1、1泰兴市第二高级中学数字化实验社化学校本课程主编：常 娟指导顾问：周 跃 吴 成 林作者：常 娟 凌 燕 二 0 一七年十月2目 录序第一章 数字化实验的缘起第二章 数字化实验的构成第三章 传感器种类与功能第四章 国外化学数字化实验的发展第五章 国内化学数字化实验的发展第六章 数字化实验案例实验一 电解质和非电解质（2 课时）实验二 离子反应概念的构建(2 课时)实验三 离子反应中离子数量关系的讨论（2 课时）实验四 数字化实验选择氢氧化铁胶体渗析实验用的半透膜（2 课时）实验五 利用数字化仪器比较强酸和弱酸的 pH 及电导率（1 课时）实验六 碳酸钠和碳酸氢钠溶解过程热效应的比较（1 课时）
2、实验七 数字化实验比较碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性（1 课时）实验八 碳酸钠和碳酸氢钠与酸反应的差异（3 课时）实验九 干燥剂的吸水性（1 课时）实验十 探究二氧化碳的温室效应（2 课时）3序2014 年我考取了南京师范大学的在职研究生，2015 年暑期我开始了在职研究生的学习，南京师范大学给我们安排了数字化实验这门课程。这门课程由马宏佳教授给我们讲授，这是我首次接触数字化实验。自此，数字化实验在我面前揭开了它的神秘面纱！随着学习的不断深入，对待数字化实验这门新型的科学实验技术我由当初的忐忑激动逐渐回归平静，同时开始深思：这门信息技术能引入我们普通的城镇中学吗？对于我们普通城镇中学的学生引入数字
3、化实验可行吗？有效吗？如果在化学课堂教学过程中使用效果会怎样？缘，妙不可言！2015 年暑期课程结束时，学院进行了导师的安排，我有幸投入到了马宏佳教授的门下！自此，我与数字化实验结下了不解之缘！特别要提出的是，马宏佳教授长期关注化学教学实验的改革，在研究、总结、推广化学数字化实验方面做了大量工作。马宏佳教授主编的化学数字化实验的理论与实践 ，就是她率领的团队长期研究化学数字化实验的成果！本校本课程的第一章至第五章全部摘录自马宏佳教授主编的化学数字化实验的理论与实践这本书！希望能帮助我校师生更好地学习和运用数字化实验！第六章数字化实验的案例也全部是参考的马宏佳教授这本书，同时结合我们学校学生的实
4、际情况，加入了我的一些思考，将数字化实验和传统的化学实验操作结合起来。数字化实验对我校化学教学会带来怎样的教学效果，通过本校本课程，我尝试进行一些摸索和研究，以期给化学同行们带来一些经验借鉴！最后，感谢我的导师马宏佳教授对我的培养和支持！感谢我们张建东校长对我的栽培、支持、信任和关怀！感谢我们教研员周跃主任和我们总务处吴成4林主任对我的关心和指导！第一章 数字化实验的缘起数字化实验起源于计算机技术和传感器技术的发展。信息技术的核心是信息的采集、传输和处理。进入 20 世纪后，随着计算机技术和网络技术的发展，信息的传输和处理能力迅速提高，因而产生了对信息采集能力的迫切需求，发达国家开始大力发展传
5、感器技术并将其视为涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。在上世纪 80 年代，美国称世界已进入传感器时代，日本、英国、法国、德国、俄罗斯等发达国家都将传感器技术列为国家重点开发的关键技术之一，并首先应用于国防和科学研究中。上世纪 70 年代，研究科学教育的学者也关注到了计算机和传感器在教学中的应用。美国学者 Robert Tinker 是数字化实验的首创者和命名人。他的团队发明了世界上第一个教学用温度传感器，并在 1978 年做成了第一个运用传感器的教学实验-萘的冷却曲线实验 1。冷却曲线实验采用 Robert Tinker
