摘 要：DIS因?yàn)椴僮鞯暮?jiǎn)便，現(xiàn)象的圖像化，讓傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可視化，從而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)微觀的感知，激發(fā)學(xué)生探究欲望，有利于拓展學(xué)生探究能力。本文通過(guò)常見(jiàn)的原電池實(shí)驗(yàn)、中和實(shí)驗(yàn)等的DIS實(shí)驗(yàn)案例，提出了可以從四個(gè)維度提高DIS拓展運(yùn)用，提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：DIS；原電池；中和反應(yīng)；拓展性案例研究

一、 DIS概述及功能介紹

DIS是數(shù)字化信息系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是指通過(guò)傳感器獲得信息，傳遞給數(shù)據(jù)采集器，由計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形處理，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的信息化。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、記錄的同時(shí)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步分析，從而把原來(lái)的只能透過(guò)表面實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行模擬解釋的實(shí)驗(yàn)直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫_的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。為化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新手段，注入了新的內(nèi)容。

其過(guò)程的直觀化，可以將化學(xué)的很多“瞬時(shí)”的反應(yīng)過(guò)程，來(lái)不及觀察但又需要解釋的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，數(shù)據(jù)、圖像、表格等多種形式來(lái)“定格”反應(yīng)的歷程，從而客觀、真實(shí)地將實(shí)驗(yàn)過(guò)程展現(xiàn)，使得實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程更加直觀化。其探究可深度化，充分體現(xiàn)了數(shù)字化傳感器的應(yīng)用，使許多原來(lái)不好做或不能做的實(shí)驗(yàn)可以呈現(xiàn)出來(lái)其歷程，測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)更真實(shí)地、客觀展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。其操作的簡(jiǎn)易化，拉進(jìn)了實(shí)驗(yàn)與學(xué)生的距離，大大簡(jiǎn)化了許多定量實(shí)驗(yàn)的操作步驟，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。其應(yīng)用的可創(chuàng)新性，不僅體現(xiàn)在于信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合的創(chuàng)新，還給學(xué)生實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)發(fā)揮想象的平臺(tái)。借助于DIS多通道的數(shù)據(jù)采集器，多種傳感器的組合使用，我們可以對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行多視角的深入分析與研究和多角度的感知，這種組合就是意味著——?jiǎng)?chuàng)新。

二、 DIS化學(xué)實(shí)驗(yàn)的拓展性運(yùn)用案例

（一） 案例一——酸堿中和滴定

酸堿中和滴定是高中化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)中的重要內(nèi)容。在我們?nèi)粘?shí)驗(yàn)中接觸較為頻繁的就是利用酚酞還有甲基橙這樣能夠直觀觀察到滴定終點(diǎn)的變色指示劑，進(jìn)一步算出堿液和酸液的濃度。由于兩種指示劑變色范圍均不是7，為了解釋在強(qiáng)酸與強(qiáng)堿的中和反應(yīng)中，兩種指示劑的選擇使用的誤差可以忽略，實(shí)際操作過(guò)程中，一般都提前將不同溶液的pH值算好，進(jìn)而利用描點(diǎn)法把pH的變化曲線(xiàn)畫(huà)出來(lái)，照著變化曲線(xiàn)對(duì)酸堿中和進(jìn)行相應(yīng)的講解。但是這個(gè)方法過(guò)于煩瑣，無(wú)法從直觀上觀察到變化，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理理解變得困難。

在使用DIS技術(shù)后，使實(shí)驗(yàn)變得簡(jiǎn)單清晰。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)pH傳感器監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中溶液pH的變化，可得如圖1標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)（用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定未知鹽酸），隨著NaOH溶液（標(biāo)準(zhǔn)液）的滴入，我們能在圖片上真切地看到，燒杯內(nèi)的pH呈現(xiàn)持續(xù)性的上漲，在滴入NaOH溶液（標(biāo)準(zhǔn)液）的起始階段，pH值在一定時(shí)間內(nèi)的變化值比后續(xù)階段?。环磻?yīng)持續(xù)一段時(shí)間后，燒杯內(nèi)的pH值接近7，pH值將會(huì)在滴定終點(diǎn)產(chǎn)生突然的變化。倘若接著向燒杯滴加若繼續(xù)加入NaOH溶液（標(biāo)準(zhǔn)液），pH值立馬上漲。DIS技術(shù)將會(huì)大幅度地提升實(shí)驗(yàn)的可觀察程度以及精確度，加深了學(xué)生對(duì)酸堿滴定原理的理解。

