□福建省福州市平潭綜合實驗區(qū)教師進修學(xué)校 鄧雪英

手持技術(shù)是一種基于數(shù)字化技術(shù)展開實驗的方式，也稱為掌上實驗室，具有高效、便捷、直觀的特點。其在初中化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用具有重要作用，能夠提升實驗教學(xué)的實效性，助力教師打造高效化學(xué)教學(xué)課堂。本文分析了手持技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢，探討了如何將手持技術(shù)與初中化學(xué)實驗教學(xué)融合，優(yōu)化初中化學(xué)實驗教學(xué)，如何運用手持技術(shù)進行初中化學(xué)實驗教學(xué)，提升學(xué)生的化學(xué)思維品質(zhì)和實驗探究能力，從而提升化學(xué)實驗教學(xué)的實效性。

一、初中化學(xué)實驗教學(xué)功能

《義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022 年版）》明確指出，初中化學(xué)實驗教學(xué)有如下功能：

1.培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，助力學(xué)生科學(xué)探究能力的形成，讓學(xué)生在觀察實驗現(xiàn)象中獲取、搜集、整理和分析數(shù)據(jù)，并形成結(jié)論以及建構(gòu)模型，讓化學(xué)實驗教學(xué)可視化、數(shù)據(jù)化，輔助學(xué)生認識化學(xué)問題的本質(zhì)；2.加強對傳統(tǒng)實驗方式的改進，并借助數(shù)字化技術(shù)的力量實現(xiàn)實驗形式的多元化轉(zhuǎn)變。

基于此，教師可引入手持技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化實驗課堂，實現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實驗的深度融合，讓化學(xué)實驗數(shù)據(jù)化、直觀化，降低學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的難度，提高學(xué)生探索化學(xué)的興趣，達到提升學(xué)生科學(xué)探究能力的目的。

二、手持技術(shù)概述

（一）定義

手持技術(shù)是一種便攜式、易于操作的實驗設(shè)備，具有高度集成化、智能化、數(shù)據(jù)實時處理等特點。它由微電子技術(shù)和計算機技術(shù)構(gòu)成，主要包括計算機及配套軟件①、傳感器②、數(shù)據(jù)采集器③三個主要部件。其中部件①發(fā)揮數(shù)據(jù)的加工和呈現(xiàn)作用，部件②起到數(shù)據(jù)的傳輸作用，部件③發(fā)揮的是數(shù)據(jù)采集作用。

（二）特性

1.準確性。

準確性主要是指實驗數(shù)據(jù)展現(xiàn)的準確性。原因主要有以下兩點：一是部件③和部件②均是特殊的精密儀器，能準確采集和傳輸各種實驗數(shù)據(jù)；二是部件①具有強大的數(shù)據(jù)分析和呈現(xiàn)能力，能將搜集的數(shù)據(jù)進行準確分析和呈現(xiàn)。

2.直觀性。

在部件③采集數(shù)據(jù)后，可通過部件②傳輸?shù)讲考?，并在部件①中完成?shù)據(jù)的分析，以及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式的選擇，如可選擇數(shù)字、表格、圖像等，以便于研究人員直觀了解各種數(shù)據(jù)的分布、變化等，從而提升實驗的直觀性。

3.實時性。

實時性是指研究人員可從部件①中隨時提取需要的數(shù)據(jù)進行運用，并選擇合適的呈現(xiàn)方式，如數(shù)字、圖表等，從而讓實驗的過程更加可視化。

4.便攜性。

便攜性是指該技術(shù)的部件①、部件②和部件③采用一體化設(shè)計，具有質(zhì)量輕、體積小且易連接、易操作等特點，有利于化學(xué)實驗隨時隨地開展。

5.綜合性。

綜合性主要體現(xiàn)在對各種數(shù)據(jù)的同時性、多維性檢測，包括化學(xué)實驗涉及的電流、壓力、電壓、溫度等，還能展示上述數(shù)據(jù)的細微變化，從而多維度地認識該項化學(xué)實驗。

三、手持技術(shù)與化學(xué)實驗建立聯(lián)系的橋梁——傳感器

（一）氣體壓力傳感器

此傳感器用于檢測密閉容器中的壓力變化，并通過部件①轉(zhuǎn)化成圖形、數(shù)字和表格等形式，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的直觀性展現(xiàn)。常見的化學(xué)反應(yīng)體系檢測氣體包括O2、N2、CO2等，還可應(yīng)用于氣體體積測量、催化效果測量等對比實驗。

（二）溫度傳感器

此傳感器主要用于檢測在化學(xué)反應(yīng)中的溫度變化。目前主要應(yīng)用于檢測被加熱實驗儀器的表面溫度、二氧化碳與溫室效應(yīng)之間的關(guān)系。

