DIS数字化系统在高中化学实验创新设计中的应用

化学是一门以实验为基础的学科。强化时代特色、改进实验手段、提升实验效果、拓展实验范围、培养创新思维，是新课改对实验教学的要求。笔者将dis数字化实验系统引入了中学化学实验中，在化学教学过程中使用先进的传感技术，利用其以曲线、刻度计等多种形式直观地显示实验数据的特点，培养学生的观察、数据分析和处理、理性思维能力以及实事求是、严肃认真的科学态度，从而全面提高学生的科学素养。

一、DIS数字化实验系统简介

DIS数字化实验系统含：传感器―数据采集器―计算机―应用软件（如图1所示）。

感是将物理量转化成电信号，传是将电信号传递到数据采集器装置和计算机平台，所以传感器能将实验现象高精度、高速度（实时）、高密度（全程记录）地展现，计算机和传感器的介入可更快更准确地连续监测和采集实验数据，从而节省了教学时间，使师生将精力投入到更有创造性的方面。

二、应用DIS数字化系统的实验创新教学实例

1.酸碱中和滴定―用标准盐酸滴定未知浓度的氢氧化钠（甲基橙作指示剂）

（1）传统实验教法及效果

传统实验采用通过指示剂的变色来确定测定终点。在用标准盐酸滴定未知浓度的氢氧化钠（甲基橙作指示剂）的教学中，难点是如何解释清楚学生的疑问：盐酸与氢氧化钠恰好反应时pH等于7，而甲基橙变色时pH为4.4，即酸碱指示剂的变色点不是反应终点，误差有多少？中和滴定实验科学吗？为了解决上述问题，笔者曾尝试了以下几种方法。

方法1：学生阅读教材上的滴定曲线，观察分析

方法2：编制表1中的数据，让学生计算混合液的pH并绘出图像（即纸上做实验）。

在25 mL未知浓度的氢氧化钠溶液中滴加浓度为0.100 0 mol/L 的盐酸溶液，测得数据见表1。

方法1和方法2中学生并未动手实验，对结果将信将疑，教学效果差。

于是，笔者又采用了方法3：用传统方法绘制酸碱中和滴定曲线―读出消耗滴定液的体积，同时利用pH计测量溶液的pH，利用坐标纸描点（或利用计算机）作图。但是绘制酸碱中和滴定曲线的传统方法，操作过程复杂，占用了较多的课堂时间，导致课堂教学效益不高。

（2）应用DIS数字化系统的实验创新设计

使用pH传感器监测混合溶液在滴定过程中pH的变化情况，并借助计算机以图像形式显示出来，即可直接得到酸碱中和滴定曲线（如图2所示）。

根据滴定过程中计算机自动生成的曲线，可以帮助学生认识滴定过程的“突跃”是客观存在的，是传统方法里在滴定过程中取几个点测定pH，人工绘制出来的滴定图像无法匹敌的。

通过滴定曲线，要让学生认识到滴定终点附近的pH变化显著（突跃），虽然滴定终点pH不等于7，但只要指示剂的变色范围落在酸碱滴定的突跃范围之内，不会引起实验误差，这也是酸碱中和滴定这一分析方法的科学性和准确性得以保证的原因所在。

应用DIS数字化实验系统绘制滴定曲线，操作更简便，更快捷，图像更准确，更细致，教学效果好，教学效益提高了。

2.利用不同浓度的盐酸与大理石反应研究浓度对反应速率的影响

（1）传统实验设计

用传统的实验方法，分4次（0.5 mol/LHCl，1 mol/LHCl，1.5 mol/LHCl，2 mol/LHCl分别与等量的大理石反应）进行实验，然后人工记录时间及产生的气体体积数据，最后人工绘制4条气体体积随时间变化的图像。这需要花费不少时间，且人工记录数据误差较大。

（2）应用DIS数字化系统的实验创新设计

通过DIS数字化信息系统（包括朗威?DISLab6.0数据采集器、计算机、压强传感器）把原来分4次进行的实验改为同时进行（如图3所示），利用压强传感器测定密闭容器内气体压强的变化，并在计算机上同时做出4条压强随时间变化的图像（如图4所示）。

