應用手持技術促進初中化學深度教學初探

郭碧紅 楊厚鏗

手持技術即數字化實驗，是“傳感器+數據采集器+分析軟件”的數字化實驗手段。手持技術應用傳感器測定實驗過程中的數據，依據對現象和數據的關聯(lián)分析獲得實驗結論，從而達到實驗研究的目的。由于手持技術能準確、真實、動態(tài)、全程反映實驗過程中數據的變化，為實驗過程的精確推理提供有力的依據，因此，手持技術被越來越多地應用到化學研究和教學中，為滿足實驗探究目的服務。

深度教學是將學生引向“深度學習”的教學活動，它要求教師在提高自身素養(yǎng)與改變思維方式的同時改變學生的學習方式，在課堂中培養(yǎng)學生在深度理解的基礎上主動、批判地整合新知識，提升認知結構，學會解決新問題。深度教學的課堂應提升學生對化學學習的興趣，對問題的分析能力、證據推理能力、創(chuàng)新能力、模型構建能力，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。

在初中化學教學中融入手持技術，基于手持技術提供的情境，以問題為導向，可以構建深度思維、高度參與的課堂教學，從而達到促進課堂深度教學的目的。

一、深研教材，在教學中融入手持技術

化學是以實驗為基礎的科學，初中化學教學以實驗為手段，既為學生構建新的知識體系，又發(fā)展學生的認知能力。隨著信息技術的發(fā)展和手持技術的出現，實驗也在傳統(tǒng)的基礎上得到創(chuàng)新與發(fā)展。怎樣看待手持技術與傳統(tǒng)實驗在教學中的優(yōu)劣？如何看待手持技術與傳統(tǒng)實驗二者的關系？怎樣在教學中融入手持技術？這些成為初中化學課堂教學需要面對的問題。

現有初中化學教材中呈現的實驗大多是傳統(tǒng)實驗。傳統(tǒng)實驗作為長期以來的教學與研究手段，經歷發(fā)展與沉淀，留下大批優(yōu)秀的經典方法與案例，它們被化學教材選用，成為化學學習中不可缺少的部分。傳統(tǒng)實驗在教學上的優(yōu)勢，一是教材中有原型，符合教師的教學習慣;二是包含了重要的化學理論、方法與思維;三是操作過程可以培養(yǎng)學生的動手能力;四是宏觀現象豐富，易激發(fā)學生的興趣。缺點是定性多、定量少，定量精度不高，有些現象和規(guī)律無法用傳統(tǒng)實驗呈現。

手持技術作為信息化實驗手段，依托先進的傳感器，

為實驗提供準確、真實、動態(tài)、全程的數據，教學上的優(yōu)勢，一是實驗方法新穎，可培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力;二是提供實驗的數據表征，可培養(yǎng)學生的數據分析能力;三是實驗數據定量化、精確化、多樣化，可提高學生的精細化思維和思辨能力。缺點是儀器價格高、數量有限，教師對儀器的認識不足。

傳統(tǒng)實驗與手持技術，二者各有優(yōu)劣，對學生認知發(fā)展能起到不同作用，只固守傳統(tǒng)實驗，拒絕將手持技術引入課堂，不利于學生認知水平的發(fā)展。另外，一味地應用手持技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，忽視傳統(tǒng)實驗的優(yōu)勢，也容易失去探究過程的樂趣和經典方法論的傳承。只有在深度研究教材內容的基礎上，將二者結合于教學中，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢，才能有助于教學，有助于學生體驗學習樂趣，培養(yǎng)自主學習、合作探究的方式，提升分析問題、解決問題、實踐創(chuàng)新的能力。

為將手持技術融入初中化學教學，促進初中化學深度教學，我們組建了課題組，通過對初中教材的理解、設計、實踐和反思，研究手持技術與初中化學深度教學的關系，探討如何應用手持技術促進初中化學的深度教學。

二、運用手持技術，轉變學習方式，實現深度教學

（一）將手持技術融入傳統(tǒng)實驗，促進知識深度理解

教學包含著方法、知識與能力的提升，實驗探究的過程是動手操作、交流討論、思維發(fā)展、方法形成的過程。傳統(tǒng)實驗滲透著經典的方法論，隨著時代的發(fā)展，這些方法仍然閃爍著熠熠的光輝，吸引著化學學習者追尋著前人的腳步不斷研究探索，繼承、發(fā)展著這些優(yōu)秀的方法。

