夏振洋 徐曉雪 王后雄

1 華中師范大學(xué)教師教育學(xué)院 武漢 430079 2 重慶市渝北區(qū)教師進(jìn)修學(xué)院 重慶 401120 3 重慶市教育科學(xué)研究院 重慶 400015

1 問題的提出

1835年，愛爾蘭教師D.R.Reid率先提出“實(shí)驗(yàn)小型化（Small scale）”這一概念。1925年，埃及E.C.Grey出版了《化學(xué)實(shí)驗(yàn)的微型方法》大學(xué)教材。20世紀(jì)50年代，馬祖圣教授在New York大學(xué)開設(shè)有機(jī)化學(xué)微量技術(shù)課，1975年，與同事合著《化學(xué)中的微型實(shí)驗(yàn)操作》。1982年起美國Mayo和Pike等人在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中采用主試劑在mmol量級(jí)的微型制備實(shí)驗(yàn)，取得成功，在國外引發(fā)研究微型實(shí)驗(yàn)熱潮[1]。1985年，Butcher等人首次設(shè)計(jì)出微型有機(jī)實(shí)驗(yàn)，并提出微型實(shí)驗(yàn)（Microscale Experiment）和微型實(shí)驗(yàn)室概念[2]?？八_斯大學(xué)的S.Paul Sood等[3]在1987年提出微型原理化學(xué)實(shí)驗(yàn)（microscale laboratory，ML）。微型實(shí)驗(yàn)是以盡可能少的化學(xué)試劑來獲取所需化學(xué)信息的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)。試劑用量只為常規(guī)實(shí)驗(yàn)用量的幾十分之一乃至幾千分之一，但其效果卻可以達(dá)到準(zhǔn)確、明顯。微型實(shí)驗(yàn)在高等教育、基礎(chǔ)教育中已有較多研究，但微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究系統(tǒng)性不足。

采用科學(xué)的研究工具對(duì)于教育科學(xué)研究具有重要意義。1973年，情報(bào)學(xué)家Small、Marshakova提出文獻(xiàn)共被引（Co-citation）的概念，作為測度文獻(xiàn)間關(guān)系程度的一種研究方法[4]。筆者采用引文可視化分析工具CiteSpace進(jìn)行基礎(chǔ)教育中微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。

2 數(shù)據(jù)源及研究統(tǒng)計(jì)分析

檢索條件：關(guān)鍵詞=微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)；以CNKI中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版庫檢索，查詢文獻(xiàn)總數(shù)702篇；經(jīng)Refworks精練后為數(shù)據(jù)源。從文獻(xiàn)發(fā)文時(shí)間看，最早收錄為1992年，為肖新榮等[5]的“微型有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用評(píng)價(jià)”。學(xué)者徐曉雪[6]、王霞晨[7]發(fā)文推廣應(yīng)用，開始引起國內(nèi)關(guān)注。

2.1 核心作者分析

表1 核心著者統(tǒng)計(jì)表（前11）

2.2 年收錄論文量統(tǒng)計(jì)

國內(nèi)期刊微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)主題發(fā)文量見表2。

表2 國內(nèi)期刊微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)主題發(fā)文量

2.3 關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞是重要文獻(xiàn)索引標(biāo)識(shí)，是高度概括文章節(jié)點(diǎn)的詞匯。導(dǎo)入702篇文獻(xiàn)進(jìn)行詞頻分析，生成節(jié)點(diǎn)（N）為563、連接數(shù)（E）為1 291的關(guān)鍵詞共線圖譜，見圖1，前10高頻關(guān)鍵詞見表3。從表3中可看出，高頻關(guān)鍵詞總頻次681次，占總頻次的42.45%。研究內(nèi)容分析多涉及實(shí)驗(yàn)教學(xué)、微型化、生活化、綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)四個(gè)方面。

