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如何发挥数字化实验设备在高中化学教学上的优
发布日期:2019-05-18

如何发挥数字化实验设备在高中化学教学上的优势*

  

(西安市庆安高级中学   陕西 西安   710077)

 DIS( Digital Information System ) 实验技术,又称“数字化信息系统 ”,是由“传感器 + 数据采集器 + 配套实验器材 + 实验软件包 ( 教材专用软件、通用扩展软件) + 计算机 ”构成的新型实验系统此系统有着明显的优点,以此为途径可以使信息技术与实验教学的整合全面落地。近年各级教育行政部门也在加大支持数字化实验发展的力度。但在实际推广层面还存在着一些困难,所以笔者在梳理数字化实验在高中化学教学中遇到的一些问题的基础上提出了对应的建议,还列举了典型的化学教学中数字化实验案例希望本文能对数字化实验技术在化学教学中的普及起到一定作用

关键词:数字化信息系统高中化学;优势案例

 

一、引言

DIS( Digital Information System ) 实验技术,又称“数字化信息系统 ”,是由“传感器 + 数据采集器 + 配套实验器材 + 实验软件包 ( 教材专用软件、通用扩展软件) + 计算机 ”构成的新型实验系统[1]。该系统成功地克服了传统化学实验仪器的很多缺点以此为途径可以使信息技术与实验教学的整合全面落地。传感器主要包括电流、电压、压强、温度、高温、pH值、电导率、二氧化碳、氧气、二氧化硫等多种传感器。它们的主要功能是:实时地动态地测量各种物理然后电信号的模式送入数据采集器再通过计算机进行数据处理可以得到直观的数据趋势图像,便于使用者寻找实验中的客观规律。数字化实验设备的开发与使用,不仅是信息化教育手段在应用层面的提高,也是化学教学观念的进步,同时为思维方式的培养和科学精神的养成,提供了直接的素材,也为素质教育提供了全新的手段。

二、数字化实验设备应用的现状

以陕西省为例,2010年陕西省教育厅关发布了《中小学理科实验室装备规范》等四个教育行业标准,并且自2010年10月1日起实施。JY/T 0385-2006《中小学理科实验室装备规范》,中明确提出了探究实验室的建设要求,陕西省教育厅在文件4.1.1.2部分还特别给出了科学探究(理、化、生)推荐使用标准,给出了电脑配置、采集器、传感器、通用专用软件的具体要求。    

文件下发后陕西省教育行政部门大力推动了各中学的数字化实验室建设。以西安市为例从2012年开始在中学数字化实验室建设中投资近8000万,实现了全市138所省标准化高中学校的数字化实验设备的全覆盖。同时也以各种方式鼓励教师研究、使用数字化实验设备,例如在西安市和陕西省举办的中学理化生教师实验技能大赛中,预赛环节都加入了数字化实验的项目;在西安市和陕西省组织的中小学实验说课大赛中也鼓励使用新装备、新技术;西安市每年开展的理化生骨干教师实验操作培训班,都安排了数字化实验培训项目,笔者就曾受聘给参加培训班的老师培训数字化实验。随着各项工作的开展,数字化实验项目在西安有了很大的发展。但由于一些原因在一部分学校当中,数字化实验仪器设备的作用尚未得到充分发挥,经笔者调查分析原因主要有以下几个方面,同时也提出一些建议共大家参考:

(一)学生对数字化实验原理的认识不够[2],由于在化学课堂中数字化实验设备数据的获取,多是通过物理原理来进行,涉及到的相关知识,学生不一定都能了解,造成使用数字化实验设备进行教学有一定难度。如果化学课上使用较多的时间去解释这些原理,就有些首尾倒置,不能突出课堂重点了。建议教师先充分学习理解实验原理,授课式通过引导减少学生在实验过程当中过度的关注技术和设备,让学生关注的焦点聚焦在实验反映出来的数据变化,考虑图形变后背后的规律。