（三）pH傳感器

此傳感器主要的作用是檢測化學(xué)實驗中離子的微觀變化，如氫離子濃度的細微變化。主要應(yīng)用于溶液中的pH值檢測、酸堿滴定實驗。

（四）二氧化碳傳感器

此傳感器應(yīng)用于檢測化學(xué)實驗中二氧化碳的濃度變化。針對當(dāng)前的初中化學(xué)實驗教學(xué)而言，主要應(yīng)用在二氧化碳與溫室效應(yīng)實驗、蠟燭非常規(guī)熄滅實驗中。

（五）氧氣傳感器

此傳感器主要檢測化學(xué)實驗中的氧氣濃度變化，主要應(yīng)用的實驗類型有微型實驗，如植物光合作用微觀機理分析實驗；常規(guī)實驗，如雙氧水催化分解制備氧氣實驗等。

（六）電導(dǎo)率傳感器

此傳感器的作用是檢測化學(xué)實驗溶液中的離子電導(dǎo)率變化狀況。如用于初中化學(xué)實驗中對洗滌劑乳化能力強弱的檢測實驗。

（七）滴數(shù)傳感器

此傳感器的作用是在化學(xué)實驗中開展自動、實時、準確的滴定實驗。在具體的滴定實驗中，此傳感器需要與其他類型傳感器（如溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、pH 值傳感器等）“協(xié)同配合”，精確計算滴數(shù)與各種參數(shù)之間的細微變化（其參數(shù)包括各種離子，如硝酸根離子、鉀離子、鈣離子；還包括電導(dǎo)率以及pH值）。

四、手持技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實驗的優(yōu)勢

（一）豐富驗證性實驗的檢測手段

驗證性實驗，顧名思義主要是用于驗證，注重驗證的結(jié)果以及驗證的方式。值得注意的是，學(xué)生需要在對研究對象有一定認知的前提下（知曉實驗結(jié)果）才可以開展驗證性實驗。因為驗證性實驗有所側(cè)重，所以可以通過手持技術(shù)進行，即利用手持技術(shù)的準確性特征反映實驗的數(shù)據(jù)變化，達到驗證的目的。

例如，為了驗證鐵生銹中氧氣是否參與反應(yīng)，用含有鐵粉、活性炭粉和無機鹽等物質(zhì)的暖寶寶進行實驗，將其貼在集氣瓶內(nèi)壁并在表面噴灑適量的水，加速鐵粉生銹的進程，運用氧氣傳感器觀察電腦中的氧氣含量數(shù)據(jù)圖，進而驗證氧氣是否參與反應(yīng)。

（二）可視探究性實驗的研究過程

探究性實驗是一種實驗活動，其獨特之處在于實驗結(jié)果在開始時并不為人所知，需要通過深入探究來得出結(jié)果，進而形成科學(xué)概念。這與傳統(tǒng)的實驗過程形成了鮮明對比。傳統(tǒng)的實驗過程往往按照“先理論分析，再設(shè)計實驗，后觀察現(xiàn)象，最后得出結(jié)論”的程序進行。然而，這種傳統(tǒng)的實驗方式存在一些弊端，包括需要記錄多個實驗現(xiàn)象，探究過程相對復(fù)雜，以及對實驗結(jié)果具有較強的“主觀猜測”性，這導(dǎo)致了實驗結(jié)果存在較高的片面性。

為了更好地理解這個觀點，我們可以以“空氣中氧氣含量的測定實驗”為例展開論述。傳統(tǒng)的測量氧氣在空氣中的占比的方式是通過標注紅色刻度，觀察吸水量與刻度的對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)，如（圖1）所示。然而，這種測定方式具有較強的主觀臆斷性，因為已經(jīng)將刻度標在集氣瓶中，這也導(dǎo)致學(xué)生在潛意識中認為只有吸水量在刻度處才證明實驗科學(xué)。

圖1

為了避免傳統(tǒng)實驗的這些弊端，教師可以采用手持技術(shù)，設(shè)定如（圖2）所示的實驗裝置。首先，教師介紹實驗的思路，即通過反應(yīng)前后集氣瓶內(nèi)壓強差與反應(yīng)前內(nèi)壓強之比，推算出空氣中的氧氣含量。其次，尋找初始壓差A(yù)（100.4kPa）和集氣瓶壓差最低D（79.6kPa），并計算氧氣占空氣的比重，如（圖3）所示。這種新的實驗方式不僅減少了主觀猜測的影響，也使實驗過程更為直觀和科學(xué)。

