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摘要：在中學化學實驗教學中引入DIS實驗系統，正確認識DIS實驗的優缺點，揚長避短合理開發應用DIS技術的化學創新實驗，與傳統化學實驗優勢互補有機融合。以DIS促進實驗教學的育人功能，促進學生分析問題和解決問題能力的提升。
數字化信息系統（DigitalInformationSystem，簡稱DIS）由傳感器、數字采集器、計算機和應用軟件組成。隨著現代實驗技術的革新與發展，DIS越來越多地應用于實驗教學之中。DIS是在實驗數據的采集、傳輸和預處理方面采用傳感器和數字電路等技術，實驗數據上傳至計算機，由特定的軟件加以計算、處理，最終得出實驗結果的新型實驗教學體系[1]。傳感器可以實時記錄下溫度、PH值、壓強、電流、電壓、電導率、氣體濃度等物理量，并將其轉化成電信號；數據采集器將傳感器采集的電信號處理后輸入計算機；計算機將采集器輸入的信號通過軟件分析后顯示出來，或根據用戶需求輸出表示各物理量相互關系的數字曲線圖。DIS實現了數據采集、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置需求。有調查數據顯示，南京已有66.4%的學校建立了DIS實驗室，有14.3%的學校建立了兩個DIS實驗室，這說明DIS實驗正逐步受到重視。[2]以DIS及DIS實驗為關鍵詞在中國知網檢索，發表的文獻數量逐年上升，而且中學相關研究數量呈明顯上升趨勢，DIS實驗正以其快速、精確、高效等優勢成為當前中學實驗教學研究中的一個熱點問題。本文對數字化信息系統在中學化學實驗教學中的應用進行探討。
一、應用DIS進行中學實驗教學的優缺點
DIS實驗的實施為實驗學科教學提供了新的手段和方法，對發展學生主體性、創造性、培養學生創新精神和實踐能力都有著重要意義。[3]應用DIS進行中學實驗教學有以下優點：第一，拓展探究的深度。在中學大量的定性實驗中引入定量實驗，讓學生學會應用DIS技術進行量化實驗，從感性認識上升到理性認識，將對實驗現象的關注轉到對現象本質的研究。探究深度的深化不僅可以加深學生對學科知識的理解和鞏固，重要意義在于可以通過科學研究方法的掌握培養學生的科學思維。[4]第二，為教學提供了多種可能。DIS優質的技術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新、教師科研、教育改革提供了有力支撐。第三，促進科學與技術結合。自然科學與新技術的結合，開辟了一個實驗教學的新領域，為問題的解決提供了多種途徑，在提高學生綜合素質和培養創新思維等方面發揮了重要作用。第四，豐富課程體驗。DIS將現代新科技引入實驗教學，豐富了學生的實踐體驗，豐富了實驗形態，增加了新的實驗工具，對促進教學多樣化以提升教學效果有重要意義。但是，與傳統實驗相比，DIS實驗也存在一些弊病，如DIS自動化程度較高，數據的采集和處理同時在較短時間內完成，壓縮了學生認知、思考、理解實驗現象的時間，容易使學生過多關注具有新鮮感的DIS技術，而忽略對實驗現象本質的關注和理解。另外，數據采集、處理、顯示由DIS儀器完成，取代了人的大部分操作，對學生觀察能力、動手能力、數據選擇以及誤差分析等方面能力的培養較欠缺，不能發揮出實驗原有的功能而容易使DIS實驗流于形式。因而，如何設計實驗，將DIS技術與傳統實驗優化整合，最大限度地發揮它們各自優勢，為中學實驗教學服務，是下一階段教師著重思考的方向。
二、DIS技術在中學化學實驗教學中的應用
化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗在教學中占有非常重要地位。改進實驗手段、提升實驗效果、拓展實驗的廣度和深度、培養創新思維等是新課程改革對實驗學科提出的新要求。利用數字化信息系統先進的傳感技術、直觀的數據顯示功能、強大的數據處理功能等特點，將它與傳統的化學實驗有機整合，創新化學實驗教學手段，優化實驗教育功能，提高化學實驗效能，推動信息技術與中學化學實驗教學的融合創新。1.介紹幾個化學學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：測量化學反應熱，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。電導率傳感器：不同水樣的電導率比較，苯酚與飽和溴水反應，飲水純凈度探究。色度傳感器：探究有色溶液化學反應的速率，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境中氣體的比較。溶氧傳感器：不同水質的溶氧含量探究。二氧化碳傳感器：空氣質量評估，化學反應中CO2產生的速率。濕度傳感器：濃硫酸吸水性實驗。