DIS在高中化学教学中拓展性运用的案例研究

摘 要：DIS因為操作的简便，现象的图像化，让传统实验可视化，从而增强学生对微观的感知，激发学生探究欲望，有利于拓展学生探究能力。本文通过常见的原电池实验、中和实验等的DIS实验案例，提出了可以从四个维度提高DIS拓展运用，提高学生的化学学科素养。

关键词：DIS；原电池；中和反应；拓展性案例研究

一、 DIS概述及功能介绍

DIS是数字化信息系统的简称，它是指通过传感器获得信息，传递给数据采集器，由计算机对信息进行数据和图形处理，从而实现了实验过程的信息化。在系统实现了实验数据的采集、记录的同时，对相关数据进行同步分析，从而把原来的只能透过表面实验现象进行模拟解释的实验直接转变为精确的实验数据呈现。为化学的实验教学提供了新手段，注入了新的内容。

其过程的直观化，可以将化学的很多“瞬时”的反应过程，来不及观察但又需要解释的实验数据记录下来，数据、图像、表格等多种形式来“定格”反应的历程，从而客观、真实地将实验过程展现，使得实验进行过程更加直观化。其探究可深度化，充分体现了数字化传感器的应用，使许多原来不好做或不能做的实验可以呈现出来其历程，测出来的数据更真实地、客观展现实验过程。其操作的简易化，拉进了实验与学生的距离，大大简化了许多定量实验的操作步骤，提高了实验数据的精准性。其应用的可创新性，不仅体现在于信息技术与传统实验的整合的创新，还给学生实验提供一个发挥想象的平台。借助于DIS多通道的数据采集器，多种传感器的组合使用，我们可以对实验现象进行多视角的深入分析与研究和多角度的感知，这种组合就是意味着——创新。

二、 DIS化学实验的拓展性运用案例

（一） 案例一——酸碱中和滴定

酸碱中和滴定是高中化学定量实验中的重要内容。在我们日常实验中接触较为频繁的就是利用酚酞还有甲基橙这样能够直观观察到滴定终点的变色指示剂，进一步算出碱液和酸液的浓度。由于两种指示剂变色范围均不是7，为了解释在强酸与强碱的中和反应中，两种指示剂的选择使用的误差可以忽略，实际操作过程中，一般都提前将不同溶液的pH值算好，进而利用描点法把pH的变化曲线画出来，照着变化曲线对酸碱中和进行相应的讲解。但是这个方法过于烦琐，无法从直观上观察到变化，导致学生对实验原理理解变得困难。

在使用DIS技术后，使实验变得简单清晰。实验过程中，通过pH传感器监测反应过程中溶液pH的变化，可得如图1标准曲线（用标准氢氧化钠滴定未知盐酸），随着NaOH溶液（标准液）的滴入，我们能在图片上真切地看到，烧杯内的pH呈现持续性的上涨，在滴入NaOH溶液（标准液）的起始阶段，pH值在一定时间内的变化值比后续阶段小；反应持续一段时间后，烧杯内的pH值接近7，pH值将会在滴定终点产生突然的变化。倘若接着向烧杯滴加若继续加入NaOH溶液（标准液），pH值立马上涨。DIS技术将会大幅度地提升实验的可观察程度以及精确度，加深了学生对酸碱滴定原理的理解。

在此实验基础上，设计让学生拓展探究强碱滴定弱酸（标准氢氧化钠滴定与盐酸同浓度的醋酸），用双通道同时实验，分别观察两条曲线变化，整理得到如图2。通道Ⅰ为标准氢氧化钠滴定与醋酸，通道Ⅱ为标准氢氧化钠滴定盐酸。两条不同的曲线，对比强烈，这是普通传统实验无法做到的。这也引起学生极大的震撼。学生的第一反应是，是否是实验误差造成的，然而经过多次实验，发现结果依然。直观性地比较引起了学生深入地思考，为什么突变会小呢？带着这个问题，学生通过查阅相关资料、小组交流与讨论，最后学习到缓冲溶液的相关知识。这样的实验，极大提高学生学习主动性、积极性同时，培养学生自学、探究精神，对化学学科的兴趣大为提高。

在此基础上，进一步拓展到标准氢氧化钠滴定草酸，得到如图3所示的曲线，引导学生更深入的思考。一系列的实验，虽然用于实验时间并不长，且操作简单，但是所带来的拓展性的运用超乎想象。

（二） 案例二——原电池实验

原电池实验也是高中化学常见的必做的一个重要的学习课程，事实操作上，通常选择更换溶液以及电极等这一类的方式，我们经常利用更换电极或溶液等，产生各种各样的配对方式，进一步对如何形成原电池进行分析。若是采用DIS，使用电压传感器，能极大地方便实验。

在实验过程中，我们设置了电极为铜锌、铜铝，电解质溶液为稀硫酸溶液、氢氧化钠溶液的交叉分类探究活动。

得到的铜锌硫酸原电池的电压如图4所示，随着反应的进行，电压变低。

当将电极改为铜铝硫酸原电池的电压如图5所示，这时电压只0.3V左右，比铜锌硫酸原电池还低。

以上两个实验进行比较，从理论上讲，锌比铝更不活泼，铜铝硫酸原电池的电压要大于铜锌硫酸原电池的电压，但在实验的检测中，实验结果却刚好相反，甚至铜铝类型的原电池显示出极低的电压。老师应该鼓励学生对该现象进行深思，将在原电池里面的电极选取倾向这一难题攻克。图6所示为铜铝氢氧化钠原电池电压变化。

