數字化傳感技術在初中化學教學中應用的調查研究

劉珊 吳良根 王偉群

摘要：通過對蘇州市數字化傳感技術在化學教學中應用的現狀進行調查，了解蘇州市初中數字化化學實驗室的建設情況、初中化學教學中常應用的傳感器類型;分析不同類別教師對數字化傳感實驗及教學的認識、態度方面的差異性，以及教師自身對數字化實驗教學的認識與行為的差異。以期提出合適的發展建議，進一步推動數字化傳感實驗在教學中的應用。

關鍵詞：數字化傳感技術;初中化學教學;問卷調查;差異分析

文章編號：1008-0546（2020）06-0083-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.022

信息技術的飛速發展給教育帶來了革命性的影響，我國非常重視教育信息化建設。2010年7月頒布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》中，把“教育信息化建設”列為10個重大項目之一，而后制定了《教育信息化“十三五”規劃》，進一步推進教育信息化，堅持促進信息技術與學科教育教學的深度融合。數字化傳感技術作為一種現代信息技術手段，是由傳感器、數據采集器、計算機以及相應數據處理軟件組成，能定量采集和處理實驗數據的實驗技術系統。數字化傳感器的應用讓實驗過程可視化、科學化，能增強學生學習化學的興趣，很好地體現教育信息化的要求。

一、問題的提出

《義務教育化學課程標準（2011年版）》在實施建議中提出“條件較好的學校，應積極開展改進、創新教師演示實驗和學生實驗的活動，讓學生接觸一些先進的實驗儀器和設備，努力提高實驗條件和實驗手段的現代化水平”，《上海市中學化學課程標準》更是明確提出要引入和推廣數字傳感技術。可見數字化傳感技術將在初中化學教學中發揮著重要作用。

數字化傳感技術自從2003年左右被引進到化學教學中，至今已經有十七年左右的時間，無論是在相關的理論研究方面，還是應用數字化傳感技術改進化學實驗、促進課堂教學等實踐探究方面，都有不少研究。當然更多教師的研究是利用數字化傳感技術對某一化學實驗進行改進，進而在教學中應用。總體而言，相對高中，利用數字化傳感技術改進初中化學實驗的較少，在教學中的應用研究更少。那初中教師對數字化傳感實驗的認識、掌握、應用的情況是怎樣的？如何促進初中教師對數字化實驗的認識和在教學中利用？本文通過對蘇州市初中化學教師的調查，了解數字化傳感實驗在初中教學中應用的現狀，進而提出對策。

二、調查的設計

初中化學數字化傳感實驗教學問卷由三部分構成，一是教師的基本信息，包括性別、教齡、學歷、所執教的學校所屬類型等;二是從教師對數字化傳感實驗及教學的認知、態度兩個方面進行，其中有關數字化傳感實驗的認識共設置4道題、數字化傳感實驗教學的認識設置5道題、數字化傳感實驗的態度設置3道題、數字化傳感實驗教學的態度設置3道題。三是選做題，考查教師應用數字化傳感技術教學的實際情況，采用利克特量表計分法，教師得分越高說明應用水平越好。

三、調查對象的統計

本研究調查對象是蘇州市初中化學教師，共發放問卷230份，回收有效問卷200份，問卷有效率為87%。具體樣本基本情況如表1。

四、調查結果分析

1.數字化傳感技術儀器配備與應用情況

對蘇州市數字化實驗建設情況進行調查分析，結果如圖1、2所示。

從中我們可以發現，有45.5%的教師執教學校建設了數字化實驗室，有42.0%的教師執教學校沒有數字化實驗室。基于不同類型學校的數字化傳感實驗室建設情況進行統計分析，結果如圖2所示。在已建有數字化實驗室的學校中，有60.4%是屬于大市城區學校，23.1%屬于縣（區）級城區學校，并且只有16.5%是屬于鄉鎮學校;在沒有數字化實驗室的學校中，絕大多數為縣（區）級城區、鄉鎮學校，只有8.3%為大市城區學校。這說明數字化實驗室在蘇州市不同區域學校分布是不均勻的，這也從側面反映出教育的一定不公平現象，即使是同處于義務教育階段的學校，在教學條件、實驗硬件設備等方面仍存在較大差距。