(二)教师本身关于数字化实验的技术水平较低,由于缺乏相关的培训,有的学校建立了数字化实验室,但是真正用起来的却很少。同时缺乏与教学相关的数字化实验案例与课程相配套的教材,现有的资料大多数是当个数字化实验具体操作案例,能很好的把实验和教学内容串到一起的课堂案例很少。建议教师积极参加教育行政部门组织的相关培训,同时自己主动利用包括互联网资源在内的一切资源主动研究。不要依赖现成的教学资源,要主动的把自己的数字化实验学习成果创造性的运用到教学中,使自己从数字化实验教学资源的使用者发展到数字化实验教学资源的生产者。然后大家共享数字化实验教学资源,这样才能形成良好的数字化实验教学资源生态,促进数字化实验设备在化学实验教学上的可持续发展。

(三)教材和练习当中很少涉及的化学数字化实验,现在中学课时紧张、教学任务重,老师不愿意再花时间去研究改进。其实数字化实验教学的作用从长期和短期都可以体现出来。从长期来看,学生在中学阶段接触数字化实验,可以有效的培养学生科学的思维方式,为他们的创新发展搭建平台,为以后进入高等学校学习相关的专业奠定坚实的基础。从短期来看,近年高考呈现出对化学知识的考查难度不算很高,但对读图能力要求提高的趋势。数字化实验教学能有效的提高学生对题目中图像、数据的理解能力,帮助他们在高考中取得优异的成绩。

另外对于学校来说,由于数字化实验相对于传统实验来说成本相对较高,维护难度较传统实验设备更困难。所以学校要积极联系数字化实验设备厂商,建立稳定长期的联系。让其提供更好的售后服务,数字化实验厂商在提供仪器的同时,应该做好对老师的相关培训,不仅需要培训如何使用仪器,也需要了解仪器的维护原理等方面的知识。

三、正确看待传统实验与数字化实验的关系

数字化实验不是对传统实验的否定,数字化实验人是为了更好的为教学服务。对于初级的、基础的理论知识教学,应该传统和数字化实验并行,切记不可完全抛弃传统的定性实验。  

比如说在测量空气当中氧气含量这个实验里,传统实验通过红磷在密闭容器当中燃烧,来判断氧气的含量大概是多少?现在我们有了氧气传感器,可以直接测量出空气当中氧气的含量,但是这并不代表不需要向学生展示红磷燃烧的实验。我们可以通过,氧气传感器测量,燃烧前后容器里空气含量的数据变化,并和传统实验的结果进行对比。随时采集的数据,有利于学生进行实验误差分析,加深学生对知识点的理解。

在进行更深层次的探究活动时数字化实验,能够起到删繁就简的作用。比如要测定一个反应中氧气的含量,直接引入氧气传感器,比通过传统方法更加便捷,省去了红磷燃烧等步骤。不同的传感器可以测量不同的量,比如二氧化碳传感器,乙醇传感器等等,方便老师和同学们进行深层次的探究。

四、挥数字化实验设备在化学实验教学上的优势

数字化实验在教学应用中主要以下三点优势:

(一)激发学生学习化学的兴趣。 兴趣是最好的老师,它可以激发人的创造热情、好奇心和求知欲。它又是一种情感因素,对人们的智力活动和其他的实践活动有着积极的影响。以化学学科为例,化学是一门以实验为基础的自然科学,实验过程中会发生很多有趣和富有研究价值的现象,这个过程本身就能引起学生的学习兴趣,而数字化实验更是一种特殊的实验仪器,与电脑相关联后,实验的各种结果会以数据的形式直接表达出来,数据之间的关系又可以自动生成曲线,更便于学生发现量变与质变之间的关系。这些都与传统的化学实验有很大区别,很容易吸引学生的关注,引起他们的兴趣。从而加强他们对化学的学习兴趣。

