中學化學實驗中手持技術的發展現狀及趨勢

魏蝶　李樹偉　陳冠梅　孫振范

[摘? ?要]文章概述了我國中學化學實驗使用手持技術的歷史和應用現狀，指出了該技術的成功經驗和不足之處，提出了應用智能化家用儀器取代手持技術完成部分中學化學實驗的可行性。

[關鍵詞]中學化學;實驗教學;手持技術;智能化家用儀器

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）05-0073-03

化學是一門基于實驗的學科，化學實驗作為中學化學教學的重要組成部分，對于激發學生的學習興趣、創設生動活潑的教學情境、幫助學生理解并掌握知識與技能、培養學生科學思維和創新精神具有不可替代的作用。然而，通過深入調查發現，我國中學化學實驗的開設現狀令人擔憂，部分定性實驗僅由教師演示，學生很少有機會做實驗;即使是有實驗條件的學校，考慮到升學問題，也很少開展學生實驗，實驗室多處于閑置狀態。另外，中學定量實驗較少，很少受到重視，教師幾乎不進行演示，學生更是沒有機會動手操作。可見，我國中學化學實驗教學存在較大問題，亟須改善。

一、手持技術在中學化學實驗中的應用研究

2003年，華南師范大學錢揚義等人最先提出將手持技術與中學化學相結合，與此同時王磊等人提出了與之類似的概念，稱為“傳感技術”，他們共同將這些技術應用到化學教學中。此后，國內學者開始對手持技術展開研究，國內化學教育期刊陸續報道了一系列的相關實驗;國內生產手持設備的廠家逐漸增多，其中以山東遠大朗威教育科技股份有限公司、江蘇蘇威爾科技有限公司、深圳市創能億科科技開發有限公司等廠家為代表，為實驗教學的基礎教育提供了全面的數字化解決方案，實驗質量和效率大大提高，學生實驗操作空間明顯擴大。

以“手持技術”“傳感技術”和“中學化學”為關鍵詞，在“中國知網”等數據庫進行文獻查閱，筆者發現，2012年以后，國內關于手持技術與中學化學相結合的研究顯著增多。目前，錢揚義的課題“數字化手持技術理科探究實驗室建設”已在全國10余所大學、50余所中小學建立實驗研究基地，在一定程度上促進了我國中學化學實驗教學的進步。國內學者對于手持技術在化學實驗教學的研究主要體現在兩個方面：教學案例開發以及基于手持技術應用的理論研究。

（一）教學案例開發

最初，手持技術引入我國是為了開發中學化學實驗并用于中學化學教學。錢揚義等人率先將手持技術應用到中學化學實驗中，通過溫度傳感器測定酒精燈火焰的溫度[1]，得出“酒精燈溫度最高的是內外焰交接處而不是通常所說的外焰溫度”的結論。此后，國內學者關于手持技術的研究集中在化學實驗案例的開發上。

1.改進傳統實驗

手持式技術在中學化學實驗中的應用，需充分發揮其優勢。手持技術由傳感器和數據處理系統組成，因此易于將實驗現象數字化呈現，讓學生在感受化學變化的無窮魅力的同時，增強對化學知識的理解。

例如，通常，通過與稀鹽酸反應來比較碳酸鈉與碳酸氫鈉的性質。當溶液混合時，反應在幾秒內就能完成，用肉眼觀察很難判斷氣體放出的快慢，用手也很難感觸到明顯的溫度差異。高妙添等人在pH傳感器、溫度傳感器及CO2傳感器的輔助下，將不易觀察的現象以數顯、圖表等形式顯示出來，有利于直觀、形象地比較這兩種物質[2-3]。又如，探究鈉與水的反應實驗，教師大多引導學生通過觀察、解釋實驗現象，并根據氧化還原反應得失電子守恒來推測反應產物。然而，實驗中溫度變化不明顯，且學生不易理解生成的氣體為氫氣。為此，江丹虹、盛儉發等人通過pH傳感器、溫度傳感器、氧氣傳感器，更加直觀地體現物質生成的過程，使得實驗更加具有說服力[4]。錢揚義等人應用手持技術研究了高中化學反應原理，特別是溫度、壓力、催化劑和濃度對化學反應速率的影響，研究文獻多達二十余篇，讓學生更容易從微觀角度認識化學反應原理，進一步認識和理解化學物質世界。手持技術的引入，能夠有效幫助學生構建化學實驗的相關知識，使理論與實踐的結合更加嚴密，讓學生體驗科學探究中的“邊干邊學”，感受科學進步帶來的學習樂趣。

