手持技術(shù)化學(xué)實驗案例開發(fā)的研究概況

莊建德(貴州省畢節(jié)市赫章縣實驗中學(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)運用化學(xué)軟件處理數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生運用軟件技術(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)實驗，如必修一中介紹了驗證次氯酸光照分解產(chǎn)物的數(shù)字化實驗，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)計學(xué)生必做實驗，適當(dāng)增加微型實驗、家庭小實驗、數(shù)字化實驗、定量實驗和創(chuàng)新實踐活動等，讓學(xué)生在實驗探究活動中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識科學(xué)探究過程，體會、認(rèn)識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學(xué)科學(xué)的重要價值，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實、勇于實踐的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展實踐能力”。

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))且能與計算機(jī)連接的實驗技術(shù)系統(tǒng)。手持技術(shù)實驗具有便攜、實時、準(zhǔn)確、綜合、直觀的突出優(yōu)點，可以實現(xiàn)隱性實驗現(xiàn)象的可視化。

為了解目前國內(nèi)手持技術(shù)化學(xué)實驗的開發(fā)與研究情況，以“手持技術(shù)”“數(shù)字化實驗”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)表的實驗案例開發(fā)類論文，共88篇，閱讀后綜述如下。

一、實驗隸屬主題分析

對手持技術(shù)實驗進(jìn)行實驗主題歸類時，對照《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”中劃分的一級主題與二級主題，統(tǒng)計每個手持實驗隸屬的主題后的分析。

在初中階段，由表1可知，手持實驗最多選自主題2“身邊的化學(xué)物質(zhì)”，其中二級主題“生活中常見的化合物”與“金屬與金屬礦物”主題下的實驗數(shù)目多，說明初中的手持實驗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，它們都很適合用簡單的傳感器設(shè)計為手持實驗。在“金屬與金屬礦物”主題下的三個實驗均以“鐵”這個物質(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驗“重性質(zhì)，輕原理”的傾向。此外，涉及“發(fā)展科學(xué)探究能力”主題的手持實驗也受到重視，這可能與手持技術(shù)的實驗性質(zhì)相關(guān)，更適合用于研究性學(xué)習(xí)。

表1 初中階段手持實驗隸屬主題分布表

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)的手持實驗在三類課程中的分布為：必修課程實驗12個，選擇性必修課程實驗35個，選修課程實驗17個。

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”中的實驗改進(jìn)為手持實驗，且由圖1數(shù)據(jù)可知，在主題2下的4項內(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驗探究。而必修課程的其他主題幾乎沒有出現(xiàn)手持實驗，與初中課程的手持實驗類似，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深度要求不高有關(guān)。

圖1 手持實驗在必修課程中主題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)的手持實驗數(shù)目占了絕大多數(shù)，且在該模塊下的3 個主題均勻分布。其中，與主題1“化學(xué)反應(yīng)與能量”相關(guān)的實驗數(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)實驗幫助學(xué)生理解較為抽象的原理性知識，這與手持技術(shù)實驗的特點相符。其中，與“化學(xué)反應(yīng)與電能”相關(guān)的實驗最多，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，部分實驗還挖掘了學(xué)生對電化學(xué)的認(rèn)識深度，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)容的多個實驗也被設(shè)計為手持實驗，但其主要目的為豐富學(xué)生的認(rèn)識維度，增加定量視角或定量探究體驗。

表2 選擇性必修課程中的手持實驗隸屬主題分布表

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)的手持實驗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)行測量與比較。而模塊3“有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”被設(shè)計成手持實驗的數(shù)目極少，有較大的開發(fā)空間，但這可能是因為有機(jī)反應(yīng)的副反應(yīng)較多，會影響傳感器測量的準(zhǔn)確度，導(dǎo)致設(shè)計成手持實驗的難度加大。

在選修課程中，手持實驗的開發(fā)主要集中在兩個主題上，分別為“化學(xué)原理探究”與“STEM 綜合實驗”。“化學(xué)原理探究”主題下的手持實驗主要為阿伏伽德羅常數(shù)的測定與氣體摩爾體積的測定，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)，并運用公式計算得出結(jié)果，充分發(fā)揮了手持實驗的定量價值。而“STEM 綜合實驗”主題下的實驗多從生活問題設(shè)計綜合實驗項目，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 綜合實驗”的主題，但似乎少有“工程”“技術(shù)”方面的體現(xiàn)，僅完成實驗探究后得到實驗結(jié)論。

