數(shù)字化信息系統(tǒng)在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

宋潔 李祥培

摘 要：在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中引入DIS實驗系統(tǒng)，正確認(rèn)識DIS實驗的優(yōu)缺點，揚(yáng)長避短合理開發(fā)應(yīng)用DIS技術(shù)的化學(xué)創(chuàng)新實驗，與傳統(tǒng)化學(xué)實驗優(yōu)勢互補(bǔ)有機(jī)融合。以DIS促進(jìn)實驗教學(xué)的育人功能，促進(jìn)學(xué)生分析問題和解決問題能力的提升。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化信息系統(tǒng)；化學(xué)實驗；創(chuàng)新

作者簡介：宋潔，西南大學(xué)附屬中學(xué)校教師；李祥培，西南大學(xué)附屬中學(xué)校教師。（重慶 400700）

基金項目：本文系重慶市教育科學(xué)“十三五”2017年度規(guī)劃課題“數(shù)字化實驗在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（編號2017-10-630）的階段性研究成果。

中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）25-0067-03

數(shù)字化信息系統(tǒng)（Digital Information System ，簡稱DIS）由傳感器、數(shù)字采集器、計算機(jī)和應(yīng)用軟件組成。隨著現(xiàn)代實驗技術(shù)的革新與發(fā)展，DIS越來越多地應(yīng)用于實驗教學(xué)之中。DIS是在實驗數(shù)據(jù)的采集、傳輸和預(yù)處理方面采用傳感器和數(shù)字電路等技術(shù)，實驗數(shù)據(jù)上傳至計算機(jī)，由特定的軟件加以計算、處理，最終得出實驗結(jié)果的新型實驗教學(xué)體系[1]。傳感器可以實時記錄下溫度、PH值、壓強(qiáng)、電流、電壓、電導(dǎo)率、氣體濃度等物理量，并將其轉(zhuǎn)化成電信號；數(shù)據(jù)采集器將傳感器采集的電信號處理后輸入計算機(jī)；計算機(jī)將采集器輸入的信號通過軟件分析后顯示出來，或根據(jù)用戶需求輸出表示各物理量相互關(guān)系的數(shù)字曲線圖。DIS實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、分析實時完成，提高了實驗的精度和效率。各種傳感器可以組合使用，以滿足實驗的個性化設(shè)置需求。有調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，南京已有66.4%的學(xué)校建立了DIS實驗室，有14.3%的學(xué)校建立了兩個DIS實驗室，這說明DIS實驗正逐步受到重視。[2]以DIS及DIS實驗為關(guān)鍵詞在中國知網(wǎng)檢索，發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量逐年上升，而且中學(xué)相關(guān)研究數(shù)量呈明顯上升趨勢，DIS實驗正以其快速、精確、高效等優(yōu)勢成為當(dāng)前中學(xué)實驗教學(xué)研究中的一個熱點問題。本文對數(shù)字化信息系統(tǒng)在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

一、應(yīng)用DIS進(jìn)行中學(xué)實驗教學(xué)的優(yōu)缺點

信息技術(shù)與課程整合是我國面向21世紀(jì)基礎(chǔ)教育教學(xué)改革的新視點，既具有一定相對獨立性，又與傳統(tǒng)的教學(xué)模式有著密切聯(lián)系和繼承性。DIS實驗的實施為實驗學(xué)科教學(xué)提供了新的手段和方法，對發(fā)展學(xué)生主體性、創(chuàng)造性、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力都有著重要意義。[3]應(yīng)用DIS進(jìn)行中學(xué)實驗教學(xué)有以下優(yōu)點：

第一，拓展探究的深度。在中學(xué)大量的定性實驗中引入定量實驗，讓學(xué)生學(xué)會應(yīng)用DIS技術(shù)進(jìn)行量化實驗，從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，將對實驗現(xiàn)象的關(guān)注轉(zhuǎn)到對現(xiàn)象本質(zhì)的研究。探究深度的深化不僅可以加深學(xué)生對學(xué)科知識的理解和鞏固，重要意義在于可以通過科學(xué)研究方法的掌握培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。[4]

第二，為教學(xué)提供了多種可能。DIS優(yōu)質(zhì)的技術(shù)平臺以及可以組合使用的多種傳感器、可以個性化定制的實驗儀器為推動實驗改革創(chuàng)新、教師科研、教育改革提供了有力支撐。

第三，促進(jìn)科學(xué)與技術(shù)結(jié)合。自然科學(xué)與新技術(shù)的結(jié)合，開辟了一個實驗教學(xué)的新領(lǐng)域，為問題的解決提供了多種途徑，在提高學(xué)生綜合素質(zhì)和培養(yǎng)創(chuàng)新思維等方面發(fā)揮了重要作用。

第四，豐富課程體驗。DIS將現(xiàn)代新科技引入實驗教學(xué)，豐富了學(xué)生的實踐體驗，豐富了實驗形態(tài)，增加了新的實驗工具，對促進(jìn)教學(xué)多樣化以提升教學(xué)效果有重要意義。

