智能傳感技術(shù)助力核心素養(yǎng)發(fā)展的初中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐與反思

一、問題提出

在新時(shí)代基礎(chǔ)教育課程改革的浪潮下，聚焦學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展已成為化學(xué)學(xué)科教學(xué)的核心使命。《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）明確指出，化學(xué)教學(xué)要著力于發(fā)展科學(xué)探究能力與創(chuàng)新意識(shí)以及培養(yǎng)科學(xué)思維與實(shí)踐能力[。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為化學(xué)學(xué)科育人價(jià)值得以彰顯的重要依托，其教學(xué)模式的創(chuàng)新顯得尤為緊迫和關(guān)鍵。然而，當(dāng)下傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨著諸多現(xiàn)實(shí)困境：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化程度低，學(xué)生難以直觀把握實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；數(shù)據(jù)獲取滯后，無法及時(shí)為學(xué)生的思考和探究提供有效支撐；微觀過程抽象，使得學(xué)生在建立宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)的深層聯(lián)系時(shí)困難重重。這些問題嚴(yán)重制約了學(xué)生科學(xué)思維與探究能力的發(fā)展。與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等智能技術(shù)的迅猛發(fā)展為教育領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型開辟了嶄新道路。其中，智能傳感技術(shù)憑借其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)反饋以及數(shù)據(jù)可視化等顯著特性，為突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的瓶頸提供了有力的技術(shù)保障。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已敏銳地察覺到智能傳感技術(shù)在教學(xué)中的潛在應(yīng)用價(jià)值，并展開了積極探索。國(guó)內(nèi)蔡曉慶研究團(tuán)隊(duì)基于“四重表征\"教學(xué)模式，借助數(shù)字化傳感器，從pH、離子濃度和能量變化三個(gè)角度，設(shè)計(jì)多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)酸堿中和反應(yīng)體系進(jìn)行了全面探究。但目前的研究大多局限于技術(shù)應(yīng)用的層面，較少?gòu)南到y(tǒng)培育學(xué)生核心素養(yǎng)的角度去構(gòu)建技術(shù)賦能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)范式。特別是在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如何通過智能傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)與素養(yǎng)發(fā)展的協(xié)同共進(jìn)，仍有待深人研究和探索。

基于此，本研究選取“酸堿中和反應(yīng)\"作為實(shí)踐載體，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和POE（預(yù)測(cè)一觀察—解釋）教學(xué)模式為基石，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)智能傳感技術(shù)支持下的探究式實(shí)驗(yàn)課程。通過引入pH傳感器、溫度傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中難以觀察到的微觀變化轉(zhuǎn)化為直觀可視的動(dòng)態(tài)曲線，助力學(xué)生在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和模型建構(gòu)的過程中，深人理解中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。本研究著重從三個(gè)維度展開深入探討：一是如何依托多源傳感數(shù)據(jù)構(gòu)建“宏觀—微觀—符號(hào)一曲線”四重表征體系[3]，以幫助學(xué)生全方位、深層次地理解化學(xué)知識(shí)；二是深入剖析智能傳感技術(shù)的介人對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力發(fā)展的內(nèi)在影響機(jī)制，探尋技術(shù)與能力培養(yǎng)之間的有效關(guān)聯(lián)；三是關(guān)注技術(shù)賦能實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中師生角色的轉(zhuǎn)變及教學(xué)策略的優(yōu)化，以適應(yīng)新時(shí)代教學(xué)的需求。本研究旨在為智能時(shí)代的化學(xué)教學(xué)改革提供具有可遷移性的實(shí)踐范式，為學(xué)生的科學(xué)探究與實(shí)踐、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等核心素養(yǎng)的發(fā)展開辟新的途徑。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)分析及設(shè)計(jì)框架