圖2

圖3

值得注意的是，教師可以讓學(xué)生分析整個氣壓的變化波動圖與實際實驗現(xiàn)象之間的關(guān)系，讓學(xué)生在此過程中加深對實驗現(xiàn)象背后數(shù)據(jù)的分析。學(xué)生討論結(jié)果如下：從A到B，是將紅磷放入集氣瓶中，瓶內(nèi)氣壓升高。從B到C，氣壓陡然增加的原因是紅磷在集氣瓶中迅速燃燒，產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致瓶中的空氣膨脹，繼而氣壓升高。從C 到D 為下降趨勢，是紅磷在經(jīng)歷燃燒階段后，集氣瓶溫度逐漸降低，直到最低，出現(xiàn)最低氣壓。從D到E氣壓迅速回歸正常大氣壓，說明止水夾打開，水倒吸，整個實驗結(jié)束。

使用手持技術(shù)，可以讓探究性實驗的過程變得更加可視化，也能讓實驗數(shù)據(jù)更為清晰，為實驗探究提供確切的數(shù)據(jù)支撐，提高實驗結(jié)論的準確度、客觀性和可信度。

（三）擴展研究性學(xué)習(xí)實驗的項目內(nèi)容

拓展性學(xué)習(xí)實驗是以小組合作為主要形式，以教師指導(dǎo)為主要方向，以研究問題為切入點，以文獻查閱、方案制定、實際操作、數(shù)據(jù)處理、結(jié)論整理為實驗環(huán)節(jié)，以讓學(xué)生掌握科學(xué)的實驗研究方法和豐富化學(xué)知識為目的的實驗形式。在此實驗中，教師可以通過手持技術(shù)，促進學(xué)生高效地完成實驗，避免傳統(tǒng)實驗的弊端。

例如，在開展“不同濃度的二氧化碳溫室效應(yīng)”實驗時，教師可以讓學(xué)生設(shè)計如下實驗：準備四個體積相同的集氣瓶，并分別在四個瓶中裝入瓶自身體積的1/5、2/7、3/8、5/6 的二氧化碳。此后，將4 個溫度傳感器分別放入4個集氣瓶中，并在陽光下暴曬，記錄四個集氣瓶的溫度變化數(shù)據(jù)，如（圖4）所示。對比這些數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的圖形，分析造成現(xiàn)象的原因。學(xué)生可以通過數(shù)據(jù)圖的變化了解整個實驗過程，并分析其中原因，提升自身的科學(xué)探究能力。

圖4

（四）從定性到定量的思維轉(zhuǎn)變：以氫氧化鈉和氯化鐵溶液反應(yīng)為例

在初中化學(xué)教學(xué)中，氫氧化鈉溶液和氯化鐵溶液的反應(yīng)是一個經(jīng)常被使用的實驗載體。這個反應(yīng)的特點是現(xiàn)象明顯且反應(yīng)速率快，因此非常適合用于物質(zhì)的變化、質(zhì)量守恒定律、復(fù)分解反應(yīng)條件等課題的實驗教學(xué)。

然而，對于這個反應(yīng)的微觀理解卻一直是教學(xué)中的一個難點。為了幫助學(xué)生突破這個難點，我們可以利用手持技術(shù)的電導(dǎo)率傳感器進行實驗。我們可以通過測量向氯化鐵溶液中加入氫氧化鈉溶液的電導(dǎo)率并繪制“電導(dǎo)率—時間”曲線，直觀地看到電導(dǎo)率的降低，這反映了反應(yīng)過程中離子濃度的減少。

為了進一步確認這個結(jié)果，我們進行了后續(xù)實驗。在實驗后，我們?nèi)∩蠈忧逡旱渭酉跛徙y，產(chǎn)生了白色沉淀。沉淀證明氯離子并未減少，因此我們可以得出結(jié)論：在這個反應(yīng)中，鈉離子和氯離子并未參與反應(yīng)，實質(zhì)是鐵離子和氫氧根離子的反應(yīng)，生成了難溶于水的氫氧化鐵。

這個實驗清晰地展示了化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)以及如何通過微觀視角來解釋和理解宏觀現(xiàn)象。利用手持技術(shù)，我們可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握這個難點，深化他們對宏微辨析的理解，從而實現(xiàn)從定性到定量的思維轉(zhuǎn)變。

五、手持技術(shù)應(yīng)用于初中化學(xué)實驗的路徑

（一）借助手持技術(shù)開展實驗，輔助學(xué)習(xí)新知識

以氫氧化鈉與二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)為例，教師可以運用手持技術(shù)，從定性和定量兩個角度分析兩者的反應(yīng)，讓學(xué)生通過數(shù)據(jù)直接理解相應(yīng)的化學(xué)概念，提升學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)和實驗圖表分析能力，并通過如下四點，讓學(xué)生理解化學(xué)新知識。