2.輔助常規實驗

傳統化學實驗教學受實驗儀器尤其是定量化實驗儀器的限制，中學的很多化學實驗多是驗證性實驗，學生很難理解實驗現象和理論背后的奧秘;有的實驗現象不明顯，學生對知識的建構受到一定的影響。因此，利用手持技術進行常規實驗是中學化學教學的必然要求。例如，考慮到高中生在分析影響弱電解質電離平衡的因素時存在一定的認知困難，王春、李妍等人利用pH傳感器、電導率傳感器及溫度傳感器研究了影響弱電解質電離平衡的因素，有效幫助學生突破了這一難點[5];陳浩漫等人運用溫度傳感器測定不同物質溶解于水的溫度變化[6]，讓九年級學生更好地理解和掌握該知識，并且較早地接觸手持技術，有利于培養學生的探究意識。

3.開展創新實驗

手持技術的出現為開發創新性科學實驗提供了可能，更多生產生活中的例子都可以成為實驗的對象。例如，孫衛中、倪霞等人利用色度傳感器測定了市售飲料和泡騰片中的維生素C含量[7]、白酒中的甲醇含量，拉近了科技與生活、化學與生活的距離;鄧育紅引導學生以一種探究的方式，利用各類傳感器對生活中的一些現象進行研究，加深學生對宏觀物質的微觀認識，并且極大地提升了學生的學習興趣;任改蘭等人利用手持技術便攜的特點，在戶外開展探究衛河水是否適合魚類生長的綜合實踐活動，既擴大了學生的學習空間，又為地方河水污染的防治提出了建設性意見。

（二）基于手持技術應用的理論研究

隨著手持技術在中學化學實驗教學中的應用，國內學者開始考慮從心理、教學模式等角度對手持技術的應用展開理論研究。錢揚義等人率先分析了中學生對于運用手持技術的態度及解決化學定量實驗問題的心理過程[8]，為手持技術的推廣提供了一定的理論基礎。此后，國內的學者、高校研究生逐漸就手持技術的應用展開理論研究。

1.基于心理層次的探究

謝澤琛等人通過訪談、現場活動觀察等方式，研究了中學生運用手持技術解決化學定量實驗問題的心理過程，給教師教學提供參考，有助于教師利用手持技術培養學生解決問題的能力;分析了手持技術在問題解決的各個環節中的作用，為推廣運用手持技術提供了理論依據。陳貞芳認為，有機地結合手持技術與傳統實驗，可以使大多數化學實驗順利、簡便，而難以學習和教學的概念知識和原則也將變得易于接受和承認。王立新等人基于認知心理視角探究了化學實驗中手持技術的應用，指出需考慮數字實驗的認知功能、目標知識和學生的認知水平，并闡明三者之間的關系。他們根據“認知建構主義”學習理論，首次提出基于手持技術的TQVC概念認知模型并加以驗證，發現該模型有助于教育者從心理學角度理解手持技術環境下學生概念學習的認知規律[9-10]。錢揚義等人通過問卷調查、訪談等形式研究了化學教師對手持技術實驗的態度[11-12]，為手持技術在實驗中的應用和推廣提供了一定的依據。

2.開創教學新模式

隨著研究的深入，國內學者先后開創了基于手持技術的教學新模式。首先，鄧峰構建了新的高中化學教學模式，包括用于實驗探究的“6S”模式和用于課題探究的“10C”模式，并通過問卷調查等方式對此模式加以驗證。在此基礎上，邵亞華通過分析三個主要模式：充分激發與科學引導、合理猜想與演示分析、探索研究和總結歸納，對基于手持技術的“6S”化學實驗探究模式的應用實踐提出了建設性意見。

