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【摘 要】 从信息化的发展历程来看，一国的信息化将经历信息产业化，产业信息化，经济信息化和社会信息化这样一个过程。教育信息化作为产业信息化的重中之重，将为其他产业的信息化提供智力基础和人才基础。数字实验室就是顺应教育信息化改革的产物，全面支持大学、中学理化生常规实验、小学科学和探究性实验的要求，是配合理化生实验室的改革，构建国际先进的“数字化实验系统”的主要技术装备，其功能特点决定了它既能很好地支持学校的常规教学实验，又能支持高层次研究开发，为教师和学生提供一个演示和探究性实验的系统平台。
【关键词】 数字实验室 传感器
１ 新课程背景下中学化学实验教学中的困惑
随着教育改革的不断深化和素质教育的全面推进，教学方式的改变，开展科学探究实验是一种行之有效的教学、学习方式，有利于对现行以知识本位、教师为中心的传授、灌输为主要特征的课堂教学模式加以改造，使教学过程真正建立在学生自主活动为主体的基础上，通过学生多样的主体活动，促进他们主体意识、创新精神、实践能力和整体素质的全面发展。但仅仅运用传统化学实验仪器和设备很难完成化学反应原理教材中的一系列实验，更难有效地完成实验化学教材中一些课题实验。中学化学实验室的发展的落后与中学教育改革的深化之间产生矛盾；中学传统化学实验室仪器和设备的简陋和中学化学实验教学方式改变之间产生矛盾；学生学习方式的改变与传统实验室开设的单一的验证性实验和简单制备性实验之间产生矛盾。这些矛盾的凸显致使许多实验教学无法开展，但又不能不开展；这样很多时候又回到了教师为中心的传授、灌输为主要特征的课堂教学模式；或者用黑板实验来取而代之。这使得教师非常的困惑，而中学数字实验室可以很好解决这些困惑。
中学数字实验室作为一种新的课程资源，探索其在基础教育课程改革中的积极作用和意义；积极探索科学探究实验教学的新方法、新途径；改变学生的“静态学习”模式，使学生积极主动参加实际的活动，增加学生的实践机会，提高学生的动手能力。研究科学探究实验室建设在中小学教育教学中的实际应用成为基础教育课程改革中面临的重大课题。目前国内外许多学者都认为科学探究实验室是中小学教学中培养学生的创新意识和动手能力的一条重要途径，它对提高教学质量有重要的意义。
２ 数字实验室的优势和国内外现状
资料显示许多发达国家在小学教育中非常注重儿童的直接经验，为学生提供相当数量的学习材料和用具，实施以儿童的需求为中心的经验型课程。如美国二十世纪三十年代开始一直采用这种方法。由于教育部颁布的《中小学实验室建设规范》要求在中小学中建立科学探究实验室，国内的研究工作也刚刚起步，据了解国内目前只有江苏省，教育部教学食品研究所从2003年开始率先从事科学探究实验室建设的理论研究和初步尝试。2004年6月以来，杭州市教育技术中心先后邀请了市教研室金朋老师、著名物理教师夏梦生等专家就数字化实验室的组成、功能和布局等项目进行充分论证，并对上海，南京，苏州，广州等兄弟省市进行了实地考察，形成了具有杭州特色的数字化实验室模式。从网络布线，静电地板铺设，到实验桌凳、多媒体设备和数字化实验室系统的安装都进行政府采购。在市教育局、省教育装备管理中心的大力支持下，至2006年12月底，我市市属普通高中每校一个数字化实验室的工程全部完成。并将为25所区、县的普通高中各配发一套数字化实验系统。数字化实验室建成将为我市普通高中新课程改革与实验教学提供技术支撑和条件课程。全国及我省大部地区在此方面的研究工作尚属空白，本文将阐述在这一领域进行的粗浅探索。
