例談如何開展基于手持技術(shù)的化學(xué)教學(xué)*

申明睿

（昆山開發(fā)區(qū)青陽港學(xué)校 江蘇 蘇州 215300）

一、問題的提出

手持技術(shù)由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套軟件組成，與電腦或手機(jī)連接后，能定量、實時、直觀、準(zhǔn)確、自動的采集實驗數(shù)據(jù)。手持技術(shù)最早于2003年，由華南師范大學(xué)錢楊義教授引入，是當(dāng)前實驗學(xué)科與信息技術(shù)深度融合的典型代表［1］。

在《手持技術(shù)數(shù)字化實驗在初中化學(xué)項目式教學(xué)中的實踐研究》和《手持技術(shù)數(shù)字化實驗在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究》課題立項后，為了了解初中化學(xué)教師對手持技術(shù)實驗的了解程度、使用與培訓(xùn)情況、認(rèn)可程度及應(yīng)用需求，我們課題組開展了相應(yīng)因素的問卷調(diào)查。從調(diào)查結(jié)果來看:絕大多數(shù)化學(xué)教師對于手持技術(shù)實驗應(yīng)用于課堂教學(xué)持積極態(tài)度。在目前具備部分手持技術(shù)資源的學(xué)校中，雖然手持技術(shù)實驗在初中化學(xué)教學(xué)中被逐步推廣應(yīng)用已有很長一段時間，但實際使用的老師極少，具體表現(xiàn):教師不善于開展基于手持技術(shù)的化學(xué)課堂教學(xué)研究，不知如何將手持技術(shù)實驗與傳統(tǒng)實驗相融合，自然地應(yīng)用于課堂教學(xué)，缺乏開發(fā)手持技術(shù)實驗案例的經(jīng)驗和方法。

近年來昆山的許多中學(xué)相繼采購了手持技術(shù)的部分儀器設(shè)備，昆山市初中化學(xué)名師工作室研修活動和我校發(fā)起的“市校合作”培訓(xùn)活動等進(jìn)行得如火如荼，使得筆者有機(jī)會學(xué)習(xí)如何將手持技術(shù)應(yīng)用在初中課堂教學(xué)中，在不斷地聽課、上課和反思中，筆者得出了三條手持技術(shù)在初中課堂的應(yīng)用路徑。本文從具體課例出發(fā)，例談手持技術(shù)是如何在初中課堂落地實施的，以期對和筆者一樣的新初三教師的教學(xué)有所啟發(fā)，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。

二、路徑一：基于傳統(tǒng)實驗，應(yīng)用手持技術(shù)來拓展

教材中保留的傳統(tǒng)實驗，都包含了重要的化學(xué)理論、思維和方法，現(xiàn)象明顯，容易觀察，較為經(jīng)典。但傳統(tǒng)實驗中定性實驗較多、定量實驗較少，且定量實驗精度不高。手持技術(shù)作為現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，可以用來對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行拓展與改進(jìn)，為定量實驗提供準(zhǔn)確、真實、實時的數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力［2］。

1.案例1：“測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)”

我校魏明貴老師在上這一部分實驗內(nèi)容時，從化學(xué)家拉瓦錫加熱金屬汞測定空氣中氧氣含量的研究方法出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗優(yōu)缺點后，又引出課本上用紅磷燃燒測定空氣中氧氣含量，在講到“進(jìn)入集氣瓶中的水的體積即為紅磷燃燒消耗掉的氧氣的體積”時，許多同學(xué)不能理解，這時，魏老師借助壓強(qiáng)傳感器，在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上，引入壓強(qiáng)傳感器，實時測定集氣瓶內(nèi)壓強(qiáng)的變化，使得學(xué)生得以突破這一認(rèn)知難點。接著魏老師又提出問題:紅磷真的將集氣瓶中的氧氣耗盡了嗎？激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究的興趣，同時引入氧氣傳感器，測定集氣瓶中氧氣含量的變化，學(xué)生通過實時數(shù)據(jù)和曲線變化，發(fā)現(xiàn)原來紅磷并不能將集氣瓶中的氧氣全部耗盡。探究結(jié)束后，魏老師又引導(dǎo)同學(xué)們進(jìn)一步分析，能否用其他物質(zhì)代替紅磷進(jìn)行實驗，將氧氣全部耗盡？于是又引出了用白磷和暖寶寶中的鐵粉來分別代替紅磷來測定空氣中氧氣含量的實驗。

2.案例2：“蠟燭燃燒再探究”

淀山湖中學(xué)的魏艷麗老師在上這一部分實驗內(nèi)容時，引導(dǎo)學(xué)生分析“粗玻璃管上留下的黑色物質(zhì)是什么？”學(xué)生猜測可能是碳。設(shè)計實驗方案:將碳點燃完全燃燒產(chǎn)物是二氧化碳，可以通過二氧化碳傳感器測定二氧化碳的變化，發(fā)現(xiàn)二氧化碳的濃度升高，從而證明黑色物質(zhì)是碳。

3.案例3：“實驗室制備二氧化碳實驗廢液的處理”

