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数字化信息系统在化学实验教学的应用
来源查字典化学网| 2018-11-07 发表| 476 人浏览| 教学经验分类:化学论文

教学经验

在中学化学实验教学中引入DIS实验系统,正确认识DIS实验的优缺点,扬长避短合理开发应用DIS技术的化学创新实验,与传统化学实验优势互补有机融合。以DIS促进实验教学的育人功能,促进学生分析问题和解决问题能力的提升。

关键词:数字化信息系统;化学实验;创新

数字化信息系统(DigitalInformationSystem,简称DIS)由传感器、数字采集器、计算机和应用软件组成。随着现代实验技术的革新与发展,DIS越来越多地应用于实验教学之中。DIS是在实验数据的采集、传输和预处理方面采用传感器和数字电路等技术,实验数据上传至计算机,由特定的软件加以计算、处理,最终得出实验结果的新型实验教学体系[1]。传感器可以实时记录下温度、PH值、压强、电流、电压、电导率、气体浓度等物理量,并将其转化成电信号;数据采集器将传感器采集的电信号处理后输入计算机;计算机将采集器输入的信号通过软件分析后显示出来,或根据用户需求输出表示各物理量相互关系的数字曲线图。DIS实现了数据采集、处理、分析实时完成,提高了实验的精度和效率。各种传感器可以组合使用,以满足实验的个性化设置需求。有调查数据显示,南京已有66.4%的学校建立了DIS实验室,有14.3%的学校建立了两个DIS实验室,这说明DIS实验正逐步受到重视。[2]以DIS及DIS实验为关键词在中国知网检索,发表的文献数量逐年上升,而且中学相关研究数量呈明显上升趋势,DIS实验正以其快速、精确、高效等优势成为当前中学实验教学研究中的一个热点问题。本文对数字化信息系统在中学化学实验教学中的应用进行探讨。

一、应用DIS进行中学实验教学的优缺点

DIS实验的实施为实验学科教学提供了新的手段和方法,对发展学生主体性、创造性、培养学生创新精神和实践能力都有着重要意义。[3]应用DIS进行中学实验教学有以下优点:第一,拓展探究的深度。在中学大量的定性实验中引入定量实验,让学生学会应用DIS技术进行量化实验,从感性认识上升到理性认识,将对实验现象的关注转到对现象本质的研究。探究深度的深化不仅可以加深学生对学科知识的理解和巩固,重要意义在于可以通过科学研究方法的掌握培养学生的科学思维。[4]第二,为教学提供了多种可能。DIS优质的技术平台以及可以组合使用的多种传感器、可以个性化定制的实验仪器为推动实验改革创新、教师科研、教育改革提供了有力支撑。第三,促进科学与技术结合。自然科学与新技术的结合,开辟了一个实验教学的新领域,为问题的解决提供了多种途径,在提高学生综合素质和培养创新思维等方面发挥了重要作用。第四,丰富课程体验。DIS将现代新科技引入实验教学,丰富了学生的实践体验,丰富了实验形态,增加了新的实验工具,对促进教学多样化以提升教学效果有重要意义。但是,与传统实验相比,DIS实验也存在一些弊病,如DIS自动化程度较高,数据的采集和处理同时在较短时间内完成,压缩了学生认知、思考、理解实验现象的时间,容易使学生过多关注具有新鲜感的DIS技术,而忽略对实验现象本质的关注和理解。另外,数据采集、处理、显示由DIS仪器完成,取代了人的大部分操作,对学生观察能力、动手能力、数据选择以及误差分析等方面能力的培养较欠缺,不能发挥出实验原有的功能而容易使DIS实验流于形式。因而,如何设计实验,将DIS技术与传统实验优化整合,最大限度地发挥它们各自优势,为中学实验教学服务,是下一阶段教师着重思考的方向。

