DIS在高中化學實驗探究教學中的應用

摘 要：在信息技術(shù)飛速發(fā)展的時代，教育與科技的融合日益緊密。DIS（Data Inquiry System，數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)）是一種先進的技術(shù)工具，能夠?qū)瘜W實驗中的各種數(shù)據(jù)進行采集、分析和處理，為高中化學實驗教學提供支持。從實驗規(guī)劃、實驗實施、結(jié)果分析及教學延伸四個方面探討了DIS在高中化學實驗探究教學中的應用策略，以供參考。

關(guān)鍵詞：高中化學；實驗探究教學；DIS；科學素養(yǎng)

作者簡介：祁金豐（1985—），女，甘肅省卓尼縣柳林中學。

高中化學實驗教學的核心是讓學生深入領悟?qū)嶒炘?，準確剖析實驗結(jié)果，培育科學探究精神，難點是復雜實驗現(xiàn)象的解讀、多參數(shù)的測量與分析以及學生自主實驗能力的培養(yǎng)［1］。傳統(tǒng)的化學實驗教學存在數(shù)據(jù)采集不夠精確、實驗現(xiàn)象難以完整呈現(xiàn)、學生參與度不高等問題，這在一定程度上限制了學生科學素養(yǎng)的發(fā)展?！敖饘俚幕瘜W性質(zhì)”實驗主要探究不同金屬與氧氣、酸以及鹽溶液的反應情況，目的是讓學生了解金屬的共性和不同金屬的活潑性的差異，培養(yǎng)學生的實驗觀察能力和分析歸納能力。在高中化學實驗教學中，該實驗具有較強的代表性，能讓學生認識到生活現(xiàn)象與化學知識之間的聯(lián)系，為學生后續(xù)學習元素化合物的知識奠定基礎。DIS具有高精度數(shù)據(jù)采集、多參數(shù)同步測量與實時監(jiān)控、自動化數(shù)據(jù)分析等功能。這些功能可以為化學實驗教學提供有力支持［2］。本文將以此實驗為例，探討DIS在高中化學實驗探究教學中的應用方法，希望能為高中化學實驗教學的改進與創(chuàng)新提供新的思路。

一、基于DIS開展實驗模擬與規(guī)劃，預見實驗方案的適用性與普適性

化學實驗教學的目標不僅僅是傳授知識和技能，更重要的是培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。DIS借助傳感器、數(shù)據(jù)采集器和分析軟件，能夠準確采集各種數(shù)據(jù)并進行復雜的模擬分析。正式開展實驗前，教師可帶領學生結(jié)合實驗內(nèi)容，借助DIS進行實驗模擬。這樣不僅能讓學生從理論層面提前了解實驗過程及實驗結(jié)果，深入理解實驗原理，還能幫助學生評估實驗方案的可行性和穩(wěn)定性，為學生開展實驗提供參考。同時，這樣還能引導學生思考實驗方案的適用性和普適性，培養(yǎng)學生根據(jù)不同實驗目的和條件調(diào)整實驗方案的能力。

例如，在“金屬的化學性質(zhì)”實驗教學中，教師要提前準備好實驗所需的各種金屬樣品（鎂條、鋁片、鐵片、銅片等）、氧氣發(fā)生裝置、酸溶液（稀鹽酸、稀硫酸等）、鹽溶液以及DIS的硬件和軟件，并確保實驗環(huán)境安全，儀器設備正常運行。同時，教師需要向?qū)W生介紹本次實驗的主題和目標，讓學生明確實驗的重要性以及DIS在實驗中的作用，并鼓勵學生思考本實驗中可能出現(xiàn)的反應現(xiàn)象，激發(fā)學生的好奇心和探究欲望。在實驗模擬環(huán)節(jié)，教師要引導學生利用DIS分別對不同金屬與氧氣反應、不同金屬與酸反應、不同金屬與鹽溶液反應的實驗進行模擬，讓其預測不同金屬與氧氣反應的劇烈程度、不同金屬與酸反應的劇烈程度、不同金屬與鹽溶液反應的現(xiàn)象、實驗中需要采取的安全措施等。在這個過程中，教師要鼓勵學生積極發(fā)言，分享其對不同反應情況的預測，以此培養(yǎng)學生的分析和推理能力，提高學生的課堂參與度和問題解決能力。需要注意的是，在運用DIS進行實驗模擬的過程中，教師要引導學生合作探究不同實驗條件對反應的影響，以此培養(yǎng)學生的合作意識。之后，教師可根據(jù)模擬結(jié)果，組織學生對不同實驗條件下的實驗進行分析。對于金屬與氧氣反應的實驗，如果模擬結(jié)果顯示某種金屬與氧氣反應過于劇烈，可能存在安全風險，那么教師要引導學生思考如何改進實驗。對于金屬與酸反應的實驗，如果模擬結(jié)果顯示壓強變化過大，那么教師要引導學生思考是否需要選擇容量更大的反應容器或降低酸的濃度。教師通過這樣的教學，能培養(yǎng)學生的安全意識和決策能力，提升學生的實驗探究能力。

