運用手持技術提升初中化學實驗教學實效性應用分析

□福建省福州市平潭綜合實驗區教師進修學校 鄧雪英

手持技術是一種基于數字化技術展開實驗的方式，也稱為掌上實驗室，具有高效、便捷、直觀的特點。其在初中化學實驗教學中的應用具有重要作用，能夠提升實驗教學的實效性，助力教師打造高效化學教學課堂。本文分析了手持技術在化學實驗教學中的應用優勢，探討了如何將手持技術與初中化學實驗教學融合，優化初中化學實驗教學，如何運用手持技術進行初中化學實驗教學，提升學生的化學思維品質和實驗探究能力，從而提升化學實驗教學的實效性。

一、初中化學實驗教學功能

《義務教育化學課程標準（2022 年版）》明確指出，初中化學實驗教學有如下功能：

1.培養學生的數據素養，助力學生科學探究能力的形成，讓學生在觀察實驗現象中獲取、搜集、整理和分析數據，并形成結論以及建構模型，讓化學實驗教學可視化、數據化，輔助學生認識化學問題的本質；2.加強對傳統實驗方式的改進，并借助數字化技術的力量實現實驗形式的多元化轉變。

基于此，教師可引入手持技術，構建數字化實驗課堂，實現現代信息技術與化學實驗的深度融合，讓化學實驗數據化、直觀化，降低學生學習化學的難度，提高學生探索化學的興趣，達到提升學生科學探究能力的目的。

二、手持技術概述

（一）定義

手持技術是一種便攜式、易于操作的實驗設備，具有高度集成化、智能化、數據實時處理等特點。它由微電子技術和計算機技術構成，主要包括計算機及配套軟件①、傳感器②、數據采集器③三個主要部件。其中部件①發揮數據的加工和呈現作用，部件②起到數據的傳輸作用，部件③發揮的是數據采集作用。

（二）特性

1.準確性。

準確性主要是指實驗數據展現的準確性。原因主要有以下兩點：一是部件③和部件②均是特殊的精密儀器，能準確采集和傳輸各種實驗數據；二是部件①具有強大的數據分析和呈現能力，能將搜集的數據進行準確分析和呈現。

2.直觀性。

在部件③采集數據后，可通過部件②傳輸到部件①，并在部件①中完成數據的分析，以及數據呈現方式的選擇，如可選擇數字、表格、圖像等，以便于研究人員直觀了解各種數據的分布、變化等，從而提升實驗的直觀性。

3.實時性。

實時性是指研究人員可從部件①中隨時提取需要的數據進行運用，并選擇合適的呈現方式，如數字、圖表等，從而讓實驗的過程更加可視化。

4.便攜性。

便攜性是指該技術的部件①、部件②和部件③采用一體化設計，具有質量輕、體積小且易連接、易操作等特點，有利于化學實驗隨時隨地開展。

5.綜合性。

綜合性主要體現在對各種數據的同時性、多維性檢測，包括化學實驗涉及的電流、壓力、電壓、溫度等，還能展示上述數據的細微變化，從而多維度地認識該項化學實驗。

三、手持技術與化學實驗建立聯系的橋梁——傳感器

（一）氣體壓力傳感器

此傳感器用于檢測密閉容器中的壓力變化，并通過部件①轉化成圖形、數字和表格等形式，實現實驗數據的直觀性展現。常見的化學反應體系檢測氣體包括O2、N2、CO2等，還可應用于氣體體積測量、催化效果測量等對比實驗。

（二）溫度傳感器

此傳感器主要用于檢測在化學反應中的溫度變化。目前主要應用于檢測被加熱實驗儀器的表面溫度、二氧化碳與溫室效應之間的關系。

（三）pH傳感器

此傳感器主要的作用是檢測化學實驗中離子的微觀變化，如氫離子濃度的細微變化。主要應用于溶液中的pH值檢測、酸堿滴定實驗。

（四）二氧化碳傳感器

此傳感器應用于檢測化學實驗中二氧化碳的濃度變化。針對當前的初中化學實驗教學而言，主要應用在二氧化碳與溫室效應實驗、蠟燭非常規熄滅實驗中。

（五）氧氣傳感器

此傳感器主要檢測化學實驗中的氧氣濃度變化，主要應用的實驗類型有微型實驗，如植物光合作用微觀機理分析實驗；常規實驗，如雙氧水催化分解制備氧氣實驗等。

（六）電導率傳感器

此傳感器的作用是檢測化學實驗溶液中的離子電導率變化狀況。如用于初中化學實驗中對洗滌劑乳化能力強弱的檢測實驗。

（七）滴數傳感器

此傳感器的作用是在化學實驗中開展自動、實時、準確的滴定實驗。在具體的滴定實驗中，此傳感器需要與其他類型傳感器（如溫度傳感器、電導率傳感器、pH 值傳感器等）“協同配合”，精確計算滴數與各種參數之間的細微變化（其參數包括各種離子，如硝酸根離子、鉀離子、鈣離子；還包括電導率以及pH值）。