綜上所述，在實驗的主題選擇上，不同學(xué)段呈現(xiàn)出以下特點：一是初中課程與高中必修課程中的手持實驗具有“重性質(zhì)，輕原理”的傾向；二是在選擇性必修課程中，由于原理性知識增多，隱性過程對學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷大，故手持實驗的數(shù)目明顯增多，且出現(xiàn)“挖掘認(rèn)識深度”與“拓寬認(rèn)識維度”兩種實驗?zāi)康模坝袡C(jī)實驗基礎(chǔ)”模塊還有較大的開發(fā)空間；三是目前的手持技術(shù)實驗還是以中學(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)的實驗，尚未發(fā)現(xiàn)跨學(xué)科的實驗主題。在STEM 主題相關(guān)的實驗中，也較少有“工程”“技術(shù)”方面的體現(xiàn)。

二、傳感器分析

對所有手持實驗使用的傳感器進(jìn)行統(tǒng)計，得到統(tǒng)計圖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采集實驗數(shù)據(jù)，再與傳感器測定的結(jié)果比較，這也不失為一種方便的數(shù)據(jù)采集工具。

圖2 手持實驗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：一是溫度比較容易測量，且溫度為化學(xué)探究實驗中最常用的變量之一，在改變這一變量時，可能會用上溫度傳感器；二是溫度通常作為多角度認(rèn)識化學(xué)變化的一種輔助角度，對變化過程中的溫度進(jìn)行檢測，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，手持實驗往往傾向于使用多種常規(guī)傳感器，在達(dá)成實驗?zāi)康牡耐瑫r，讓學(xué)生多角度認(rèn)識化學(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)實驗常用的數(shù)據(jù)方式有使用具體數(shù)值比較或運算、運用曲線趨勢比較、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的運用，即通過軟件繪制的實驗數(shù)據(jù)曲線的走向，深入分析化學(xué)變化的每個階段。其次，使用具體數(shù)值比較或運算也使用較多，體現(xiàn)了手持實驗的定量價值。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—曲線”一一對應(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、微觀實質(zhì)與符號表征，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)計發(fā)現(xiàn)，這種處理方式通常運用到課外拓展實驗中，且所使用的傳感器常為色度計與分光光度計。通常做法是通過標(biāo)準(zhǔn)液繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，再測定待測液的吸光度代入標(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、手持實驗開發(fā)的一般程序

通過對手持實驗案例進(jìn)行概括，發(fā)現(xiàn)手持實驗開發(fā)的過程可概括為以下七大步驟：一是確定實驗內(nèi)容與研究問題。研究者一般可以從改進(jìn)教材中的定性實驗、深度挖掘教材中的科學(xué)知識、探究常規(guī)實驗中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象、選取與生活相關(guān)的實驗主題四個方面確定實驗的內(nèi)容，再將確定好的內(nèi)容拆分成若干個研究問題。二是文獻(xiàn)綜述。對確定的實驗內(nèi)容進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，匯總前人做過的實驗改進(jìn)，分析已有實驗改進(jìn)的共同點、趨勢，嘗試提出目前空缺且有意義的實驗角度，判斷引入手持技術(shù)的價值。三是剖析實驗原理。主要包含兩個方面，一方面是分析實驗中設(shè)計的化學(xué)反應(yīng)方程式或確定計算目標(biāo)物理量需要運用的公式，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。四是選擇實驗藥品與儀器。對于實驗儀器，重點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)識化學(xué)變化，則需要選取多個傳感器。少量實驗還需要運用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，故有時候需要專門定做相應(yīng)大小孔徑的儀器。對于實驗藥品，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)驗或進(jìn)行有必要的預(yù)實驗。五是設(shè)計與實施實驗。運用控制變量法、正交實驗法等設(shè)計具體的實驗過程，確保實驗過程的科學(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?、曲線趨勢比較等方式分析實驗數(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)對數(shù)據(jù)的分析，得出實驗結(jié)論，并對本實驗的亮點、可繼續(xù)優(yōu)化的角度、對教學(xué)的價值、是否解決提出的研究問題等方面進(jìn)行反思與討論。