DIS实验的引入，能够打开包括老师和学生在内所有参与者的思路开阔，将实验原理深深刻入学生的脑海中，而不是简单的生搬硬套，可以自行改进实验并进行深入拓展，充分挖掘学生的主观能动性，有助于增强学生的实验设计能力，最大限度地激发学生对化学实验的兴趣和热情，从而实现了学科素养中对学生创新能力培养的要求。

三、 DIS拓展性运用的维度

DIS系统的引入让课堂实验更加准确，通过多种多样的实验器材将实验过程记载下来，在实验数据中包含一些反常数据的时候，这个方法为我提供了复盘整个实验的机会和条件。如果实验结论偏离我们的预测结果，当实验结果时，同学们在对实验数据的进一步反思分析这一过程中，更能加深对实验研究课题的思考深度，而大幅度地提升了实验假设和预期的预见性和指导性。这恰恰满足了化学学科培养目标里面的“证据推理与模型认知”这一个素质长处（通过依靠证据对物质的元素组成、立体结构和产生的相应变化所产生的有理论依据的假设，利用自身思维对这些进行思考分析，将学生的证据思维提高；从创建立场开始，到产生结论的结论以及相应的证据之间的逻辑联系；明白能够依靠推理等手段深入了解实验对象的内在特征和构成元素，并了解他们之中的相互联系，并且创建模型。进一步通过创建的模型对化学现象进行阐释，表达出发生现象的内在规律极其本质），以及“科学探究与创新意识”这一个素质长处（依靠科学性的发现、创造和解释以及应用的动手操作行这一角度，对学生进行科学探究素质培养；可以想到有研究意义的问题；然后以问题和假设为着手点，通过设计探究独立的试验方案，进行相应的研究；通力合作贯穿在试验的各个阶段内，带着不同寻常的结果有勇气提出个人的假设）。

在实践操作任一步骤内，我们认为将DIS化学探究实验拓展应用于化学教学，可从以下四个维度着手：

（一） 完成实验困难问题的维度

教科书上传统实验虽是一些经典实验，但是实验的选择也是受当时条件的限制的，所以部分实验是有待改进的。例如：在实验过程中会产生实验危险的、操作较不易的、对环境有污染的、不能进行定量的比较与分析等等。若改用DIS探究实验，可在一定程度上解决此类难点。如可利用手持技术探究苏教版中铁离子与碘离子的可逆反应限度反应，又如通过测定密封容器中气压的变化以表征过氧化氢的分解速率。

（二） 探究社会热点的维度

化学学科素养中提出要培养学生“高度赞扬化学对于现今社会前进的重要性，怀着绿色化学以及可持续地发展意识的理念，能够及时产生于化学有关的焦点现象做出积极判断”的素养，利用DIS进行的实验携带方便、仪器简单，能在室外进行，学生可以不受太多的限制，较快地对他们关注的很多社会焦点现象设计出实验步骤然后进行研究，从而实现培养素养的初衷。就像通过二氧化碳传感器研究公车车厢之中的CO2的浓度对乘客身体健康的危害；测定不同饮料中维生素C的含量等等。

（三） 实验干扰因素的维度

如果仅仅获得单一数据的前提下，进一步探究不同影响因素数据之间的相关或因果关系，对这些因素的关系进行假设并设计验证，因而能拓展学生研究的全面性，提高学生实验逻辑推理和设计能力，训练学生探究能力的方法。DIS实验中，提供多种类型的传感器或探头，不仅能迅速采集准确的测量数据，更有利于探究多种影响因素之间的关系。如中和反应同时有pH、温度、电导等多种变化。

（四） 拓展时间空间的维度

化学是一门基于实验研究的学科，生活中处处都有化学现象。课本中的实验只是生活与生产中极少部分的实验。在日常生活中，常常会出现更多、更有趣、更会引起学生学习兴趣的化学现象。过去，由于化学仪器种类繁多、操作复杂，学生若想探究某个现象，得先做很多的准备，经常还没等仪器药品准备好，探究的热度已经下降，兴趣的方向已经转移了。借助DIS化学探究实验可以大大减少了传统的实验中过多过繁的实验基本操作，让学生从这些操作中解脱出来，更有时间思考和探究，真正发挥学生的思维品质，提高学生思维能力。DIS实验携带的方便、多样的传感器、简单的操作、清晰的结果，让实验走出实验室，极大地发挥了实验的空间以及时间，有利于学生轻松的对日常活动里面自己关心的一些问题进行了解。如随时可在家里研究金鱼存活的最佳条件，随时可以测定周围水体的水质、室内空气质量等等。

参考文献：

[1]蔡天津.DIS在中學理科实验中的功能研究[J].中学教学参考，2016（10）.

[2]沈燕萍.DIS探究催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响[J].化学教与学，2013（7）.

[3]钱扬义，邓峰.数字化化学探究实验室的建设与学生探究能力的培养[J].中国电化教育，2006（11）：49-52.

作者简介：

蔡天津，福建省泉州市，石狮市石光中学。