二、借助DIS進行多參數(shù)同步測量與實時監(jiān)控，簡化復雜的實驗現(xiàn)象

高中化學實驗往往涉及多個因素的相互作用，現(xiàn)象復雜多變。DIS具有精度高、穩(wěn)定性強和可靠性強的特點，可以準確地捕捉微小的物理和化學變化，實時記錄實驗數(shù)據(jù)［3］，并對數(shù)據(jù)進行及時的處理和分析。

在實驗教學中借助DIS進行多參數(shù)同步測量與實時監(jiān)控的底層邏輯便是充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，全面、及時地捕捉實驗過程中的各種變化，簡化復雜的實驗現(xiàn)象，讓學生可以更系統(tǒng)、直觀地分析實驗結(jié)果。學生借助DIS對多個參數(shù)進行綜合分析，能充分了解實驗現(xiàn)象背后的原理，更好地理解化學反應的動態(tài)過程和內(nèi)在機制。

實驗實施階段可分為兩個環(huán)節(jié)。第一個環(huán)節(jié)是實驗儀器連接與調(diào)試，目的是確保DIS的傳感器能夠正常工作，準確采集實驗數(shù)據(jù)。首先，教師可向?qū)W生詳細介紹與本次實驗相關(guān)的各類傳感器，如溫度傳感器、壓強傳感器、電導率傳感器等，講解相關(guān)傳感器的工作原理和連接方法，并指導學生將傳感器與實驗裝置連接起來。其次，教師要指導學生調(diào)試DIS的各個部件，設置測量參數(shù)的范圍和精度，以確保數(shù)據(jù)的準確性。最后，教師要向?qū)W生演示如何讀取和記錄傳感器的數(shù)據(jù)，讓學生熟悉DIS的操作流程。

第二個環(huán)節(jié)是實驗過程監(jiān)控，目的是利用DIS的動態(tài)監(jiān)控功能，實時呈現(xiàn)實驗中的數(shù)據(jù)變化，讓學生更直觀地了解金屬與氧氣、酸及鹽溶液反應的過程，及時調(diào)整實驗操作。在開展金屬與氧氣反應的實驗時，學生要一邊加熱金屬樣品，一邊關(guān)注DIS顯示的溫度。當溫度達到一定值時，學生要注意觀察金屬的外觀變化，如顏色等。在實驗過程中，教師要引導學生思考溫度變化與金屬反應的關(guān)系。借助DIS的動態(tài)監(jiān)控功能，學生能直觀地了解金屬與氧氣反應過程中的溫度變化，進而更好地理解反應的原理。在開展金屬與酸反應的實驗時，學生要注意觀察DIS顯示的壓強。當壓強發(fā)生明顯變化時，學生要及時記錄反應時間和壓強值。在實驗過程中，教師要提醒學生注意觀察金屬表面產(chǎn)生氣泡的情況以及反應容器內(nèi)溶液的變化情況。在開展金屬與鹽溶液反應的實驗時，學生要注意觀察DIS顯示的電導率。當電導率發(fā)生變化時，學生要注意觀察實驗現(xiàn)象，如溶液的顏色是否有變化、是否有沉淀生成等。在實驗過程中，教師要引導學生分析電導率變化與金屬和鹽溶液反應的關(guān)系，以及不同金屬與鹽溶液反應的特點。在完成實驗后，教師可帶領學生回顧實驗過程中不同參數(shù)的變化情況，讓學生以小組為單位，結(jié)合DIS采集的數(shù)據(jù)，討論并分析這些變化與金屬化學性質(zhì)的關(guān)系。

三、運用DIS進行自動化與可視化數(shù)據(jù)處理，多維分析實驗結(jié)果

在高中化學實驗教學中，學生只有對實驗結(jié)果進行科學處理和準確分析，才能充分掌握化學知識，提升科學素養(yǎng)。在進行高中化學實驗時，學生通常會獲得大量復雜的數(shù)據(jù)，如果運用傳統(tǒng)的人工處理方式，不僅耗時費力，還容易出現(xiàn)錯誤。對此，教師可以指導學生運用DIS來處理和分析數(shù)據(jù)。例如，在“金屬的化學性質(zhì)”實驗教學中，教師可以讓學生將實驗過程中記錄的溫度、壓強、電導率等數(shù)據(jù)導入系統(tǒng)軟件中，運用DIS快速、準確地對實驗數(shù)據(jù)進行整理、計算和分析。這樣能為學生節(jié)省大量的時間和精力，使學生有更多的時間和精力思考和分析實驗結(jié)論。

