DIS在高中化学实验教学中的应用现状研究

刘琦

摘要：分析DIS在高中化学实验教学中的应用现状，其应用问题包括：应用频率有待增加，应用时机适切性有待提升以及应用重心有待明确。针对应用问题，提出教师需把握DIS应用时机的适切性以弥补传统实验不足，合理利用DIS图像功能以增强学生图像分析能力，明确DIS应用重心以培养学生科学探究思维，从而提升DIS在高中化学实验教学中的应用效果。

关键词：DIS；化学实验；实验教学；现状研究

文章编号：1005–6629（2015）4–0020–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

数字化信息系统（Digital Information System，以下简称“DIS”）是在现有实验设备的基础上，集合传感器、数据采集器、计算机和应用软件四类组件构成的一种新型实验系统。DIS通过教育部2006年7月颁布的《中小学理科实验室装备规范》首次被列入仪器装备标准。本文介绍了DIS的构成与工作原理，分析了DIS在高中化学实验教学应用中存在的问题，在此基础上提出了提升DIS应用效果的建议。

1 DIS的构成和工作原理

DIS是集合了传感器、数据采集器、计算机和应用软件的新型实验系统。该系统利用现代信息技术弥补了现有化学实验教学的不足，成功地克服了现有化学实验仪器的诸多弊端，全面整合了信息技术与化学实验教学。

1.1 DIS的构成

DIS的实验系统分为硬件和软件两个部分，如图1所示。其中硬件部分包括计算机、数据采集器和传感器。计算机系统主要用于数据分析和处理；数据采集器通过模数转换装置将传感器采集到的电信号转换为计算机能识别的二进制信号并传输到计算机，实现传感器和计算机的对接；传感器是将各种化学实验的指标转换成模拟信号，根据实验要求不同可选用不同的传感器，例如温度、压强、酸度等传感器以及用于测定化学实验中产生的气态二氧化碳浓度的二氧化碳传感器等。与传统的数据采集实验仪器相比，传感器品种多、技术新、功能强、性能可靠[1]，在保障实验数据的精确性、稳定性和可靠性等方面都有不可替代的优势。

DIS的软件分为教材专用软件和教材通用软件两种，主要用于进行实验数据分析，输出实验所需的各种数据和图表。教材专用软件根据化学教材中的实验量身制定，几乎涵盖了中学教材中的大部分实验，更贴近课堂教学；而通用的教材软件，则能够自定义更多的拓展功能，如分析、对比和拟合曲线等，更适用于进行探究性的化学实验教学[2]。

1.2 DIS的工作原理

DIS利用各种传感器收集实验指标的模拟信号，再通过数据采集器转换为数据信号，并反馈到计算机系统中，利用专业软件进行数据处理和分析。在进行实验时，需要把传感器和数据采集器连接在一起，然后通过计算机上相应的接口将数据采集器连接到计算机，同时启动配套的计算机软件进行设置后开展实验。由于实验过程中计算机、数据采集器和传感器的介入，可以更加准确快速地获取实验数据，并利用计算机软件进行数据的分析处理，根据需要输出实验数据和图表，便于师生进行实验分析，从而节省了时间，降低了化学实验操作过程中可能出现的危险性，有利于师生将更多精力用于结果分析和探索性的学习[3]。

通过以上分析可以看出，DIS技术具备多类型的传感器和多通道的数据采集系统、强大的函数图像功能和数据处理功能，以及先进的现代信息技术的应用，使得学生能够更好地理解化学原理，分析化学过程，同时DIS技术的应用突破了传统实验的条件限制，有利于培养学生科学探索的思维。

2 DIS在高中化学实验教学中的应用问题

在DIS受到越来越多教育者认可的趋势下，其应用的一些问题也逐渐暴露出来。通过分析DIS在高中化学实验教学中的应用现状，其应用问题主要表现为应用频率有待增加，应用时机的适切性有待提升以及应用重心有待明确三个方面。

2.1 应用频率有待增加

DIS在高中化学实验教学中的应用使得化学原理的推导更为生动，有利于学生加深对化学知识的理解，但从整体上看，DIS的应用频率仍有待增加。DIS将抽象概念具体化，化学现象可视化，以及不易实现的实验操作化，达到了良好的实验教学效果。例如，氢氧化亚铁的制备与保存这个知识点，主要是让学生了解氢氧化亚铁被氧化的实质以及如何去除氧化性物质的影响。然而，为了使学生更为直观地认识溶解氧的影响，实际测量溶液中的溶解氧就显得十分有必要。在常规教学中，教师往往仅停留在直接将结论以说教的方式灌输给学生，但是DIS的引入则使得学生可以通过溶解氧传感器简单方便地检测水中溶解氧的变化，从而加深对该原理的理解与记忆，并实现对相似原理推导的举一反三。