该设计通过压强传感器和数据采集器将看不见的气体体积的变化转化为压强随时间的变化图像，并在计算机上同步显示，学生通过直观的图像很容易归纳出浓度是如何影响化学反应速率的。

同时，该设计能使4个实验同时进行，并且能在4分钟内完成，大大缩短了课堂实验的时间，可提高课堂教学效益。

3.食用白醋中醋酸浓度的测定

教师应用DIS数字化实验系统创造性演示一些传统实验。如：通过测量反应过程中溶液电导率的变化，判断弱酸弱碱的滴定终点。

笔者利用DIS数字化实验系统对食用白醋中醋酸浓度的测定实验设计如下：

实验所需主要仪器有朗威?DISLab数据采集器、电导率传感器、计算机、磁力搅拌器、100 ml烧杯、滴定架、自动匀速滴定装置（如图5所示）。实验步骤：（1）连接好数据采集器、电导率传感器、计算机等实验装置（如图6所示）；（2）用移液管移取20 ml稀释后的白醋溶液至50 ml烧杯中，放入搅拌磁子，将烧杯置于磁力搅拌器上；（3）在自动匀速滴定装置中加入200 ml的0.1 mol/L氨水 ，将电导率传感器放入盛稀释后白醋溶液的烧杯中（注意液面应没过传感器电极玻璃珠且电极不能接触磁子、烧杯壁及烧杯底）；（4）打开数据采集器开关，打开计算机，进入DIS实验操作系统，点击“开始记录”，按一定速度（对自动滴液装置的流速事先进行标定）向烧杯中滴加氨水，并在滴加开始的同时对数据进行采集；（5）滴加完毕时即停止采集，计算机显示出在标准氨水溶液滴加过程中溶液导电能力变化情况的相应数据，及形成二维坐标图（如图7所示）。

此实验设计让滴定实验从全人工到全自动化，数据采集开始后，只需要让标准的氨水溶液按事前设计好的流速滴入有电磁搅拌的白醋中，与此同时，计算机上就显示出加入溶液的体积与混合溶液导电性的图像。当整个滴定过程结束后，只需要根据最高点对应的加入氨水的体积，就可以很容易计算得到白醋的浓度，且精确度高。

三、传统实验向数字化实验转型给中学化学课堂带来新气象

1.应用DIS数字化实验系统演示教材中实验的过程中，教师、学生思考、处理问题的方法不断得到拓展

例如：上海二期课改教材（高一下第七章）有一演示实验―研究温度对弱电解质电离平衡的影响。教材的设计是：先测定100 mL 0.1mol/L醋酸的pH，稍加热后，再测定溶液的pH。若应用DIS数字化实验系统来研究温度对弱电解质电离平衡的影响，可以用pH传感器连续测定不同温度下溶液的pH来说明问题。在实验过程中，教师采用了新的思考问题的方法，利用电导率传感器测定温度变化过程中溶液电导率的变化，也能很好地说明问题。

又如：上海二期课改教材（高三下第九章）有一学生探究实验―探究温度对反应速率的影响。通过连续（每隔1 min）测定双氧水分解（用三氯化铁作催化剂）产生氧气的体积绘制出时间―氧气体积图，再用水浴将温度提高10 ℃，在双氧水和氯化铁相同用量和浓度下，测定双氧水分解产生氧气的体积并绘制出时间―氧气体积图，两图对比得出结论。此方法操作复杂，实验测定的数据不够精确，实验效果一般。

应用DIS数字化实验系统，改变思考的角度，利用压强传感器测定两不同温度下密闭容器中的压强变化大小。实验过程中，计算机实时绘制“压强―时间”曲线（如图8所示），既快速又精确地说明了温度对反应速率的影响。

注：上方曲线，酒精灯加热；下方曲线，未加热。

通过实践，笔者体会到：应用DIS数字化实验系统后，可以测得温度、pH、电压、电流、电导率、色度、压强等更多的物理量，教师、学生可以从更多角度研究同一个化学问题，思考、处理问题的方法不断得到拓展。