2.1 什么是数字实验室。数字实验室不是一个单一的产品，而是提供一套整体的解决方案。它由“数据采集器（安装数字实验室管理和数据分析配套软件，集采集、显示、处理为一体）＋传感器（包括各种常规实验和探究性实验要求的理、化、生传感器）＋配套教具”组成。数字实验室既克服了传统实验仪器和实验方式的弊端，又真正实现了信息技术与常规教学、探究性实验的完美结合。
2．2 数字实验室的优势。
第一，摒弃如天平、弹簧测力器、计时器这些传统测量误差性比较大的实验工具，将学生彻底解放出来，减少繁琐的数据处理，从而更加专注于实验分析本身。
第二，迅速、精确地获得实验数据。数字实验室系统大大缩短用于实验的时间，而且得到的数据更加精确、直观。
第三，让一些使用传统实验手段难以实现的实验成为可能。 “弱酸在稀释过程中的电离度变化测定”、“盐类稀释水解平衡的移动”等许多过去中学不可能完成的实验，利用数字实验系统均可轻松完成。这对中学理化生实验具有非常强的实用性。
2.3 数字实验室的两种构建模式。数字实验室由“数据采集器（安装数字实验室管理和数据分析配套软件，集采集、显示、处理为一体）＋传感器（包括各种常规实验和探究性实验要求的理、化、生传感器）＋配套教具”组成。
2.2.1 数字实验室的构建模式一：图形数据采集器：集采集数据、显示实验数据和曲线、处理实验数据于一体。
传感器：包括各种常规实验和探究性实验要求的理、化、生传感器。
配套教具：为方便实验数据采集而设计的各种专用教具。
网络连接方式：教师和学生各组之间通过网络交换机连接成局域网。
2.2.2 数字实验室的构建模式二：计算机：显示实验数据和曲线、处理实验数据。
数据采集器：接驳多个传感器，同时采集数据，并传输至计算机。
传感器：包括各种常规实验和探究性实验要求的理、化、生传感器。
配套教具：为方便实验数据采集而设计的各种专用教具。
网络连接方式：教师和学生各组之间通过网络交换机连接成局域网。
３ 高中化学实验教学疑难问题的解决
3.1 弥补中学传统实验室的不足。利用PH值传感器代替PH试纸：利用PH值传感器解决强弱电解质教学中设计通过强酸和弱酸稀释相同倍数前后PH值的变化不同来判断时，实验中要配制PH值相同的醋酸和稀硫酸溶液是不可能的。但如果用PH传感器可以连续测量溶液的PH值，而且可以通过软件处理投影PH值随稀释倍率变化的二维图像，将强酸和弱酸的PH值变化进行更直观的对比；同理也可以利用同样的方法来探究盐类水解平衡教学中设计水解的盐溶液的PH值因稀释而引起平衡移动，从而带来PH值变化与稀释的倍率之间并不存在简单计算关系等。从而告别黑板实验和苍白无力的说教。（注：pH值传感器在使用之前是需要标定的。）
下面我具体讲讲如何利用PH值传感器代替PH试纸对弱电解质电离平衡的移动这一知识点展开实验教学。在数字实验室将学生分为5组每组7~8人。每组都有研究所需的一定浓度的弱电解质溶液醋酸溶液、蒸馏水、三脚架、石棉网、酒精灯、量筒、烧杯、玻璃棒、实验用台式电脑一台（内已经装有DISLab6.8软件）、PH传感器两只和标准BNC接口。
结合教材中这一课时的教学是在学了弱电解质的电离平衡之后知道弱电解质电离是吸热的，而且学习了电离平衡常熟。在这个前提下可以引导学生如何设计实验来感受弱电解质电离平衡的移动。给出10分钟的时间让学生按分组讨论利用现有的实验仪器和药品，给出至少一个可行的实验方案并通过实验弱电解质电离平衡的移动来验证平衡原理是否正确。学生讨论后得出的实验方案主要有：①通过改变醋酸溶液的温度来促使电离平衡移动，在改变温度前先后分别利用PH传感器测量溶液的PH值进行对比来和平衡移动原理分析平衡移动的方向进行比较看是否吻合。通过实验测得对醋酸进行加热发现PH值是减小的，与理论分析的温度上升平衡向吸热反应方向移动即氢离子浓度增大PH值减小相吻合。②通过改变醋酸溶液的浓度来促使电离平衡移动，在稀释100倍前先后分别利用PH传感器测量溶液的PH值进行对比来和平衡移动原理分析平衡移动的方向进行比较看是否吻合。通过实验测得对醋酸进行加热发现PH值是增大但增量略小于2的，与理论分析的稀释醋酸，平衡常数保持不变，平衡向电离反应方向移动即氢离子物质的量增大，PH值增量小于2相吻合。
