DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀研究

劉琦

摘要：分析DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，其應(yīng)用問題包括：應(yīng)用頻率有待增加，應(yīng)用時(shí)機(jī)適切性有待提升以及應(yīng)用重心有待明確。針對(duì)應(yīng)用問題，提出教師需把握DIS應(yīng)用時(shí)機(jī)的適切性以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足，合理利用DIS圖像功能以增強(qiáng)學(xué)生圖像分析能力，明確DIS應(yīng)用重心以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究思維，從而提升DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：DIS；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；現(xiàn)狀研究

文章編號(hào)：1005–6629（2015）4–0020–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

數(shù)字化信息系統(tǒng)（Digital Information System，以下簡(jiǎn)稱“DIS”）是在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，集合傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件四類組件構(gòu)成的一種新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。DIS通過教育部2006年7月頒布的《中小學(xué)理科實(shí)驗(yàn)室裝備規(guī)范》首次被列入儀器裝備標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹了DIS的構(gòu)成與工作原理，分析了DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中存在的問題，在此基礎(chǔ)上提出了提升DIS應(yīng)用效果的建議。

1 DIS的構(gòu)成和工作原理

DIS是集合了傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息技術(shù)彌補(bǔ)了現(xiàn)有化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，成功地克服了現(xiàn)有化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端，全面整合了信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.1 DIS的構(gòu)成

DIS的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個(gè)部分，如圖1所示。其中硬件部分包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和傳感器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)分析和處理；數(shù)據(jù)采集器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置將傳感器采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)傳感器和計(jì)算機(jī)的對(duì)接；傳感器是將各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求不同可選用不同的傳感器，例如溫度、壓強(qiáng)、酸度等傳感器以及用于測(cè)定化學(xué)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣態(tài)二氧化碳濃度的二氧化碳傳感器等。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)儀器相比，傳感器品種多、技術(shù)新、功能強(qiáng)、性能可靠[1]，在保障實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性、穩(wěn)定性和可靠性等方面都有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

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(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，輸出實(shí)驗(yàn)所需的各種數(shù)據(jù)和圖表。教材專用軟件根據(jù)化學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)量身制定，幾乎涵蓋了中學(xué)教材中的大部分實(shí)驗(yàn)，更貼近課堂教學(xué)；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(duì)比和擬合曲線等，更適用于進(jìn)行探究性的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2]。

1.2 DIS的工作原理

DIS利用各種傳感器收集實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的模擬信號(hào)，再通過數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)，并反饋到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，利用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要把傳感器和數(shù)據(jù)采集器連接在一起，然后通過計(jì)算機(jī)上相應(yīng)的接口將數(shù)據(jù)采集器連接到計(jì)算機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)配套的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)置后開展實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)過程中計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和傳感器的介入，可以更加準(zhǔn)確快速地獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，根據(jù)需要輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖表，便于師生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，從而節(jié)省了時(shí)間，降低了化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過程中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)性，有利于師生將更多精力用于結(jié)果分析和探索性的學(xué)習(xí)[3]。

通過以上分析可以看出，DIS技術(shù)具備多類型的傳感器和多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、強(qiáng)大的函數(shù)圖像功能和數(shù)據(jù)處理功能，以及先進(jìn)的現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，使得學(xué)生能夠更好地理解化學(xué)原理，分析化學(xué)過程，同時(shí)DIS技術(shù)的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的條件限制，有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索的思維。

2 DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用問題

在DIS受到越來越多教育者認(rèn)可的趨勢(shì)下，其應(yīng)用的一些問題也逐漸暴露出來。通過分析DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，其應(yīng)用問題主要表現(xiàn)為應(yīng)用頻率有待增加，應(yīng)用時(shí)機(jī)的適切性有待提升以及應(yīng)用重心有待明確三個(gè)方面。

