基于数字化信息系统（DIS）的高中化学定量实验教学研究

朱步渊

（甘肃省平凉一中）

基于数字化信息系统（DIS）的化学定量实验是一种新型的实验方法，主要是利用传感器对一些微小的和连续变化的数据进行测定，从而使得高中的一些定量化学实验更加清晰明了，用数据说话，用证据说话，让学生对一些高中定量实验有了更加深刻的理解。

一、中和热的测定

中和热的测定是高中阶段一个非常重要的定量实验，人教版教材《化学反应原理》第一章第一节“化学反应与能量变化”中就有“中和反应反应热的测定”这一定量实验。教材中主要是利用温度计的量中和反应过程中的温度变化，进而测量计算反应热，可以说，这个实验设计的是比较合理的，但是，在实际的教学过程中我们发现，存在以下几个问题，首先，普通温度计的误差比较大，而中和热的温度变化比较小，容易造成误差；其次，读数误差有时也会造成问题；第三，如果老师在课堂上进行演示实验，后面的学生看不清楚温度的变化情况。但是，如果使用传感器进行实验，以上几个问题就可以迎刃而解了。

1.实验设计思路

酸碱中和反应是瞬间进行的化学反应，反应过程中会放出热量，每生成1 mol所释放出的热量称为中和热。实验设计中以硫酸和氢氧化钠稀溶液进行反应，测定放出的热量。

2.实验仪器及试剂

仪器：数据采集器、温度传感器、pH传感器磁、力搅拌器，50 mL烧杯、20 mL量筒等。

试剂：2 mol/LNaOH溶液、2 mol/LHCl溶液。

3.实验方法与结果分析

（1）实验方法

首先，将计算机、采集器、温度传感器、pH传感器连接并且接通电源，打开SWR数字化信息系统实验室软件。然后，将温度传感器放入20 mL 2 mol/L 的盐酸的烧杯中，用磁力搅拌器开始搅拌，1分钟后，用量筒量取20 mL 2 mol/LNaOH溶液，缓缓倾入烧杯中。立刻点击软件界面上的开始按钮开始测量温度。软件的分析界面就会记录实时的温度变化情况。待倾倒完毕后，点击软件操作界面上的结束按钮，就可以得到中和过程中的以及温度时间变化曲线以及实验数据。最后保存数据和曲线图像以供分析。

（2）结果分析

反应过程中pH以及温度变化曲线（上面的线为温度、下面的线为pH）如图所示。

由图中可以明显地看出温度的变化以及pH的变化情况，通过温度的变化，可以很清晰地看清楚酸碱中和反应过程中的放热情况，代入公式就可以进行计算了。

（3）实验拓展

上述实验是课本上的经典实验，其实，利用数字化传感器，用类似的方法，还可以让学生探究测定不同浓度的酸碱中和反应放出的热量是否相同；中和热的数值与酸碱的强弱是否有关等问题。

二、溶液导电性

1.实验设计思路

“电解质溶液导电能力强弱的比较”是高中化学中非常重要的实验，对学生强化强、弱电解质的认识具有非常重要的意义，旧人教版教材中对这一部分知识主要是通过比较同浓度的不同电解质溶液导电能力强弱，利用灯泡的亮度来比较导电性强弱，让学生感性地认识电解质溶液的导电性，能达到一定的目的，但是很明显存在理论缺陷。而新人教版教材对于强弱电解质的讲解只是进行了定性分析，没有任何定量分析，让学生对强弱电解质的认识只是存在于自己的思维想象中，对影响电解质溶液导电性的因素没有切实的感受。

本实验是一个课外探究实验，目的是让学生更加直观地认识影响电解质溶液导电能力强弱的因素。利用电导率传感器测量不同温度、浓度下溶液的电导率变化情况，用数据采集器收集数据。并且用Excel进行数据处理，直观地看出影响电解质溶液导电性的因素。

2.实验仪器及试剂

仪器：计算机，数据采集器，温度传感器，电导率传感器，50mL量筒，50 mL烧杯（3个），50 mL容量瓶（3個），胶头滴管，磁力搅拌器，电子天平，铁架台，洗瓶，钥匙、滤纸。

试剂：NaCl（s），NaOH（s），Cu（OH）2（s），Ca（OH）2（s），AlCl3（s），无水乙醇。

3.实验方法与结果分析

实验一：电解质溶液导电性与电解质强弱的关系

①配置0.1 mol/L的NaOH溶液、Cu（OH）2溶液和无水乙醇溶液；

②分别将三种溶液放在磁力搅拌器上，启动并调节磁力搅拌器的搅拌速度，利用电导率传感器测定三种溶液的电导率。

③启动“SWR”程序采集数据并保存数据和结果。

实验二：电解质溶液的导电性与温度的关系

①配置0.1 mol/L的Ca（OH）2、NaCl、AlCl3溶液。

②将三种溶液分别置于磁力搅拌器上，固定电导率传感器的位置，启动搅拌器，调节搅拌速率并加热。

③启动“SWR”程序采集数据并保存数据和结果。

由实验图像数据可以看出来，电解质溶液的导电性随温度上升会逐渐增强。

三、在高中化学实验教学中开展基于数字化信息系统（DIS）定量实验的意义

1.揭示化学反应原理更加直观

化学原理的教学比较抽象，学生理解起来比较困难，借助于数字化信息系统的定量实验，能让学生从多个角度测量各物理量的变化，能将一些抽象的变化更加直观地展示在学生面前，使学生对知识的理解更加透彻明晰。

2.对于定量化学实验数据的处理更加准确

比如，我们进行的中和反应反应热的测定实验，如果用传统的方法来做，要求学生在搅拌的同时读出温度计的最高温度，手忙脚乱，很容易错失最高温度的读取。但是引入了温度传感器和磁力搅拌器，进行数字化实验，就不存在这个问题了，更重要的是，在电脑软件上，可以清晰地看出各个时间段的温度变化，使得读数更加准确，对于数据处理就有很大的帮助。

3.有利于教学难点的突破

高中化学中通过传统实验不足以让学生理解一些概念和原理，借助数字化信息系统中传感器的分析，将变得很容易，可以较快地突破教学难点。中学化学数字化实验将实验中最本质的东西通过实验处理成数并且用图像输出，图文并茂，从而让学生形成鲜明的感性认识，有利于激发学生的学习兴趣和学习热情，为感性认知上升为理性认识奠定了基础。

参考文献：

[1]任立新.数字化实验在新课程化学教学应用中的探索与实践[J].学周刊，2011（3）：173.

[2]魏锐，王磊.含铁物质中铁元素含量的测定[J].化学教育，2006（7）：50-51.

注：本文系甘肃省“十三五”教育科学规划课题《基于数字化信息系统（DIS）的高中化学实验教学研究》（课题编号GS[2016]GHB0665）研究成果之一。

编辑 温雪莲