2.应用DIS数字化实验系统使化学研究性学习的内容更加宽广

传感器技术的引入，使化学实验由定性到定量地飞跃，从而使学生在更广阔的范围内进行研究性学习。

例如：应用DIS数字化实验系统，我们通过电流传感器及计算机画出“时间―电流”图，不仅可引导学生探究教材中原电池的原理，还可探究不同金属的活动性顺序，相同条件下哪种水果构成原电池产生的电流最大，所用电极的面积、两电极插入的距离等因素对电流大小的影响等一系列问题。

又如：为了解决高三的一道现成习题―冰醋酸在稀释过程中溶液导电情况是先升后降，笔者用DIS数字化实验系统绘制出冰醋酸稀释过程中溶液的导电性随着水的体积变化图（如图9所示），使学生心服口服。

但有的学生不满足，他们想知道究竟“冰醋酸在加水稀释过程中氢离子浓度开始减少时的醋酸浓度是多少”？于是他们成立了研究小组研究这个问题，他们发现整个稀释过程结束后，只需根据图像找到稀释曲线最高点对应的加入蒸馏水的时间，根据事先标定的自动滴液装置的流速，就可以很容易计算得到最高点对应的加入蒸馏水的体积，从而得到稀释冰醋酸时溶液中离子浓度开始变小的时候的乙酸浓度值。这项研究获得了上海市第23届英特尔创新大赛三等奖。

3.应用DIS数字化实验系统的过程激发了教师的创造力

工欲善其事，必先利其器，有了先进的数字化实验系统，高精度的实验仪器也必不可少。最初当笔者尝试进行数字化实验时，就深受没有配套教具的困扰，在不断研究试验后，为了辅助DIS数字化实验系统，在实践中创造性地使用原有的普通仪器。

如在探究“测定冰醋酸加水稀释过程中电导率的变化”这一实验过程中，需要一种装置―在液体体积只有20 mL的时候，电极就能浸没在液体内而且稀释后溶液的体积要超过200 mL，所以使用现有的普通玻璃仪器在溶液体积较小时液体要浸没电极显得有些困难，即使能浸没，也会出现无法放入搅拌磁子的现象。为解决此问题，我们创造性地使用原有的普通仪器（如图10所示），选用250 mL锥形瓶 （相同容积搅拌效果最好），将其上口用玻璃片封住，并截去底部，倒置。瓶颈部刚好能容纳20 mL待稀释冰醋酸，放入搅拌磁子。

四、结束语

在应用DIS数字化实验系统进行化学探究的过程中，学生逐步掌握了控制变量法的研究方法、工作曲线法、对比实验和空白实验等科学实验的方法。同时，笔者得到的经验是为了保证应用DIS数字化实验系统的化学研究性学习能够顺利开展，教师要做好知识与技能的铺垫，如各类传感器的使用方法、相关物理量（电导率、吸光度等）的基础知识等。

随着对数字化系统应用的不断深入，笔者强烈感觉到DIS实验系统为中学化学实验教学的改进和创新开辟出一条新的发展方向。传感技术在实验教学中的合理使用，可以成为化学实验教学的一种十分有用的辅助手段。 如何进一步创造性地使用这一工具并充分发挥它的作用，我们还将继续研究和探索。

参考文献

[1] 王祖浩，王磊.普通高中化学课程标准（实验）解读[M].武汉：湖北教育出版社，2004.

[2] 张长江.中学化学教学技术指导[M].上海：上海教育出版社，2005.

[3] 陆惠莲，余瑾.利用电流传感器进行实验的两个装置改进[J].化学教学，2007（4）：6-7.

[4] 颜慧芬，陆惠莲.改革传统实验 培养创新品质[C].中国化学会关注中国西部地区中学化学教学发展论坛论文集，2007-10-01.

作者简介：陆惠莲，硕士，中教高级。

作者单位：上海市闸北区教师进修学院。

稿件来源：第三届城市教育装备合作与发展论坛征文鼓励奖。