魏蝶　李樹偉　陳冠梅　孫振范

[摘? ?要]文章概述了我國中學(xué)化學(xué)實驗使用手持技術(shù)的歷史和應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了該技術(shù)的成功經(jīng)驗和不足之處，提出了應(yīng)用智能化家用儀器取代手持技術(shù)完成部分中學(xué)化學(xué)實驗的可行性。

[關(guān)鍵詞]中學(xué)化學(xué);實驗教學(xué);手持技術(shù);智能化家用儀器

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）05-0073-03

化學(xué)是一門基于實驗的學(xué)科，化學(xué)實驗作為中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)設(shè)生動活潑的教學(xué)情境、幫助學(xué)生理解并掌握知識與技能、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新精神具有不可替代的作用。然而，通過深入調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國中學(xué)化學(xué)實驗的開設(shè)現(xiàn)狀令人擔(dān)憂，部分定性實驗僅由教師演示，學(xué)生很少有機會做實驗;即使是有實驗條件的學(xué)校，考慮到升學(xué)問題，也很少開展學(xué)生實驗，實驗室多處于閑置狀態(tài)。另外，中學(xué)定量實驗較少，很少受到重視，教師幾乎不進行演示，學(xué)生更是沒有機會動手操作?？梢?，我國中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)存在較大問題，亟須改善。

一、手持技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實驗中的應(yīng)用研究

2003年，華南師范大學(xué)錢揚義等人最先提出將手持技術(shù)與中學(xué)化學(xué)相結(jié)合，與此同時王磊等人提出了與之類似的概念，稱為“傳感技術(shù)”，他們共同將這些技術(shù)應(yīng)用到化學(xué)教學(xué)中。此后，國內(nèi)學(xué)者開始對手持技術(shù)展開研究，國內(nèi)化學(xué)教育期刊陸續(xù)報道了一系列的相關(guān)實驗;國內(nèi)生產(chǎn)手持設(shè)備的廠家逐漸增多，其中以山東遠大朗威教育科技股份有限公司、江蘇蘇威爾科技有限公司、深圳市創(chuàng)能億科科技開發(fā)有限公司等廠家為代表，為實驗教學(xué)的基礎(chǔ)教育提供了全面的數(shù)字化解決方案，實驗質(zhì)量和效率大大提高，學(xué)生實驗操作空間明顯擴大。

以“手持技術(shù)”“傳感技術(shù)”和“中學(xué)化學(xué)”為關(guān)鍵詞，在“中國知網(wǎng)”等數(shù)據(jù)庫進行文獻查閱，筆者發(fā)現(xiàn)，2012年以后，國內(nèi)關(guān)于手持技術(shù)與中學(xué)化學(xué)相結(jié)合的研究顯著增多。目前，錢揚義的課題“數(shù)字化手持技術(shù)理科探究實驗室建設(shè)”已在全國10余所大學(xué)、50余所中小學(xué)建立實驗研究基地，在一定程度上促進了我國中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的進步。國內(nèi)學(xué)者對于手持技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)的研究主要體現(xiàn)在兩個方面：教學(xué)案例開發(fā)以及基于手持技術(shù)應(yīng)用的理論研究。

（一）教學(xué)案例開發(fā)

最初，手持技術(shù)引入我國是為了開發(fā)中學(xué)化學(xué)實驗并用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)。錢揚義等人率先將手持技術(shù)應(yīng)用到中學(xué)化學(xué)實驗中，通過溫度傳感器測定酒精燈火焰的溫度[1]，得出“酒精燈溫度最高的是內(nèi)外焰交接處而不是通常所說的外焰溫度”的結(jié)論。此后，國內(nèi)學(xué)者關(guān)于手持技術(shù)的研究集中在化學(xué)實驗案例的開發(fā)上。

1.改進傳統(tǒng)實驗

手持式技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實驗中的應(yīng)用，需充分發(fā)揮其優(yōu)勢。手持技術(shù)由傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，因此易于將實驗現(xiàn)象數(shù)字化呈現(xiàn)，讓學(xué)生在感受化學(xué)變化的無窮魅力的同時，增強對化學(xué)知識的理解。