【关键词】 数字实验室 传感器
１ 新课程背景下中学化学实验教学中的困惑
随着教育改革的不断深化和素质教育的全面推进，教学方式的改变，开展科学探究实验是一种行之有效的教学、学习方式，有利于对现行以知识本位、教师为中心的传授、灌输为主要特征的课堂教学模式加以改造，使教学过程真正建立在学生自主活动为主体的基础上，通过学生多样的主体活动，促进他们主体意识、创新精神、实践能力和整体素质的全面发展。但仅仅运用传统化学实验仪器和设备很难完成化学反应原理教材中的一系列实验，更难有效地完成实验化学教材中一些课题实验。中学化学实验室的发展的落后与中学教育改革的深化之间产生矛盾；中学传统化学实验室仪器和设备的简陋和中学化学实验教学方式改变之间产生矛盾；学生学习方式的改变与传统实验室开设的单一的验证性实验和简单制备性实验之间产生矛盾。这些矛盾的凸显致使许多实验教学无法开展，但又不能不开展；这样很多时候又回到了教师为中心的传授、灌输为主要特征的课堂教学模式；或者用黑板实验来取而代之。这使得教师非常的困惑，而中学数字实验室可以很好解决这些困惑。
中学数字实验室作为一种新的课程资源，探索其在基础教育课程改革中的积极作用和意义；积极探索科学探究实验教学的新方法、新途径；改变学生的“静态学习”模式，使学生积极主动参加实际的活动，增加学生的实践机会，提高学生的动手能力。研究科学探究实验室建设在中小学教育教学中的实际应用成为基础教育课程改革中面临的重大课题。目前国内外许多学者都认为科学探究实验室是中小学教学中培养学生的创新意识和动手能力的一条重要途径，它对提高教学质量有重要的意义。
２ 数字实验室的优势和国内外现状
资料显示许多发达国家在小学教育中非常注重儿童的直接经验，为学生提供相当数量的学习材料和用具，实施以儿童的需求为中心的经验型课程。如美国二十世纪三十年代开始一直采用这种方法。由于教育部颁布的《中小学实验室建设规范》要求在中小学中建立科学探究实验室，国内的研究工作也刚刚起步，据了解国内目前只有江苏省，教育部教学食品研究所从2003年开始率先从事科学探究实验室建设的理论研究和初步尝试。2004年6月以来，杭州市教育技术中心先后邀请了市教研室金朋老师、著名物理教师夏梦生等专家就数字化实验室的组成、功能和布局等项目进行充分论证，并对上海，南京，苏州，广州等兄弟省市进行了实地考察，形成了具有杭州特色的数字化实验室模式。从网络布线，静电地板铺设，到实验桌凳、多媒体设备和数字化实验室系统的安装都进行政府采购。在市教育局、省教育装备管理中心的大力支持下，至2006年12月底，我市市属普通高中每校一个数字化实验室的工程全部完成。并将为25所区、县的普通高中各配发一套数字化实验系统。数字化实验室建成将为我市普通高中新课程改革与实验教学提供技术支撑和条件课程。全国及我省大部地区在此方面的研究工作尚属空白，本文将阐述在这一领域进行的粗浅探索。
2.1 什么是数字实验室。数字实验室不是一个单一的产品，而是提供一套整体的解决方案。它由“数据采集器（安装数字实验室管理和数据分析配套软件，集采集、显示、处理为一体）＋传感器（包括各种常规实验和探究性实验要求的理、化、生传感器）＋配套教具”组成。数字实验室既克服了传统实验仪器和实验方式的弊端，又真正实现了信息技术与常规教学、探究性实验的完美结合。
2．2 数字实验室的优势。