滴定計數器：酸堿中和滴定，其他滴定實驗。氧化還原傳感器：工業污水處理，水的消毒與應用，水質監測。2.DIS技術在化學實驗中的應用實例。一是完成不能做和做不好的實驗。DIS實驗與傳統實驗互補，大幅提高了實驗效能，完成傳統實驗不能做或做不好的實驗，將不可見的現象以數字化的方式呈現。這一類沒有明顯實驗現象、只能靠死記硬背記結論的實驗，例如比較相同摩爾濃度的強酸和弱酸的PH值；弱酸弱堿鹽對其同類強酸弱堿鹽或弱酸強堿鹽水解的影響，當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得到的結論可以通過PH計測得，給學生更直觀更清晰的認識。二是需要獲得精確數值的實驗。DIS實驗直接解決傳統化學實驗中不能精確測量一些數據的問題。例如，用溫度傳感器測定化學反應熱、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揮空間，它極大地擴展了化學實驗教學的內容，拓展了化學教學的廣度和深度，提高了學生的實驗設計能力。例如，學生可以利用DIS開展廢水處理研究、水質監測研究、食物中維生素C含量測定等課外研究活動。四是需與傳統實驗配合的實驗。DIS技術與傳統的化學實驗結合，可以各取所長、優勢互補，既滿足讓實驗者動手、動腦的要求，又可以實現精確數據測量、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這一實驗，傳統實驗是用觸覺和溫度計來了解反應的熱量變化，不能準確測得反應前后溫度變化的具體數值，DIS實驗則可以解決這一問題。但是，只用DIS實驗測量實驗數據，缺少觸覺體驗，則印象不深刻。將兩者結合，先利用DIS實驗系統中的溫度傳感器記錄反應過程中的溫度變化，然后再觸摸反應容器，直接體驗熱量變化，得到反應體系的溫度變化具體數值，從而進一步開展定量實驗研究。
三、利用DIS創新中學化學實驗教學的意義
1.有利于開發學生的創新思維能力。將DIS數字化實驗系統引入傳統中學化學實驗中，使用先進的傳感技術，利用DIS實驗能直觀精確地顯示實驗數據以及強大的數據處理功能，以促進學生思維能力提高。[6]化學實驗的特點是現象明顯、反應迅速，當來不及觀察變化速度太快的實驗過程和實驗現象時，DIS可以準確、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可以用數據、圖像、表格等來反應實驗真實過程，不僅可以讓學生理解較為抽象的內容，而且對實驗現象進行多角度的認知以及廣泛、深入的分析與研究，有利于學生進行深層次的思考，達到常規實驗儀器達不到的效果。2.有助于探究性實驗的開展。當下，探究式學習方式已經被越來越多的教師所接受，并在教學方法、理念上做出了積極的改變，從“滿堂灌”的教學模式改為探究式，但“穿新鞋走老路”的現象仍然存在[7]。DIS可以快速準確地測得實驗數據，同時利用計算機軟件進行快速的數據分析處理，然后輸出實驗數據和圖表，供師生進行實驗分析，讓師生有更多精力開展實驗分析及研究，有助于探究性學習方式的推進。不斷開發DIS實驗潛在的教學功能，探究以DIS為載體的化學研究性學習，使用控制變量法、對比實驗和空白實驗等科學實驗方法，可以提高學生研究性學習的水平?？梢源龠M學生學習方式的轉變，由傳統實驗中驗證性學習方式轉變為探究性學習，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。學有余力的同學還可以利用現代技術深入學習實驗原理，對一些常見實驗進行改進和探索，激發化學學習的興趣。3.發揮實驗教學的綜合性功能。在實驗教學中要克服DIS實驗在觀察力、動手能力培養，數據處理及誤差分析能力培養缺乏等方面的弊病，體會科學技術和科學方法的優缺點和局限性，讓學生建立為推動現代科技的發展、為人類社會的進步發展與時俱進的學習觀，培養實事求是、嚴肅認真的科學態度。雖然DIS實驗在目前還存在一定缺陷，但是它將計算機、數學、物理、化學、生物等各學科綜合，展現了人類的聰明才智，體現了學科綜合的巨大意義，讓實驗科學的教育功能更加豐富。DIS實驗無法替代傳統實驗在化學學習中所起的作用，但是隨著對數字化系統應用的不斷深入，作為一種現代信息技術，DIS實驗系統將為中學化學實驗教學的改進和創新開辟出一條新的發展方向。傳感技術與化學實驗教學的有效融合，其顯著優點必將給化學實驗教學帶來前所未有的啟發和革新。如何進一步創造性地使用這一輔助工具開發其各種功能為教學服務，值得大家繼續研究和探索。
參考文獻：
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[7]王志春，丁林俐．課程基地催生化學生態課堂［J］．化學教與學，2016，（7）：65－66＋72.
作者:宋潔 李祥培