初中化學“測定空氣中氧氣的體積分數”實驗，傳承著化學家拉瓦錫加熱汞測定空氣中氧含量的研究方法“替代法”，用水的體積替代消耗的氧氣的體積，實現對空氣中氧氣體積分數的測定。教材上的實驗，現象明顯，趣味性強，有不可替代的優(yōu)勢，但水為什么會倒流和水的體積為什么等同于氧氣的體積，卻成為許多學生理解上的難點。因此，可借助壓強傳感器，在傳統(tǒng)實驗的基礎上增加壓強變化的測定，將手持技術融入傳統(tǒng)實驗。（圖1：實驗裝置;圖2：壓強變化）

實驗過程中，在燃燒裝置上連接壓強傳感器，通過數據采集器連接電腦采集壓強變化的數據和圖像，學生觀察到紅磷燃燒，同時也觀察到壓強曲線的變化，由此輕松建立紅磷燃燒消耗氧氣使瓶內氣壓減小的思維;當壓強不變時，打開集氣瓶連通水的開關，水倒流入瓶中，氣壓恢復至實驗前的大氣壓，由此推測出倒流的水取代了消耗的氧氣。

手持技術融入傳統(tǒng)實驗，為實驗方法打開了新角度、

新思維，使不易理解的問題具體化、簡單化、可視化，促進了學生對問題理解的深度和廣度。

（二）培養(yǎng)學生的數據與圖像分析能力，讓探究從預測轉向實證

手持技術所呈現出來的數據包含著準確、動態(tài)、真實、完整的信息，它是實驗過程的真實表現，通過數據圖像的分析，我們可以得到更為精細化的結論，形成更加嚴謹、求實的科學方法，達成實驗論證能力的提升。

在應用壓強傳感器測定空氣中氧含量的實驗中，我們觀察到水的體積不足瓶內空氣體積的1/5，認識到該實驗存在誤差，什么原因導致結果小于1/5？氧氣沒消耗完嗎？根據壓強曲線的變化（圖2），我們可以計算出瓶內消耗氣體的多少，依據“相同溫度相同體積時，氣體的壓強與氣體的分子數目成正比”，根據公式（P始-P終）/P始，可計算消耗的氣體體積分數為（101-83）/101≈17.8%，由此可推測出壓強并沒有降低到氧氣完全被消耗的程度，說明瓶內還有殘余的氧氣，紅磷燃燒不能將瓶內的氧氣完全消耗。結合課外活動小組測定的紅磷燃燒時氧含量變化曲線（圖3：實驗裝置;圖4：變化曲線），我們的預測轉向實證。從預測轉向實證的過程，學生經歷了疑問、猜想、分析、推理、論證，經歷了實驗探究中的高度參與和深度思維，達成了自身知識、能力、情感態(tài)度的提升。

（三）推進實驗改進，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維

手持技術實驗的數據與圖像不僅能幫助我們精細化探究實驗，發(fā)現實驗的不足，還能為實驗的改進提供數據支持。

發(fā)現紅磷燃燒無法將密閉容器中的氧氣完全消耗，為提高測定空氣中氧含量的準確度，我們應選擇哪種物質來取代紅磷呢？手持技術實驗可以幫助我們尋找更為合適的替代物。在生活中，我們找到了能與氧氣反應且生成物為固體的暖寶寶粉末。利用氧含量傳感器，我們測定它在密閉容器中消耗氧氣的數據及曲線。（圖5：暖寶寶;圖6：實驗裝置;圖7：氧含量曲線）

讀取圖7數據，可證實暖寶寶可將氧氣幾乎消耗完全，由此，學生設計出利用暖寶寶取代紅磷對測定空氣中氧含量實驗進行改進的實驗，并評價該實驗準確度更高，且環(huán)保無污染。