四、手持技術應用于化學實驗的優勢

（一）豐富驗證性實驗的檢測手段

驗證性實驗，顧名思義主要是用于驗證，注重驗證的結果以及驗證的方式。值得注意的是，學生需要在對研究對象有一定認知的前提下（知曉實驗結果）才可以開展驗證性實驗。因為驗證性實驗有所側重，所以可以通過手持技術進行，即利用手持技術的準確性特征反映實驗的數據變化，達到驗證的目的。

例如，為了驗證鐵生銹中氧氣是否參與反應，用含有鐵粉、活性炭粉和無機鹽等物質的暖寶寶進行實驗，將其貼在集氣瓶內壁并在表面噴灑適量的水，加速鐵粉生銹的進程，運用氧氣傳感器觀察電腦中的氧氣含量數據圖，進而驗證氧氣是否參與反應。

（二）可視探究性實驗的研究過程

探究性實驗是一種實驗活動，其獨特之處在于實驗結果在開始時并不為人所知，需要通過深入探究來得出結果，進而形成科學概念。這與傳統的實驗過程形成了鮮明對比。傳統的實驗過程往往按照“先理論分析，再設計實驗，后觀察現象，最后得出結論”的程序進行。然而，這種傳統的實驗方式存在一些弊端，包括需要記錄多個實驗現象，探究過程相對復雜，以及對實驗結果具有較強的“主觀猜測”性，這導致了實驗結果存在較高的片面性。

為了更好地理解這個觀點，我們可以以“空氣中氧氣含量的測定實驗”為例展開論述。傳統的測量氧氣在空氣中的占比的方式是通過標注紅色刻度，觀察吸水量與刻度的對應關系實現，如（圖1）所示。然而，這種測定方式具有較強的主觀臆斷性，因為已經將刻度標在集氣瓶中，這也導致學生在潛意識中認為只有吸水量在刻度處才證明實驗科學。

圖1

為了避免傳統實驗的這些弊端，教師可以采用手持技術，設定如（圖2）所示的實驗裝置。首先，教師介紹實驗的思路，即通過反應前后集氣瓶內壓強差與反應前內壓強之比，推算出空氣中的氧氣含量。其次，尋找初始壓差A（100.4kPa）和集氣瓶壓差最低D（79.6kPa），并計算氧氣占空氣的比重，如（圖3）所示。這種新的實驗方式不僅減少了主觀猜測的影響，也使實驗過程更為直觀和科學。

圖2

圖3

值得注意的是，教師可以讓學生分析整個氣壓的變化波動圖與實際實驗現象之間的關系，讓學生在此過程中加深對實驗現象背后數據的分析。學生討論結果如下：從A到B，是將紅磷放入集氣瓶中，瓶內氣壓升高。從B到C，氣壓陡然增加的原因是紅磷在集氣瓶中迅速燃燒，產生大量熱，導致瓶中的空氣膨脹，繼而氣壓升高。從C 到D 為下降趨勢，是紅磷在經歷燃燒階段后，集氣瓶溫度逐漸降低，直到最低，出現最低氣壓。從D到E氣壓迅速回歸正常大氣壓，說明止水夾打開，水倒吸，整個實驗結束。

使用手持技術，可以讓探究性實驗的過程變得更加可視化，也能讓實驗數據更為清晰，為實驗探究提供確切的數據支撐，提高實驗結論的準確度、客觀性和可信度。

（三）擴展研究性學習實驗的項目內容

拓展性學習實驗是以小組合作為主要形式，以教師指導為主要方向，以研究問題為切入點，以文獻查閱、方案制定、實際操作、數據處理、結論整理為實驗環節，以讓學生掌握科學的實驗研究方法和豐富化學知識為目的的實驗形式。在此實驗中，教師可以通過手持技術，促進學生高效地完成實驗，避免傳統實驗的弊端。

例如，在開展“不同濃度的二氧化碳溫室效應”實驗時，教師可以讓學生設計如下實驗：準備四個體積相同的集氣瓶，并分別在四個瓶中裝入瓶自身體積的1/5、2/7、3/8、5/6 的二氧化碳。此后，將4 個溫度傳感器分別放入4個集氣瓶中，并在陽光下暴曬，記錄四個集氣瓶的溫度變化數據，如（圖4）所示。對比這些數據所呈現的圖形，分析造成現象的原因。學生可以通過數據圖的變化了解整個實驗過程，并分析其中原因，提升自身的科學探究能力。

圖4

（四）從定性到定量的思維轉變：以氫氧化鈉和氯化鐵溶液反應為例

在初中化學教學中，氫氧化鈉溶液和氯化鐵溶液的反應是一個經常被使用的實驗載體。這個反應的特點是現象明顯且反應速率快，因此非常適合用于物質的變化、質量守恒定律、復分解反應條件等課題的實驗教學。

然而，對于這個反應的微觀理解卻一直是教學中的一個難點。為了幫助學生突破這個難點，我們可以利用手持技術的電導率傳感器進行實驗。我們可以通過測量向氯化鐵溶液中加入氫氧化鈉溶液的電導率并繪制“電導率—時間”曲線，直觀地看到電導率的降低，這反映了反應過程中離子濃度的減少。