第一，摒弃如天平、弹簧测力器、计时器这些传统测量误差性比较大的实验工具，将学生彻底解放出来，减少繁琐的数据处理，从而更加专注于实验分析本身。
第二，迅速、精确地获得实验数据。数字实验室系统大大缩短用于实验的时间，而且得到的数据更加精确、直观。
第三，让一些使用传统实验手段难以实现的实验成为可能。 “弱酸在稀释过程中的电离度变化测定”、“盐类稀释水解平衡的移动”等许多过去中学不可能完成的实验，利用数字实验系统均可轻松完成。这对中学理化生实验具有非常强的实用性。
2.3 数字实验室的两种构建模式。数字实验室由“数据采集器（安装数字实验室管理和数据分析配套软件，集采集、显示、处理为一体）＋传感器（包括各种常规实验和探究性实验要求的理、化、生传感器）＋配套教具”组成。
2.2.1 数字实验室的构建模式一：图形数据采集器：集采集数据、显示实验数据和曲线、处理实验数据于一体。
传感器：包括各种常规实验和探究性实验要求的理、化、生传感器。
配套教具：为方便实验数据采集而设计的各种专用教具。
网络连接方式：教师和学生各组之间通过网络交换机连接成局域网。
2.2.2 数字实验室的构建模式二：计算机：显示实验数据和曲线、处理实验数据。
数据采集器：接驳多个传感器，同时采集数据，并传输至计算机。
传感器：包括各种常规实验和探究性实验要求的理、化、生传感器。
配套教具：为方便实验数据采集而设计的各种专用教具。
网络连接方式：教师和学生各组之间通过网络交换机连接成局域网。
３ 高中化学实验教学疑难问题的解决
3.1 弥补中学传统实验室的不足。利用PH值传感器代替PH试纸：利用PH值传感器解决强弱电解质教学中设计通过强酸和弱酸稀释相同倍数前后PH值的变化不同来判断时，实验中要配制PH值相同的醋酸和稀硫酸溶液是不可能的。但如果用PH传感器可以连续测量溶液的PH值，而且可以通过软件处理投影PH值随稀释倍率变化的二维图像，将强酸和弱酸的PH值变化进行更直观的对比；同理也可以利用同样的方法来探究盐类水解平衡教学中设计水解的盐溶液的PH值因稀释而引起平衡移动，从而带来PH值变化与稀释的倍率之间并不存在简单计算关系等。从而告别黑板实验和苍白无力的说教。（注：pH值传感器在使用之前是需要标定的。）
下面我具体讲讲如何利用PH值传感器代替PH试纸对弱电解质电离平衡的移动这一知识点展开实验教学。在数字实验室将学生分为5组每组7~8人。每组都有研究所需的一定浓度的弱电解质溶液醋酸溶液、蒸馏水、三脚架、石棉网、酒精灯、量筒、烧杯、玻璃棒、实验用台式电脑一台（内已经装有DISLab6.8软件）、PH传感器两只和标准BNC接口。
结合教材中这一课时的教学是在学了弱电解质的电离平衡之后知道弱电解质电离是吸热的，而且学习了电离平衡常熟。在这个前提下可以引导学生如何设计实验来感受弱电解质电离平衡的移动。给出10分钟的时间让学生按分组讨论利用现有的实验仪器和药品，给出至少一个可行的实验方案并通过实验弱电解质电离平衡的移动来验证平衡原理是否正确。学生讨论后得出的实验方案主要有：①通过改变醋酸溶液的温度来促使电离平衡移动，在改变温度前先后分别利用PH传感器测量溶液的PH值进行对比来和平衡移动原理分析平衡移动的方向进行比较看是否吻合。通过实验测得对醋酸进行加热发现PH值是减小的，与理论分析的温度上升平衡向吸热反应方向移动即氢离子浓度增大PH值减小相吻合。②通过改变醋酸溶液的浓度来促使电离平衡移动，在稀释100倍前先后分别利用PH传感器测量溶液的PH值进行对比来和平衡移动原理分析平衡移动的方向进行比较看是否吻合。通过实验测得对醋酸进行加热发现PH值是增大但增量略小于2的，与理论分析的稀释醋酸，平衡常数保持不变，平衡向电离反应方向移动即氢离子物质的量增大，PH值增量小于2相吻合。