1.教學(xué)內(nèi)容定位與價(jià)值分析

“酸堿中和反應(yīng)\"作為科粵版初中化學(xué)教材[4]第八章第三課時(shí)的核心內(nèi)容，屬于新課標(biāo)“物質(zhì)的化學(xué)變化\"主題范疇。該內(nèi)容不僅承載著建構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)體系的關(guān)鍵功能，更是培育學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體。從學(xué)科價(jià)值層面來看，通過中和反應(yīng)中 與 的微觀結(jié)合、溶液pH的動(dòng)態(tài)變化及熱效應(yīng)等多維度的融合，可以實(shí)現(xiàn)宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)的深度聯(lián)結(jié)。從素養(yǎng)價(jià)值層面來看，“酸堿中和反應(yīng)”的學(xué)習(xí)融合了科學(xué)探究與實(shí)踐、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等核心素養(yǎng)的發(fā)展需求，為智能傳感技術(shù)的應(yīng)用提供了天然實(shí)踐場(chǎng)域。

2.傳統(tǒng)教學(xué)困境與技術(shù)賦能路徑

傳統(tǒng)教學(xué)常面臨實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化不足（如pH漸變過程難以捕捉）數(shù)據(jù)采集滯后（如依賴試紙進(jìn)行比色定性分析）微觀過程抽象（如粒子運(yùn)動(dòng)缺乏動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)）等困境。而智能傳感技術(shù)的引入可通過以下三條路徑實(shí)現(xiàn)突破。

（1）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。 傳感器、溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，將反應(yīng)進(jìn)程轉(zhuǎn)化為可視化曲線，構(gòu)建“變量一時(shí)間\"動(dòng)態(tài)模型。

（2）多模態(tài)表征融合。同步整合宏觀現(xiàn)象（溶液顏色變化）微觀動(dòng)畫（ 與OH-結(jié)合模擬）、符號(hào)方程 及數(shù)字曲線（ Δ p H 變化趨勢(shì)），形成四重表征認(rèn)知體系。

（3）高階思維培養(yǎng)?；趥鞲衅鲾?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，引導(dǎo)學(xué)生開展變量控制、證據(jù)推理與模型修正，推動(dòng)學(xué)生的科學(xué)思維進(jìn)階。

3.核心素養(yǎng)導(dǎo)向的智能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架

以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論與POE（預(yù)測(cè)一觀察一解釋）教學(xué)模式為基石，構(gòu)建\"技術(shù)賦能一問題驅(qū)動(dòng)—素養(yǎng)融合”的智能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架（見圖1）。

設(shè)計(jì)特色：其一，問題情境的真實(shí)性。從“工廠酸性廢水處理\"\"治療胃酸過多\"等社會(huì)生活議題切入，激發(fā)學(xué)生的探究動(dòng)機(jī)。其二，技術(shù)介人的層次性。分層規(guī)劃基礎(chǔ)型（用 傳感器驗(yàn)證反應(yīng)終點(diǎn)）進(jìn)階型（用溫度傳感器探究熱效應(yīng)）拓展型（多傳感器聯(lián)用構(gòu)建反應(yīng)進(jìn)程模型）實(shí)驗(yàn)任務(wù)。其三，認(rèn)知路徑的結(jié)構(gòu)化。憑借“實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè) 數(shù)據(jù)觀測(cè) 異常解釋 模型優(yōu)化\"的四階思維鏈，推動(dòng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

（二）教學(xué)目標(biāo)

1.學(xué)情特征

知識(shí)基礎(chǔ)：已掌握溶液酸堿性判斷方法，但缺乏定量分析能力。

思維特點(diǎn)：形象思維占優(yōu)，對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)敏感，但微觀探析與模型認(rèn)知能力較為薄弱。

技術(shù)適應(yīng)性：具備基礎(chǔ)數(shù)字化設(shè)備操作經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)多源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析存在認(rèn)知負(fù)荷。

2.素養(yǎng)導(dǎo)向的層級(jí)化教學(xué)目標(biāo)（見表1）

（三）教學(xué)設(shè)計(jì)

