DIS數(shù)字化系統(tǒng)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陸惠蓮

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。強(qiáng)化時(shí)代特色、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段、提升實(shí)驗(yàn)效果、拓展實(shí)驗(yàn)范圍、培養(yǎng)創(chuàng)新思維，是新課改對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。筆者將DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，在化學(xué)教學(xué)過程中使用先進(jìn)的傳感技術(shù)，利用其以曲線、刻度計(jì)等多種形式直觀地顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察、數(shù)據(jù)分析和處理、理性思維能力以及實(shí)事求是、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)。

一、DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)含：傳感器—數(shù)據(jù)采集器—計(jì)算機(jī)—應(yīng)用軟件(如圖1所示)。

圖1 DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

感是將物理量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，傳是將電信號(hào)傳遞到數(shù)據(jù)采集器裝置和計(jì)算機(jī)平臺(tái)，所以傳感器能將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象高精度、高速度(實(shí)時(shí))、高密度(全程記錄)地展現(xiàn)，計(jì)算機(jī)和傳感器的介入可更快更準(zhǔn)確地連續(xù)監(jiān)測和采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了教學(xué)時(shí)間，使師生將精力投入到更有創(chuàng)造性的方面。

二、應(yīng)用DIS數(shù)字化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)實(shí)例

1.酸堿中和滴定—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)

(1)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教法及效果

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用通過指示劑的變色來確定測定終點(diǎn)。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(diǎn)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(shí)pH等于7，而甲基橙變色時(shí)pH為4.4，即酸堿指示劑的變色點(diǎn)不是反應(yīng)終點(diǎn)，誤差有多少？中和滴定實(shí)驗(yàn)科學(xué)嗎？為了解決上述問題，筆者曾嘗試了以下幾種方法。

方法1：學(xué)生閱讀教材上的滴定曲線，觀察分析

方法2：編制表1中的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生計(jì)算混合液的pH并繪出圖像(即紙上做實(shí)驗(yàn))。

在25mL未知濃度的氫氧化鈉溶液中滴加濃度為0.1000 mol/L 的鹽酸溶液，測得數(shù)據(jù)見表1。

表1

方法1和方法2中學(xué)生并未動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，對結(jié)果將信將疑，教學(xué)效果差。

于是，筆者又采用了方法3：用傳統(tǒng)方法繪制酸堿中和滴定曲線—讀出消耗滴定液的體積，同時(shí)利用pH計(jì)測量溶液的pH，利用坐標(biāo)紙描點(diǎn)(或利用計(jì)算機(jī))作圖。但是繪制酸堿中和滴定曲線的傳統(tǒng)方法，操作過程復(fù)雜，占用了較多的課堂時(shí)間，導(dǎo)致課堂教學(xué)效益不高。

(2)應(yīng)用DIS數(shù)字化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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(jì)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(如圖2所示)。

圖2 酸堿中和滴定曲線

根據(jù)滴定過程中計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成的曲線，可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)滴定過程的“突躍”是客觀存在的，是傳統(tǒng)方法里在滴定過程中取幾個(gè)點(diǎn)測定pH，人工繪制出來的滴定圖像無法匹敵的。

通過滴定曲線，要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到滴定終點(diǎn)附近的pH變化顯著(突躍)，雖然滴定終點(diǎn)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(huì)引起實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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.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

(1)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，分4次(0.5 mol/LHCl，1 mol/LHCl，1.5 mol/LHCl，2 mol/LHCl分別與等量的大理石反應(yīng))進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后人工記錄時(shí)間及產(chǎn)生的氣體體積數(shù)據(jù)，最后人工繪制4條氣體體積隨時(shí)間變化的圖像。這需要花費(fèi)不少時(shí)間，且人工記錄數(shù)據(jù)誤差較大。

(2)應(yīng)用DIS數(shù)字化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

圖3 研究濃度對反應(yīng)速率影響的實(shí)驗(yàn)裝置

通過DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)(包括朗威?DISLab6.0數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、壓強(qiáng)傳感器)把原來分4次進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)改為同時(shí)進(jìn)行(如圖3所示)，利用壓強(qiáng)傳感器測定密閉容器內(nèi)氣體壓強(qiáng)的變化，并在計(jì)算機(jī)上同時(shí)做出4條壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的圖像(如圖4所示)。