例如，通常，通過與稀鹽酸反應(yīng)來比較碳酸鈉與碳酸氫鈉的性質(zhì)。當(dāng)溶液混合時，反應(yīng)在幾秒內(nèi)就能完成，用肉眼觀察很難判斷氣體放出的快慢，用手也很難感觸到明顯的溫度差異。高妙添等人在pH傳感器、溫度傳感器及CO2傳感器的輔助下，將不易觀察的現(xiàn)象以數(shù)顯、圖表等形式顯示出來，有利于直觀、形象地比較這兩種物質(zhì)[2-3]。又如，探究鈉與水的反應(yīng)實驗，教師大多引導(dǎo)學(xué)生通過觀察、解釋實驗現(xiàn)象，并根據(jù)氧化還原反應(yīng)得失電子守恒來推測反應(yīng)產(chǎn)物。然而，實驗中溫度變化不明顯，且學(xué)生不易理解生成的氣體為氫氣。為此，江丹虹、盛儉發(fā)等人通過pH傳感器、溫度傳感器、氧氣傳感器，更加直觀地體現(xiàn)物質(zhì)生成的過程，使得實驗更加具有說服力[4]。錢揚義等人應(yīng)用手持技術(shù)研究了高中化學(xué)反應(yīng)原理，特別是溫度、壓力、催化劑和濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，研究文獻多達二十余篇，讓學(xué)生更容易從微觀角度認識化學(xué)反應(yīng)原理，進一步認識和理解化學(xué)物質(zhì)世界。手持技術(shù)的引入，能夠有效幫助學(xué)生構(gòu)建化學(xué)實驗的相關(guān)知識，使理論與實踐的結(jié)合更加嚴密，讓學(xué)生體驗科學(xué)探究中的“邊干邊學(xué)”，感受科學(xué)進步帶來的學(xué)習(xí)樂趣。

2.輔助常規(guī)實驗

傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)受實驗儀器尤其是定量化實驗儀器的限制，中學(xué)的很多化學(xué)實驗多是驗證性實驗，學(xué)生很難理解實驗現(xiàn)象和理論背后的奧秘;有的實驗現(xiàn)象不明顯，學(xué)生對知識的建構(gòu)受到一定的影響。因此，利用手持技術(shù)進行常規(guī)實驗是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的必然要求。例如，考慮到高中生在分析影響弱電解質(zhì)電離平衡的因素時存在一定的認知困難，王春、李妍等人利用pH傳感器、電導(dǎo)率傳感器及溫度傳感器研究了影響弱電解質(zhì)電離平衡的因素，有效幫助學(xué)生突破了這一難點[5];陳浩漫等人運用溫度傳感器測定不同物質(zhì)溶解于水的溫度變化[6]，讓九年級學(xué)生更好地理解和掌握該知識，并且較早地接觸手持技術(shù)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究意識。

3.開展創(chuàng)新實驗

手持技術(shù)的出現(xiàn)為開發(fā)創(chuàng)新性科學(xué)實驗提供了可能，更多生產(chǎn)生活中的例子都可以成為實驗的對象。例如，孫衛(wèi)中、倪霞等人利用色度傳感器測定了市售飲料和泡騰片中的維生素C含量[7]、白酒中的甲醇含量，拉近了科技與生活、化學(xué)與生活的距離;鄧育紅引導(dǎo)學(xué)生以一種探究的方式，利用各類傳感器對生活中的一些現(xiàn)象進行研究，加深學(xué)生對宏觀物質(zhì)的微觀認識，并且極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;任改蘭等人利用手持技術(shù)便攜的特點，在戶外開展探究衛(wèi)河水是否適合魚類生長的綜合實踐活動，既擴大了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，又為地方河水污染的防治提出了建設(shè)性意見。

