莊建德(貴州省畢節(jié)市赫章縣實(shí)驗(yàn)中學(xué) 553200)

隨著教育改革的深化與推進(jìn)，信息技術(shù)與教學(xué)的融合逐漸被重視?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》對(duì)教師提出了“加強(qiáng)信息技術(shù)的應(yīng)用，創(chuàng)新內(nèi)容呈現(xiàn)形式，探索開發(fā)數(shù)字化教材，提供更加豐富的內(nèi)容資源與多樣化的學(xué)習(xí)方式”的要求，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》也提出了“應(yīng)重視化學(xué)教材信息資源平臺(tái)的建設(shè)，促進(jìn)化學(xué)教材的信息化發(fā)展，為各種潛力的學(xué)生和教師提供多種多樣的學(xué)習(xí)資源；提倡化學(xué)教材示范性地指導(dǎo)運(yùn)用化學(xué)軟件處理數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用軟件技術(shù)學(xué)習(xí)化學(xué)及處理數(shù)據(jù)的能力”的建議。手持技術(shù)是信息技術(shù)與教學(xué)融合的重要工具之一，這在課標(biāo)與教材中均有所體現(xiàn)。人教版高中化學(xué)教材在主要欄目中添加了手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，如必修一中介紹了驗(yàn)證次氯酸光照分解產(chǎn)物的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，這符合了課標(biāo)在“教材編寫建議”中提倡的“化學(xué)教材應(yīng)精心設(shè)計(jì)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，適當(dāng)增加微型實(shí)驗(yàn)、家庭小實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)等，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究過程，體會(huì)、認(rèn)識(shí)技術(shù)手段的創(chuàng)新對(duì)化學(xué)科學(xué)的重要價(jià)值，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、勇于實(shí)踐的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展實(shí)踐能力”。

手持技術(shù)是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、配套軟件組成的定量采集數(shù)據(jù)(包括物理、化學(xué)、生物數(shù)據(jù))且能與計(jì)算機(jī)連接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)。手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)具有便攜、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、綜合、直觀的突出優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)隱性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化。

為了解目前國內(nèi)手持技術(shù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與研究情況，以“手持技術(shù)”“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”為關(guān)鍵詞，“化學(xué)”為主題在中國知網(wǎng)檢索文獻(xiàn)，挑選出2003～2021年期間在核心期刊(即《化學(xué)教育》《化學(xué)教學(xué)》)中發(fā)表的實(shí)驗(yàn)案例開發(fā)類論文，共88篇，閱讀后綜述如下。

一、實(shí)驗(yàn)隸屬主題分析

對(duì)手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)主題歸類時(shí)，對(duì)照《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》在“課程內(nèi)容”中劃分的主題及其下屬的內(nèi)容要求，以及《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》在“課程內(nèi)容”中劃分的一級(jí)主題與二級(jí)主題，統(tǒng)計(jì)每個(gè)手持實(shí)驗(yàn)隸屬的主題后的分析。

在初中階段，由表1可知，手持實(shí)驗(yàn)最多選自主題2“身邊的化學(xué)物質(zhì)”，其中二級(jí)主題“生活中常見的化合物”與“金屬與金屬礦物”主題下的實(shí)驗(yàn)數(shù)目多，說明初中的手持實(shí)驗(yàn)探究主要集中在物質(zhì)性質(zhì)的學(xué)習(xí)上，如酸堿鹽的性質(zhì)、二氧化碳與堿的反應(yīng)等，它們都很適合用簡(jiǎn)單的傳感器設(shè)計(jì)為手持實(shí)驗(yàn)。在“金屬與金屬礦物”主題下的三個(gè)實(shí)驗(yàn)均以“鐵”這個(gè)物質(zhì)為研究主題，與“鐵的緩慢氧化”有關(guān)。相反，主題3“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”與主題4“物質(zhì)的化學(xué)變化”基本少有涉及，進(jìn)一步說明了初中手持實(shí)驗(yàn)“重性質(zhì)，輕原理”的傾向。此外，涉及“發(fā)展科學(xué)探究能力”主題的手持實(shí)驗(yàn)也受到重視，這可能與手持技術(shù)的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)相關(guān)，更適合用于研究性學(xué)習(xí)。

