DIS化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探索

唐文偉+凌一洲

摘要：建設(shè)DIS化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和開設(shè)配套校本課程，其課程設(shè)計(jì)思路以學(xué)牛需要和改變學(xué)牛的學(xué)習(xí)方式為本，激發(fā)學(xué)牛對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)牛動(dòng)于操作、理論聯(lián)系實(shí)際、應(yīng)用規(guī)律解決問題的能力?；瘜W(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容包括DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)的使用、利用DIS裝備改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗(yàn)等。實(shí)踐表明，該課程受到了學(xué)牛的歡迎，DIS化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)獲得了預(yù)期成果。

關(guān)鍵詞：DIS；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室；傳感器；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；校本課程

文章編號(hào)：1005-6629（2017）8-0030-03

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1建設(shè)背景

近年來，教師與學(xué)生充分體驗(yàn)了用數(shù)字化手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性。新時(shí)期學(xué)生普遍有較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，而DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）正是傳感器和計(jì)算機(jī)組合的新的實(shí)驗(yàn)形式。但是，教材中利用DIS的演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)是比較基本、有限的，為了滿足學(xué)生多做實(shí)驗(yàn)的愿望，筆者基于DIS創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室開設(shè)了《菁創(chuàng)實(shí)驗(yàn)》校本課程，為有需求的學(xué)生提供更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。

校本課程相對(duì)于基礎(chǔ)課程有其自身的特點(diǎn)：靈活性、適應(yīng)性、及時(shí)性。DIS環(huán)境下校本課程的開設(shè)體現(xiàn)了教與學(xué)的需要，是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展與新課改不斷推進(jìn)的必然產(chǎn)物。

2實(shí)驗(yàn)室概況

2009年9月，江蘇省南菁高級(jí)中學(xué)新校區(qū)建成使用，學(xué)校以建設(shè)“數(shù)字化”校園為契機(jī)，高度重視實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和投入，配備了物理、化學(xué)和生物三個(gè)DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室。在隨后的幾年中，學(xué)校不斷加大實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)，更新并添置了部分儀器及設(shè)備，如高精度天子天平、分光光度計(jì)、實(shí)驗(yàn)室凈水裝置、制氧機(jī)、pH計(jì)、電導(dǎo)率儀、快速水質(zhì)分析儀等分析儀器，實(shí)現(xiàn)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化、管理規(guī)范化，這些硬件設(shè)施的配置也為依托于化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室開設(shè)的《菁創(chuàng)實(shí)驗(yàn)》校本課程提供了堅(jiān)強(qiáng)的硬件支撐。

3課程目標(biāo)

（1）學(xué)會(huì)并熟練使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并能利用現(xiàn)有DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及部分化學(xué)分析儀器，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化并二次開發(fā)。

（2）幫助學(xué)生更好地獲得和全面了解化學(xué)學(xué)科知識(shí)，從不同角度去探索科學(xué)的研究方法，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

（3）激發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，通過對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新探索實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力。

（4）增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，樹立科學(xué)的世界觀。

4課程設(shè)計(jì)思路

以校本課程形式開展DIS教學(xué)實(shí)踐，其課程設(shè)計(jì)思路始終以學(xué)生需要和改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式為本。課程開發(fā)設(shè)計(jì)思路應(yīng)緊緊圍繞激發(fā)學(xué)生對(duì)DIS實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力、應(yīng)用規(guī)律解決問題能力。在這樣的設(shè)計(jì)思路指引下開展實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生能通過實(shí)驗(yàn)探究（以DIS實(shí)驗(yàn)為主，但不局限于DIS實(shí)驗(yàn)），探索科學(xué)規(guī)律，培養(yǎng)科學(xué)探究思維，提升情感態(tài)度與價(jià)值觀。

5課程內(nèi)容

（1）化學(xué)實(shí)驗(yàn)中傳感器和常見分析儀器的使用（DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分光光度計(jì)、電導(dǎo)率儀等）。

（2）課本中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)問題二次探究（質(zhì)量守恒定律、化學(xué)反應(yīng)過程中的能量變化、催化劑效能比較、軟硬水檢測(cè)）。

（3）生活中的化學(xué)問題探究（南菁高中校內(nèi)水系、敵山灣水pH和溶氧量分析，自來水中余氯量檢測(cè)、室內(nèi)空氣檢測(cè)、不同風(fēng)味的米酒制作等）。

（4）化學(xué)“異?！睂?shí)驗(yàn)探究（酒精燈、酒精噴燈各層火焰溫度的測(cè)定，氯化銨固體與氫氧化鋇固體相遇生成“冰淇淋”實(shí)驗(yàn)等）。

