DIS數字化實驗系統在高中化學探究實驗中的應用研究

楊成

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展，高中化學教學對實驗提出了更高的要求。筆者將DIS數字化實驗系統引入高中化學實驗中，運用傳感技術，直觀顯示實驗數據，培養(yǎng)學生的觀察、數據分析和處理、嚴肅認真的科學態(tài)度，從而全面提高學生的科學素養(yǎng)。

關鍵詞：數字化實驗; 化學探究實驗

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

一、DIS數字化實驗系統的簡介

DIS是digital information system三個英語單詞的縮寫，是數字化信息系統的簡稱，由傳感器、數據采集器、配套軟件、電腦等組成。DIS的實驗系統分為硬件和軟件兩個部分，其中硬件部分包括計算機、數據采集器和傳感器。DIS的軟件分為教材專用軟件和教材通用軟件兩種，主要用于進行實驗數據分析，輸出實驗所需的各種數據和圖表。教材專用軟件根據化學教材中的實驗量身制定，幾乎涵蓋了中學教材中的大部分實驗，更貼近課堂教學;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，更適用于進行探究性的化學實驗教學。

現階段高中化學中，理論上有不少實驗可用DIS數字化實驗系統實現的實驗。如：利用溫度傳感器進行實驗“中和反應的熱效應”，利用導電率傳感器進行溶液導電性測定，利用溫度傳感器進行實驗“溫度對弱電解質電離的影響”，利用氣壓傳感器進行“活潑金屬和酸反應的速率”的實驗等等。

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

二、DIS數字化實驗系統在高中化學探究實驗中應用的教學實例

1.酸堿中和滴定

傳統實驗采用通過指示劑的變色來確定測定終點。在用標準鹽酸滴定未知濃度的氫氧化鈉（甲基橙作指示劑）的教學中，難點是如何解釋清楚學生的疑問：鹽酸與氫氧化鈉恰好反應時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終點，誤差有多少？中和滴定實驗科學嗎？為了解決上述問題，筆者曾嘗應用DIS數字化系統的實驗創(chuàng)新設計。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，要讓學生認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，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性和準確性得以保證的原因所在。應用DIS數字化實驗系統繪制滴定曲線，操作更簡便，更快捷，圖像更準確，更細致，教學效果好，教學效益提高了。

2.醋酸濃度的測定

電導滴定法：根據滴定過程中被滴定溶液電導的變化來確定滴定終點的一種容量分析方法。電解質溶液的電導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，因而電導也發(fā)生變化，據此可以確定滴定終點。利用電導滴定分析法，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，當醋酸與氨水發(fā)生完全反應生成醋酸銨時，溶液的導電能力最強，這時可以通過氨水的體積計算得到醋酸的濃度。此實驗設計讓滴定實驗從全人工到全自動化，數據采集開始后，只需要讓標準的氨水溶液按事前設計好的流速滴入有電磁攪拌的白醋中，與此同時，計算機上就顯示出加入溶液的體積與混合溶液導電性的圖像。當整個滴定過程結束后，只需要根據最高點對應的加入氨水的體積，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研究濃度對反應速率的影響

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

三、學生數字化實驗對高中化學教學的實踐價值

教學理念：學生數字化實驗的引入凸顯二期課改的教學理念——以學生為本，學生自助設計、操作實驗的機會多了，注重學生為主體的實踐過程，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、發(fā)現問題、提出問題和解決問題，以及搜集處理數據等各方面的能力，改變傳統教學忽視科學探究過程，只求死記硬背的學習方式，在學生切身體會科學探究的過程中，讓其體會到學習的樂趣以及對科學探究精神的領悟，增強科學意識，更可實現學科內以及學科間的整合，甚至是與實際社會生活的融和。

教學手段：數字實驗的出現，也隨之帶來教學手段的革新，更有較多的教學手段的組合，比如數字實驗、傳統實驗整合教學;單一的數字實驗演示教學;學生數字實驗教學，包括學生改進、自行設計實驗等等。

教學模式：新的教學途徑的介入，必將引發(fā)更多教學模式的產生，比如以“實驗的數形”作為引入，整堂課以“學生討論、分析、深入、總結”的模式;比如由傳統實驗和數字實驗的共同輔佐，以“比較法”滲入教學，進一步強化知識點的掌握;比如實驗探索模式，某些課題有了數字實驗的介入，可以使探究的過程更加完整，畢竟數字實驗在某些層面還有著拾漏補缺的作用，學習的完整性得以很好的體現。

隨著對數字化系統應用的不斷深入，筆者強烈感覺到DIS實驗系統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。傳感技術在實驗教學中的合理使用，可以成為化學實驗教學的一種十分有用的輔助手段。如何進一步創(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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