圖1 關(guān)鍵詞聚類分析圖

表3 關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)表

2.4 主題聚類分析

為弄清楚微型實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，經(jīng)CiteSpace聚類分析，Modularity Q=0.4431＞0.3，聚類結(jié)構(gòu)顯著，Silhouette S=0.7651＞0.7，聚類數(shù)據(jù)可信。關(guān)鍵詞聚類圖譜見表4。

表4 聚類標(biāo)簽的LLR算法統(tǒng)計(jì)

2.5 微型實(shí)驗(yàn)研究演進(jìn)分析

在CiteSpace軟件中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)和閾值，得到10個(gè)節(jié)點(diǎn)微型實(shí)驗(yàn)研究前沿知識(shí)圖譜，如表4所示。

2.6 研究內(nèi)容分析

2.6.1 微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的儀器引領(lǐng)導(dǎo)向

聚類標(biāo)簽#7、#8、#9強(qiáng)調(diào)了微型實(shí)驗(yàn)新儀器的重要性。新儀器可以是實(shí)景實(shí)驗(yàn)[8]中新儀器或者自制儀器[9]的應(yīng)用，如有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的減壓蒸餾裝置、減壓過濾裝置，2019年高考卷中索氏提取器引起師生廣泛關(guān)注。筆者訪談河南師范大學(xué)附中楊松林碩士，他在全國優(yōu)質(zhì)課展示時(shí)驗(yàn)證烷烴（煤油）的性質(zhì)，設(shè)計(jì)活動(dòng)單：1）涂抹異構(gòu)十二烷（無毒無害），談?wù)勀愕母惺埽?）將石蠟分別放入異構(gòu)十二烷和水中，比較其密度；3）將石蠟放入異構(gòu)十二烷中（熱水?。┲?，觀察現(xiàn)象。因與液溴取代時(shí)有缺點(diǎn)：1）氣—?dú)饣旌?，難以控制，可能發(fā)生爆炸；2）多為演示實(shí)驗(yàn)，操作繁雜，現(xiàn)象不明顯。設(shè)計(jì)了微型實(shí)驗(yàn)，選用100 uL的微量進(jìn)樣器吸取液溴40 uL注入5 mL微型瓶中，并打開手機(jī)燈光源提供光能反應(yīng)條件，另一個(gè)微型瓶用黑色紙包裹后做對(duì)照實(shí)驗(yàn)，裝置見圖2。此實(shí)驗(yàn)效果顯著，因微量進(jìn)樣器中反應(yīng)物量非常少，實(shí)驗(yàn)由液相反應(yīng)物生成氣相HBr量非常少，但經(jīng)同屏投放在屏幕中現(xiàn)象非常明顯，且整個(gè)過程中微型瓶中無氣體逸出，綠色環(huán)保，試劑微量、能耗少、成本低、省空間、時(shí)間短、安全性好、學(xué)生單機(jī)操作、興致高漲、沉浸式實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)感強(qiáng)，易于形成高階思維。因?qū)嶒?yàn)用微型進(jìn)樣器，其功能和在后續(xù)中學(xué)、大學(xué)有機(jī)實(shí)驗(yàn)、藥學(xué)儀器—高效液相質(zhì)譜儀常用，有很好的引領(lǐng)價(jià)值。

圖2 煤油與液溴在光照下反應(yīng)微實(shí)驗(yàn)

2.6.2 微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合評(píng)價(jià)導(dǎo)向

微型實(shí)驗(yàn)已有教學(xué)研究：自制實(shí)驗(yàn)儀器；微型實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)方法；微型實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)、第二課堂教學(xué)、在生活中的應(yīng)用研究[10]，另外，微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)在農(nóng)村中學(xué)、家庭實(shí)驗(yàn)、疫情防控期間的教材替代實(shí)驗(yàn)開展中均有較好的功用。而聚類標(biāo)簽#0、#4、#5中尚沒有微型實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和試題命制，筆者查閱2022年全國104套中考真題，有4套試題中出現(xiàn)“井穴板”，占比較少，分析原因，原因可能與課程標(biāo)準(zhǔn)、教材研發(fā)、師資培訓(xùn)、課題研究、儀器在實(shí)驗(yàn)室中的替代、實(shí)驗(yàn)室管理、命題者的理論研究體系和匹配畫圖軟件的研發(fā)等有關(guān)。微型實(shí)驗(yàn)在中高考試題中也有體現(xiàn)，如2017年新課標(biāo)I高考化學(xué)試題4。

