DIS在高中化學(xué)教學(xué)中拓展性運(yùn)用的案例研究

摘 要：DIS因為操作的簡便，現(xiàn)象的圖像化，讓傳統(tǒng)實驗可視化，從而增強(qiáng)學(xué)生對微觀的感知，激發(fā)學(xué)生探究欲望，有利于拓展學(xué)生探究能力。本文通過常見的原電池實驗、中和實驗等的DIS實驗案例，提出了可以從四個維度提高DIS拓展運(yùn)用，提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：DIS；原電池；中和反應(yīng)；拓展性案例研究

一、 DIS概述及功能介紹

DIS是數(shù)字化信息系統(tǒng)的簡稱，它是指通過傳感器獲得信息，傳遞給數(shù)據(jù)采集器，由計算機(jī)對信息進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形處理，從而實現(xiàn)了實驗過程的信息化。在系統(tǒng)實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的采集、記錄的同時，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步分析，從而把原來的只能透過表面實驗現(xiàn)象進(jìn)行模擬解釋的實驗直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫_的實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。為化學(xué)的實驗教學(xué)提供了新手段，注入了新的內(nèi)容。

其過程的直觀化，可以將化學(xué)的很多“瞬時”的反應(yīng)過程，來不及觀察但又需要解釋的實驗數(shù)據(jù)記錄下來，數(shù)據(jù)、圖像、表格等多種形式來“定格”反應(yīng)的歷程，從而客觀、真實地將實驗過程展現(xiàn)，使得實驗進(jìn)行過程更加直觀化。其探究可深度化，充分體現(xiàn)了數(shù)字化傳感器的應(yīng)用，使許多原來不好做或不能做的實驗可以呈現(xiàn)出來其歷程，測出來的數(shù)據(jù)更真實地、客觀展現(xiàn)實驗過程。其操作的簡易化，拉進(jìn)了實驗與學(xué)生的距離，大大簡化了許多定量實驗的操作步驟，提高了實驗數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。其應(yīng)用的可創(chuàng)新性，不僅體現(xiàn)在于信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗的整合的創(chuàng)新，還給學(xué)生實驗提供一個發(fā)揮想象的平臺。借助于DIS多通道的數(shù)據(jù)采集器，多種傳感器的組合使用，我們可以對實驗現(xiàn)象進(jìn)行多視角的深入分析與研究和多角度的感知，這種組合就是意味著——創(chuàng)新。

二、 DIS化學(xué)實驗的拓展性運(yùn)用案例

（一） 案例一——酸堿中和滴定

酸堿中和滴定是高中化學(xué)定量實驗中的重要內(nèi)容。在我們?nèi)粘嶒炛薪佑|較為頻繁的就是利用酚酞還有甲基橙這樣能夠直觀觀察到滴定終點(diǎn)的變色指示劑，進(jìn)一步算出堿液和酸液的濃度。由于兩種指示劑變色范圍均不是7，為了解釋在強(qiáng)酸與強(qiáng)堿的中和反應(yīng)中，兩種指示劑的選擇使用的誤差可以忽略，實際操作過程中，一般都提前將不同溶液的pH值算好，進(jìn)而利用描點(diǎn)法把pH的變化曲線畫出來，照著變化曲線對酸堿中和進(jìn)行相應(yīng)的講解。但是這個方法過于煩瑣，無法從直觀上觀察到變化，導(dǎo)致學(xué)生對實驗原理理解變得困難。

在使用DIS技術(shù)后，使實驗變得簡單清晰。實驗過程中，通過pH傳感器監(jiān)測反應(yīng)過程中溶液pH的變化，可得如圖1標(biāo)準(zhǔn)曲線（用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定未知鹽酸），隨著NaOH溶液（標(biāo)準(zhǔn)液）的滴入，我們能在圖片上真切地看到，燒杯內(nèi)的pH呈現(xiàn)持續(xù)性的上漲，在滴入NaOH溶液（標(biāo)準(zhǔn)液）的起始階段，pH值在一定時間內(nèi)的變化值比后續(xù)階段??；反應(yīng)持續(xù)一段時間后，燒杯內(nèi)的pH值接近7，pH值將會在滴定終點(diǎn)產(chǎn)生突然的變化。倘若接著向燒杯滴加若繼續(xù)加入NaOH溶液（標(biāo)準(zhǔn)液），pH值立馬上漲。DIS技術(shù)將會大幅度地提升實驗的可觀察程度以及精確度，加深了學(xué)生對酸堿滴定原理的理解。