對初中化學教師接觸過的傳感器種類進行統計分析，如圖3所示。

僅對初中化學而言，pH傳感器的應用最廣泛占20.7%，其次是溫度傳感器占17.4%、壓強傳感器和氧氣傳感器各占14.1%，濕度傳感器占6.4%則應用較少，光強度傳感器和水溶氧傳感器在初中化學中應用很少，分別占1.4%、2.5%。這與初中化學教學內容有很大的關系。應用pH傳感器探究初中化學重點內容是“酸堿中和反應”實驗，利用溫度傳感器的探究實驗主要是燃燒，利用氧氣傳感器主要用于測定“空氣中氧氣含量”，壓強傳感器主要用于金屬與酸反應的實驗，電導率傳感器主要用于探究物質在水中的溶解性。可見傳感器應用于教學的面較窄。在初中化學課堂教學中應用溶解氧傳感器、光強度傳感器、電壓傳感器、色度計等則少之又少。但通過開展課外活動，可以在初中化學教學中引入更多的傳感器。例如利用溶解氧傳感器讓學生去測定不同水體中的氧氣含量，以此來探究影響水中溶解氧的因素;利用電壓傳感器進行果蔬原電池的趣味探索實驗，這不僅能豐富學生對于數字化傳感技術的認識，也能幫助學生建立起初高中的銜接。

2.影響數字化傳感技術教學應用的原因分析

對影響數字化傳感技術在化學教學中應用10項可能的因素進行調查。問題采用利克特量表計分法，對正向題目從“非常符合”“比較符合”“不太符合”“不符合”依次賦值4分到1分，對反向題目從“非常符合”“比較符合”“不太符合”“不符合”依次賦值1分到4分，按照教師的選擇，對各個維度得分匯總。均值越高，說明教師認可因素的影響程度越大。統計分析結果如表2所示。

從均值排序中可以發現，“學校設備條件有限”“學校領導對手持技術的支持程度”“教師對數字化化學實驗操作的熟練程度”“升學考試的壓力”“課時數少”分別位列于前五位，均值分別為2.98、2.84、2.73、2.72、2.48，其中有4個為外在的客觀因素，這說明大部分教師在歸因時更傾向于歸在外部因素。“學校設備條件”“學校領導支持程度”等外部因素固然會影響到數字化傳感技術在教學中的應用，但以蘇州市數字化實驗室配置的情況來看，不足以成為最主要的影響因素，因此出現的歸因偏差，也從另一個角度說明教師對數字化傳感技術認識的偏差。

3.教師對數字化傳感實驗及教學的認識、行為、態度分析

（1）教師的認識、行為、態度總體水平

通過描述統計，了解蘇州市初中化學教師對數字化傳感實驗及教學的認識、行為、態度總體水平，如表3。

由表3可知，教師對數字化傳感實驗的認識均值為2.47，處于中等水平。教師對數字化傳感實驗教學的認識均值為3.09，處于較好水平。關于態度方面，無論是對數字化傳感實驗還是教學的態度，均值都比較高，皆處于較好水平。在行為方面，整體水平較低，并且教師實驗教學的行為均值為2.52，明顯小于教師對數字化傳感實驗教學的認識均值3.09，因此為研究教師自身對數字化實驗教學的認識與其在教學中的實踐行為是否存在著差異，針對已使用技術教學的教師，進行配對T檢驗分析，如表4所示。

結果顯示，P=0.000<0.05，故教師對數字化實驗教學認識與行為之間存在顯著差異。這一現象是由內外因素共同作用引起的，一方面教師口頭上認識數字化傳感實驗在教學中的作用，但受到課時安排、升學考試壓力等外部因素的影響，不能將對數字化實驗教學的認識很好地付諸于實踐;另一方面可能由于教師自身能力不夠，雖有一些正確的觀念，但在實踐過程中，卻沒有正確的方法來實現數字化傳感技術與化學教學的較好融合。

