guī)實驗儀器達不到的效果。

2.有助于探究性實驗的開展。當下，探究式學習方式已經(jīng)被越來越多的教師所接受，并在教學方法、理念上做出了積極的改變，從 “滿堂灌”的教學模式改為探究式，但 “穿新鞋走老路”的現(xiàn)象仍然存在[7]。DIS可以快速準確地測得實驗數(shù)據(jù)，同時利用計算機軟件進行快速的數(shù)據(jù)分析處理，然后輸出實驗數(shù)據(jù)和圖表，供師生進行實驗分析，讓師生有更多精力開展實驗分析及研究，有助于探究性學習方式的推進。不斷開發(fā)DIS實驗潛在的教學功能，探究以DIS為載體的化學研究性學習，使用控制變量法、對比實驗和空白實驗等科學實驗方法，可以提高學生研究性學習的水平?？梢源龠M學生學習方式的轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)實驗中驗證性學習方式轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃詫W習，在探究過程中促使思維的火花互相碰撞，智慧的源泉激蕩迸發(fā)。學有余力的同學還可以利用現(xiàn)代技術(shù)深入學習實驗原理，對一些常見實驗進行改進和探索，激發(fā)化學學習的興趣。

3.發(fā)揮實驗教學的綜合性功能。在實驗教學中要克服DIS實驗在觀察力、動手能力培養(yǎng)，數(shù)據(jù)處理及誤差分析能力培養(yǎng)缺乏等方面的弊病，體會科學技術(shù)和科學方法的優(yōu)缺點和局限性，讓學生建立為推動現(xiàn)代科技的發(fā)展、為人類社會的進步發(fā)展與時俱進的學習觀，培養(yǎng)實事求是、嚴肅認真的科學態(tài)度。雖然DIS實驗在目前還存在一定缺陷，但是它將計算機、數(shù)學、物理、化學、生物等各學科綜合，展現(xiàn)了人類的聰明才智，體現(xiàn)了學科綜合的巨大意義，讓實驗科學的教育功能更加豐富。

DIS實驗無法替代傳統(tǒng)實驗在化學學習中所起的作用，但是隨著對數(shù)字化系統(tǒng)應用的不斷深入，作為一種現(xiàn)代信息技術(shù)，DIS實驗系統(tǒng)將為中學化學實驗教學的改進和創(chuàng)新開辟出一條新的發(fā)展方向。傳感技術(shù)與化學實驗教學的有效融合，其顯著優(yōu)點必將給化學實驗教學帶來前所未有的啟發(fā)和革新。如何進一步創(chuàng)造性地使用這一輔助工具開發(fā)其各種功能為教學服務，值得大家繼續(xù)研究和探索。