實驗改進的探究活動有利于培養(yǎng)學生的高階思維，學生的對比、分析、評價、創(chuàng)新能力得到提高。

（四）呈現真實情境，激發(fā)學生的探究興趣

手持技術呈現的數據與圖像并不是孤立、無意義的數字，反映的是實驗的真實過程，它是宏觀現象的延伸與補充，它的呈現讓學生能更深入地探究實驗，同時也極大地激發(fā)了學生的探究熱情。

在測定空氣中氧含量的探究實驗中，我們應用手持技術呈現了瓶內壓強改變、紅磷耗氧曲線、暖寶寶耗氧曲線，呈現出跟以往不同的真實情境，學生感到新鮮、好奇，探究興趣被激發(fā)。

在“溶液”概念的學習中，為引導學生對溶液中的微觀粒子進行探究，我們利用手持電導率傳感器測定水、蔗糖溶液、氯化鈉溶液三者的電導率，將不可見的現象可視化，激發(fā)了學生從微觀角度探析溶液的興趣。

在“催化劑”的學習中，我們用壓強傳感器測定紅磚粉末、二氧化錳催化雙氧水的壓強變化，將幾種實驗數據的變化曲線呈現給學生，激發(fā)了學生對催化劑探究的好奇心。

在初中化學教學中，我們可應用手持技術呈現更多傳統(tǒng)實驗無法呈現的真實、新穎的情境，看上去像是僅僅針對個別真實情境的深入分析，其實更廣泛地培養(yǎng)了學生的遷移能力和分析理解能力，也幫助學生高度參與到課堂中，實現了在課堂中的深度學習。

（五）發(fā)揮手持技術的評價功能

手持技術實驗探究過程包含初中化學教學對學生知識與能力水平的要求，應用手持技術試題評價學生的學習成果，能診斷學生的數據分析能力、表達交流能力、證據推理能力和反思評價能力，對教師改進教學方式和學生調整學習方式有指導作用。

例如，中和反應是初中化學的重要原理，為診斷學生的學習結果，用以下手持技術試題評價學生水平。

題目：用數字化手持技術探究氫氧化鈉溶液與稀鹽酸反應過程中的pH及溫度的變化，根據曲線分析：

①燒杯中的溶液是____________，不斷攪拌的目的是____________;

②0～50s時，pH下降的原因是（用化學方程式表示）;____________

③燒杯中溶液溫度升高的原因是____________。

手持技術試題，基于真實情境，綜合性強、信息量大，既考查學生的基礎知識，也考查學生的高階思維，能立體評價不同層次學生的知識與能力。

三、手持技術在教學應用中的前景與展望

以往由于手持技術受到儀器價格高、數量有限、使用不便的限制，部分教師應用手持技術的意愿不強，手持技術與化學教學融合的研究一直處于摸索階段。當前在信息技術高速發(fā)展的影響下，手持技術設備價格降低、

穩(wěn)定性提高，還實現了無線遠程接收數據，設備微小化、操作便捷化，使用者用無線傳感器加上手機就可以實現對實驗的研究，越來越多的教師愿意主動地研究和應用手持技術。手持技術與化學教學的融合逐漸發(fā)展、成熟起來。未來手持技術的發(fā)展空間將更加廣闊。手持技術也將為教學提供更多樣的呈現方式，使抽象的學習具體化，使微觀的學習可視化，使復雜的學習清晰化，使分散的學習結構化。手持技術也將為學生提供更多樣的思維方式，使學生在實驗探究過程中的方法由單一轉向多維，

由粗略轉向精細，由預測轉向實證，興趣提升，高度參與，高度思維，實現核心素養(yǎng)的提高。

四、結語

時代的大背景，讓我們加速學生學科核心素養(yǎng)的提升，國家提出要培養(yǎng)一大批具有國際水平的戰(zhàn)略科技人才，然而我們現在的初中化學教學在發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)中走了多遠呢？作為教育的先行者，教師應首先認識到先進的教育觀念的建立、教育方式的改變、教學手段的引入將有助于人才的培養(yǎng)。手持技術的進步必將推動教育教學技術的發(fā)展，讓手持技術走進課堂、走進研究，讓學生體驗現代信息技術在課堂中的魅力，實現有意義、有深度的課堂。

注：本文系2020年泉州市基礎教育教學改革專項課題“運用手持技術促進初中化學深度教學的研究”（課題編號：QJYKT2020—121）的研究成果。