6、 团队改造的能够使用模拟输入的 KIM-1 计算机，用热电偶来测量试管中被加热后的萘在冷却过程中不同时点的温度，并在计算机上实时显示出温度变化曲线。随着实验的进行，学生能够同时看见温度的变化图像和具体的实验现象，在温度曲线平台期的开始阶段，可以看到试管中固体以可爱的雪花般的粒子状态开始出现，到平台后期则完全凝固。冷却曲线实验展示出传感器和计算机软硬件结合具有的强大教育潜力。1Tinker, R. A history of probeware: 2000EB/OL. 2016-01-04. http:/www.concord.org/sites/default/files/pdf/probewa
7、re_history.pdf.5Robert Tinker 的团队在许多场合演示这个新奇的实验。1970 年代末，该实验在美国物理教师协会（American Association of Physics Teachers ，简称 AAPT）年会等会议上演示，引起了与会者的极大兴趣。冷却曲线实验的成功，开辟了数字化实验研究的新纪元。1980 年代，更多的美国科学教育界的有识人士意识到基于传感器、数据采集器和计算机及相应软件的数字化实验在科学教育中获得广泛和深入的运用，会对提高科学教育的现代化水平发挥至关重要的作用。于是，人们开始研究和开发适合教育应用的传感器、计算机软件和教学实验。时至今日，数字
8、化实验研究、开发和应用已有 30 余年，并正在蓬勃发展。拓展阅读：数字化实验先驱Robert Tinker 的故事数字化实验先驱Robert Tinker 的故事 2一、罗伯特廷克（ Robert Tinker）与约翰金（John King）相遇Robert Tinker 是数字化实验的首创者和命名人。1965 年，Robert Tinker 进入美国麻省理工学院跟随 John King 教授攻读物理和教学相结合的博士学位。John King 是 20 世纪美国物理教育界的领导者之一，也是优秀的实验物理学家和专注的教育家，他最早将传感器引入物理教育。他的梦想是设计一个装着传感器的鞋盒大小的盒子
9、，学生能用盒子里的传感器来测量几乎所有的东西。在很多方面，数字化实验是 King 教育思想的直接延续。Robert Tinker 与其导师的教育思想有深刻的内在一致。在读博之前，Robert Tinker 曾经在美国的史迪尔门学院任教两年，这段教学经历唤醒了他对教育的终身兴趣，同时2 李惠，马宏佳. 数字化实验的历史及启示J.化学教与学.2016.2.图 1-1 Robert Tinker6让他得到了如何提高科学教育水平的启示。Robert Tinker 教学时发现，当时的教学材料并不能满足学生需要，因此，他就用自己的观察和亲自动手实验来帮助教学。他认为，学得最明白的课是那种用好的仪器设备让学
10、生亲手实践的课。这种学习能够对复杂现象迅速地形成直观理解。一旦好的直觉到位了，物理学那些抽象的，以公式来表示的处理方法就容易理解了。正是由于这样的教学经历，Robert Tinker 追随着他的导师 John King 的教育思想，逐步把数字化实验变成现实。Robert Tinker 数字化实验的灵感来自 “发酵葡萄汁泡泡计数实验” 。这是在 1970 年以前，微型计算机还没出现，Bill Walton 指导的“ 计算机和实验室计算（CLAC ） ”项目，开发了一个实验活动：使用一个计算器、一台 x-y 绘图仪和一台光检测器来检测计数发酵葡萄汁中产生的泡泡数，只要酵母在繁殖，泡泡的总量随时间推
11、移所形成的图像是呈指数趋势上升的，绘图仪可即时显示出泡泡数目随时间上升的变化图像，从而提高学习者对关键运算思想的直觉。这个实验让 Robert Tinker 意识到，数值方法和交互式的图像可以支持直觉运算，可以帮助学生对复杂现象形成直观理解，同时，计算器、绘图仪和光检测器的配合使用也使 Robert Tinker 印象深刻。二、计算机使用及模拟信号与数字信号的转换1976年，在美国国家科学基金会（NSF）的支持下，Robert Tinker和Hilton Abbott 开始了一个名为“计算机和实验室数学(CALM)” 的项目。该项目的理想是建构一个计算机控制的环境来教学生逻辑和编程。例如，构建