在此實驗基礎(chǔ)上，設(shè)計讓學(xué)生拓展探究強(qiáng)堿滴定弱酸（標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定與鹽酸同濃度的醋酸），用雙通道同時實驗，分別觀察兩條曲線變化，整理得到如圖2。通道Ⅰ為標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定與醋酸，通道Ⅱ為標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定鹽酸。兩條不同的曲線，對比強(qiáng)烈，這是普通傳統(tǒng)實驗無法做到的。這也引起學(xué)生極大的震撼。學(xué)生的第一反應(yīng)是，是否是實驗誤差造成的，然而經(jīng)過多次實驗，發(fā)現(xiàn)結(jié)果依然。直觀性地比較引起了學(xué)生深入地思考，為什么突變會小呢？帶著這個問題，學(xué)生通過查閱相關(guān)資料、小組交流與討論，最后學(xué)習(xí)到緩沖溶液的相關(guān)知識。這樣的實驗，極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、積極性同時，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)、探究精神，對化學(xué)學(xué)科的興趣大為提高。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展到標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定草酸，得到如圖3所示的曲線，引導(dǎo)學(xué)生更深入的思考。一系列的實驗，雖然用于實驗時間并不長，且操作簡單，但是所帶來的拓展性的運(yùn)用超乎想象。

（二） 案例二——原電池實驗

原電池實驗也是高中化學(xué)常見的必做的一個重要的學(xué)習(xí)課程，事實操作上，通常選擇更換溶液以及電極等這一類的方式，我們經(jīng)常利用更換電極或溶液等，產(chǎn)生各種各樣的配對方式，進(jìn)一步對如何形成原電池進(jìn)行分析。若是采用DIS，使用電壓傳感器，能極大地方便實驗。

在實驗過程中，我們設(shè)置了電極為銅鋅、銅鋁，電解質(zhì)溶液為稀硫酸溶液、氫氧化鈉溶液的交叉分類探究活動。

得到的銅鋅硫酸原電池的電壓如圖4所示，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，電壓變低。

當(dāng)將電極改為銅鋁硫酸原電池的電壓如圖5所示，這時電壓只0.3V左右，比銅鋅硫酸原電池還低。

以上兩個實驗進(jìn)行比較，從理論上講，鋅比鋁更不活潑，銅鋁硫酸原電池的電壓要大于銅鋅硫酸原電池的電壓，但在實驗的檢測中，實驗結(jié)果卻剛好相反，甚至銅鋁類型的原電池顯示出極低的電壓。老師應(yīng)該鼓勵學(xué)生對該現(xiàn)象進(jìn)行深思，將在原電池里面的電極選取傾向這一難題攻克。圖6所示為銅鋁氫氧化鈉原電池電壓變化。

DIS實驗的引入，能夠打開包括老師和學(xué)生在內(nèi)所有參與者的思路開闊，將實驗原理深深刻入學(xué)生的腦海中，而不是簡單的生搬硬套，可以自行改進(jìn)實驗并進(jìn)行深入拓展，充分挖掘?qū)W生的主觀能動性，有助于增強(qiáng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力，最大限度地激發(fā)學(xué)生對化學(xué)實驗的興趣和熱情，從而實現(xiàn)了學(xué)科素養(yǎng)中對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。

三、 DIS拓展性運(yùn)用的維度

DIS系統(tǒng)的引入讓課堂實驗更加準(zhǔn)確，通過多種多樣的實驗器材將實驗過程記載下來，在實驗數(shù)據(jù)中包含一些反常數(shù)據(jù)的時候，這個方法為我提供了復(fù)盤整個實驗的機(jī)會和條件。如果實驗結(jié)論偏離我們的預(yù)測結(jié)果，當(dāng)實驗結(jié)果時，同學(xué)們在對實驗數(shù)據(jù)的進(jìn)一步反思分析這一過程中，更能加深對實驗研究課題的思考深度，而大幅度地提升了實驗假設(shè)和預(yù)期的預(yù)見性和指導(dǎo)性。這恰恰滿足了化學(xué)學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)里面的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一個素質(zhì)長處（通過依靠證據(jù)對物質(zhì)的元素組成、立體結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的相應(yīng)變化所產(chǎn)生的有理論依據(jù)的假設(shè)，利用自身思維對這些進(jìn)行思考分析，將學(xué)生的證據(jù)思維提高；從創(chuàng)建立場開始，到產(chǎn)生結(jié)論的結(jié)論以及相應(yīng)的證據(jù)之間的邏輯聯(lián)系；明白能夠依靠推理等手段深入了解實驗對象的內(nèi)在特征和構(gòu)成元素，并了解他們之中的相互聯(lián)系，并且創(chuàng)建模型。進(jìn)一步通過創(chuàng)建的模型對化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行闡釋，表達(dá)出發(fā)生現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律極其本質(zhì)），以及“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”這一個素質(zhì)長處（依靠科學(xué)性的發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和解釋以及應(yīng)用的動手操作行這一角度，對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究素質(zhì)培養(yǎng)；可以想到有研究意義的問題；然后以問題和假設(shè)為著手點(diǎn)，通過設(shè)計探究獨(dú)立的試驗方案，進(jìn)行相應(yīng)的研究；通力合作貫穿在試驗的各個階段內(nèi)，帶著不同尋常的結(jié)果有勇氣提出個人的假設(shè)）。

