DIS在高中化學實驗教學中的應用現狀研究

劉琦

摘要：分析DIS在高中化學實驗教學中的應用現狀，其應用問題包括：應用頻率有待增加，應用時機適切性有待提升以及應用重心有待明確。針對應用問題，提出教師需把握DIS應用時機的適切性以彌補傳統實驗不足，合理利用DIS圖像功能以增強學生圖像分析能力，明確DIS應用重心以培養學生科學探究思維，從而提升DIS在高中化學實驗教學中的應用效果。

關鍵詞：DIS；化學實驗；實驗教學；現狀研究

文章編號：1005–6629（2015）4–0020–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

數字化信息系統（Digital Information System，以下簡稱“DIS”）是在現有實驗設備的基礎上，集合傳感器、數據采集器、計算機和應用軟件四類組件構成的一種新型實驗系統。DIS通過教育部2006年7月頒布的《中小學理科實驗室裝備規范》首次被列入儀器裝備標準。本文介紹了DIS的構成與工作原理，分析了DIS在高中化學實驗教學應用中存在的問題，在此基礎上提出了提升DIS應用效果的建議。

1 DIS的構成和工作原理

DIS是集合了傳感器、數據采集器、計算機和應用軟件的新型實驗系統。該系統利用現代信息技術彌補了現有化學實驗教學的不足，成功地克服了現有化學實驗儀器的諸多弊端，全面整合了信息技術與化學實驗教學。

1.1 DIS的構成

DIS的實驗系統分為硬件和軟件兩個部分，如圖1所示。其中硬件部分包括計算機、數據采集器和傳感器。計算機系統主要用于數據分析和處理；數據采集器通過模數轉換裝置將傳感器采集到的電信號轉換為計算機能識別的二進制信號并傳輸到計算機，實現傳感器和計算機的對接；傳感器是將各種化學實驗的指標轉換成模擬信號，根據實驗要求不同可選用不同的傳感器，例如溫度、壓強、酸度等傳感器以及用于測定化學實驗中產生的氣態二氧化碳濃度的二氧化碳傳感器等。與傳統的數據采集實驗儀器相比，傳感器品種多、技術新、功能強、性能可靠[1]，在保障實驗數據的精確性、穩定性和可靠性等方面都有不可替代的優勢。

DIS的軟件分為教材專用軟件和教材通用軟件兩種，主要用于進行實驗數據分析，輸出實驗所需的各種數據和圖表。教材專用軟件根據化學教材中的實驗量身制定，幾乎涵蓋了中學教材中的大部分實驗，更貼近課堂教學；而通用的教材軟件，則能夠自定義更多的拓展功能，如分析、對比和擬合曲線等，更適用于進行探究性的化學實驗教學[2]。

1.2 DIS的工作原理

DIS利用各種傳感器收集實驗指標的模擬信號，再通過數據采集器轉換為數據信號，并反饋到計算機系統中，利用專業軟件進行數據處理和分析。在進行實驗時，需要把傳感器和數據采集器連接在一起，然后通過計算機上相應的接口將數據采集器連接到計算機，同時啟動配套的計算機軟件進行設置后開展實驗。由于實驗過程中計算機、數據采集器和傳感器的介入，可以更加準確快速地獲取實驗數據，并利用計算機軟件進行數據的分析處理，根據需要輸出實驗數據和圖表，便于師生進行實驗分析，從而節省了時間，降低了化學實驗操作過程中可能出現的危險性，有利于師生將更多精力用于結果分析和探索性的學習[3]。

通過以上分析可以看出，DIS技術具備多類型的傳感器和多通道的數據采集系統、強大的函數圖像功能和數據處理功能，以及先進的現代信息技術的應用，使得學生能夠更好地理解化學原理，分析化學過程，同時DIS技術的應用突破了傳統實驗的條件限制，有利于培養學生科學探索的思維。

2 DIS在高中化學實驗教學中的應用問題

在DIS受到越來越多教育者認可的趨勢下，其應用的一些問題也逐漸暴露出來。通過分析DIS在高中化學實驗教學中的應用現狀，其應用問題主要表現為應用頻率有待增加，應用時機的適切性有待提升以及應用重心有待明確三個方面。

2.1 應用頻率有待增加

DIS在高中化學實驗教學中的應用使得化學原理的推導更為生動，有利于學生加深對化學知識的理解，但從整體上看，DIS的應用頻率仍有待增加。DIS將抽象概念具體化，化學現象可視化，以及不易實現的實驗操作化，達到了良好的實驗教學效果。例如，氫氧化亞鐵的制備與保存這個知識點，主要是讓學生了解氫氧化亞鐵被氧化的實質以及如何去除氧化性物質的影響。然而，為了使學生更為直觀地認識溶解氧的影響，實際測量溶液中的溶解氧就顯得十分有必要。在常規教學中，教師往往僅停留在直接將結論以說教的方式灌輸給學生，但是DIS的引入則使得學生可以通過溶解氧傳感器簡單方便地檢測水中溶解氧的變化，從而加深對該原理的理解與記憶，并實現對相似原理推導的舉一反三。