在具體實驗設(shè)計方面，教師應(yīng)準備如（圖5）所示內(nèi)容。

圖5

1.轉(zhuǎn)化知識：以實驗數(shù)據(jù)為思維借力點，將陌生知識轉(zhuǎn)化為熟悉知識。教師從如下幾個步驟入手：一是復(fù)習(xí)舊知識。舊知識1二氧化碳與氫氧化鈣反應(yīng)生成白色沉淀，舊知識2通過水瓶和氣球的形態(tài)變化，判斷水與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)；二是引出新問題。除了利用上述方法外，引導(dǎo)學(xué)生思考新的驗證方式，讓學(xué)生從定性思維轉(zhuǎn)向定量思維，即引入手持技術(shù)，讓學(xué)生通過各種傳感器的數(shù)據(jù)變化觀察兩者的反應(yīng)，學(xué)習(xí)新的知識。

2.量化感知：通過感知實驗數(shù)據(jù)變化實現(xiàn)新舊知識銜接，降低新知識學(xué)習(xí)陌生感。在實驗中，教師需要讓學(xué)生觀察兩類實驗的變化。類型1，二氧化碳與蒸餾水。類型2，二氧化碳與氫氧化鈉，其中的實驗數(shù)據(jù)是以同一時間為依據(jù)下的壓強變化、溫度變化。此外，教師還需引導(dǎo)學(xué)生建立數(shù)據(jù)變化與現(xiàn)象變化的聯(lián)系，讓學(xué)生通過數(shù)據(jù)數(shù)量的變化直觀感受氣球的變化，降低時新知識學(xué)習(xí)的陌生感。

以類型2為例，在加入氫氧化鈉后，因為實驗瓶中已有部分二氧化碳和蒸餾水，所以這些化學(xué)藥劑會發(fā)生反應(yīng)。一開始氣壓值上升，氣球稍微變大，原因是氫氧化鈉加入。隨后，氣壓值出現(xiàn)明顯下降，氣球在原有大小的基礎(chǔ)上逐步縮小，說明氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)，導(dǎo)致氣球中二氧化碳減少。該方式通過量化感知，降低學(xué)生對新知識學(xué)習(xí)的陌生感。

3.視覺感知：呈現(xiàn)可視化的實驗曲線圖像，克服新知識的認知難點。在實驗中，教師可以讓學(xué)生觀察氣球的變化，尤其是與之對應(yīng)的各種數(shù)據(jù)變化，如上文提到的放入氫氧化鈉后，氣壓值先是升高，后是不斷降低。教師可以通過這些可視化實驗曲線，讓學(xué)生直觀發(fā)現(xiàn)兩者的反應(yīng)變化，尤其是克服學(xué)困生對新知識學(xué)習(xí)的認知難點。

（二）運用手持技術(shù)開展實驗，提升實驗有效性

1.搭建室外課堂，拓展實驗的空間。

因為手持技術(shù)具有便攜性特點，教師可以將實驗“放”到室外，拓展實驗空間，更新實驗形式。例如，在探索“各種飲料質(zhì)量”時，教師可以搭建室外課堂，讓學(xué)生應(yīng)用pH傳感器、電導(dǎo)率傳感器對常見的飲料進行檢測，分析飲料的離子濃度、導(dǎo)電性、pH 值等，了解各種飲料的質(zhì)量，在拓展實驗空間的同時指導(dǎo)學(xué)生合理選用飲用水。

2.采用直觀數(shù)據(jù)，提高實驗準確率。

教師可以應(yīng)用手持技術(shù)的準確性特性搜集實驗的各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)定性和定量兩種化學(xué)實驗分析形式，讓學(xué)生更為深刻地理解實驗原理。以“測定空氣中的氧氣含量”為例，教師可以利用氧氣傳感器、氣體壓力傳感器，分別測量采集前后的氧氣含量、壓強數(shù)據(jù)，將不可肉眼觀看的實驗現(xiàn)象通過直觀數(shù)據(jù)進行展現(xiàn)，提高實驗的準確性，讓學(xué)生更為直觀地理解氧氣在空氣中的體積占比。

3.推進微型實驗，開展實驗綠色化。

手持技術(shù)可在短時間內(nèi)采集實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論，有效控制實驗藥品的用量，縮短實驗時間，將手持技術(shù)與微型實驗融合構(gòu)建綠色化的實驗，提高實驗效率，降低藥品用量。以“酸堿中和反應(yīng)”實驗為例，教師可以設(shè)計微型實驗，采用微型實驗工具，并將pH 傳感器放到實驗溶液中，通過測量溶液pH值的方式找準酸堿中和的終點，這樣不但減少了藥品用量，還縮短了實驗時間，更推動了實驗綠色化發(fā)展。

六、結(jié)語

總而言之，將手持技術(shù)與初中化學(xué)實驗教學(xué)融合是一種有效的實驗教學(xué)方法。教師應(yīng)積極探索手持技術(shù)與初中化學(xué)實驗教學(xué)的融合策略，充分發(fā)揮手持技術(shù)的優(yōu)勢，提高化學(xué)實驗教學(xué)的質(zhì)量和效率。