為了進一步確認這個結果，我們進行了后續實驗。在實驗后，我們取上層清液滴加硝酸銀，產生了白色沉淀。沉淀證明氯離子并未減少，因此我們可以得出結論：在這個反應中，鈉離子和氯離子并未參與反應，實質是鐵離子和氫氧根離子的反應，生成了難溶于水的氫氧化鐵。

這個實驗清晰地展示了化學反應的微觀本質以及如何通過微觀視角來解釋和理解宏觀現象。利用手持技術，我們可以幫助學生更好地理解和掌握這個難點，深化他們對宏微辨析的理解，從而實現從定性到定量的思維轉變。

五、手持技術應用于初中化學實驗的路徑

（一）借助手持技術開展實驗，輔助學習新知識

以氫氧化鈉與二氧化碳的化學反應為例，教師可以運用手持技術，從定性和定量兩個角度分析兩者的反應，讓學生通過數據直接理解相應的化學概念，提升學生的實驗數據和實驗圖表分析能力，并通過如下四點，讓學生理解化學新知識。

在具體實驗設計方面，教師應準備如（圖5）所示內容。

圖5

1.轉化知識：以實驗數據為思維借力點，將陌生知識轉化為熟悉知識。教師從如下幾個步驟入手：一是復習舊知識。舊知識1二氧化碳與氫氧化鈣反應生成白色沉淀，舊知識2通過水瓶和氣球的形態變化，判斷水與二氧化碳發生反應；二是引出新問題。除了利用上述方法外，引導學生思考新的驗證方式，讓學生從定性思維轉向定量思維，即引入手持技術，讓學生通過各種傳感器的數據變化觀察兩者的反應，學習新的知識。

2.量化感知：通過感知實驗數據變化實現新舊知識銜接，降低新知識學習陌生感。在實驗中，教師需要讓學生觀察兩類實驗的變化。類型1，二氧化碳與蒸餾水。類型2，二氧化碳與氫氧化鈉，其中的實驗數據是以同一時間為依據下的壓強變化、溫度變化。此外，教師還需引導學生建立數據變化與現象變化的聯系，讓學生通過數據數量的變化直觀感受氣球的變化，降低時新知識學習的陌生感。

以類型2為例，在加入氫氧化鈉后，因為實驗瓶中已有部分二氧化碳和蒸餾水，所以這些化學藥劑會發生反應。一開始氣壓值上升，氣球稍微變大，原因是氫氧化鈉加入。隨后，氣壓值出現明顯下降，氣球在原有大小的基礎上逐步縮小，說明氫氧化鈉與二氧化碳反應，導致氣球中二氧化碳減少。該方式通過量化感知，降低學生對新知識學習的陌生感。

3.視覺感知：呈現可視化的實驗曲線圖像，克服新知識的認知難點。在實驗中，教師可以讓學生觀察氣球的變化，尤其是與之對應的各種數據變化，如上文提到的放入氫氧化鈉后，氣壓值先是升高，后是不斷降低。教師可以通過這些可視化實驗曲線，讓學生直觀發現兩者的反應變化，尤其是克服學困生對新知識學習的認知難點。

（二）運用手持技術開展實驗，提升實驗有效性

1.搭建室外課堂，拓展實驗的空間。

因為手持技術具有便攜性特點，教師可以將實驗“放”到室外，拓展實驗空間，更新實驗形式。例如，在探索“各種飲料質量”時，教師可以搭建室外課堂，讓學生應用pH傳感器、電導率傳感器對常見的飲料進行檢測，分析飲料的離子濃度、導電性、pH 值等，了解各種飲料的質量，在拓展實驗空間的同時指導學生合理選用飲用水。

2.采用直觀數據，提高實驗準確率。

教師可以應用手持技術的準確性特性搜集實驗的各種數據，實現定性和定量兩種化學實驗分析形式，讓學生更為深刻地理解實驗原理。以“測定空氣中的氧氣含量”為例，教師可以利用氧氣傳感器、氣體壓力傳感器，分別測量采集前后的氧氣含量、壓強數據，將不可肉眼觀看的實驗現象通過直觀數據進行展現，提高實驗的準確性，讓學生更為直觀地理解氧氣在空氣中的體積占比。

3.推進微型實驗，開展實驗綠色化。

手持技術可在短時間內采集實驗數據，得出實驗結論，有效控制實驗藥品的用量，縮短實驗時間，將手持技術與微型實驗融合構建綠色化的實驗，提高實驗效率，降低藥品用量。以“酸堿中和反應”實驗為例，教師可以設計微型實驗，采用微型實驗工具，并將pH 傳感器放到實驗溶液中，通過測量溶液pH值的方式找準酸堿中和的終點，這樣不但減少了藥品用量，還縮短了實驗時間，更推動了實驗綠色化發展。

六、結語

總而言之，將手持技術與初中化學實驗教學融合是一種有效的實驗教學方法。教師應積極探索手持技術與初中化學實驗教學的融合策略，充分發揮手持技術的優勢，提高化學實驗教學的質量和效率。