（2）不同類別教師的認識、行為、態度的分析

首先分析不同類別教師在數字化傳感實驗及教學的認識、行為、態度方面是否存在著相關性，分別以“性別”“教齡”“學歷”“學校類型”4個變量依次與認識、行為、態度3個量表得分做皮爾遜相關性分析，結果如表5所示。

從表5中數據可知，性別、學歷、學校類型不同的教師與其對數字化實驗及教學態度無顯著相關，而以教齡為變量，皮爾遜相關系數為-0.166，相應的顯著性概率為0.019小于0.05，因此化學教師的教齡與其對數字化實驗及教學態度呈現負相關，這表明越是年輕的教師越認可數字化傳感技術。同樣地，在行為方面無顯著相關。此外，我們可以得出化學教師的性別、教齡、學歷分別與其對數字化實驗及教學的認識也無顯著相關，而以化學教師所執教的學校類型為變量，顯著性概率為0.000，小于0.01，因此初中化學教師所執教學校的所屬類型與其對數字化實驗及教學的認識密切相關。

為了進一步了解在不同類型學校執教的教師在數字化傳感實驗及教學的認識方面是否存在著差異，以“學校類型”為變量進行單因素方差分析，結果如表6所示。

從表中可知，學校類型不同的教師在對數字化傳感實驗及教學的認識上相應的概率值為0.000，小于0.05，這說明來自不同類型學校的化學教師在對數字化傳感實驗及教學的認識上存在著顯著的差異。通過描述統計，在對數字化傳感實驗及教學認識方面，所屬大市城區的教師均值為26.69、來自縣（區）級城區和鄉鎮學校的教師均值分別為25.02、24.18，故大市城區的教師對數字化傳感實驗及教學的認識高于縣（區）級城區和鄉鎮學校的教師，這種認識上的差異又是由不同類型學校數字化設備建設情況的差異引起的。

五、討論與建議

以蘇州市為例，從數字化傳感技術在初中化學教學中應用的調查研究中我們發現，不同區域學校的信息化水平的發展程度不同，導致來自不同區域學校的教師對數字化實驗及教學的認識存在明顯差異，這體現出教育資源分配不均勻的現象。其次，由于內外因素的影響，教師自身對數字化實驗教學的認識與其在實際教學中的實踐行為存在著顯著性差異。為了更好地在初中化學教學中應用和推廣數字化傳感技術，提出以下兩點建議。

1.各部門發揮協同作用，做好物質資源合理分配

數字化傳感實驗的基礎設備是教師能投身于數字化傳感技術建設的基本保障，一些鄉鎮地區學校沒有實驗設備，教師就沒有實踐的機會，學生就不能利用數字化實驗來提高科學素養。因此首要任務是要努力縮短區域之間的差異，讓各學校享有相當的教育水平，但數字化傳感設備價格比較昂貴，若是給每一所學校都配置一套實驗設備，耗資巨大，也會是成為教育資源的浪費。我們可以借鑒美國阿拉巴馬州開展的“運動中的科學”項目，政府投資購買昂貴的儀器設備，利用有篷卡車把數字化傳感設備帶到課堂教學中，讓公立學校能循環共享這些先進的實驗設備，使不同背景的學生有機會利用數字化傳感技術進行學習。這樣既實現了教育信息化水平的均衡發展，也能節約教育資源。

2.實施分層培訓，建立多層次的交流平臺

從調查結果來看，初中教師在化學教學中應用數字化傳感技術的水平是多層次的，有的教師沒有接觸過數字化傳感技術，也有部分教師對該技術有一定的認識，但在教學實踐中只是簡單機械地應用技術，使得教師對數字化傳感實驗教學的認識與實踐存在差異。因此，中學和大學應適當聯合以建立多層次的培訓與交流平臺。針對零基礎但對數字化傳感技術感興趣的教師的培訓，要讓教師培訓后有一定的認識，會動手操作數字化傳感實驗，并鼓勵教師積極改進創新實驗;針對認識與實踐存在差異的教師，培訓的目標是教師能將化學數字化傳感實驗的優勢最大化地應用到中學化學教學中，實現技術與教學的深度融合。為此培訓內容主要側重技術與教學深度融合的理論學習，并且多提供些深度融合的教學案例供教師交流參考。