2.1 應(yīng)用頻率有待增加

DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用使得化學(xué)原理的推導(dǎo)更為生動(dòng)，有利于學(xué)生加深對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，但從整體上看，DIS的應(yīng)用頻率仍有待增加。DIS將抽象概念具體化，化學(xué)現(xiàn)象可視化，以及不易實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)操作化，達(dá)到了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。例如，氫氧化亞鐵的制備與保存這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，主要是讓學(xué)生了解氫氧化亞鐵被氧化的實(shí)質(zhì)以及如何去除氧化性物質(zhì)的影響。然而，為了使學(xué)生更為直觀地認(rèn)識(shí)溶解氧的影響，實(shí)際測(cè)量溶液中的溶解氧就顯得十分有必要。在常規(guī)教學(xué)中，教師往往僅停留在直接將結(jié)論以說教的方式灌輸給學(xué)生，但是DIS的引入則使得學(xué)生可以通過溶解氧傳感器簡(jiǎn)單方便地檢測(cè)水中溶解氧的變化，從而加深對(duì)該原理的理解與記憶，并實(shí)現(xiàn)對(duì)相似原理推導(dǎo)的舉一反三。

目前，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用DIS的頻率較高，而經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)DIS的應(yīng)用頻率還有待增加。一些學(xué)校僅將DIS實(shí)驗(yàn)用于少量的教學(xué)展示中，并沒有充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)，未能較好地服務(wù)于實(shí)際教學(xué)。造成DIS在中國(guó)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用頻率不高這一現(xiàn)狀主要有三方面的原因：從客觀上來講，一套完整的DIS裝備費(fèi)用昂貴；而主觀方面，受到中國(guó)教育考試機(jī)制的制約，高中生面臨的最為迫切的學(xué)習(xí)任務(wù)是應(yīng)對(duì)考試，從而在“高考”中取得理想的成績(jī)。在這種急功近利的觀念影響下，化學(xué)教學(xué)中更為強(qiáng)調(diào)學(xué)生的理論學(xué)習(xí)而忽視實(shí)驗(yàn)教學(xué)給學(xué)生帶來的實(shí)踐能力與探究思維的培養(yǎng)，在這類高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)尚且流于形式，DIS技術(shù)的應(yīng)用更是可見一斑了；此外，DIS對(duì)于多數(shù)化學(xué)教師來說仍是一個(gè)新事物，教師能否完全消化DIS的工作原理，掌握操作DIS的技術(shù)以及創(chuàng)造性地應(yīng)用DIS的能力，對(duì)是否能充分發(fā)揮DIS優(yōu)勢(shì)起著至關(guān)重要的作用。

2.2 應(yīng)用時(shí)機(jī)的適切性有待提升

數(shù)字化學(xué)習(xí)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)代信息技術(shù)成為了時(shí)下炙手可熱的香餑餑，有些省、市重點(diǎn)學(xué)校認(rèn)識(shí)到DIS的優(yōu)勢(shì)后斥巨資將其應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中，但對(duì)DIS應(yīng)用時(shí)機(jī)適切性的把握還有待提升。

有些教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，尤其是開公開課時(shí)，喜歡用DIS完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)因其自身經(jīng)典價(jià)值在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中長(zhǎng)久以來占據(jù)重要地位，其側(cè)重于實(shí)驗(yàn)過程的具體操作、常用儀器的使用規(guī)范以及對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的細(xì)致觀察。即使是在數(shù)字化的今天，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仍能夠很好地完成化學(xué)知識(shí)點(diǎn)教學(xué)，使用DIS方法反而會(huì)使學(xué)生陷入繁縟的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，將簡(jiǎn)單的操作步驟復(fù)雜化。例如，為了增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生近似處理問題的科學(xué)思維，利用pH試紙、pH計(jì)或酸堿指示劑都能快速判定不同溶液的酸堿性，并能觀察到顏色的變化，使學(xué)生產(chǎn)生感性的認(rèn)識(shí)，因此沒有必要使用DIS技術(shù)。

