楊成

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展，高中化學(xué)教學(xué)對實驗提出了更高的要求。筆者將DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)引入高中化學(xué)實驗中，運用傳感技術(shù)，直觀顯示實驗數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察、數(shù)據(jù)分析和處理、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，從而全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗; 化學(xué)探究實驗

中圖分類號：G633.8? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2019）9-022-001

一、DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)的簡介

DIS是digital information system三個英語單詞的縮寫，是數(shù)字化信息系統(tǒng)的簡稱，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、配套軟件、電腦等組成。DIS的實驗系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個部分，其中硬件部分包括計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和傳感器。DIS的軟件分為教材專用軟件和教材通用軟件兩種，主要用于進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析，輸出實驗所需的各種數(shù)據(jù)和圖表。教材專用軟件根據(jù)化學(xué)教材中的實驗量身制定，幾乎涵蓋了中學(xué)教材中的大部分實驗，更貼近課堂教學(xué);而通用的教材軟件，則能夠自定義更多的拓展功能，如分析、對比和擬合曲線等，更適用于進(jìn)行探究性的化學(xué)實驗教學(xué)。

現(xiàn)階段高中化學(xué)中，理論上有不少實驗可用DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)實現(xiàn)的實驗。如：利用溫度傳感器進(jìn)行實驗“中和反應(yīng)的熱效應(yīng)”，利用導(dǎo)電率傳感器進(jìn)行溶液導(dǎo)電性測定，利用溫度傳感器進(jìn)行實驗“溫度對弱電解質(zhì)電離的影響”，利用氣壓傳感器進(jìn)行“活潑金屬和酸反應(yīng)的速率”的實驗等等。

此外，將若干傳感器很好的組合，可實現(xiàn)大型的、戶外或與實際生活相關(guān)的學(xué)生探究性實驗，比如水質(zhì)測定、飲料成分測定、碘鹽中含碘量的測定等。

二、DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)在高中化學(xué)探究實驗中應(yīng)用的教學(xué)實例

1.酸堿中和滴定

傳統(tǒng)實驗采用通過指示劑的變色來確定測定終點。在用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定未知濃度的氫氧化鈉（甲基橙作指示劑）的教學(xué)中，難點是如何解釋清楚學(xué)生的疑問：鹽酸與氫氧化鈉恰好反應(yīng)時pH等于7，而甲基橙變色時pH為4.4，即酸堿指示劑的變色點不是反應(yīng)終點，誤差有多少？中和滴定實驗科學(xué)嗎？為了解決上述問題，筆者曾嘗應(yīng)用DIS數(shù)字化系統(tǒng)的實驗創(chuàng)新設(shè)計。使用pH傳感器監(jiān)測混合溶液在滴定過程中pH的變化情況，并借助計算機(jī)以圖像形式顯示出來，即可直接得到酸堿中和滴定曲線。通過滴定曲線，要讓學(xué)生認(rèn)識到滴定終點附近的pH變化顯著（突躍），雖然滴定終點pH不等于7，但只要指示劑的變色范圍落在酸堿滴定的突躍范圍之內(nèi)，不會引起實驗誤差，這也是酸堿中和滴定這一分析方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性得以保證的原因所在。應(yīng)用DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)繪制滴定曲線，操作更簡便，更快捷，圖像更準(zhǔn)確，更細(xì)致，教學(xué)效果好，教學(xué)效益提高了。

2.醋酸濃度的測定

電導(dǎo)滴定法：根據(jù)滴定過程中被滴定溶液電導(dǎo)的變化來確定滴定終點的一種容量分析方法。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)取決于溶液中離子的種類和離子的濃度。在滴定過程中離子的種類和濃度發(fā)生變化，因而電導(dǎo)也發(fā)生變化，據(jù)此可以確定滴定終點。利用電導(dǎo)滴定分析法，用已知濃度的氨水溶液滴定待測食用白醋樣品溶液。由于醋酸、氨水分別為弱酸、弱堿，在滴定過程中，當(dāng)醋酸與氨水發(fā)生完全反應(yīng)生成醋酸銨時，溶液的導(dǎo)電能力最強，這時可以通過氨水的體積計算得到醋酸的濃度。此實驗設(shè)計讓滴定實驗從全人工到全自動化，數(shù)據(jù)采集開始后，只需要讓標(biāo)準(zhǔn)的氨水溶液按事前設(shè)計好的流速滴入有電磁攪拌的白醋中，與此同時，計算機(jī)上就顯示出加入溶液的體積與混合溶液導(dǎo)電性的圖像。當(dāng)整個滴定過程結(jié)束后，只需要根據(jù)最高點對應(yīng)的加入氨水的體積，就可以很容易計算得到醋酸的濃度，且精確度高。