在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)讓學(xué)生拓展探究強(qiáng)堿滴定弱酸（標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定與鹽酸同濃度的醋酸），用雙通道同時(shí)實(shí)驗(yàn)，分別觀察兩條曲線(xiàn)變化，整理得到如圖2。通道Ⅰ為標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定與醋酸，通道Ⅱ?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定鹽酸。兩條不同的曲線(xiàn)，對(duì)比強(qiáng)烈，這是普通傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法做到的。這也引起學(xué)生極大的震撼。學(xué)生的第一反應(yīng)是，是否是實(shí)驗(yàn)誤差造成的，然而經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果依然。直觀性地比較引起了學(xué)生深入地思考，為什么突變會(huì)小呢？帶著這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)資料、小組交流與討論，最后學(xué)習(xí)到緩沖溶液的相關(guān)知識(shí)。這樣的實(shí)驗(yàn)，極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)、探究精神，對(duì)化學(xué)學(xué)科的興趣大為提高。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展到標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定草酸，得到如圖3所示的曲線(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生更深入的思考。一系列的實(shí)驗(yàn)，雖然用于實(shí)驗(yàn)時(shí)間并不長(zhǎng)，且操作簡(jiǎn)單，但是所帶來(lái)的拓展性的運(yùn)用超乎想象。

（二） 案例二——原電池實(shí)驗(yàn)

原電池實(shí)驗(yàn)也是高中化學(xué)常見(jiàn)的必做的一個(gè)重要的學(xué)習(xí)課程，事實(shí)操作上，通常選擇更換溶液以及電極等這一類(lèi)的方式，我們經(jīng)常利用更換電極或溶液等，產(chǎn)生各種各樣的配對(duì)方式，進(jìn)一步對(duì)如何形成原電池進(jìn)行分析。若是采用DIS，使用電壓傳感器，能極大地方便實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們?cè)O(shè)置了電極為銅鋅、銅鋁，電解質(zhì)溶液為稀硫酸溶液、氫氧化鈉溶液的交叉分類(lèi)探究活動(dòng)。

得到的銅鋅硫酸原電池的電壓如圖4所示，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，電壓變低。

當(dāng)將電極改為銅鋁硫酸原電池的電壓如圖5所示，這時(shí)電壓只0.3V左右，比銅鋅硫酸原電池還低。

以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，從理論上講，鋅比鋁更不活潑，銅鋁硫酸原電池的電壓要大于銅鋅硫酸原電池的電壓，但在實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻剛好相反，甚至銅鋁類(lèi)型的原電池顯示出極低的電壓。老師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行深思，將在原電池里面的電極選取傾向這一難題攻克。圖6所示為銅鋁氫氧化鈉原電池電壓變化。

DIS實(shí)驗(yàn)的引入，能夠打開(kāi)包括老師和學(xué)生在內(nèi)所有參與者的思路開(kāi)闊，將實(shí)驗(yàn)原理深深刻入學(xué)生的腦海中，而不是簡(jiǎn)單的生搬硬套，可以自行改進(jìn)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行深入拓展，充分挖掘?qū)W生的主觀能動(dòng)性，有助于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，最大限度地激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情，從而實(shí)現(xiàn)了學(xué)科素養(yǎng)中對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。

三、 DIS拓展性運(yùn)用的維度

DIS系統(tǒng)的引入讓課堂實(shí)驗(yàn)更加準(zhǔn)確，通過(guò)多種多樣的實(shí)驗(yàn)器材將實(shí)驗(yàn)過(guò)程記載下來(lái)，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中包含一些反常數(shù)據(jù)的時(shí)候，這個(gè)方法為我提供了復(fù)盤(pán)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)和條件。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)論偏離我們的預(yù)測(cè)結(jié)果，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，同學(xué)們?cè)趯?duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步反思分析這一過(guò)程中，更能加深對(duì)實(shí)驗(yàn)研究課題的思考深度，而大幅度地提升了實(shí)驗(yàn)假設(shè)和預(yù)期的預(yù)見(jiàn)性和指導(dǎo)性。這恰恰滿(mǎn)足了化學(xué)學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)里面的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一個(gè)素質(zhì)長(zhǎng)處（通過(guò)依靠證據(jù)對(duì)物質(zhì)的元素組成、立體結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的相應(yīng)變化所產(chǎn)生的有理論依據(jù)的假設(shè)，利用自身思維對(duì)這些進(jìn)行思考分析，將學(xué)生的證據(jù)思維提高；從創(chuàng)建立場(chǎng)開(kāi)始，到產(chǎn)生結(jié)論的結(jié)論以及相應(yīng)的證據(jù)之間的邏輯聯(lián)系；明白能夠依靠推理等手段深入了解實(shí)驗(yàn)對(duì)象的內(nèi)在特征和構(gòu)成元素，并了解他們之中的相互聯(lián)系，并且創(chuàng)建模型。進(jìn)一步通過(guò)創(chuàng)建的模型對(duì)化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行闡釋?zhuān)磉_(dá)出發(fā)生現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律極其本質(zhì)），以及“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”這一個(gè)素質(zhì)長(zhǎng)處（依靠科學(xué)性的發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和解釋以及應(yīng)用的動(dòng)手操作行這一角度，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究素質(zhì)培養(yǎng)；可以想到有研究意義的問(wèn)題；然后以問(wèn)題和假設(shè)為著手點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)探究獨(dú)立的試驗(yàn)方案，進(jìn)行相應(yīng)的研究；通力合作貫穿在試驗(yàn)的各個(gè)階段內(nèi)，帶著不同尋常的結(jié)果有勇氣提出個(gè)人的假設(shè)）。