12、一个模型铁路，其转辙器和机车发动机变速器都由计算机程序控制。该项目为数字化实验的开发奠定了计算机控制的基础。研究中，Robert Tinker 发现，当时的实验室测量主要以模拟信号为主，如温度，光照水平和电压等均为模拟信号，这种模拟信号如何以数字信号的形式输入到计算机中，成为一个大问题。模拟信号并不适合计算机的数字世界。Robert Tinker 的朋友 Greg Edward，是7一个物理学家，也是在 NSF 的项目专员，他对未来科技有着清晰的视野。他使 Robert Tinker 相信模拟数字转换器将使计算机成为完美的实验室仪器。于是，Robert Tinker和他的团队开展了艰苦的创造性
13、地努力，通过编程和改造计算机硬件，终于解决了数字信号与模拟信号的转换和输入输出问题。Robert Tinker 在 KIM-1 计算机上加入了模拟数字转换器，一个名叫 MOSK 科技的小公司把它做成了单片 KIM-1 计算机，以 245 美元一台的价格出售，并被摩托罗拉等公司购买。计算机的使用和模拟信号与数字信号的转换为数字化实验提供了技术保障的基础。三、 “冷却曲线实验” 第一个教学应用的数字化实验“发酵葡萄汁泡泡计数实验” 尽管很有启发性，但对教育没有太多直接影响，因为制作含酒精的葡萄汁与学校教学内容几乎没有联系。模数转换器的加入，使数字化实验的测量范围扩大到温度、光、电压等物理量。在这个
14、基础上，1978 年，Robert Tinker 开发出了第一个具有教学应用的数字化实验：“冷却曲线实验”。冷却曲线实验采用 Robert Tinker 改造的能够使用模拟输入的 KIM-1 计算机，用热电偶来测量试管中的卫生球（萘）在冷却过程中不同时点的温度，产生的模拟信号输入至计算机，并以模拟信号的方式输出到示波器上，从而实时显示出温度变化。以前做这个实验，学生通常需要长时间实验并记录不同时刻的温度，然后将数据绘制成曲线。他们通常不能理解图形的特征和正在冷却的物质性质之间的关系。经常不能理解在固液转换期间观察到的温度曲线平台的物理意义，丢失了关键性的观察。使用 Robert Tinker
15、的数字化实验时，因为探针很小，反应灵敏，因此所需样品量很少，实验就能在几分钟内完成，学生有充足的时间在没有相变的情况下完成冷却曲线，然后再同有相变情况下的冷却曲线相比。随着实验的进行，学生能够看见温度的变化图像。他们看见在平台期的开始阶段，固体以可爱的雪花状的粒子状态开始出现，平台后期完全凝固。当实验正在8进行时，他们能够推测温度恒定的原因。如果他们幸运的话，也能观察到过冷现象。教师甚至提供了第二个传感器来测量周围水的温度，学生因此能够确认即使卫生球的温度保持恒定，但水变得更冷了，说明卫生球正在从水中提取热量。冷却曲线实验是第一个成功的具有教学应用的数字化实验，该实验展示出传感器和计算机软硬件
16、结合具有的强大教育潜力。该实验在美国物理教师协会（AAPT）年会等会议上多次演示，引起了与会者的极大兴趣。为数字化实验研究注入了极大的活力。四、Robert Tinker 为数字化实验命名到 1980 年，以教育为目的的实时数据采集的实验系统需要一个名字。 Robert Tinker认为这个名字不仅要反映该技术，而且还需要表达出这是一个开放式的教育方法，从而把它与自动化实验室或用传感器进行操练和实践区别开来，他决定将其命名为以微型计算机为基础的实验（Microcomputer-Based Laboratories） ，简称 MBL。Microcomputer 这个词中强调的微型计算机是刻着时代烙印的，在当时用以区别于体积庞大的计算机。今天的个人电脑，功能强大，体积微小已成常态，早已不再需要前缀“micro”。因此，MBL 的名字已经过时，在西方，人们越来越多地使用“probeware” 这个 Marcia Linn 发明的名词来指代数字化实验。随着计算机技术的不断进步，Robert Tinker 和他的同事，不断改进数字化实验，开发了多种传感器及配套的硬件和软件。Robert Tinker 是当之无愧的数字化实验的先驱。(其他内容见相关校本教材)