3.利用不同濃度的鹽酸與大理石反應(yīng)研究濃度對反應(yīng)速率的影響

用傳統(tǒng)的實驗方法需要花費不少時間，且人工記錄數(shù)據(jù)誤差較大。通過DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)把原來分4次進(jìn)行的實驗改為同時進(jìn)行，利用壓強傳感器測定密閉容器內(nèi)氣體壓強的變化，并在計算機(jī)上同時做出4條壓強隨時間變化的圖像。該設(shè)計通過壓強傳感器和數(shù)據(jù)采集器，將看不見的氣體體積的變化轉(zhuǎn)化為壓強隨時間的變化圖像，并在計算機(jī)上同步顯示，學(xué)生通過直觀的圖像很容易歸納出濃度是如何影響化學(xué)反應(yīng)速率的。同時，該設(shè)計能使4個實驗同時進(jìn)行，并且能在4分鐘內(nèi)完成，大大縮短了課堂實驗的時間，可提高課堂教學(xué)效益。

三、學(xué)生數(shù)字化實驗對高中化學(xué)教學(xué)的實踐價值

教學(xué)理念：學(xué)生數(shù)字化實驗的引入凸顯二期課改的教學(xué)理念——以學(xué)生為本，學(xué)生自助設(shè)計、操作實驗的機(jī)會多了，注重學(xué)生為主體的實踐過程，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題，以及搜集處理數(shù)據(jù)等各方面的能力，改變傳統(tǒng)教學(xué)忽視科學(xué)探究過程，只求死記硬背的學(xué)習(xí)方式，在學(xué)生切身體會科學(xué)探究的過程中，讓其體會到學(xué)習(xí)的樂趣以及對科學(xué)探究精神的領(lǐng)悟，增強科學(xué)意識，更可實現(xiàn)學(xué)科內(nèi)以及學(xué)科間的整合，甚至是與實際社會生活的融和。

教學(xué)手段：數(shù)字實驗的出現(xiàn)，也隨之帶來教學(xué)手段的革新，更有較多的教學(xué)手段的組合，比如數(shù)字實驗、傳統(tǒng)實驗整合教學(xué);單一的數(shù)字實驗演示教學(xué);學(xué)生數(shù)字實驗教學(xué)，包括學(xué)生改進(jìn)、自行設(shè)計實驗等等。

教學(xué)模式：新的教學(xué)途徑的介入，必將引發(fā)更多教學(xué)模式的產(chǎn)生，比如以“實驗的數(shù)形”作為引入，整堂課以“學(xué)生討論、分析、深入、總結(jié)”的模式;比如由傳統(tǒng)實驗和數(shù)字實驗的共同輔佐，以“比較法”滲入教學(xué)，進(jìn)一步強化知識點的掌握;比如實驗探索模式，某些課題有了數(shù)字實驗的介入，可以使探究的過程更加完整，畢竟數(shù)字實驗在某些層面還有著拾漏補缺的作用，學(xué)習(xí)的完整性得以很好的體現(xiàn)。

隨著對數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，筆者強烈感覺到DIS實驗系統(tǒng)為中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的改進(jìn)和創(chuàng)新開辟出一條新的發(fā)展方向。傳感技術(shù)在實驗教學(xué)中的合理使用，可以成為化學(xué)實驗教學(xué)的一種十分有用的輔助手段。如何進(jìn)一步創(chuàng)造性地使用這一工具，并充分發(fā)揮它的作用，我們還將繼續(xù)研究和探索。

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