學生可運用DIS軟件對數(shù)據(jù)進行可視化處理。比如，對于金屬與氧氣反應的溫度數(shù)據(jù)，學生可運用DIS軟件繪制相應的折線圖；對于金屬與酸反應的壓強數(shù)據(jù)，學生可運用DIS軟件制作相應的柱狀圖；對于金屬與鹽溶液反應的電導率數(shù)據(jù)，學生可運用DIS軟件繪制相應的散點圖。通過對數(shù)據(jù)進行可視化處理，學生可以更直觀地了解實驗數(shù)據(jù)的分布、趨勢，從而更容易發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。

基于實驗數(shù)據(jù)，教師可引導學生從多個維度分析實驗結(jié)果。在時間維度上，教師可引導學生深入分析不同金屬在不同反應階段的溫度、壓強和電導率變化情況，以此讓學生更深入地理解反應的動態(tài)過程。在金屬種類維度上，教師可引導學生比較不同金屬在相同反應條件下的實驗結(jié)果。在反應條件維度上，教師可引導學生分析相同金屬在不同實驗條件下的實驗結(jié)果，以此讓學生深入理解不同反應條件對實驗結(jié)果的影響，培養(yǎng)學生的實驗設計和分析能力。

四、利用DIS設置拓展性探究任務，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與自主實驗能力

從學生發(fā)展的角度來看，高中學生已經(jīng)具備一定的知識基礎和實驗技能，他們渴望在實驗中發(fā)揮自己的創(chuàng)造力和想象力。從教學的角度來看，化學實驗教學的最終目的是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和自主實驗能力。為此，教師可以根據(jù)教學內(nèi)容和學生在實驗教學中的表現(xiàn)，利用DIS設計一些具有挑戰(zhàn)性的拓展性探究任務。

例如，在完成“金屬的化學性質(zhì)”實驗教學后，教師可以借助DIS設計如下拓展性探究任務。任務一：探究不同形狀的同種金屬與酸反應的差異。教師可讓學生借助DIS探究不同形狀（如片狀、絲狀、塊狀等）的某種金屬與相同濃度的酸反應時的壓強變化和溫度變化情況，分析金屬形狀對反應速率的影響。任務二：研究不同金屬在混合酸溶液中的反應。教師可提前準備含有多種酸的混合溶液，讓學生借助DIS探究不同金屬在混合酸中的反應，觀察相應的實驗現(xiàn)象，探討不同金屬在復雜酸環(huán)境中的相關(guān)化學性質(zhì)的表現(xiàn)。任務三：探究金屬在空氣中自然氧化與在特定氣體環(huán)境下氧化的區(qū)別。教師可讓學生利用DIS分別探究金屬在空氣和特定氣體（如氧氣含量不同的混合氣體、含有特定雜質(zhì)的氣體等）環(huán)境下氧化的過程，監(jiān)測溫度變化和氣體成分變化情況，分析不同環(huán)境對金屬氧化反應的影響。

任務一能讓學生探究不同形狀的同種金屬與酸反應的差異，分析形狀因素對相應反應速率的影響，加深學生對金屬與酸反應條件的認識。任務二能引導學生借助DIS的多種傳感器，觀察復雜酸環(huán)境下不同金屬的反應現(xiàn)象，讓學生進一步了解不同金屬在不同環(huán)境下的相關(guān)化學性質(zhì)的表現(xiàn)。任務三能讓學生對比分析金屬在不同氣體環(huán)境下發(fā)生氧化反應的區(qū)別，加深學生對金屬氧化原理的理解，提升學生的科學素養(yǎng)。

在完成拓展性探究任務的過程中，學生需要充分運用所學知識和技能，發(fā)揮自己的創(chuàng)造力和想象力，這有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和自主實驗能力。這樣的教學可以為學生提供更廣闊的探索空間，讓學生在完成任務的過程中更加深入地理解化學實驗的本質(zhì)和意義，提高學生的科學素養(yǎng)。

結(jié)語

總而言之，在高中化學實驗探究教學中應用DIS不僅是順應教育信息化趨勢的必然要求，還是提升化學教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)與創(chuàng)新能力的有效手段。在實際教學中，高中化學教師應明確DIS的多種優(yōu)勢，找到其與不同實驗階段的融合點。在實驗規(guī)劃階段，教師可讓學生利用DIS的模擬功能，提前對實驗進行模擬，評估實驗方案的適用性與普適性。在實驗實施階段，教師可讓學生運用DIS的多參數(shù)同步測量與實時監(jiān)控功能，更好地觀察實驗現(xiàn)象，理解化學反應的動態(tài)過程。在實驗結(jié)果分析階段，教師可讓學生運用DIS的自動化與可視化數(shù)據(jù)處理功能，從多個方面分析實驗結(jié)果，以此培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)分析和歸納總結(jié)能力。同時，教師還可巧妙地利用DIS設置拓展性探究任務，以此有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和自主實驗能力。這樣一來，教師便可構(gòu)建完整、高效、科學、富有創(chuàng)新性的實驗探究課堂，讓學生在化學實驗探究中真正獲得學科核心素養(yǎng)的提升。

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