目前，经济发达地区应用DIS的频率较高，而经济欠发达地区DIS的应用频率还有待增加。一些学校仅将DIS实验用于少量的教学展示中，并没有充分发挥其自身优势，未能较好地服务于实际教学。造成DIS在中国高中化学实验教学中应用频率不高这一现状主要有三方面的原因：从客观上来讲，一套完整的DIS装备费用昂贵；而主观方面，受到中国教育考试机制的制约，高中生面临的最为迫切的学习任务是应对考试，从而在“高考”中取得理想的成绩。在这种急功近利的观念影响下，化学教学中更为强调学生的理论学习而忽视实验教学给学生带来的实践能力与探究思维的培养，在这类高中实验教学中，传统实验尚且流于形式，DIS技术的应用更是可见一斑了；此外，DIS对于多数化学教师来说仍是一个新事物，教师能否完全消化DIS的工作原理，掌握操作DIS的技术以及创造性地应用DIS的能力，对是否能充分发挥DIS优势起着至关重要的作用。

2.2 应用时机的适切性有待提升

数字化学习和数字化实验等现代信息技术成为了时下炙手可热的香饽饽，有些省、市重点学校认识到DIS的优势后斥巨资将其应用到实际教学中，但对DIS应用时机适切性的把握还有待提升。

有些教师在进行实验，尤其是开公开课时，喜欢用DIS完全替代传统实验方法。传统实验因其自身经典价值在化学实验教学中长久以来占据重要地位，其侧重于实验过程的具体操作、常用仪器的使用规范以及对实验现象的细致观察。即使是在数字化的今天，传统实验仍能够很好地完成化学知识点教学，使用DIS方法反而会使学生陷入繁缛的实验环节中，将简单的操作步骤复杂化。例如，为了增加学生的感性认识，培养学生近似处理问题的科学思维，利用pH试纸、pH计或酸碱指示剂都能快速判定不同溶液的酸碱性，并能观察到颜色的变化，使学生产生感性的认识，因此没有必要使用DIS技术。

而在真正应用DIS时，有时又没有较好地发挥其能够弥补传统实验不足的优势。虽然高中化学教材中大多数物质性质的验证实验仍然离不开传统的实验方式，而定性实验是否能进一步深化，则受到实验方法与仪器的限制。DIS中传感器能够将探测到的信号转换为电信号，例如，它可以实现 0.1微安的电流检测，对CO2的浓度测量可以细微到0.lppm[4]，因此，这些精确的度量突破了传统实验的定性局限。以原电池工作原理探究实验为例，采用传统的实验方法如借助电流表或电流计来观察是否有电流产生，因水果电池的电流较小，仪器指针偏转基本观察不出来，还可能因读数角度存在偏差导致读数的不准确，强制使用传统实验方法反而适得其反。此时则可以运用DIS数字化实验系统，让学生通过图像分析得出实验结论，即水果pH越大，电流越小；pH越小，电流越大。

2.3 应用重心有待明确

DIS的应用重心在于促进学生对化学知识的理解，培养学生的科学探究思维，使得受到传统实验方法限制而不能实现的实验得以完成。然而，由于DIS仍是一个新生事物，不同的教师在应用DIS时的重心也有所不同，有时就出现重心不当的现象。

例如，在化学反应产生能量变化的实验中，传统实验的做法是将镁片与盐酸进行混合并置于实验容器中，通过学生触摸容器外壁感受其产生的热量。引入DIS则可以通过温度传感器测量其温度，并获得温度变化的曲线图。事实上在该实验中，DIS的应用优势并不明显，因为其完成了一项用手即可以感觉的工作。

在传统实验教学过程中，大部分时间用于进行实验操作，因而限制了学生思考并提出问题的时间。而在应用DIS的过程中，30%的时间进行实验准备，20%的时间用于数据处理，50%的时间可实施探索研究[5]。此外，DIS的精确度和灵敏度较高，同时能实现实时测量与数据录入的同步，因此为学生再认识生活中不易测量的化学现象提供了可能，并对实验结果作出预测、判断、质疑、反思和验证，从而科学地概括、推理、类比研究结论和化学原理，换言之，在实验过程中，学生的探究思维一直处于活跃状态，这无疑是培养学生科学探究精神的良好途径。而就目前来看，DIS在发展学生思维方面的功能并没有得到充分体现。

3 提升DIS在高中化学实验教学中应用效果的建议

虽然DIS在实验教学的应用中存在一些问题，但总体而言，DIS在高中化学实验教学中具有广阔的应用前景。分析DIS在高中化学实验教学中的应用问题并提出有效的建议，有助于将DIS更好地应用到高中化学实验教学中，提高教学效果。