4.實(shí)驗(yàn)室用H2還原WO3制備金屬W的裝置如圖所示（Zn粒中往往含有硫等雜質(zhì)，焦性沒食子酸溶液用于吸收少量氧氣），下列說法正確的是（）

A．①、②、③中依次盛裝KMnO4溶液、濃H2SO4、焦性沒食子酸溶液

B．管式爐加熱前，用試管在④處收集氣體并點(diǎn)燃，通過聲音判斷氣體純度

C．結(jié)束反應(yīng)時(shí)，先關(guān)閉活塞K，再停止加熱

D．裝置Q（啟普發(fā)生器）也可用于二氧化錳與濃鹽酸反應(yīng)制備氯氣

該題通過微型實(shí)驗(yàn)分別除去SO2、O2、H2O，體現(xiàn)微型實(shí)驗(yàn)獨(dú)特價(jià)值，綜合考查學(xué)生的明辨思維、系統(tǒng)思維等質(zhì)量水平。

2.6.3 微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工科思維導(dǎo)向

我國的工程教育專業(yè)體系認(rèn)證始于2006年，2016年正式加入《華盛頓協(xié)議》框架，開始與國際同軌。我國堅(jiān)持工程教育認(rèn)證的三大理念：以學(xué)生為中心的教育理念SC（Students-Centered）；產(chǎn)出導(dǎo)向的教育體系OBE（Outcome-Based Education）；持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量觀CQI（Continnuous Quality Improvement）。工科思維以解決現(xiàn)實(shí)問題為導(dǎo)向，注重知識(shí)的綜合運(yùn)用，注重解決問題的效率。思維方式的培養(yǎng)就是理解問題和解決問題方法的培養(yǎng)。工程教育的基本任務(wù)，就是培養(yǎng)學(xué)生良好的工科思維。是否具備工科思維是檢驗(yàn)工科的學(xué)生培養(yǎng)成功與否的重要標(biāo)準(zhǔn)。如制藥工程專業(yè)是典型的工科專業(yè)，制藥設(shè)備與車間設(shè)計(jì)課程是制藥工程專業(yè)的核心課程。通過制藥設(shè)備與車間設(shè)計(jì)課程使學(xué)生掌握藥廠反應(yīng)設(shè)備及車間工藝學(xué)科的基本知識(shí)和基本概念。通過闡明制藥車間工藝設(shè)計(jì)的方法,使學(xué)生掌握一定的設(shè)計(jì)方法，能最有效利用現(xiàn)有工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的成就，組織制藥生產(chǎn)過程，配備相應(yīng)的單元設(shè)備，提供必要的載能介質(zhì)，完成產(chǎn)品的高效的工業(yè)化生產(chǎn)[11]。

聚類標(biāo)簽#2、#3指出微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程注重工科思維的培養(yǎng)。如某添加劑提取液抑菌和毒理試驗(yàn)，常選用微型實(shí)驗(yàn)儀器——牛津杯，無菌操作時(shí)在培養(yǎng)基表面直接垂直放上牛津杯，在杯中加入待檢樣品（發(fā)酵液），正面向上置37℃培養(yǎng)16～18小時(shí)，觀察結(jié)果，獲得抑菌圈直徑這一重要抑菌參數(shù)，以甄別藥物效果，篩選優(yōu)化藥物，促進(jìn)藥物研發(fā)。微型實(shí)驗(yàn)不僅是將實(shí)驗(yàn)劑量的簡單小試驗(yàn)，而是給“小試”“中試”“大試”工業(yè)遞進(jìn)發(fā)展提供一定參考。其過程與理論基礎(chǔ)的豐富、工藝水平的高低、儀器的研制有關(guān)，也利于實(shí)驗(yàn)室成果的快速工業(yè)化轉(zhuǎn)化。