而在真正應(yīng)用DIS時(shí)，有時(shí)又沒有較好地發(fā)揮其能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足的優(yōu)勢(shì)。雖然高中化學(xué)教材中大多數(shù)物質(zhì)性質(zhì)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)仍然離不開傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，而定性實(shí)驗(yàn)是否能進(jìn)一步深化，則受到實(shí)驗(yàn)方法與儀器的限制。DIS中傳感器能夠?qū)⑻綔y(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，例如，它可以實(shí)現(xiàn) 0.1微安的電流檢測(cè)，對(duì)CO2的濃度測(cè)量可以細(xì)微到0.lppm[4]，因此，這些精確的度量突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的定性局限。以原電池工作原理探究實(shí)驗(yàn)為例，采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法如借助電流表或電流計(jì)來觀察是否有電流產(chǎn)生，因水果電池的電流較小，儀器指針偏轉(zhuǎn)基本觀察不出來，還可能因讀數(shù)角度存在偏差導(dǎo)致讀數(shù)的不準(zhǔn)確，強(qiáng)制使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法反而適得其反。此時(shí)則可以運(yùn)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，讓學(xué)生通過圖像分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，即水果pH越大，電流越??；pH越小，電流越大。

2.3 應(yīng)用重心有待明確

DIS的應(yīng)用重心在于促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究思維，使得受到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法限制而不能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)得以完成。然而，由于DIS仍是一個(gè)新生事物，不同的教師在應(yīng)用DIS時(shí)的重心也有所不同，有時(shí)就出現(xiàn)重心不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。

例如，在化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量變化的實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的做法是將鎂片與鹽酸進(jìn)行混合并置于實(shí)驗(yàn)容器中，通過學(xué)生觸摸容器外壁感受其產(chǎn)生的熱量。引入DIS則可以通過溫度傳感器測(cè)量其溫度，并獲得溫度變化的曲線圖。事實(shí)上在該實(shí)驗(yàn)中，DIS的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)并不明顯，因?yàn)槠渫瓿闪艘豁?xiàng)用手即可以感覺的工作。

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，大部分時(shí)間用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，因而限制了學(xué)生思考并提出問題的時(shí)間。而在應(yīng)用DIS的過程中，30%的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，20%的時(shí)間用于數(shù)據(jù)處理，50%的時(shí)間可實(shí)施探索研究[5]。此外，DIS的精確度和靈敏度較高，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量與數(shù)據(jù)錄入的同步，因此為學(xué)生再認(rèn)識(shí)生活中不易測(cè)量的化學(xué)現(xiàn)象提供了可能，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出預(yù)測(cè)、判斷、質(zhì)疑、反思和驗(yàn)證，從而科學(xué)地概括、推理、類比研究結(jié)論和化學(xué)原理，換言之，在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生的探究思維一直處于活躍狀態(tài)，這無疑是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神的良好途徑。而就目前來看，DIS在發(fā)展學(xué)生思維方面的功能并沒有得到充分體現(xiàn)。

3 提升DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用效果的建議

雖然DIS在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用中存在一些問題，但總體而言，DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。分析DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用問題并提出有效的建議，有助于將DIS更好地應(yīng)用到高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提高教學(xué)效果。

3.1 把握DIS應(yīng)用時(shí)機(jī)的適切性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足

當(dāng)涉及到“有什么現(xiàn)象”、“是否有某一現(xiàn)象”的定性實(shí)驗(yàn)時(shí)，多采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法。而涉及到具體的數(shù)據(jù)分析以探究“有多少”的定量實(shí)驗(yàn)時(shí)，則可以利用DIS進(jìn)行進(jìn)一步的探究。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生觀察能力和基本實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)方面的功能，并不能被DIS在數(shù)據(jù)采集和分析上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)所替代。例如，在探究酒精燈火焰三部分溫度的實(shí)驗(yàn)中，更多的需要現(xiàn)象觀察，只需要將火柴梗分別放在火焰的不同位置就能夠明顯地得出答案[6]，并不需要利用DIS進(jìn)行定量的探索。