表1 初中階段手持實(shí)驗(yàn)隸屬主題分布表

在高中階段，課程性質(zhì)分為必修課程、選擇性必修課程、選修課程，分析發(fā)現(xiàn)所開發(fā)的手持實(shí)驗(yàn)在三類課程中的分布為：必修課程實(shí)驗(yàn)12個(gè)，選擇性必修課程實(shí)驗(yàn)35個(gè)，選修課程實(shí)驗(yàn)17個(gè)。

在必修課程中，83.3%的研究者選擇主題2“常見的無機(jī)物及其應(yīng)用”中的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為手持實(shí)驗(yàn)，且由圖1數(shù)據(jù)可知，在主題2下的4項(xiàng)內(nèi)容要求均有一定程度的涉及，證明“無機(jī)物的性質(zhì)及其應(yīng)用”的內(nèi)容比較適合用于手持實(shí)驗(yàn)探究。而必修課程的其他主題幾乎沒有出現(xiàn)手持實(shí)驗(yàn)，與初中課程的手持實(shí)驗(yàn)類似，著重研究物質(zhì)的性質(zhì)，這可能與這部分內(nèi)容在必修課程的知識(shí)深度要求不高有關(guān)。

圖1 手持實(shí)驗(yàn)在必修課程中主題2下的內(nèi)容要求分布

在選擇性必修課程中，通過分析表2中的數(shù)據(jù)可知，模塊1“化學(xué)反應(yīng)原理”相關(guān)的手持實(shí)驗(yàn)數(shù)目占了絕大多數(shù)，且在該模塊下的3 個(gè)主題均勻分布。其中，與主題1“化學(xué)反應(yīng)與能量”相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)目最多，達(dá)45.7%，這說明了研究者傾向于使用手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解較為抽象的原理性知識(shí)，這與手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)相符。其中，與“化學(xué)反應(yīng)與電能”相關(guān)的實(shí)驗(yàn)最多，研究者深入挖掘了原電池、電解池、電化學(xué)腐蝕等概念、模型下的化學(xué)原理，通過手持技術(shù)幫助學(xué)生理解隱性的變化過程，部分實(shí)驗(yàn)還挖掘了學(xué)生對(duì)電化學(xué)的認(rèn)識(shí)深度，如比較電解池陽極與原電池負(fù)極金屬腐蝕速率的大小、探究電解質(zhì)溶液對(duì)原電池電流的影響等。不同的是，“化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率”與“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”內(nèi)容的多個(gè)實(shí)驗(yàn)也被設(shè)計(jì)為手持實(shí)驗(yàn)，但其主要目的為豐富學(xué)生的認(rèn)識(shí)維度，增加定量視角或定量探究體驗(yàn)。

表2 選擇性必修課程中的手持實(shí)驗(yàn)隸屬主題分布表

此外，模塊2“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”下的主題2“微粒間的相互作用與物質(zhì)的性質(zhì)”也較多，且改進(jìn)的手持實(shí)驗(yàn)都集中在該主題下的“微粒間的相互作用”這一內(nèi)容要求，特別是有機(jī)化合物分子間作用力大小的比較，研究者運(yùn)用TQVC 概念認(rèn)知模型，將“分子間作用力”這一目標(biāo)概念轉(zhuǎn)化為“揮發(fā)溫度”這一量化感知，再進(jìn)行測(cè)量與比較。而模塊3“有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”被設(shè)計(jì)成手持實(shí)驗(yàn)的數(shù)目極少，有較大的開發(fā)空間，但這可能是因?yàn)橛袡C(jī)反應(yīng)的副反應(yīng)較多，會(huì)影響傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確度，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成手持實(shí)驗(yàn)的難度加大。