但是，與傳統(tǒng)實驗相比，DIS實驗也存在一些弊病，如DIS自動化程度較高，數(shù)據(jù)的采集和處理同時在較短時間內(nèi)完成，壓縮了學(xué)生認(rèn)知、思考、理解實驗現(xiàn)象的時間，容易使學(xué)生過多關(guān)注具有新鮮感的DIS技術(shù)，而忽略對實驗現(xiàn)象本質(zhì)的關(guān)注和理解。另外，數(shù)據(jù)采集、處理、顯示由DIS儀器完成，取代了人的大部分操作，對學(xué)生觀察能力、動手能力、數(shù)據(jù)選擇以及誤差分析等方面能力的培養(yǎng)較欠缺，不能發(fā)揮出實驗原有的功能而容易使DIS實驗流于形式。因而，如何設(shè)計實驗，將DIS技術(shù)與傳統(tǒng)實驗優(yōu)化整合，最大限度地發(fā)揮它們各自優(yōu)勢，為中學(xué)實驗教學(xué)服務(wù)，是下一階段教師著重思考的方向。

二、DIS技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗在教學(xué)中占有非常重要地位。改進(jìn)實驗手段、提升實驗效果、拓展實驗的廣度和深度、培養(yǎng)創(chuàng)新思維等是新課程改革對實驗學(xué)科提出的新要求。利用數(shù)字化信息系統(tǒng)先進(jìn)的傳感技術(shù)、直觀的數(shù)據(jù)顯示功能、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能等特點，將它與傳統(tǒng)的化學(xué)實驗有機(jī)整合，創(chuàng)新化學(xué)實驗教學(xué)手段，優(yōu)化實驗教育功能，提高化學(xué)實驗效能，推動信息技術(shù)與中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的融合創(chuàng)新。

1. 介紹幾個化學(xué)學(xué)科常用的傳感器及其主要用途。

PH傳感器：用于探究不同溶液的PH值，酸堿中和滴定，測量雨水的PH值。

溫度傳感器、高溫傳感器：測量化學(xué)反應(yīng)熱，探究晶體的熔點，測量火焰的溫度，固體融化時溫度變化規(guī)律的探究。

濁度傳感器：探究澄清石灰水中通入二氧化碳時濁度的變化，探究不同水樣中的濁度，不同濃度濁液的濁度，比較樣品的沉淀率。

電導(dǎo)率傳感器：不同水樣的電導(dǎo)率比較，苯酚與飽和溴水反應(yīng)，飲水純凈度探究。

色度傳感器：探究有色溶液化學(xué)反應(yīng)的速率，測定食物中維生素C的含量。

氧傳感器：人體呼出的氣體與環(huán)境中氣體的比較。

溶氧傳感器：不同水質(zhì)的溶氧含量探究。

二氧化碳傳感器：空氣質(zhì)量評估，化學(xué)反應(yīng)中CO2產(chǎn)生的速率。

濕度傳感器：濃硫酸吸水性實驗。

滴定計數(shù)器：酸堿中和滴定，其他滴定實驗。

氧化還原傳感器：工業(yè)污水處理，水的消毒與應(yīng)用，水質(zhì)監(jiān)測。

2. DIS技術(shù)在化學(xué)實驗中的應(yīng)用實例。一是完成不能做和做不好的實驗。DIS實驗與傳統(tǒng)實驗互補(bǔ)，大幅提高了實驗效能，完成傳統(tǒng)實驗不能做或做不好的實驗，將不可見的現(xiàn)象以數(shù)字化的方式呈現(xiàn)。這一類沒有明顯實驗現(xiàn)象、只能靠死記硬背記結(jié)論的實驗，例如比較相同摩爾濃度的強(qiáng)酸和弱酸的PH值；弱酸弱堿鹽對其同類強(qiáng)酸弱堿鹽或弱酸強(qiáng)堿鹽水解的影響，當(dāng)多種因素對平衡移動有影響，哪一種影響更大，[5]這些原來只能通過理論推導(dǎo)得到的結(jié)論可以通過PH計測得，給學(xué)生更直觀更清晰的認(rèn)識。

二是需要獲得精確數(shù)值的實驗。DIS實驗直接解決傳統(tǒng)化學(xué)實驗中不能精確測量一些數(shù)據(jù)的問題。例如，用溫度傳感器測定化學(xué)反應(yīng)熱、探究晶體的熔點、火焰的溫度，用氣體傳感器測氣體的濃度、反應(yīng)速率、溶氧含量等問題。

三是課外探究活動。DIS實驗給探究性實驗提供了更大的發(fā)揮空間，它極大地擴(kuò)展了化學(xué)實驗教學(xué)的內(nèi)容，拓展了化學(xué)教學(xué)的廣度和深度，提高了學(xué)生的實驗設(shè)計能力。例如，學(xué)生可以利用DIS開展廢水處理研究、水質(zhì)監(jiān)測研究、食物中維生素C含量測定等課外研究活動。