（5）利用溫度傳感器，探索化學(xué)反應(yīng)過程中的能量變化（白熱米飯?jiān)硖骄?、模擬溫室效應(yīng)、溫室氣體研究）。

（6）探索電化學(xué)過程中電流的大小及變化（銅鋅原電池實(shí)驗(yàn)、水果電池實(shí)驗(yàn)、原電池的串并聯(lián)）。

（7）利用數(shù)字pH計(jì)，總結(jié)歸納生活中常見食物的酸堿度（中和滴定實(shí)驗(yàn)、測(cè)定常見蔬果和市售飲料的pH）。

（8）利用氧氣傳感器和壓強(qiáng)傳感器，比較幾種制氧方式的優(yōu)缺點(diǎn)（制氧機(jī)的使用、氧化法制納米四氧化三鐵、雙氧水分解實(shí)驗(yàn)）。

（9）利用電導(dǎo)率傳感器，進(jìn)一步理解強(qiáng)弱電解質(zhì)的區(qū)別（自制蒸餾水、硬水軟化、測(cè)定不同溶液的電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)；同種溶液不同濃度溶液的電導(dǎo)率曲線；利用c-K曲線圖測(cè)定未知溶液的濃度）。

此外還有提取指紋實(shí)驗(yàn)、比色法測(cè)定果蔬中維C含量的不同、根據(jù)鎂氧化前后的質(zhì)量變化驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律、DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)溫室氣體的探究、米酒的制作實(shí)驗(yàn)、探究反應(yīng)條件對(duì)雙氧水分解速率的影響等探究實(shí)驗(yàn)。

6具體實(shí)驗(yàn)案例

《菁創(chuàng)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)實(shí)驗(yàn)案例是利用碘一淀粉法測(cè)定果蔬中維生素C含量的探究實(shí)驗(yàn)。

6.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

利用色度傳感器測(cè)定未知溶液中的維生素C的含量。

6.2實(shí)驗(yàn)原理

碘液可使淀粉變藍(lán)，碘離子（I^-）則不能使淀粉溶液變藍(lán)。維生素C具有較強(qiáng)的還原性，可使碘分子還原成碘離子，使淀粉溶液的藍(lán)色消退。配制一定濃度的淀粉溶液，定量滴加碘液，維生素C含量的多少?zèng)Q定藍(lán)色消退的程度。在一定的濃度范圍內(nèi)，維生素C的多少與藍(lán)色溶液的顏色深淺呈線性關(guān)系。利用色度傳感器可測(cè)量并繪制出V_c含量標(biāo)準(zhǔn)曲線。測(cè)量未知溶液，根據(jù)色度傳感器測(cè)得數(shù)值比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線，即可得到對(duì)應(yīng)的V_c，含量值。

6.3實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、色度傳感器、計(jì)算機(jī)；抗壞血酸、待測(cè)樣品（鮮榨梨汁、橙汁、蔬菜汁）、0.1%水溶性淀粉溶液、0.02mol/L碘液、試管、試管架、蒸餾水、SmL移液管、吸管

6.4實(shí)驗(yàn)步驟

（1）配制下列試劑。

①配制0.02mol/L碘液：稱取0.25g KI溶于lOmL蒸餾水中，再加入0.127g碘，待碘完全溶解后定容至50mL，裝棕色滴瓶待用。endprint

②配制淀粉溶液：稱取O.lg可溶性淀粉，加水lOOmL，加熱攪拌至透明，冷卻待用。

③配制V_c標(biāo)準(zhǔn)液：稱取抗壞血酸0.05g，溶解于蒸餾水中，定容至50mL；利用lOOmg/lOOmL母液，按表1在小燒杯中配制V_c，標(biāo)準(zhǔn)液各lOmL。

④取1～5號(hào)5支試管，各加入lOmL 0.1%淀粉溶液和l滴碘液，振蕩變藍(lán)。1號(hào)試管加5滴水，2～5號(hào)試管各滴加A、B、C、D標(biāo)準(zhǔn)液5滴，振蕩后待測(cè)。

（2）連接計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器材和色度傳感器，打開通用軟件，顯示色度傳感器讀數(shù)。

（3）點(diǎn)擊表格，添加變量c（濃度），點(diǎn)擊“公式”，點(diǎn)擊“白定義公式”，將Fx修改成A，在下面方框內(nèi)輸入“2-lg（CLl）”。