(二)数字化实验具有直观、可视的优点,能够将化学实验过程中肉眼观察不到的一些微观事物、现象如:分子、离子、压强、浓度等,通过传感器转化为电信号,然后通过数据采集器进入电脑,将实验过程中的各种变化量,用数据图像等直观形式表现的学生面前。同时也可以将由于微观的离子的种类与数量的改变情况,通过数字化技术进行放大。以化学教学过程为例Na2CO3NaHCO3溶解过程当中,温度变化的不是很明显,通过传统温度计难以准确测量,但可以通过温度传感器方便的测量盐溶解过程当中的热效应;酸碱中和滴定可以利用pH传感器,清晰的观察到滴定过程当中的pH突变到达的过程,与pH在滴定中的变化趋势;浊度传感器可以将氢氧化铁胶体和氯化铁溶液当中的分散质颗粒,大小直径展现的学生面前;色度传感器,可以敏锐的将硫氰化铁化铁溶血红色深浅的变化,以浓度的形式体现;压强传感器可以准确体现二氧化氮气体受压缩时,平衡的变化。总而言之,可以使传统实验教学中当中难以解决的难点得到有效的突破。

(三)以数字化实验设备为基础,可以拓宽了研究性学习的覆盖面。改善了实验探究的手段探,使化学探究活动可以涉及到的层面更深,更容易得到有价值的结果。每个学校都会有一些学生理、化、生学科成绩较好,实验操作能力强的学生,他们是课外实验探究活动的主体。数字化试验设备可以可他们提供更广阔的空间,某些方面甚至可以超越高中所要求的知识范畴。以化学学科为例:比较单液原电池与双液原电池的不同,可以选择电压传感器,测量其输出电压的稳定性。单液原电池电压衰减较快可以得到一条较倾斜的曲线,双液原电池可以得到了一条和横轴较平行的曲线,从而验证了双液电池较单液原电池的电压稳定。又如探究钢铁的电化学腐蚀,利用氧气传感器,将电化学腐蚀当中消耗氧气的量数字化,从而从定量或半定量的角度,研究钢铁腐蚀程度与氧气得电子之间的关系。

 五、数字化实验设备在化学教学中应用案例的研究

(一)利用数字化实验探究分子间作用力与氢键[3]

课堂教学时,教师将其中1支温度探头浸没于甲醇液体中,待软件显示温度示数稳定后将温度传感器取出,放置于桌面支架上,观察在这个过程中的温度变化情况。软件显示温度变化曲线如图1所示:

 

 

 

 

如何发挥数字化实验设备在高中化学教学上的优势
 

 

1 甲醇挥发温度变化曲线

 

在图像得出后,教师可以向学生提出问题:甲醇液体在挥发的时候为什么温度会降低?学生对于这一问题结合物理知识,能够较容易的讨论出结果,主要是因为甲醇挥发时需要吸收热量,所以会使温度降低。

接下来教师可以继续提出问题:为什么甲醇挥发需要吸收热量?这一问题需要教师引导学生从甲醇分子挥发的微观过程进行分析。常温常压下甲醇分子聚集在一起以液体形态存在。当它挥发时液体要变为气体,此时需要增大分子之间距离,这个变化过程是需要吸收外界能量的,同时也证明了原先分子聚集在一起时分子之间是有一定作用力的。从而直观地揭示了分子间作用力的客观存在。

接下来教师可以将4支温度探头分别浸入于甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇4种溶液中,待软件显示温度示数稳定后将温度传感器取出,放置于桌面支架上,观察在这个过程中的温度变化情况。如图2所示:

如何发挥数字化实验设备在高中化学教学上的优势

 

 几种醇挥发温度变化曲线

 

结合上述曲线,在教师的引导下学生可以讨论得到如下的结论:组成和结构相似的分子,随着相对分子质量的逐渐增加,挥发过程变得越来越慢,也就是说随着相对分子质量增加,分子间的作用力增大。

教师接下来继续取2支温度传感器探头分别浸没于正丁醇与正己烷中,待软件显示温度示数稳定后将温度传感器取出,放置于桌面支架上,观察在这个过程中的温度变化情况。结果如图3所示。

如何发挥数字化实验设备在高中化学教学上的优势

 