3 結(jié)論

從學(xué)科發(fā)展研究看，微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)積累了豐富的教學(xué)案例，研究著述出版也取得了很大的進(jìn)步，對(duì)基礎(chǔ)教育化學(xué)教育教學(xué)作出了一定的貢獻(xiàn)，這與化學(xué)家研發(fā)先進(jìn)的儀器和分析技術(shù)有關(guān)，也與儀器有特定功能和過硬的材質(zhì)有關(guān)，微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)發(fā)展還有空間。

4 展望

4.1 鼓勵(lì)基礎(chǔ)教學(xué)中融入和研發(fā)新儀器

現(xiàn)階段，儀器教學(xué)可以融入現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)儀器，改造、創(chuàng)新微量儀器即微型化發(fā)展，微量進(jìn)樣器、多用滴管、井穴板等儀器已經(jīng)充實(shí)到新微型實(shí)驗(yàn)中，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)既不是常規(guī)實(shí)驗(yàn)的簡單縮微，更不是常規(guī)實(shí)驗(yàn)的對(duì)立，它們各有所長，相互補(bǔ)充，微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要發(fā)展方向是通過改進(jìn)儀器，提高準(zhǔn)確度，減少相對(duì)誤差。鼓勵(lì)中小學(xué)教材和教學(xué)中增設(shè)微型實(shí)驗(yàn)，如低年級(jí)段講授實(shí)驗(yàn)安全時(shí)，用手動(dòng)單道可調(diào)移液槍在雞蛋液中逐量加入相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CuSO4溶液，讓學(xué)生體驗(yàn)蛋白質(zhì)變性的過程，在高年級(jí)段可以用同樣原理，讓學(xué)生體驗(yàn)小活魚在逐量加入相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CuSO4溶液并觀察小魚精神狀態(tài)，采食和飲水等情況，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)安全的必要性。從實(shí)驗(yàn)中體會(huì)“量變到質(zhì)變”的生理變化，科學(xué)詮釋生命教育的重要性。

4.2 合理匹配基礎(chǔ)教育中微型實(shí)驗(yàn)考查評(píng)測

在科學(xué)教育框架中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用情況應(yīng)該納入教育質(zhì)量評(píng)價(jià)監(jiān)測體系，對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展情況和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量等方面強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。把學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作情況和能力表現(xiàn)納入綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)；2023年前要將實(shí)驗(yàn)操作納入初中學(xué)業(yè)水平考試，考試成績納入高中階段學(xué)校招生錄取依據(jù)等，微型化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系也要有學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)增值評(píng)價(jià)。如南京師范大學(xué)附屬中學(xué)王曾維、郭舒菡研究微型實(shí)驗(yàn)過程中通過拍攝清晰真實(shí)的實(shí)驗(yàn)圖片《蔓蔓生長的金屬》獲得香港·紐約國際青少年科學(xué)影像大賽一等獎(jiǎng)、“HMA”關(guān)注科技進(jìn)步專項(xiàng)獎(jiǎng)、全國青少年科學(xué)影像節(jié)最佳作品獎(jiǎng)、江蘇省青少年科學(xué)影像節(jié)一等獎(jiǎng)。

4.3 支持企業(yè)完善和學(xué)校配套微型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

微型實(shí)驗(yàn)及耗材研發(fā)向精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，在基礎(chǔ)教育中，發(fā)展微型實(shí)驗(yàn)儀器教學(xué)需要發(fā)揮學(xué)校、社會(huì)、企業(yè)的協(xié)同教育，學(xué)校層面：建立平臺(tái)，形成教師—校本教材—學(xué)生微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；社會(huì)層面：保障實(shí)驗(yàn)儀器使用；企業(yè)層面：提供技術(shù)支持，研制便于教師繪制圖片，方便教師教學(xué)的配套軟件，總之，微型實(shí)驗(yàn)發(fā)展任重道遠(yuǎn)。