（4）將1號(hào)試管內(nèi)的溶液加至色度傳感器的比色皿中，將比色皿放入色度傳感器，蓋上蓋子，選擇“R”待讀數(shù)穩(wěn)定后，點(diǎn)擊“校零”。將色度傳感器中的比色皿取出，倒出溶液，用蒸餾水沖洗干凈待用。

（5）在比色皿中加入2號(hào)試管中的溶液，將比色皿放人色度傳感器中，蓋上蓋子，讀數(shù)穩(wěn)定后在表格菜單中點(diǎn)擊“點(diǎn)擊記錄”。將色度傳感器中的比色皿取出，倒出溶液，用蒸餾水沖洗干凈待用。

（6）換3、4號(hào)溶液重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟（5）。將變量c數(shù)值依次修改為10、20、30。繪制‘c-A”曲線，顯示離散點(diǎn)。做直線擬合，得到A與濃度c之間的關(guān)系式。

（7）利用擬合公式，反推未知溶液濃度x。添加至白定式公式。

（8）榨取少量西紅柿、黃瓜、蘋果、西瓜汁分別滴加至比色皿中，用色度傳感器測(cè)量，點(diǎn)擊“點(diǎn)擊記錄”。根據(jù)色度傳感器的測(cè)量數(shù)值可得到相對(duì)應(yīng)的“x”值。

（9）在實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙上繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

6.5實(shí)驗(yàn)結(jié)論

將實(shí)驗(yàn)所測(cè)定的西紅柿、黃瓜、蘋果、西瓜的測(cè)定結(jié)果列于表2中。

由以上數(shù)據(jù)可見，4種蔬菜水果中V_c的含量順序是：西紅柿>蘋果>黃瓜>西瓜。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，運(yùn)用本方法測(cè)定蔬菜或水果中V_c的含量快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便，有利于提高工作效率。

7課程實(shí)施計(jì)劃

（1）課程教學(xué)結(jié)構(gòu)。創(chuàng)設(shè)情境、小組探究、科技小制作等。

（2）組織形式。實(shí)行小組合作探究制。

（3）課時(shí)安排。每周1次，每次2課時(shí)，每課時(shí)40—45分鐘。

（4）活動(dòng)地點(diǎn)。校內(nèi)活動(dòng)地點(diǎn)以DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室為主，同時(shí)利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、物理實(shí)驗(yàn)室、生物實(shí)驗(yàn)室等其他資源，校外活動(dòng)視情況另行安排。

8課程實(shí)施建議

（1）考慮到大多數(shù)實(shí)驗(yàn)從儀器準(zhǔn)備到實(shí)驗(yàn)過程，再到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理，占用時(shí)間較長(zhǎng)，建議每次課的時(shí)長(zhǎng)為連續(xù)的2課時(shí)。

（2）理論結(jié)合實(shí)踐，進(jìn)一步加強(qiáng)校企合作，提供更多的機(jī)會(huì)讓學(xué)生到相關(guān)企業(yè)參觀見習(xí)。

（3）落實(shí)經(jīng)費(fèi)保障，加大資金投入，添置實(shí)驗(yàn)儀器，進(jìn)一步滿足課程發(fā)展的需要。

9課程評(píng)價(jià)方式

（1）對(duì)《菁創(chuàng)實(shí)驗(yàn)》開發(fā)方案和課程綱要進(jìn)行評(píng)價(jià)（課題的合理性、安全性、有效度等進(jìn)行論證）。

（2）對(duì)任課教師的評(píng)價(jià)（主管領(lǐng)導(dǎo)評(píng)價(jià)、邀請(qǐng)同行評(píng)價(jià)、選修學(xué)生對(duì)教師評(píng)價(jià)，通過信息反饋和過程監(jiān)控保證評(píng)價(jià)的時(shí)效性和客觀性）。

（3）對(duì)選修學(xué)生的評(píng)價(jià)（學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)，態(tài)度、積極性、參與狀況、學(xué)習(xí)效果等，動(dòng)手能力考核，期末評(píng)定“優(yōu)秀學(xué)員”和“最佳學(xué)員”，頒發(fā)榮譽(yù)證書）。

10體會(huì)與反思

由于DIS課程是一門全新的、技術(shù)要求相對(duì)較高的校本課程，《菁創(chuàng)實(shí)驗(yàn)》本著從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件、設(shè)備、環(huán)境等具體情況出發(fā)，力求優(yōu)化課程的每一環(huán)節(jié)，大膽嘗試、不斷探索，努力為DIS化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。endprint