（二）基于手持技術(shù)應(yīng)用的理論研究

隨著手持技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者開始考慮從心理、教學(xué)模式等角度對手持技術(shù)的應(yīng)用展開理論研究。錢揚義等人率先分析了中學(xué)生對于運用手持技術(shù)的態(tài)度及解決化學(xué)定量實驗問題的心理過程[8]，為手持技術(shù)的推廣提供了一定的理論基礎(chǔ)。此后，國內(nèi)的學(xué)者、高校研究生逐漸就手持技術(shù)的應(yīng)用展開理論研究。

1.基于心理層次的探究

謝澤琛等人通過訪談、現(xiàn)場活動觀察等方式，研究了中學(xué)生運用手持技術(shù)解決化學(xué)定量實驗問題的心理過程，給教師教學(xué)提供參考，有助于教師利用手持技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力;分析了手持技術(shù)在問題解決的各個環(huán)節(jié)中的作用，為推廣運用手持技術(shù)提供了理論依據(jù)。陳貞芳認為，有機地結(jié)合手持技術(shù)與傳統(tǒng)實驗，可以使大多數(shù)化學(xué)實驗順利、簡便，而難以學(xué)習(xí)和教學(xué)的概念知識和原則也將變得易于接受和承認。王立新等人基于認知心理視角探究了化學(xué)實驗中手持技術(shù)的應(yīng)用，指出需考慮數(shù)字實驗的認知功能、目標知識和學(xué)生的認知水平，并闡明三者之間的關(guān)系。他們根據(jù)“認知建構(gòu)主義”學(xué)習(xí)理論，首次提出基于手持技術(shù)的TQVC概念認知模型并加以驗證，發(fā)現(xiàn)該模型有助于教育者從心理學(xué)角度理解手持技術(shù)環(huán)境下學(xué)生概念學(xué)習(xí)的認知規(guī)律[9-10]。錢揚義等人通過問卷調(diào)查、訪談等形式研究了化學(xué)教師對手持技術(shù)實驗的態(tài)度[11-12]，為手持技術(shù)在實驗中的應(yīng)用和推廣提供了一定的依據(jù)。

2.開創(chuàng)教學(xué)新模式

隨著研究的深入，國內(nèi)學(xué)者先后開創(chuàng)了基于手持技術(shù)的教學(xué)新模式。首先，鄧峰構(gòu)建了新的高中化學(xué)教學(xué)模式，包括用于實驗探究的“6S”模式和用于課題探究的“10C”模式，并通過問卷調(diào)查等方式對此模式加以驗證。在此基礎(chǔ)上，邵亞華通過分析三個主要模式：充分激發(fā)與科學(xué)引導(dǎo)、合理猜想與演示分析、探索研究和總結(jié)歸納，對基于手持技術(shù)的“6S”化學(xué)實驗探究模式的應(yīng)用實踐提出了建設(shè)性意見。

二、手持技術(shù)的限制與改進

手持技術(shù)在實踐和理論兩方面的研究，都在一定程度上對我國中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)起到了推動作用，但仍然存在一些不足：第一，研究手持技術(shù)需要成套的價格昂貴的手持儀器，且使用壽命有限，因此手持技術(shù)多在我國沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)推行，西部地區(qū)以及經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)很少使用;第二，目前推行的傳感器多為pH傳感器、溫度傳感器、色度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、壓強傳感器、CO2傳感器等單一傳感器，造成實驗設(shè)計案例單一、儀器利用率低;第三，師生在運用手持技術(shù)時需要掌握一定的操作技術(shù)，這對教師的教學(xué)能力及學(xué)生的學(xué)習(xí)、動手能力提出了更高的要求;第四，使用手持技術(shù)過程中，儀器的穩(wěn)定性與網(wǎng)絡(luò)速度、測定樣品、溫度等眾多因素有關(guān)，因此測定的結(jié)果有一定的誤差。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)銷售手段的提升，近年來很多便攜式、智能化的儀器逐漸被家庭所用。這些儀器不僅低價、易操作，而且能夠?qū)y定結(jié)果數(shù)據(jù)化顯示。例如，甲醛檢測儀、血糖監(jiān)測儀、熒光檢測筆、水分檢測儀、TDS水質(zhì)檢測筆等，這些智能化家用儀器給人們的生活帶來了極大的便利。利用智能化家用儀器開展中學(xué)化學(xué)實驗是可行的。例如，徐茜利用TDS水質(zhì)檢測筆在初中化學(xué)教學(xué)中開展“定量比較硬水、軟水”的實驗，通過測試硬水、軟水的TDS值，將便攜式TDS水質(zhì)檢測筆實用化，加強了化學(xué)實驗與實際生活的聯(lián)系[13];黃蘭引導(dǎo)九年級學(xué)生利用TDS水質(zhì)檢測筆，創(chuàng)設(shè)了“沉淀洗滌干凈的判斷方法的探究”“難溶物質(zhì)的微量溶解性”等課外實驗，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生定量數(shù)據(jù)收集和分析等科學(xué)素養(yǎng)[14]。實踐表明，智能化家用儀器可以作為開展中學(xué)化學(xué)實驗的一種新手段。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 錢揚義，陳健斌，吳宗志，等.在掌上實驗室探究酒精燈火焰溫度：得出不同的結(jié)論[J].化學(xué)教育，2003（1）：39-41+21.