二、手持技術的限制與改進

手持技術在實踐和理論兩方面的研究，都在一定程度上對我國中學化學實驗教學起到了推動作用，但仍然存在一些不足：第一，研究手持技術需要成套的價格昂貴的手持儀器，且使用壽命有限，因此手持技術多在我國沿海經濟發達地區推行，西部地區以及經濟欠發達地區很少使用;第二，目前推行的傳感器多為pH傳感器、溫度傳感器、色度傳感器、電導率傳感器、壓強傳感器、CO2傳感器等單一傳感器，造成實驗設計案例單一、儀器利用率低;第三，師生在運用手持技術時需要掌握一定的操作技術，這對教師的教學能力及學生的學習、動手能力提出了更高的要求;第四，使用手持技術過程中，儀器的穩定性與網絡速度、測定樣品、溫度等眾多因素有關，因此測定的結果有一定的誤差。

隨著科學技術的發展以及互聯網銷售手段的提升，近年來很多便攜式、智能化的儀器逐漸被家庭所用。這些儀器不僅低價、易操作，而且能夠將測定結果數據化顯示。例如，甲醛檢測儀、血糖監測儀、熒光檢測筆、水分檢測儀、TDS水質檢測筆等，這些智能化家用儀器給人們的生活帶來了極大的便利。利用智能化家用儀器開展中學化學實驗是可行的。例如，徐茜利用TDS水質檢測筆在初中化學教學中開展“定量比較硬水、軟水”的實驗，通過測試硬水、軟水的TDS值，將便攜式TDS水質檢測筆實用化，加強了化學實驗與實際生活的聯系[13];黃蘭引導九年級學生利用TDS水質檢測筆，創設了“沉淀洗滌干凈的判斷方法的探究”“難溶物質的微量溶解性”等課外實驗，極大地激發了學生的學習興趣，提升了學生定量數據收集和分析等科學素養[14]。實踐表明，智能化家用儀器可以作為開展中學化學實驗的一種新手段。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 錢揚義，陳健斌，吳宗志，等.在掌上實驗室探究酒精燈火焰溫度：得出不同的結論[J].化學教育，2003（1）：39-41+21.

[2]? 吳曉紅，任斌，肖敏，等.利用手持技術探究碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸的反應本質[J].教學儀器與實驗，2015（4）：32-33.

[3]? 高妙添.基于“四重表征”與“手持技術”教學模式的實踐研究：以“鹽酸滴定碳酸氫鈉和碳酸鈉的pH變化”為例[J].化學教育，2013（6）：38-41.

[4]? 盛儉發，吳宣東.用手持技術探究過氧化鈉與水反應的歷程[J].中學化學教學參考，2016（23）：55-56.

[5]? 李妍.淺談手持技術在“弱電解質的電離平衡”教學中的功能[J].中學化學教學參考，2016（2）：69.

[6]? 陳浩漫，穆旗旗，衷明華.利用手持技術測定不同物質溶解于水時溫度的變化[J].中學化學教學參考，2016（12）：45.

[7]? 倪霞.運用手持技術測定果蔬中維生素C含量的研究性學習[J].教育與裝備研究，2019（7）：77-79.

[8]? 鄧峰，錢揚義，陳徽，等.化學教師對手持技術在教學中應用所持態度的調查研究[J].化學教育，2008（4）：50-52+60.

[9]? 王立新，錢揚義.認知心理學視角下探究化學實驗中手持技術的應用[J].中小學數字化教學，2019（8）：5-8.

[10]? 王立新，錢揚義，蘇華虹，等.手持技術數字化實驗與化? ? ? 學教學的深度融合：從“研究案例”到“認知模型”——? ? ? ? ?TQVC概念認知模型的建構[J].遠程教育雜志，2018? ? ? ? ? ?（4）：104-112.

[11]? 朱慶，錢揚義，麥裕華，等.化學教師對手持技術數字化? ? ? 實驗應用的態度調查[J].化學教學，2019（10）：13-18.

[12]? 麥裕華，錢揚義，杜慧鳴，等.教師對手持技術實驗的態? ? ? 度探析：基于對“國培計劃（2018）”H大學化學研修班參? ? 訓教師的問卷調查[J].現代教育技術，2019（7）：80-86.

[13]? 徐茜.在初中化學教學中增加定量型實驗的研究[D].成? ?都：四川師范大學，2016.

[14]? 黃蘭.利用TDS水質檢測筆設計初中化學課外實驗的研? ? 究[D].成都：四川師范大學，2018.

（責任編輯 羅? ?艷）