 正己烷、正丁醇挥发时温度变化曲线

教师引导学生思考进行如下思考:正己烷相对分子质量较正丁醇更大,按照前面的讨论结果,正己烷应该挥发得更慢,但是实验的结果却相反。由此教师可以引入氢键的存在,从此进入氢键的教学。

(二)利用数字化实验探究温度改变对铁盐水解程度的影响[4]

课堂教学时,教师将配制0.5mol/L的FeCl3溶液,经酸化后,将色度传感器与数据采集器连接,再将数据采集器与计算机连接;向比色皿中加入适量FeCl3溶液,再将比色皿放入色度传感器中,开启数据采集器。用温度计测量FeCl3溶液的初始温度为20,用恒温水浴锅分别将FeCl3溶液加热到25、30、40、50、60,按上述步骤分别测量6种温度下的吸光度,并进行记录,软件显示随温度变化的吸光度曲线如图4所示。

如何发挥数字化实验设备在高中化学教学上的优势

 

4 随温度变化的吸光度曲线

 

根据图像在老师的引导下,学生很容易结合物理知识进行得到如下认知:因为FeCl3溶液本身有颜色,对于光线的透过有影响,被感光器件记录下来后成为具体数值。溶液颜色越深,透过光线越少,吸光度就越大。

但为什么在不同的温度下吸光度数值不一样?而且是温度越高吸光度数值越大呈现正相关呢?教师要引导学生从FeCl3溶液发生水解的微观过程进行分析。氯化铁水解涉及到以下过程:Fe3+3H2O=Fe(OH)3+3H+  水解形成了Fe(OH)3胶体,它呈现出红褐色,所以使分散系的颜色变深,使体系的吸光度增加。图4所展现出的规律是温度越大,吸光度越高,就间接说明了温度越高,产生的Fe(OH)3胶体越多。说明温度越高FeCl3溶液水解程度越大。

接下来探究酸性环境对FeCl3溶液水解的影响。配制0.5mol/L的FeCl3溶液,分别取20ml的FeCl3溶液加入到6个10ml的烧杯中,再分别向上述烧杯中加入不滴数的2 mol/L的盐酸,依次为0、1、2、3、4、5滴。然后连接装置,分别测量上述6组样品的吸光度。结果显示随氢离子浓度变化的吸光度曲线如图5所示。

如何发挥数字化实验设备在高中化学教学上的优势

 

5 随氢离子浓度变化的吸光度曲线

由图5可得出出,随着盐酸加入量的增多氢离子浓度升高,溶液的吸光度减小,溶液颜色变浅说明溶液中Fe3+的量增大,而Fe(OH)3胶体的量减小,即水解平衡向逆向移动,表明酸性环境可以抑制FeCl3溶液的水解。

按照这个实验思路教师还可以设计其它的实验探究其它条件对盐类水解程度的影响。

五、结语

数字化实验应用在高中化学教学上,是一次教学手段的创新,是现代教育技术与课堂教学的深度融合。从理论和实践层面,都证明了数字化实验技术应用于高中化学教学具有显而易见的优点[5]但凡新理念和新技术引用于教学都需要有一个过程,在这个过程中要真正认清当前数字化实验教学的现状以及出现的问题,从而积极的思考与行动,争取数字化实验技术数在高中化学教学中,发挥更大的功能和作用。

参考文献:

[1] 卓敏.DIS数字化信息系统在中学化学实验教学的应用举例[J].教学仪器与实验,2011.27(3):57-59

[2] 汪丹丹.中学化学数字化实验室配备一般要求研究[D].南京:南京师范大学,2017:31-33

[3] 徐惠.以数字化探究实验引领“分子间作用力”教学[J]. 化学教育(中英文), 2017, 38(15): 20-23

[4] 陈琛.数字化手持技术实验在高中化学课堂教学中的应用研究[J].化学教育(中英文),2015(1):29-33

[5] 陈晨新,薛耀锋,闫寒冰,苏小兵.国内中学理科数字化实验教学现状与分析[J].中国教育技术装备,2013(6):123-125

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