1.學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、評(píng)一體化，需制訂相應(yīng)的評(píng)價(jià)量表。以核心素養(yǎng)為維度制訂本節(jié)課的評(píng)價(jià)量表（見表2），并在課前發(fā)給學(xué)生。通過學(xué)生自評(píng)與教師評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，形成診斷性評(píng)估報(bào)告，為精準(zhǔn)把握學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展水平提供科學(xué)依據(jù)。

量表使用建議：對(duì)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生側(cè)重1、3級(jí)觀測(cè)點(diǎn)，如設(shè)備操作的規(guī)范性；對(duì)能力較強(qiáng)的學(xué)生則側(cè)重2級(jí)觀測(cè)點(diǎn)，如多傳感器協(xié)同建模。在技術(shù)初探階段提高“操作水平\"權(quán)重（ 40 % ），在深度學(xué)習(xí)階段側(cè)重“模型建構(gòu)\"權(quán)重（ 3 5 % 。

2.學(xué)習(xí)素材及任務(wù)鏈設(shè)計(jì)（見表3）

三、課堂典型片段實(shí)錄

【課堂教學(xué)片段1】

[教師]驗(yàn)證稀鹽酸與氫氧化鈉是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不僅可以通過指示劑來觀察顏色變化，還可以通過監(jiān)測(cè)溶液的 變化、溫度變化來確認(rèn)反應(yīng)的發(fā)生。

[任務(wù)]預(yù)測(cè)氫氧化鈉和稀鹽酸反應(yīng)過程中溶液的 變化、溫度變化。

[學(xué)生]假設(shè) 變化趨勢(shì)；設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)；觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（見表4）。

[任務(wù)]實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析。

[教師]由“pH—時(shí)間\"曲線可獲得哪些信息？

[學(xué)生]從“pH一時(shí)間”曲線可以看出，隨著稀鹽酸溶液的加入，溶液的pH從11.92逐漸降低至7達(dá)到中性，繼續(xù)加入稀鹽酸，燒杯內(nèi)不再發(fā)生反應(yīng)，溶液的pH逐漸降低（小于7）。

[教師]\"pH—時(shí)間\"曲線中的A、B、C、D點(diǎn)的溶質(zhì)分別是什么？

[學(xué)生]A點(diǎn)是起點(diǎn)，溶質(zhì)為NaOH；B點(diǎn)堿過量，溶質(zhì)為 Δ N a C l ， N a O H ; C 點(diǎn)恰好反應(yīng)完全，溶質(zhì)為NaCl;D點(diǎn)酸過量，溶質(zhì)為

[教師]如果實(shí)驗(yàn)時(shí)是向酸溶液中加入堿溶液，“pH一時(shí)間”曲線會(huì)是什么趨勢(shì)？

[學(xué)生]\"pH—時(shí)間\"曲線的起點(diǎn)小于7，隨著加入堿液的增加， 慢慢升高，恰好完全反應(yīng)時(shí)等于7，繼續(xù)加入堿液，溶液的pH逐漸升高（大于7）。

[教師]由“溫度一時(shí)間”曲線可獲得哪些信息？

[學(xué)生1]隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液的溫度先升高，到達(dá)最高點(diǎn) $4 9 ＼ { ^ ＼circ ＼mathrm { C } }$ 后下降，由此可以得出這個(gè)反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)。

[學(xué)生2]說明該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)恰好完全反應(yīng)。由于燒杯是敞口的，且不斷加入稀鹽酸，B點(diǎn)后溶液溫度逐漸降低，最后恢復(fù)至室溫

[技術(shù)賦能]通過pH傳感器和溫度傳感器直觀地展示反應(yīng)過程中的pH變化和溫度變化。分析曲線的過程，不僅有助于學(xué)生從定性與定量相結(jié)合的角度理解中和反應(yīng)，還促進(jìn)了學(xué)生邏輯推理能力和獲取關(guān)鍵信息素養(yǎng)水平的提升。