二、DIS技术在中学化学实验教学中的应用

化学是一门以实验为基础的学科,实验在教学中占有非常重要地位。改进实验手段、提升实验效果、拓展实验的广度和深度、培养创新思维等是新课程改革对实验学科提出的新要求。利用数字化信息系统先进的传感技术、直观的数据显示功能、强大的数据处理功能等特点,将它与传统的化学实验有机整合,创新化学实验教学手段,优化实验教育功能,提高化学实验效能,推动信息技术与中学化学实验教学的融合创新。1.介绍几个化学学科常用的传感器及其主要用途。PH传感器:用于探究不同溶液的PH值,酸碱中和滴定,测量雨水的PH值。温度传感器、高温传感器:测量化学反应热,探究晶体的熔点,测量火焰的温度,固体融化时温度变化规律的探究。浊度传感器:探究澄清石灰水中通入二氧化碳时浊度的变化,探究不同水样中的浊度,不同浓度浊液的浊度,比较样品的沉淀率。电导率传感器:不同水样的电导率比较,苯酚与饱和溴水反应,饮水纯净度探究。色度传感器:探究有色溶液化学反应的速率,测定食物中维生素C的含量。氧传感器:人体呼出的气体与环境中气体的比较。溶氧传感器:不同水质的溶氧含量探究。二氧化碳传感器:空气质量评估,化学反应中CO2产生的速率。湿度传感器:浓硫酸吸水性实验。滴定计数器:酸碱中和滴定,其他滴定实验。氧化还原传感器:工业污水处理,水的消毒与应用,水质监测。2.DIS技术在化学实验中的应用实例。一是完成不能做和做不好的实验。DIS实验与传统实验互补,大幅提高了实验效能,完成传统实验不能做或做不好的实验,将不可见的现象以数字化的方式呈现。这一类没有明显实验现象、只能靠死记硬背记结论的实验,例如比较相同摩尔浓度的强酸和弱酸的PH值;弱酸弱碱盐对其同类强酸弱碱盐或弱酸强碱盐水解的影响,当多种因素对平衡移动有影响,哪一种影响更大,[5]这些原来只能通过理论推导得到的结论可以通过PH计测得,给学生更直观更清晰的认识。二是需要获得精确数值的实验。DIS实验直接解决传统化学实验中不能精确测量一些数据的问题。例如,用温度传感器测定化学反应热、探究晶体的熔点、火焰的温度,用气体传感器测气体的浓度、反应速率、溶氧含量等问题。三是课外探究活动。DIS实验给探究性实验提供了更大的发挥空间,它极大地扩展了化学实验教学的内容,拓展了化学教学的广度和深度,提高了学生的实验设计能力。例如,学生可以利用DIS开展废水处理研究、水质监测研究、食物中维生素C含量测定等课外研究活动。四是需与传统实验配合的实验。DIS技术与传统的化学实验结合,可以各取所长、优势互补,既满足让实验者动手、动脑的要求,又可以实现精确数据测量、捕捉不可见的过程等要求。例如,验证氯化铵晶体与氢氧化钡晶体混合是吸热反应这一实验,传统实验是用触觉和温度计来了解反应的热量变化,不能准确测得反应前后温度变化的具体数值,DIS实验则可以解决这一问题。但是,只用DIS实验测量实验数据,缺少触觉体验,则印象不深刻。将两者结合,先利用DIS实验系统中的温度传感器记录反应过程中的温度变化,然后再触摸反应容器,直接体验热量变化,得到反应体系的温度变化具体数值,从而进一步开展定量实验研究。

三、利用DIS创新中学化学实验教学的意义

1.有利于开发学生的创新思维能力。将DIS数字化实验系统引入传统中学化学实验中,使用先进的传感技术,利用DIS实验能直观精确地显示实验数据以及强大的数据处理功能,以促进学生思维能力提高。[6]化学实验的特点是现象明显、反应迅速,当来不及观察变化速度太快的实验过程和实验现象时,DIS可以准确、迅速、客观真实地记录实验过程,让实验更具有说服力。还有一些不能通过实验想象观察到的实验,DIS可以用数据、图像、表格等来反应实验真实过程,不仅可以让学生理解较为抽象的内容,而且对实验现象进行多角度的认知以及广泛、深入的分析与研究,有利于学生进行深层次的思考,达到常规实验仪器达不到的效果。2.有助于探究性实验的开展。当下,探究式学习方式已经被越来越多的教师所接受,并在教学方法、理念上做出了积极的改变,从满堂灌的教学模式改为探究式,但穿新鞋走老路的现象仍然存在[7]。DIS可以快速准确地测得实验数据,同时利用计算机软件进行快速的数据分析处理,然后输出实验数据和图表,供师生进行实验分析,让师生有更多精力开展实验分析及研究,有助于探究性学习方式的推进。不断开发DIS实验潜在的教学功能,探究以DIS为载体的化学研究性学习,使用控制变量法、对比实验和空白实验等科学实验方法,可以提高学生研究性学习的水平。可以促进学生学习方式的转变,由传统实验中验证性学习方式转变为探究性学习,在探究过程中促使思维的火花互相碰撞,智慧的源泉激荡迸发。学有余力的同学还可以利用现代技术深入学习实验原理,对一些常见实验进行改进和探索,激发化学学习的兴趣。3.发挥实验教学的综合性功能。在实验教学中要克服DIS实验在观察力、动手能力培养,数据处理及误差分析能力培养缺乏等方面的弊病,体会科学技术和科学方法的优缺点和局限性,让学生建立为推动现代科技的发展、为人类社会的进步发展与时俱进的学习观,培养实事求是、严肃认真的科学态度。虽然DIS实验在目前还存在一定缺陷,但是它将计算机、数学、物理、化学、生物等各学科综合,展现了人类的聪明才智,体现了学科综合的巨大意义,让实验科学的教育功能更加丰富。DIS实验无法替代传统实验在化学学习中所起的作用,但是随着对数字化系统应用的不断深入,作为一种现代信息技术,DIS实验系统将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。传感技术与化学实验教学的有效融合,其显著优点必将给化学实验教学带来前所未有的启发和革新。如何进一步创造性地使用这一辅助工具开发其各种功能为教学服务,值得大家继续研究和探索。

参考文献:

[1]顾培琳.DIS实验在高中物理教学中的优化应用及有效性研究[D].上海师范大学,2012.

[2]丁莹,戴军.基于DIS的高中物理实验教学瓶颈研究[J].中学物理,2015,(23):65-66.

[3]赵恺.数字化实验教学设备的发展及应用以朗威~数字化信息系统实验室为例[J].中国教育技术装备,2015,(5):5-8+11.

[4]蔡天津.DIS在中学理科实验中的功能研究[J].中学教学参考(中旬刊),2016,(10):98-99.

[5]罗敏,胡晓红.借助传感器探究醋酸铵对同类盐水解的影响以醋酸钠和氯化铵为例[J].中学化学教学参考,2017,(Z1):48-50.

[6]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.

[7]王志春,丁林俐.课程基地催生化学生态课堂[J].化学教与学,2016,(7):65-66+72.

作者:宋洁 李祥培

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