[2]? 吳曉紅，任斌，肖敏，等.利用手持技術(shù)探究碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸的反應(yīng)本質(zhì)[J].教學(xué)儀器與實驗，2015（4）：32-33.

[3]? 高妙添.基于“四重表征”與“手持技術(shù)”教學(xué)模式的實踐研究：以“鹽酸滴定碳酸氫鈉和碳酸鈉的pH變化”為例[J].化學(xué)教育，2013（6）：38-41.

[4]? 盛儉發(fā)，吳宣東.用手持技術(shù)探究過氧化鈉與水反應(yīng)的歷程[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（23）：55-56.

[5]? 李妍.淺談手持技術(shù)在“弱電解質(zhì)的電離平衡”教學(xué)中的功能[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（2）：69.

[6]? 陳浩漫，穆旗旗，衷明華.利用手持技術(shù)測定不同物質(zhì)溶解于水時溫度的變化[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（12）：45.

[7]? 倪霞.運用手持技術(shù)測定果蔬中維生素C含量的研究性學(xué)習(xí)[J].教育與裝備研究，2019（7）：77-79.

[8]? 鄧峰，錢揚義，陳徽，等.化學(xué)教師對手持技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用所持態(tài)度的調(diào)查研究[J].化學(xué)教育，2008（4）：50-52+60.

[9]? 王立新，錢揚義.認知心理學(xué)視角下探究化學(xué)實驗中手持技術(shù)的應(yīng)用[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2019（8）：5-8.

[10]? 王立新，錢揚義，蘇華虹，等.手持技術(shù)數(shù)字化實驗與化? ? ? 學(xué)教學(xué)的深度融合：從“研究案例”到“認知模型”——? ? ? ? ?TQVC概念認知模型的建構(gòu)[J].遠程教育雜志，2018? ? ? ? ? ?（4）：104-112.

[11]? 朱慶，錢揚義，麥裕華，等.化學(xué)教師對手持技術(shù)數(shù)字化? ? ? 實驗應(yīng)用的態(tài)度調(diào)查[J].化學(xué)教學(xué)，2019（10）：13-18.

[12]? 麥裕華，錢揚義，杜慧鳴，等.教師對手持技術(shù)實驗的態(tài)? ? ? 度探析：基于對“國培計劃（2018）”H大學(xué)化學(xué)研修班參? ? 訓(xùn)教師的問卷調(diào)查[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2019（7）：80-86.

[13]? 徐茜.在初中化學(xué)教學(xué)中增加定量型實驗的研究[D].成? ?都：四川師范大學(xué)，2016.

[14]? 黃蘭.利用TDS水質(zhì)檢測筆設(shè)計初中化學(xué)課外實驗的研? ? 究[D].成都：四川師范大學(xué)，2018.

（責(zé)任編輯 羅? ?艷）