在實踐操作任一步驟內(nèi)，我們認(rèn)為將DIS化學(xué)探究實驗拓展應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)，可從以下四個維度著手：

（一） 完成實驗困難問題的維度

教科書上傳統(tǒng)實驗雖是一些經(jīng)典實驗，但是實驗的選擇也是受當(dāng)時條件的限制的，所以部分實驗是有待改進(jìn)的。例如：在實驗過程中會產(chǎn)生實驗危險的、操作較不易的、對環(huán)境有污染的、不能進(jìn)行定量的比較與分析等等。若改用DIS探究實驗，可在一定程度上解決此類難點(diǎn)。如可利用手持技術(shù)探究蘇教版中鐵離子與碘離子的可逆反應(yīng)限度反應(yīng)，又如通過測定密封容器中氣壓的變化以表征過氧化氫的分解速率。

（二） 探究社會熱點(diǎn)的維度

化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)中提出要培養(yǎng)學(xué)生“高度贊揚(yáng)化學(xué)對于現(xiàn)今社會前進(jìn)的重要性，懷著綠色化學(xué)以及可持續(xù)地發(fā)展意識的理念，能夠及時產(chǎn)生于化學(xué)有關(guān)的焦點(diǎn)現(xiàn)象做出積極判斷”的素養(yǎng)，利用DIS進(jìn)行的實驗攜帶方便、儀器簡單，能在室外進(jìn)行，學(xué)生可以不受太多的限制，較快地對他們關(guān)注的很多社會焦點(diǎn)現(xiàn)象設(shè)計出實驗步驟然后進(jìn)行研究，從而實現(xiàn)培養(yǎng)素養(yǎng)的初衷。就像通過二氧化碳傳感器研究公車車廂之中的CO2的濃度對乘客身體健康的危害；測定不同飲料中維生素C的含量等等。

（三） 實驗干擾因素的維度

如果僅僅獲得單一數(shù)據(jù)的前提下，進(jìn)一步探究不同影響因素數(shù)據(jù)之間的相關(guān)或因果關(guān)系，對這些因素的關(guān)系進(jìn)行假設(shè)并設(shè)計驗證，因而能拓展學(xué)生研究的全面性，提高學(xué)生實驗邏輯推理和設(shè)計能力，訓(xùn)練學(xué)生探究能力的方法。DIS實驗中，提供多種類型的傳感器或探頭，不僅能迅速采集準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，更有利于探究多種影響因素之間的關(guān)系。如中和反應(yīng)同時有pH、溫度、電導(dǎo)等多種變化。

（四） 拓展時間空間的維度

化學(xué)是一門基于實驗研究的學(xué)科，生活中處處都有化學(xué)現(xiàn)象。課本中的實驗只是生活與生產(chǎn)中極少部分的實驗。在日常生活中，常常會出現(xiàn)更多、更有趣、更會引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的化學(xué)現(xiàn)象。過去，由于化學(xué)儀器種類繁多、操作復(fù)雜，學(xué)生若想探究某個現(xiàn)象，得先做很多的準(zhǔn)備，經(jīng)常還沒等儀器藥品準(zhǔn)備好，探究的熱度已經(jīng)下降，興趣的方向已經(jīng)轉(zhuǎn)移了。借助DIS化學(xué)探究實驗可以大大減少了傳統(tǒng)的實驗中過多過繁的實驗基本操作，讓學(xué)生從這些操作中解脫出來，更有時間思考和探究，真正發(fā)揮學(xué)生的思維品質(zhì)，提高學(xué)生思維能力。DIS實驗攜帶的方便、多樣的傳感器、簡單的操作、清晰的結(jié)果，讓實驗走出實驗室，極大地發(fā)揮了實驗的空間以及時間，有利于學(xué)生輕松的對日常活動里面自己關(guān)心的一些問題進(jìn)行了解。如隨時可在家里研究金魚存活的最佳條件，隨時可以測定周圍水體的水質(zhì)、室內(nèi)空氣質(zhì)量等等。

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作者簡介：

蔡天津，福建省泉州市，石獅市石光中學(xué)。