然而，在中學(xué)階段利用氫氧化鈉與硫酸探究酸堿中和反應(yīng)的定量實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法主要是利用酸堿指示劑來確定滴定的終點(diǎn)，由于學(xué)生難以把握對(duì)終點(diǎn)的估計(jì)，易造成較大的誤差。此時(shí)采用DIS就能很好地解決這一問題，通過數(shù)據(jù)采集器收集光電門、pH、電導(dǎo)率等傳感器的信號(hào)，轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析得到硫酸滴定氫氧化鈉的pH變化曲線圖，不僅直觀展示了pH在中和滴定過程中的變化，還能夠避免指示劑判斷難點(diǎn)，減少實(shí)驗(yàn)誤差。此外，通過稀硫酸與氫氧化鈉溶液反應(yīng)過程中的電導(dǎo)率隨時(shí)間變化的曲線，實(shí)時(shí)展現(xiàn)溶液中離子的導(dǎo)電情況，直接反映溶液離子濃度變化的情況，使學(xué)生能夠更加直觀地體會(huì)出溶液中離子“量”變化的問題[7]。因而在DIS應(yīng)用的過程中需要教師靈活把握DIS應(yīng)用時(shí)機(jī)的適切性，在需要定量探索的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用DIS，并與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，提升DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用效果。

3.2 充分利用DIS圖像功能，促進(jìn)學(xué)生理解知識(shí)

DIS強(qiáng)大的函數(shù)圖像處理功能，能夠?qū)?shí)驗(yàn)過程中各種指標(biāo)在各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的變化通過圖像反映出來，有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的把握，增強(qiáng)學(xué)生圖像分析能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般只能記錄下實(shí)驗(yàn)的結(jié)果值，DIS則以微分思想將實(shí)驗(yàn)過程劃分為若干節(jié)點(diǎn)，采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)和軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集和處理，并以各種函數(shù)圖像的形式呈現(xiàn)。

利用DIS特有的函數(shù)圖像功能，教師能夠引導(dǎo)學(xué)生更好地分析定量化與可視化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如在原電池工作原理探究實(shí)驗(yàn)中的電流曲線，學(xué)生可以通過DIS直觀的函數(shù)圖像，清晰地觀察到不同電極材料和電解液下原電池電流曲線的變化如圖2和圖3，從而得出原電池能夠產(chǎn)生電流的條件之一，是要有金屬活動(dòng)性順序不同的兩個(gè)電極材料。

3.3 明確DIS應(yīng)用重心，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究思維

在DIS的應(yīng)用過程中，教師需要明確DIS的應(yīng)用重心，致力于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的思維。DIS通過各種傳感器和數(shù)據(jù)采集器收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，教師在應(yīng)用DIS的過程中可以將更多的精力放在探索研究上，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測(cè)、判斷、質(zhì)疑、反思和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，激發(fā)學(xué)生的探究思維。在上述探究原電池工作原理和組成條件的實(shí)驗(yàn)中，教師還能夠進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生探究在相同條件下，所用電極的面積、兩電極之間的距離等因素對(duì)電流大小的影響等一系列問題[8]。針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的問題，鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，親自利用DIS開展實(shí)驗(yàn)，對(duì)自己的假設(shè)和猜想進(jìn)行驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究思維。

除此之外，教師還可以利用DIS在實(shí)驗(yàn)過程中收集的不同實(shí)驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)，將重心放在引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度分析同一化學(xué)問題上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究思維。在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，可以利用DIS測(cè)得色度、溫度、pH、電流強(qiáng)度、電導(dǎo)率、壓強(qiáng)等更多的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，這些指標(biāo)能夠引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度探究同一個(gè)化學(xué)問題，不僅能夠拓寬處理問題的角度，同時(shí)也為學(xué)生科學(xué)探究思維的培養(yǎng)提供實(shí)踐機(jī)會(huì)。

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