目前，經濟發達地區應用DIS的頻率較高，而經濟欠發達地區DIS的應用頻率還有待增加。一些學校僅將DIS實驗用于少量的教學展示中，并沒有充分發揮其自身優勢，未能較好地服務于實際教學。造成DIS在中國高中化學實驗教學中應用頻率不高這一現狀主要有三方面的原因：從客觀上來講，一套完整的DIS裝備費用昂貴；而主觀方面，受到中國教育考試機制的制約，高中生面臨的最為迫切的學習任務是應對考試，從而在“高考”中取得理想的成績。在這種急功近利的觀念影響下，化學教學中更為強調學生的理論學習而忽視實驗教學給學生帶來的實踐能力與探究思維的培養，在這類高中實驗教學中，傳統實驗尚且流于形式，DIS技術的應用更是可見一斑了；此外，DIS對于多數化學教師來說仍是一個新事物，教師能否完全消化DIS的工作原理，掌握操作DIS的技術以及創造性地應用DIS的能力，對是否能充分發揮DIS優勢起著至關重要的作用。

2.2 應用時機的適切性有待提升

數字化學習和數字化實驗等現代信息技術成為了時下炙手可熱的香餑餑，有些省、市重點學校認識到DIS的優勢后斥巨資將其應用到實際教學中，但對DIS應用時機適切性的把握還有待提升。

有些教師在進行實驗，尤其是開公開課時，喜歡用DIS完全替代傳統實驗方法。傳統實驗因其自身經典價值在化學實驗教學中長久以來占據重要地位，其側重于實驗過程的具體操作、常用儀器的使用規范以及對實驗現象的細致觀察。即使是在數字化的今天，傳統實驗仍能夠很好地完成化學知識點教學，使用DIS方法反而會使學生陷入繁縟的實驗環節中，將簡單的操作步驟復雜化。例如，為了增加學生的感性認識，培養學生近似處理問題的科學思維，利用pH試紙、pH計或酸堿指示劑都能快速判定不同溶液的酸堿性，并能觀察到顏色的變化，使學生產生感性的認識，因此沒有必要使用DIS技術。

而在真正應用DIS時，有時又沒有較好地發揮其能夠彌補傳統實驗不足的優勢。雖然高中化學教材中大多數物質性質的驗證實驗仍然離不開傳統的實驗方式，而定性實驗是否能進一步深化，則受到實驗方法與儀器的限制。DIS中傳感器能夠將探測到的信號轉換為電信號，例如，它可以實現 0.1微安的電流檢測，對CO2的濃度測量可以細微到0.lppm[4]，因此，這些精確的度量突破了傳統實驗的定性局限。以原電池工作原理探究實驗為例，采用傳統的實驗方法如借助電流表或電流計來觀察是否有電流產生，因水果電池的電流較小，儀器指針偏轉基本觀察不出來，還可能因讀數角度存在偏差導致讀數的不準確，強制使用傳統實驗方法反而適得其反。此時則可以運用DIS數字化實驗系統，讓學生通過圖像分析得出實驗結論，即水果pH越大，電流越小；pH越小，電流越大。

2.3 應用重心有待明確

DIS的應用重心在于促進學生對化學知識的理解，培養學生的科學探究思維，使得受到傳統實驗方法限制而不能實現的實驗得以完成。然而，由于DIS仍是一個新生事物，不同的教師在應用DIS時的重心也有所不同，有時就出現重心不當的現象。

例如，在化學反應產生能量變化的實驗中，傳統實驗的做法是將鎂片與鹽酸進行混合并置于實驗容器中，通過學生觸摸容器外壁感受其產生的熱量。引入DIS則可以通過溫度傳感器測量其溫度，并獲得溫度變化的曲線圖。事實上在該實驗中，DIS的應用優勢并不明顯，因為其完成了一項用手即可以感覺的工作。

在傳統實驗教學過程中，大部分時間用于進行實驗操作，因而限制了學生思考并提出問題的時間。而在應用DIS的過程中，30%的時間進行實驗準備，20%的時間用于數據處理，50%的時間可實施探索研究[5]。此外，DIS的精確度和靈敏度較高，同時能實現實時測量與數據錄入的同步，因此為學生再認識生活中不易測量的化學現象提供了可能，并對實驗結果作出預測、判斷、質疑、反思和驗證，從而科學地概括、推理、類比研究結論和化學原理，換言之，在實驗過程中，學生的探究思維一直處于活躍狀態，這無疑是培養學生科學探究精神的良好途徑。而就目前來看，DIS在發展學生思維方面的功能并沒有得到充分體現。

3 提升DIS在高中化學實驗教學中應用效果的建議

雖然DIS在實驗教學的應用中存在一些問題，但總體而言，DIS在高中化學實驗教學中具有廣闊的應用前景。分析DIS在高中化學實驗教學中的應用問題并提出有效的建議，有助于將DIS更好地應用到高中化學實驗教學中，提高教學效果。