【課堂教學(xué)片段2】

[資料]電導(dǎo)率是衡量溶液導(dǎo)電能力大小的物理量。相同條件下，電導(dǎo)率與離子濃度（單位體積內(nèi)的離子數(shù)）成正比。

[教師]結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和“電導(dǎo)率一時(shí)間”曲線圖（見圖2），分析A點(diǎn)溶液中主要有哪些離子

[學(xué)生 。

[教師]A點(diǎn)到B點(diǎn)的過程中離子濃度為什么會(huì)變??？B點(diǎn)的電導(dǎo)率不為0說明什么？

[學(xué)生1溶液中 與 反應(yīng)生成水分子，離子數(shù)目不變，水的體積增多。

[學(xué)生2]B點(diǎn)的電導(dǎo)率不為0說明稀鹽酸和氫氧化鈉恰好完全反應(yīng)，溶液中仍存在 。

[技術(shù)賦能]反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)較為抽象，而應(yīng)用電導(dǎo)率傳感器可以得到直觀的數(shù)據(jù)，為反應(yīng)的發(fā)生提供有力證據(jù)，有助于學(xué)生從微觀角度更好地認(rèn)識(shí)中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。

四、教學(xué)效果與核心素養(yǎng)發(fā)展

實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班各由50名學(xué)生組成，共計(jì)100人。在實(shí)驗(yàn)開始前，兩個(gè)班級(jí)學(xué)生的平時(shí)成績(jī)和核心素養(yǎng)水平的前測(cè)分析結(jié)果無明顯差異，且為同一任教教師。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)班采用了基于智能傳感技術(shù)的創(chuàng)新教學(xué)模式，引入先進(jìn)的傳感器設(shè)備和數(shù)據(jù)分析工具；而對(duì)照班則沿用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，主要依靠教師的講解和學(xué)生的書面練習(xí)來完成學(xué)習(xí)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過對(duì)兩個(gè)班級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)（見表5），對(duì)比分析兩者在學(xué)習(xí)效果、核心素養(yǎng)以及實(shí)驗(yàn)操作能力等方面的差異。

分析上表中實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，可以清晰地看出兩個(gè)班級(jí)在不同核心素養(yǎng)維度上的表現(xiàn)差異。例如，在“科學(xué)探究與實(shí)踐\"維度中，實(shí)驗(yàn)班在“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力\"方面表現(xiàn)優(yōu)異，優(yōu)秀率達(dá)到 6 8 % ，而對(duì)照班僅為 50 % 。此外，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在“良好\"和“合格\"這兩個(gè)等級(jí)的人數(shù)均顯著低于對(duì)照班。這表明，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生通過智能傳感技術(shù)的教學(xué)，能夠更自主地選擇 p H/ 溫度傳感器來驗(yàn)證反應(yīng)，設(shè)計(jì)出更為科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)方案，而傳統(tǒng)教學(xué)模式下更多學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力存在明顯短板。在采用智能傳感技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的實(shí)驗(yàn)班中，學(xué)生在各項(xiàng)核心素養(yǎng)上的表現(xiàn)均顯著優(yōu)于采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的對(duì)照班，特別是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、數(shù)據(jù)分析能力、批判性思維以及跨學(xué)科遷移能力等方面?？梢?，智能傳感技術(shù)的應(yīng)用能有效促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，為未來教學(xué)模式的優(yōu)化提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

五、實(shí)踐反思

本研究以“酸堿中和反應(yīng)\"實(shí)驗(yàn)為實(shí)踐依托，深度整合智能傳感技術(shù)與化學(xué)教學(xué)，系統(tǒng)探究技術(shù)賦能型教學(xué)模式對(duì)初中生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的多維度促進(jìn)作用，實(shí)踐反思如下。

