DIS数字化实验系统在高中化学探究实验中的应用研究
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作者:杨成
摘 要：随着科技的不断发展，高中化学教学对实验提出了更高的要求。笔者将DIS数字化实验系统引入高中化学实验中，运用传感技术，直观显示实验数据，培养学生的观察、数据分析和处理、严肃认真的科学态度，从而全面提高学生的科学素养。
关键词：数字化实验; 化学探究实验
中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2019）9-022-001
一、DIS数字化实验系统的简介
DIS是digital information system三个英语单词的缩写，是数字化信息系统的简称，由传感器、数据采集器、配套软件、电脑等组成。DIS的实验系统分为硬件和软件两个部分，其中硬件部分包括计算机、数据采集器和传感器。DIS的软件分为教材专用软件和教材通用软件两种，主要用于进行实验数据分析，输出实验所需的各种数据和图表。教材专用软件根据化学教材中的实验量身制定，几乎涵盖了中学教材中的大部分实验，更贴近课堂教学;而通用的教材软件，则能够自定义更多的拓展功能，如分析、对比和拟合曲线等，更适用于进行探究性的化学实验教学。
现阶段高中化学中，理论上有不少实验可用DIS数字化实验系统实现的实验。如：利用温度传感器进行实验“中和反应的热效应”，利用导电率传感器进行溶液导电性测定，利用温度传感器进行实验“温度对弱电解质电离的影响”，利用气压传感器进行“活泼金属和酸反应的速率”的实验等等。
此外，将若干传感器很好的组合，可实现大型的、户外或与实际生活相关的学生探究性实验，比如水质测定、饮料成分测定、碘盐中含碘量的测定等。
二、DIS数字化实验系统在高中化学探究实验中应用的教学实例
1.酸碱中和滴定
传统实验采用通过指示剂的变色来确定测定终点。在用标准盐酸滴定未知浓度的氢氧化钠（甲基橙作指示剂）的教学中，难点是如何解释清楚学生的疑问：盐酸与氢氧化钠恰好反应时pH等于7，而甲基橙变色时pH为4.4，即酸碱指示剂的变色点不是反应终点，误差有多少？中和滴定实验科学吗？为了解决上述问题，笔者曾尝应用DIS数字化系统的实验创新设计。使用pH传感器监测混合溶液在滴定过程中pH的变化情况，并借助计算机以图像形式显示出来，即可直接得到酸碱中和滴定曲线。通过滴定曲线，要让学生认识到滴定终点附近的pH变化显著（突跃），虽然滴定终点pH不等于7，但只要指示剂的变色范围落在酸碱滴定的突跃范围之内，不会引起实验误差，这也是酸碱中和滴定这一分析方法的科学性和准确性得以保证的原因所在。应用DIS数字化实验系统绘制滴定曲线，操作更简便，更快捷，图像更准确，更细致，教学效果好，教学效益提高了。
2.醋酸浓度的测定
电导滴定法：根据滴定过程中被滴定溶液电导的变化来确定滴定终点的一种容量分析方法。电解质溶液的电导取决于溶液中离子的种类和离子的浓度。在滴定过程中离子的种类和浓度发生变化，因而电导也发生变化，据此可以确定滴定终点。利用电导滴定分析法，用已知浓度的氨水溶液滴定待测食用白醋样品溶液。由于醋酸、氨水分别为弱酸、弱碱，在滴定过程中，当醋酸与氨水发生完全反应生成醋酸铵时，溶液的导电能力最强，这时可以通过氨水的体积计算得到醋酸的浓度。此实验设计让滴定实验从全人工到全自动化，数据采集开始后，只需要让标准的氨水溶液按事前设计好的流速滴入有电磁搅拌的白醋中，与此同时，计算机上就显示出加入溶液的体积与混合溶液导电性的图像。当整个滴定过程结束后，只需要根据最高点对应的加入氨水的体积，就可以很容易计算得到醋酸的浓度，且精确度高。
3.利用不同浓度的盐酸与大理石反应研究浓度对反应速率的影响
用传统的实验方法需要花费不少时间，且人工记录数据误差较大。通过DIS数字化信息系统把原来分4次进行的实验改为同时进行，利用压强传感器测定密闭容器内气体压强的变化，并在计算机上同时做出4条压强随时间变化的图像。该设计通过压强传感器和数据采集器，将看不见的气体体积的变化转化为压强随时间的变化图像，并在计算机上同步显示，学生通过直观的图像很容易归纳出浓度是如何影响化学反应速率的。同时，该设计能使4个实验同时进行，并且能在4分钟内完成，大大缩短了课堂实验的时间，可提高课堂教学效益。
三、学生数字化实验对高中化學教学的实践价值
教学理念：学生数字化实验的引入凸显二期课改的教学理念——以学生为本，学生自助设计、操作实验的机会多了，注重学生为主体的实践过程，培养学生创新思维、发现问题、提出问题和解决问题，以及搜集处理数据等各方面的能力，改变传统教学忽视科学探究过程，只求死记硬背的学习方式，在学生切身体会科学探究的过程中，让其体会到学习的乐趣以及对科学探究精神的领悟，增强科学意识，更可实现学科内以及学科间的整合，甚至是与实际社会生活的融和。
教学手段：数字实验的出现，也随之带来教学手段的革新，更有较多的教学手段的组合，比如数字实验、传统实验整合教学;单一的数字实验演示教学;学生数字实验教学，包括学生改进、自行设计实验等等。
教学模式：新的教学途径的介入，必将引发更多教学模式的产生，比如以“实验的数形”作为引入，整堂课以“学生讨论、分析、深入、总结”的模式;比如由传统实验和数字实验的共同辅佐，以“比较法”渗入教学，进一步强化知识点的掌握;比如实验探索模式，某些课题有了数字实验的介入，可以使探究的过程更加完整，毕竟数字实验在某些层面还有着拾漏补缺的作用，学习的完整性得以很好的体现。
随着对数字化系统应用的不断深入，笔者强烈感觉到DIS实验系统为中学化学实验教学的改进和创新开辟出一条新的发展方向。传感技术在实验教学中的合理使用，可以成为化学实验教学的一种十分有用的辅助手段。如何进一步创造性地使用这一工具，并充分发挥它的作用，我们还将继续研究和探索。
参考文献：
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[2]廖伯琴.《必修课教与学--物理》「M]北京大学出版社，2006.1
[3]蒋永贵，吴俊明.新课程背景下的数字化实验室及其在中学理科教学中的应用[J]中国电化教育，2006，11：45-48
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