圖4 不同濃度鹽酸與大理石反應(yīng)后各試管中

該設(shè)計(jì)通過壓強(qiáng)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(qiáng)隨時(shí)間的變化圖像，并在計(jì)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(shí)，該設(shè)計(jì)能使4個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，并且能在4分鐘內(nèi)完成，大大縮短了課堂實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，可提高課堂教學(xué)效益。

3.食用白醋中醋酸濃度的測定

教師應(yīng)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)創(chuàng)造性演示一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。如：通過測量反應(yīng)過程中溶液電導(dǎo)率的變化，判斷弱酸弱堿的滴定終點(diǎn)。

筆者利用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對食用白醋中醋酸濃度的測定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

實(shí)驗(yàn)所需主要儀器有朗威?DISLab數(shù)據(jù)采集器、電導(dǎo)率傳感器、計(jì)算機(jī)、磁力攪拌器、100 ml燒杯、滴定架、自動(dòng)勻速滴定裝置(如圖5所示)。實(shí)驗(yàn)步驟：(1)連接好數(shù)據(jù)采集器、電導(dǎo)率傳感器、計(jì)算機(jī)等實(shí)驗(yàn)裝置(如圖6所示)；(2)用移液管移取20 ml稀釋后的白醋溶液至50 ml燒杯中，放入攪拌磁子，將燒杯置于磁力攪拌器上；(3)在自動(dòng)勻速滴定裝置中加入200 ml的0.1 mol/L氨水 ，將電導(dǎo)率傳感器放入盛稀釋后白醋溶液的燒杯中(注意液面應(yīng)沒過傳感器電極玻璃珠且電極不能接觸磁子、燒杯壁及燒杯底)；(4)打開數(shù)據(jù)采集器開關(guān)，打開計(jì)算機(jī)，進(jìn)入DIS實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)，點(diǎn)擊“開始記錄”，按一定速度(對自動(dòng)滴液裝置的流速事先進(jìn)行標(biāo)定)向燒杯中滴加氨水，并在滴加開始的同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；(5)滴加完畢時(shí)即停止采集，計(jì)算機(jī)顯示出在標(biāo)準(zhǔn)氨水溶液滴加過程中溶液導(dǎo)電能力變化情況的相應(yīng)數(shù)據(jù)，及形成二維坐標(biāo)圖(如圖7所示)。

圖5 教師自制教具

圖6

圖7

此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)讓滴定實(shí)驗(yàn)從全人工到全自動(dòng)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(jì)好的流速滴入有電磁攪拌的白醋中，與此同時(shí)，計(jì)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(gè)滴定過程結(jié)束后，只需要根據(jù)最高點(diǎn)對應(yīng)的加入氨水的體積，就可以很容易計(jì)算得到白醋的濃度，且精確度高。

三、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)向數(shù)字化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)型給中學(xué)化學(xué)課堂帶來新氣象

1.應(yīng)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)演示教材中實(shí)驗(yàn)的過程中，教師、學(xué)生思考、處理問題的方法不斷得到拓展

例如：上海二期課改教材(高一下第七章)有一演示實(shí)驗(yàn)—研究溫度對弱電解質(zhì)電離平衡的影響。教材的設(shè)計(jì)是：先測定100mL 0.1mol/L醋酸的pH，稍加熱后，再測定溶液的pH。若應(yīng)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來研究溫度對弱電解質(zhì)電離平衡的影響，可以用pH傳感器連續(xù)測定不同溫度下溶液的pH來說明問題。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師采用了新的思考問題的方法，利用電導(dǎo)率傳感器測定溫度變化過程中溶液電導(dǎo)率的變化，也能很好地說明問題。

又如：上海二期課改教材(高三下第九章)有一學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)—探究溫度對反應(yīng)速率的影響。通過連續(xù)(每隔1 min)測定雙氧水分解(用三氯化鐵作催化劑)產(chǎn)生氧氣的體積繪制出時(shí)間—氧氣體積圖，再用水浴將溫度提高10 ℃，在雙氧水和氯化鐵相同用量和濃度下，測定雙氧水分解產(chǎn)生氧氣的體積并繪制出時(shí)間—氧氣體積圖，兩圖對比得出結(jié)論。此方法操作復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)不夠精確，實(shí)驗(yàn)效果一般。

應(yīng)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，改變思考的角度，利用壓強(qiáng)傳感器測定兩不同溫度下密閉容器中的壓強(qiáng)變化大小。實(shí)驗(yàn)過程中，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)繪制“壓強(qiáng)—時(shí)間”曲線(如圖8所示)，既快速又精確地說明了溫度對反應(yīng)速率的影響。