（一）技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的認(rèn)知提升：化解三重教學(xué)難題

智能傳感技術(shù)通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并融合多模態(tài)表征，同步呈現(xiàn)宏觀溶液變色現(xiàn)象、微觀 與 結(jié)合動(dòng)畫以及數(shù)字化 曲線，有效突破了傳統(tǒng)教學(xué)的三大認(rèn)知局限。在現(xiàn)象可視化方面，將試紙比色的定性判斷轉(zhuǎn)變?yōu)? 數(shù)值的連續(xù)動(dòng)態(tài)曲線，使滴定突躍點(diǎn)的 判定精度從 ± 1 提升至± 0 . 0 2 ；在微觀抽象性的消解方面，借助離子運(yùn)動(dòng)模擬軟件與傳感器數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，使學(xué)生能夠精準(zhǔn)描述4 的動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程；在數(shù)據(jù)碎片化整合方面，構(gòu)建\"時(shí)間一pH一溫度”三維數(shù)據(jù)模型，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在“三重表征轉(zhuǎn)化\"測(cè)試中的得分高于傳統(tǒng)教學(xué)班。

（二）素養(yǎng)發(fā)展的層級(jí)躍升：POE模式下的梯度培養(yǎng)

基于POE（預(yù)測(cè)—觀察一解釋）教學(xué)模式框架設(shè)計(jì)分層實(shí)驗(yàn)，達(dá)成核心素養(yǎng)的階梯式發(fā)展?；A(chǔ)層（單變量驗(yàn)證）：學(xué)生借助pH傳感器識(shí)別中和反應(yīng)終點(diǎn)，準(zhǔn)確率較試紙組顯著提高；進(jìn)階層（雙變量關(guān)聯(lián)）：實(shí)驗(yàn)組學(xué)生成功構(gòu)建“溫度變化一反應(yīng)進(jìn)程\"數(shù)學(xué)模型；拓展層（社會(huì)決策）：在“工業(yè)廢水處理方案優(yōu)化”任務(wù)中，多數(shù)學(xué)生能夠結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)評(píng)估經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，彰顯技術(shù)賦能的現(xiàn)實(shí)遷移價(jià)值。

（三）教學(xué)范式的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)型：從單向傳授邁向智慧閉環(huán)

智能傳感技術(shù)促使課堂教學(xué)發(fā)生系統(tǒng)性變革。在角色重塑方面，教師轉(zhuǎn)變?yōu)椤皵?shù)據(jù)導(dǎo)師”，依據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以精準(zhǔn)指導(dǎo)；學(xué)生成為“探究主導(dǎo)者”，高階思維參與度顯著提升。在流程重構(gòu)方面，形成了“生活問題（如胃酸治療）一技術(shù)驗(yàn)證（pH/溫度雙傳感器）一模型構(gòu)建（離子濃度動(dòng)態(tài)方程）一社會(huì)決策（環(huán)保方案辯論）\"的深度學(xué)習(xí)閉環(huán)。課后訪談表明，多數(shù)學(xué)生認(rèn)為“傳感器讓化學(xué)反應(yīng)可感可知”。實(shí)踐證明，智能傳感技術(shù)不僅是教學(xué)工具的創(chuàng)新，更是核心素養(yǎng)培育范式的突破性變革，為化學(xué)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了可借鑒的實(shí)踐路徑。

展望未來，隨著智能傳感技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用前景愈發(fā)廣闊。除中和反應(yīng)外，該技術(shù)還可應(yīng)用于氧化還原反應(yīng)、沉淀反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)教學(xué)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的輔助手段，雖有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但不能完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。因此，在教學(xué)中應(yīng)適度運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，確保學(xué)生既能受益于現(xiàn)代技術(shù)，又能掌握傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基本技能與學(xué)科思維，從而形成更為全面的科學(xué)素養(yǎng)。

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（責(zé)任編輯 羅艷）