3.1 把握DIS應用時機的適切性，彌補傳統實驗不足

當涉及到“有什么現象”、“是否有某一現象”的定性實驗時，多采用傳統實驗方法。而涉及到具體的數據分析以探究“有多少”的定量實驗時，則可以利用DIS進行進一步的探究。傳統實驗在培養學生觀察能力和基本實驗素養方面的功能，并不能被DIS在數據采集和分析上的獨特優勢所替代。例如，在探究酒精燈火焰三部分溫度的實驗中，更多的需要現象觀察，只需要將火柴梗分別放在火焰的不同位置就能夠明顯地得出答案[6]，并不需要利用DIS進行定量的探索。

然而，在中學階段利用氫氧化鈉與硫酸探究酸堿中和反應的定量實驗中，傳統實驗方法主要是利用酸堿指示劑來確定滴定的終點，由于學生難以把握對終點的估計，易造成較大的誤差。此時采用DIS就能很好地解決這一問題，通過數據采集器收集光電門、pH、電導率等傳感器的信號，轉化為實驗數據，利用計算機進行分析得到硫酸滴定氫氧化鈉的pH變化曲線圖，不僅直觀展示了pH在中和滴定過程中的變化，還能夠避免指示劑判斷難點，減少實驗誤差。此外，通過稀硫酸與氫氧化鈉溶液反應過程中的電導率隨時間變化的曲線，實時展現溶液中離子的導電情況，直接反映溶液離子濃度變化的情況，使學生能夠更加直觀地體會出溶液中離子“量”變化的問題[7]。因而在DIS應用的過程中需要教師靈活把握DIS應用時機的適切性，在需要定量探索的實驗中應用DIS，并與傳統實驗方法相結合，提升DIS在高中化學實驗教學中的應用效果。

3.2 充分利用DIS圖像功能，促進學生理解知識

DIS強大的函數圖像處理功能，能夠將實驗過程中各種指標在各個時間節點上的變化通過圖像反映出來，有利于加強學生對實驗過程的把握，增強學生圖像分析能力。傳統實驗設備一般只能記錄下實驗的結果值，DIS則以微分思想將實驗過程劃分為若干節點，采集各個節點的數據，利用計算機和軟件進行實時實驗數據收集和處理，并以各種函數圖像的形式呈現。

利用DIS特有的函數圖像功能，教師能夠引導學生更好地分析定量化與可視化的實驗結果。如在原電池工作原理探究實驗中的電流曲線，學生可以通過DIS直觀的函數圖像，清晰地觀察到不同電極材料和電解液下原電池電流曲線的變化如圖2和圖3，從而得出原電池能夠產生電流的條件之一，是要有金屬活動性順序不同的兩個電極材料。

3.3 明確DIS應用重心，培養學生科學探究思維

在DIS的應用過程中，教師需要明確DIS的應用重心，致力于培養學生科學探究的思維。DIS通過各種傳感器和數據采集器收集實驗數據并通過計算機軟件進行分析，大大節省了實驗操作時間，教師在應用DIS的過程中可以將更多的精力放在探索研究上，引導學生預測、判斷、質疑、反思和驗證實驗結果，激發學生的探究思維。在上述探究原電池工作原理和組成條件的實驗中，教師還能夠進一步引導學生探究在相同條件下，所用電極的面積、兩電極之間的距離等因素對電流大小的影響等一系列問題[8]。針對實驗過程中產生的問題，鼓勵學生自行設計實驗方案，親自利用DIS開展實驗，對自己的假設和猜想進行驗證，培養學生的科學探究思維。

除此之外，教師還可以利用DIS在實驗過程中收集的不同實驗指標數據，將重心放在引導學生從不同的角度分析同一化學問題上，進一步培養學生的科學探究思維。在實際應用過程中發現，可以利用DIS測得色度、溫度、pH、電流強度、電導率、壓強等更多的實驗指標，這些指標能夠引導學生從不同的角度探究同一個化學問題，不僅能夠拓寬處理問題的角度，同時也為學生科學探究思維的培養提供實踐機會。

參考文獻：

[1]潘劍峰，朱侃. DIS Lab技術優化高中化學實驗教學探究[J].中國科教創新導刊，2014，（15）：9.

[2]馬如宇，卓敏. DIS數字化信息系統在中學物理實驗教學中的應用研究[J].中國現代教育技術裝備，2010，（8）：36～38.

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[4]周良駿.中學化學實驗數字化研究[D].南京：南京師范大學碩士學位論文，2011：15.

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[6]邵玲琍.對數字化科學實驗系統在化學實驗應用中的質疑及建議[J].今日科苑，2007，（5）：155.

[7]潘景微.數字化實驗探究氫氧化鋇與硫酸的反應[J].考試與評價，2014，（8）：36～37.

[8]陸惠蓮.DIS數字化系統在高中化學實驗創新設計中的應用[J].中國現代教育裝備，2013，（16）：18～21.