3.1 把握DIS应用时机的适切性，弥补传统实验不足

当涉及到“有什么现象”、“是否有某一现象”的定性实验时，多采用传统实验方法。而涉及到具体的数据分析以探究“有多少”的定量实验时，则可以利用DIS进行进一步的探究。传统实验在培养学生观察能力和基本实验素养方面的功能，并不能被DIS在数据采集和分析上的独特优势所替代。例如，在探究酒精灯火焰三部分温度的实验中，更多的需要现象观察，只需要将火柴梗分别放在火焰的不同位置就能够明显地得出答案[6]，并不需要利用DIS进行定量的探索。

然而，在中学阶段利用氢氧化钠与硫酸探究酸碱中和反应的定量实验中，传统实验方法主要是利用酸碱指示剂来确定滴定的终点，由于学生难以把握对终点的估计，易造成较大的误差。此时采用DIS就能很好地解决这一问题，通过数据采集器收集光电门、pH、电导率等传感器的信号，转化为实验数据，利用计算机进行分析得到硫酸滴定氢氧化钠的pH变化曲线图，不仅直观展示了pH在中和滴定过程中的变化，还能够避免指示剂判断难点，减少实验误差。此外，通过稀硫酸与氢氧化钠溶液反应过程中的电导率随时间变化的曲线，实时展现溶液中离子的导电情况，直接反映溶液离子浓度变化的情况，使学生能够更加直观地体会出溶液中离子“量”变化的问题[7]。因而在DIS应用的过程中需要教师灵活把握DIS应用时机的适切性，在需要定量探索的实验中应用DIS，并与传统实验方法相结合，提升DIS在高中化学实验教学中的应用效果。

3.2 充分利用DIS图像功能，促进学生理解知识

DIS强大的函数图像处理功能，能够将实验过程中各种指标在各个时间节点上的变化通过图像反映出来，有利于加强学生对实验过程的把握，增强学生图像分析能力。传统实验设备一般只能记录下实验的结果值，DIS则以微分思想将实验过程划分为若干节点，采集各个节点的数据，利用计算机和软件进行实时实验数据收集和处理，并以各种函数图像的形式呈现。

利用DIS特有的函数图像功能，教师能够引导学生更好地分析定量化与可视化的实验结果。如在原电池工作原理探究实验中的电流曲线，学生可以通过DIS直观的函数图像，清晰地观察到不同电极材料和电解液下原电池电流曲线的变化如图2和图3，从而得出原电池能够产生电流的条件之一，是要有金属活动性顺序不同的两个电极材料。

3.3 明确DIS应用重心，培养学生科学探究思维

在DIS的应用过程中，教师需要明确DIS的应用重心，致力于培养学生科学探究的思维。DIS通过各种传感器和数据采集器收集实验数据并通过计算机软件进行分析，大大节省了实验操作时间，教师在应用DIS的过程中可以将更多的精力放在探索研究上，引导学生预测、判断、质疑、反思和验证实验结果，激发学生的探究思维。在上述探究原电池工作原理和组成条件的实验中，教师还能够进一步引导学生探究在相同条件下，所用电极的面积、两电极之间的距离等因素对电流大小的影响等一系列问题[8]。针对实验过程中产生的问题，鼓励学生自行设计实验方案，亲自利用DIS开展实验，对自己的假设和猜想进行验证，培养学生的科学探究思维。

除此之外，教师还可以利用DIS在实验过程中收集的不同实验指标数据，将重心放在引导学生从不同的角度分析同一化学问题上，进一步培养学生的科学探究思维。在实际应用过程中发现，可以利用DIS测得色度、温度、pH、电流强度、电导率、压强等更多的实验指标，这些指标能够引导学生从不同的角度探究同一个化学问题，不仅能够拓宽处理问题的角度，同时也为学生科学探究思维的培养提供实践机会。

参考文献：

[1]潘剑峰，朱侃. DIS Lab技术优化高中化学实验教学探究[J].中国科教创新导刊，2014，（15）：9.

[2]马如宇，卓敏. DIS数字化信息系统在中学物理实验教学中的应用研究[J].中国现代教育技术装备，2010，（8）：36～38.

[3]魏巍.数字化实验室与中学化学实验[J].化学教学，2006，（11）：50.

[4]周良骏.中学化学实验数字化研究[D].南京：南京师范大学硕士学位论文，2011：15.

[5]徐锐. DIS数字实验系统在物理教学中的作用[J].现代教育技术，2008，（6）：47.

[6]邵玲琍.对数字化科学实验系统在化学实验应用中的质疑及建议[J].今日科苑，2007，（5）：155.

[7]潘景微.数字化实验探究氢氧化钡与硫酸的反应[J].考试与评价，2014，（8）：36～37.

[8]陆惠莲.DIS数字化系统在高中化学实验创新设计中的应用[J].中国现代教育装备，2013，（16）：18～21.