圖8

通過實(shí)踐，筆者體會(huì)到：應(yīng)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，可以測得溫度、pH、電壓、電流、電導(dǎo)率、色度、壓強(qiáng)等更多的物理量，教師、學(xué)生可以從更多角度研究同一個(gè)化學(xué)問題，思考、處理問題的方法不斷得到拓展。

2.應(yīng)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使化學(xué)研究性學(xué)習(xí)的內(nèi)容更加寬廣

傳感器技術(shù)的引入，使化學(xué)實(shí)驗(yàn)由定性到定量地飛躍，從而使學(xué)生在更廣闊的范圍內(nèi)進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)。

例如：應(yīng)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，我們通過電流傳感器及計(jì)算機(jī)畫出“時(shí)間—電流”圖，不僅可引導(dǎo)學(xué)生探究教材中原電池的原理，還可探究不同金屬的活動(dòng)性順序，相同條件下哪種水果構(gòu)成原電池產(chǎn)生的電流最大，所用電極的面積、兩電極插入的距離等因素對電流大小的影響等一系列問題。

又如：為了解決高三的一道現(xiàn)成習(xí)題—冰醋酸在稀釋過程中溶液導(dǎo)電情況是先升后降，筆者用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)繪制出冰醋酸稀釋過程中溶液的導(dǎo)電性隨著水的體積變化圖(如圖9所示)，使學(xué)生心服口服。

圖9

但有的學(xué)生不滿足，他們想知道究竟“冰醋酸在加水稀釋過程中氫離子濃度開始減少時(shí)的醋酸濃度是多少”？于是他們成立了研究小組研究這個(gè)問題，他們發(fā)現(xiàn)整個(gè)稀釋過程結(jié)束后，只需根據(jù)圖像找到稀釋曲線最高點(diǎn)對應(yīng)的加入蒸餾水的時(shí)間，根據(jù)事先標(biāo)定的自動(dòng)滴液裝置的流速，就可以很容易計(jì)算得到最高點(diǎn)對應(yīng)的加入蒸餾水的體積，從而得到稀釋冰醋酸時(shí)溶液中離子濃度開始變小的時(shí)候的乙酸濃度值。這項(xiàng)研究獲得了上海市第23屆英特爾創(chuàng)新大賽三等獎(jiǎng)。

3.應(yīng)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的過程激發(fā)了教師的創(chuàng)造力

工欲善其事，必先利其器，有了先進(jìn)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，高精度的實(shí)驗(yàn)儀器也必不可少。最初當(dāng)筆者嘗試進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)時(shí)，就深受沒有配套教具的困擾，在不斷研究試驗(yàn)后，為了輔助DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)踐中創(chuàng)造性地使用原有的普通儀器。

如在探究“測定冰醋酸加水稀釋過程中電導(dǎo)率的變化”這一實(shí)驗(yàn)過程中，需要一種裝置—在液體體積只有20mL的時(shí)候，電極就能浸沒在液體內(nèi)而且稀釋后溶液的體積要超過200mL，所以使用現(xiàn)有的普通玻璃儀器在溶液體積較小時(shí)液體要浸沒電極顯得有些困難，即使能浸沒，也會(huì)出現(xiàn)無法放入攪拌磁子的現(xiàn)象。為解決此問題，我們創(chuàng)造性地使用原有的普通儀器(如圖10所示)，選用250mL錐形瓶 (相同容積攪拌效果最好)，將其上口用玻璃片封住，并截去底部，倒置。瓶頸部剛好能容納20mL待稀釋冰醋酸，放入攪拌磁子。

圖10

四、結(jié)束語

在應(yīng)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)探究的過程中，學(xué)生逐步掌握了控制變量法的研究方法、工作曲線法、對比實(shí)驗(yàn)和空白實(shí)驗(yàn)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法。同時(shí)，筆者得到的經(jīng)驗(yàn)是為了保證應(yīng)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的化學(xué)研究性學(xué)習(xí)能夠順利開展，教師要做好知識(shí)與技能的鋪墊，如各類傳感器的使用方法、相關(guān)物理量(電導(dǎo)率、吸光度等)的基礎(chǔ)知識(shí)等。

隨著對數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，筆者強(qiáng)烈感覺到DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中的合理使用，可以成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)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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