在實(shí)踐操作任一步驟內(nèi)，我們認(rèn)為將DIS化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)拓展應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)，可從以下四個(gè)維度著手：

（一） 完成實(shí)驗(yàn)困難問(wèn)題的維度

教科書(shū)上傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)雖是一些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)的選擇也是受當(dāng)時(shí)條件的限制的，所以部分實(shí)驗(yàn)是有待改進(jìn)的。例如：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)的、操作較不易的、對(duì)環(huán)境有污染的、不能進(jìn)行定量的比較與分析等等。若改用DIS探究實(shí)驗(yàn)，可在一定程度上解決此類(lèi)難點(diǎn)。如可利用手持技術(shù)探究蘇教版中鐵離子與碘離子的可逆反應(yīng)限度反應(yīng)，又如通過(guò)測(cè)定密封容器中氣壓的變化以表征過(guò)氧化氫的分解速率。

（二） 探究社會(huì)熱點(diǎn)的維度

化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)中提出要培養(yǎng)學(xué)生“高度贊揚(yáng)化學(xué)對(duì)于現(xiàn)今社會(huì)前進(jìn)的重要性，懷著綠色化學(xué)以及可持續(xù)地發(fā)展意識(shí)的理念，能夠及時(shí)產(chǎn)生于化學(xué)有關(guān)的焦點(diǎn)現(xiàn)象做出積極判斷”的素養(yǎng)，利用DIS進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)攜帶方便、儀器簡(jiǎn)單，能在室外進(jìn)行，學(xué)生可以不受太多的限制，較快地對(duì)他們關(guān)注的很多社會(huì)焦點(diǎn)現(xiàn)象設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)步驟然后進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)素養(yǎng)的初衷。就像通過(guò)二氧化碳傳感器研究公車(chē)車(chē)廂之中的CO2的濃度對(duì)乘客身體健康的危害；測(cè)定不同飲料中維生素C的含量等等。

（三） 實(shí)驗(yàn)干擾因素的維度

如果僅僅獲得單一數(shù)據(jù)的前提下，進(jìn)一步探究不同影響因素?cái)?shù)據(jù)之間的相關(guān)或因果關(guān)系，對(duì)這些因素的關(guān)系進(jìn)行假設(shè)并設(shè)計(jì)驗(yàn)證，因而能拓展學(xué)生研究的全面性，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)邏輯推理和設(shè)計(jì)能力，訓(xùn)練學(xué)生探究能力的方法。DIS實(shí)驗(yàn)中，提供多種類(lèi)型的傳感器或探頭，不僅能迅速采集準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，更有利于探究多種影響因素之間的關(guān)系。如中和反應(yīng)同時(shí)有pH、溫度、電導(dǎo)等多種變化。

（四） 拓展時(shí)間空間的維度

化學(xué)是一門(mén)基于實(shí)驗(yàn)研究的學(xué)科，生活中處處都有化學(xué)現(xiàn)象。課本中的實(shí)驗(yàn)只是生活與生產(chǎn)中極少部分的實(shí)驗(yàn)。在日常生活中，常常會(huì)出現(xiàn)更多、更有趣、更會(huì)引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的化學(xué)現(xiàn)象。過(guò)去，由于化學(xué)儀器種類(lèi)繁多、操作復(fù)雜，學(xué)生若想探究某個(gè)現(xiàn)象，得先做很多的準(zhǔn)備，經(jīng)常還沒(méi)等儀器藥品準(zhǔn)備好，探究的熱度已經(jīng)下降，興趣的方向已經(jīng)轉(zhuǎn)移了。借助DIS化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)可以大大減少了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中過(guò)多過(guò)繁的實(shí)驗(yàn)基本操作，讓學(xué)生從這些操作中解脫出來(lái)，更有時(shí)間思考和探究，真正發(fā)揮學(xué)生的思維品質(zhì)，提高學(xué)生思維能力。DIS實(shí)驗(yàn)攜帶的方便、多樣的傳感器、簡(jiǎn)單的操作、清晰的結(jié)果，讓實(shí)驗(yàn)走出實(shí)驗(yàn)室，極大地發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)的空間以及時(shí)間，有利于學(xué)生輕松的對(duì)日?；顒?dòng)里面自己關(guān)心的一些問(wèn)題進(jìn)行了解。如隨時(shí)可在家里研究金魚(yú)存活的最佳條件，隨時(shí)可以測(cè)定周?chē)w的水質(zhì)、室內(nèi)空氣質(zhì)量等等。

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作者簡(jiǎn)介：

蔡天津，福建省泉州市，石獅市石光中學(xué)。