在選修課程中，手持實(shí)驗(yàn)的開發(fā)主要集中在兩個(gè)主題上，分別為“化學(xué)原理探究”與“STEM 綜合實(shí)驗(yàn)”?！盎瘜W(xué)原理探究”主題下的手持實(shí)驗(yàn)主要為阿伏伽德羅常數(shù)的測(cè)定與氣體摩爾體積的測(cè)定，研究者從“阿伏伽德羅常數(shù)”與“氣體摩爾體積”兩組核心概念中提出研究問題，收集數(shù)據(jù)，并運(yùn)用公式計(jì)算得出結(jié)果，充分發(fā)揮了手持實(shí)驗(yàn)的定量?jī)r(jià)值。而“STEM 綜合實(shí)驗(yàn)”主題下的實(shí)驗(yàn)多從生活問題設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如探究不同洗滌劑乳化能力、探究燃煤煙氣的脫硫效率等。上述案例的選題雖符合“STEM 綜合實(shí)驗(yàn)”的主題，但似乎少有“工程”“技術(shù)”方面的體現(xiàn)，僅完成實(shí)驗(yàn)探究后得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

綜上所述，在實(shí)驗(yàn)的主題選擇上，不同學(xué)段呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：一是初中課程與高中必修課程中的手持實(shí)驗(yàn)具有“重性質(zhì)，輕原理”的傾向；二是在選擇性必修課程中，由于原理性知識(shí)增多，隱性過程對(duì)學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷大，故手持實(shí)驗(yàn)的數(shù)目明顯增多，且出現(xiàn)“挖掘認(rèn)識(shí)深度”與“拓寬認(rèn)識(shí)維度”兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，但“有機(jī)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)”模塊還有較大的開發(fā)空間；三是目前的手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)還是以中學(xué)教材中的主題為主，在選修課程中有少部分選擇了與STEM 主題相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，尚未發(fā)現(xiàn)跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)主題。在STEM 主題相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，也較少有“工程”“技術(shù)”方面的體現(xiàn)。

二、傳感器分析

對(duì)所有手持實(shí)驗(yàn)使用的傳感器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到統(tǒng)計(jì)圖2，從圖中可以看到，溫度傳感器使用得最多，其次是pH 傳感器，而且氧氣、氣壓、二氧化碳、電流、電導(dǎo)率、色度計(jì)等常規(guī)傳感器均有一定程度的使用。還有部分少見的傳感器被應(yīng)用，如光電門傳感器、光強(qiáng)度傳感器等。此外，還有研究者使用了手機(jī)軟件，如colorgrab采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再與傳感器測(cè)定的結(jié)果比較，這也不失為一種方便的數(shù)據(jù)采集工具。

圖2 手持實(shí)驗(yàn)中使用的傳感器次數(shù)匯總

溫度傳感器被應(yīng)用次數(shù)最多的原因可能有以下三點(diǎn)：一是溫度比較容易測(cè)量，且溫度為化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中最常用的變量之一，在改變這一變量時(shí)，可能會(huì)用上溫度傳感器；二是溫度通常作為多角度認(rèn)識(shí)化學(xué)變化的一種輔助角度，對(duì)變化過程中的溫度進(jìn)行檢測(cè)，可以讓學(xué)生更全面、更多維地了解化學(xué)反應(yīng)，培養(yǎng)更全面的變化觀念；三是在TQVC 概念認(rèn)知模型被提出并應(yīng)用后，研究者會(huì)將“分子間作用力”這一目標(biāo)概念轉(zhuǎn)化為“揮發(fā)溫度”的量化感知。

綜合以上分析可知，手持實(shí)驗(yàn)往往傾向于使用多種常規(guī)傳感器，在達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡耐瑫r(shí)，讓學(xué)生多角度認(rèn)識(shí)化學(xué)變化，有助于培養(yǎng)其變化觀念。