四是需與傳統(tǒng)實驗配合的實驗。DIS技術(shù)與傳統(tǒng)的化學(xué)實驗結(jié)合，可以各取所長、優(yōu)勢互補(bǔ)，既滿足讓實驗者動手、動腦的要求，又可以實現(xiàn)精確數(shù)據(jù)測量、捕捉不可見的過程等要求。例如，驗證氯化銨晶體與氫氧化鋇晶體混合是吸熱反應(yīng)這一實驗，傳統(tǒng)實驗是用觸覺和溫度計來了解反應(yīng)的熱量變化，不能準(zhǔn)確測得反應(yīng)前后溫度變化的具體數(shù)值，DIS實驗則可以解決這一問題。但是，只用DIS實驗測量實驗數(shù)據(jù)，缺少觸覺體驗，則印象不深刻。將兩者結(jié)合，先利用DIS實驗系統(tǒng)中的溫度傳感器記錄反應(yīng)過程中的溫度變化，然后再觸摸反應(yīng)容器，直接體驗熱量變化，得到反應(yīng)體系的溫度變化具體數(shù)值，從而進(jìn)一步開展定量實驗研究。

三、利用DIS創(chuàng)新中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的意義

1. 有利于開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。將DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)引入傳統(tǒng)中學(xué)化學(xué)實驗中，使用先進(jìn)的傳感技術(shù)，利用DIS實驗?zāi)苤庇^精確地顯示實驗數(shù)據(jù)以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，以促進(jìn)學(xué)生思維能力提高。[6]化學(xué)實驗的特點是現(xiàn)象明顯、反應(yīng)迅速，當(dāng)來不及觀察變化速度太快的實驗過程和實驗現(xiàn)象時，DIS可以準(zhǔn)確、迅速、客觀真實地記錄實驗過程，讓實驗更具有說服力。還有一些不能通過實驗想象觀察到的實驗，DIS可以用數(shù)據(jù)、圖像、表格等來反應(yīng)實驗真實過程，不僅可以讓學(xué)生理解較為抽象的內(nèi)容，而且對實驗現(xiàn)象進(jìn)行多角度的認(rèn)知以及廣泛、深入的分析與研究，有利于學(xué)生進(jìn)行深層次的思考，達(dá)到常規(guī)實驗儀器達(dá)不到的效果。

2. 有助于探究性實驗的開展。當(dāng)下，探究式學(xué)習(xí)方式已經(jīng)被越來越多的教師所接受，并在教學(xué)方法、理念上做出了積極的改變，從“滿堂灌”的教學(xué)模式改為探究式，但“穿新鞋走老路”的現(xiàn)象仍然存在[7]。DIS可以快速準(zhǔn)確地測得實驗數(shù)據(jù)，同時利用計算機(jī)軟件進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)分析處理，然后輸出實驗數(shù)據(jù)和圖表，供師生進(jìn)行實驗分析，讓師生有更多精力開展實驗分析及研究，有助于探究性學(xué)習(xí)方式的推進(jìn)。不斷開發(fā)DIS實驗潛在的教學(xué)功能，探究以DIS為載體的化學(xué)研究性學(xué)習(xí)，使用控制變量法、對比實驗和空白實驗等科學(xué)實驗方法，可以提高學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的水平?？梢源龠M(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)實驗中驗證性學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃詫W(xué)習(xí)，在探究過程中促使思維的火花互相碰撞，智慧的源泉激蕩迸發(fā)。學(xué)有余力的同學(xué)還可以利用現(xiàn)代技術(shù)深入學(xué)習(xí)實驗原理，對一些常見實驗進(jìn)行改進(jìn)和探索，激發(fā)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。

3. 發(fā)揮實驗教學(xué)的綜合性功能。在實驗教學(xué)中要克服DIS實驗在觀察力、動手能力培養(yǎng)，數(shù)據(jù)處理及誤差分析能力培養(yǎng)缺乏等方面的弊病，體會科學(xué)技術(shù)和科學(xué)方法的優(yōu)缺點和局限性，讓學(xué)生建立為推動現(xiàn)代科技的發(fā)展、為人類社會的進(jìn)步發(fā)展與時俱進(jìn)的學(xué)習(xí)觀，培養(yǎng)實事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。雖然DIS實驗在目前還存在一定缺陷，但是它將計算機(jī)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等各學(xué)科綜合，展現(xiàn)了人類的聰明才智，體現(xiàn)了學(xué)科綜合的巨大意義，讓實驗科學(xué)的教育功能更加豐富。

DIS實驗無法替代傳統(tǒng)實驗在化學(xué)學(xué)習(xí)中所起的作用，但是隨著對數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，作為一種現(xiàn)代信息技術(shù)，DIS實驗系統(tǒng)將為中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的改進(jìn)和創(chuàng)新開辟出一條新的發(fā)展方向。傳感技術(shù)與化學(xué)實驗教學(xué)的有效融合，其顯著優(yōu)點必將給化學(xué)實驗教學(xué)帶來前所未有的啟發(fā)和革新。如何進(jìn)一步創(chuàng)造性地使用這一輔助工具開發(fā)其各種功能為教學(xué)服務(wù)，值得大家繼續(xù)研究和探索。

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責(zé)任編輯 羅 佳