三、數(shù)據(jù)處理方式分析

手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)常用的數(shù)據(jù)方式有使用具體數(shù)值比較或運(yùn)算、運(yùn)用曲線趨勢(shì)比較、四重表征與線性回歸四種。根據(jù)分析可知，最常使用的方式為曲線趨勢(shì)的運(yùn)用，即通過軟件繪制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線的走向，深入分析化學(xué)變化的每個(gè)階段。其次，使用具體數(shù)值比較或運(yùn)算也使用較多，體現(xiàn)了手持實(shí)驗(yàn)的定量?jī)r(jià)值。而四重表征特指在文章中以清晰的表格呈現(xiàn)出“宏觀—微觀—符號(hào)—曲線”一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這種處理方式能幫助學(xué)生更清晰、更直觀分析同一化學(xué)變化不同階段的宏觀現(xiàn)象、微觀實(shí)質(zhì)與符號(hào)表征，不僅有助于學(xué)生理解反應(yīng)本質(zhì)，還能影響其分析化學(xué)變化的有序性。此外，少部分研究使用了線性回歸的方式處理數(shù)據(jù)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，這種處理方式通常運(yùn)用到課外拓展實(shí)驗(yàn)中，且所使用的傳感器常為色度計(jì)與分光光度計(jì)。通常做法是通過標(biāo)準(zhǔn)液繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，再測(cè)定待測(cè)液的吸光度代入標(biāo)準(zhǔn)曲線，即可求得其濃度。這種方法在中學(xué)階段屬于縱向拓展技能，考驗(yàn)學(xué)生的思維能力與圖表分析能力，適合用于課外能力提升的探究。

四、手持實(shí)驗(yàn)開發(fā)的一般程序

通過對(duì)手持實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行概括，發(fā)現(xiàn)手持實(shí)驗(yàn)開發(fā)的過程可概括為以下七大步驟：一是確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與研究問題。研究者一般可以從改進(jìn)教材中的定性實(shí)驗(yàn)、深度挖掘教材中的科學(xué)知識(shí)、探究常規(guī)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象、選取與生活相關(guān)的實(shí)驗(yàn)主題四個(gè)方面確定實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，再將確定好的內(nèi)容拆分成若干個(gè)研究問題。二是文獻(xiàn)綜述。對(duì)確定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，匯總前人做過的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，分析已有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的共同點(diǎn)、趨勢(shì)，嘗試提出目前空缺且有意義的實(shí)驗(yàn)角度，判斷引入手持技術(shù)的價(jià)值。三是剖析實(shí)驗(yàn)原理。主要包含兩個(gè)方面，一方面是分析實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的化學(xué)反應(yīng)方程式或確定計(jì)算目標(biāo)物理量需要運(yùn)用的公式，另一方面是確定需要收集的物理量數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、p H 等。四是選擇實(shí)驗(yàn)藥品與儀器。對(duì)于實(shí)驗(yàn)儀器，重點(diǎn)是選取合適的傳感器采集目標(biāo)物理量數(shù)據(jù)，若需要多角度認(rèn)識(shí)化學(xué)變化，則需要選取多個(gè)傳感器。少量實(shí)驗(yàn)還需要運(yùn)用TQVC 概念認(rèn)知模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。此外，為了保證氧氣傳感器、氣壓傳感器、二氧化碳傳感器等傳感器的精確度，往往需要搭建密閉體系，故有時(shí)候需要專門定做相應(yīng)大小孔徑的儀器。對(duì)于實(shí)驗(yàn)藥品，溶液的濃度需要滿足所選擇傳感器的量程要求，可以在第二步文獻(xiàn)綜述結(jié)果中借鑒經(jīng)驗(yàn)或進(jìn)行有必要的預(yù)實(shí)驗(yàn)。五是設(shè)計(jì)與實(shí)施實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用控制變量法、正交實(shí)驗(yàn)法等設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)過程，確保實(shí)驗(yàn)過程的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性。六是處理與分析數(shù)據(jù)?？墒褂盟闹乇碚鳌⑶€趨勢(shì)比較等方式分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從本質(zhì)上理解化學(xué)變化。七是得出研究結(jié)果與討論。根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并對(duì)本實(shí)驗(yàn)的亮點(diǎn)、可繼續(xù)優(yōu)化的角度、對(duì)教學(xué)的價(jià)值、是否解決提出的研究問題等方面進(jìn)行反思與討論。