新鎮(zhèn)中學(xué)的王騫老師認(rèn)為近年來，中考試題越來越注重對圖像、圖表的分析，因此在日常教學(xué)中要進(jìn)行練習(xí)以及歸因分析。王老師以“某同學(xué)在完成二氧化碳的制取實驗后，觀察到錐形瓶內(nèi)無氣泡產(chǎn)生，石灰石固體有剩余。他對該反應(yīng)是否停止提出了疑問”為情境，引導(dǎo)同學(xué)們從反應(yīng)開始到無氣泡產(chǎn)生的較長一段時間內(nèi)，用pH 傳感器測出溶液pH 變化的曲線。依據(jù)pH 變化曲線，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)，雖然無氣泡產(chǎn)生，但溶液的pH仍在變化，說明反應(yīng)并未停止。由此得出:肉眼無法觀察到氣泡，只能說明反應(yīng)速率太慢，肉眼無法察覺，不能認(rèn)為反應(yīng)已經(jīng)停止。隨后，王老師又以“實驗室制備CO2所得廢液的主要成分是什么？”為切入點，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用傳感器對酸性廢液進(jìn)行了處理，并根據(jù)曲線，實驗以及圖像進(jìn)行綜合分析，發(fā)展了學(xué)生證據(jù)推理的能力。

以上三位教師應(yīng)用手持技術(shù)的路徑都是基于傳統(tǒng)實驗，應(yīng)用手持技術(shù)對傳統(tǒng)實驗來進(jìn)行拓展和創(chuàng)新，壓強(qiáng)傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器和pH傳感器的引入使得同學(xué)們得出的實驗結(jié)論更加準(zhǔn)確、科學(xué)。此外，傳感器還能將肉眼無法觀察到的實驗事實以數(shù)字化形式呈現(xiàn)出來，使推論更加精確，對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行輔助和補(bǔ)充。在此過程中，學(xué)生經(jīng)歷了疑問、猜想、反思、實驗和驗證，學(xué)會了數(shù)據(jù)分析與證據(jù)推理，提高了科學(xué)探究的能力，實現(xiàn)了思維的進(jìn)階，形成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，達(dá)成了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、路徑二：基于真實問題，應(yīng)用手持技術(shù)來解決

如今的課堂教學(xué)強(qiáng)調(diào)以素養(yǎng)為導(dǎo)向，在真實情境下創(chuàng)設(shè)任務(wù)，使學(xué)生在解決真實問題的過程中形成化學(xué)觀念、發(fā)展科學(xué)思維、提升科學(xué)實踐與探究能力、培養(yǎng)正確的情感態(tài)度與價值觀。手持技術(shù)作為測定實驗數(shù)據(jù)的一種方法或手段，更加快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點，為學(xué)生在課堂上解決真實問題提供了強(qiáng)大助力。

1.案例4：“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”

玉山中學(xué)的倪晶晶老師以“吃魚時，喉嚨被魚骨頭卡住，能否用白醋軟化？”這一問題情境展開，學(xué)生分組討論，設(shè)計對比實驗。教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對反應(yīng)速率的觀察，停留在“觀察氣泡快慢”等定性的水平。倪老師為同學(xué)們介紹了溫度和壓強(qiáng)傳感器，從定量的角度增加了幫助學(xué)生判斷反應(yīng)速率快慢的方法。從同學(xué)們總結(jié)的方法中不難發(fā)現(xiàn)，手持技術(shù)的應(yīng)用拓展了學(xué)生認(rèn)識問題的視角，為學(xué)生解決實際問題提供了更多途徑和方法。

2.案例5：“再探鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)”

我校徐宇婧老師從學(xué)生熟悉的“鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)”實驗出發(fā)，通過實驗中發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象:鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)過程中產(chǎn)生氣泡。學(xué)生提出新問題:硫酸銅溶液是否呈酸性？學(xué)生剛剛學(xué)習(xí)酸堿鹽等知識，紛紛提出可以用pH試紙測定溶液的酸堿性。徐老師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考:反應(yīng)一段時間后，溶液的pH會發(fā)生怎樣的變化？pH試紙是否能測量？如何精確測量pH 變化？預(yù)測pH 隨時間變化曲線？自然而然地將pH傳感器引入課堂中來。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)，pH隨時間變化曲線和自己預(yù)測的曲線變化趨勢完全相反時，認(rèn)知沖突自然生成。此時徐老師引導(dǎo)學(xué)生在尊重實驗事實的基礎(chǔ)上，提出新的猜想、設(shè)計實驗方案、進(jìn)行實驗、驗證猜想并得出結(jié)論，同學(xué)們經(jīng)過分析后，認(rèn)為可能與氧氣有關(guān)，應(yīng)用溶解氧傳感器解決了真實問題，并通過查閱資料，了解了反應(yīng)的本質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生質(zhì)疑批判的精神及科學(xué)探究和創(chuàng)新能力。

以上兩位教師應(yīng)用手持技術(shù)的路徑都是基于真實的問題，應(yīng)用手持技術(shù)作為一種手段或方法來解決問題，壓強(qiáng)傳感器、溫度傳感器、pH 傳感器和溶解氧傳感器的引入使得同學(xué)們學(xué)會運(yùn)用多重表征來分析收集證據(jù)，逐步建立起解決復(fù)雜問題的思維框架。并且在整個過程中，學(xué)生有思考、有討論、有預(yù)測、有分析，實現(xiàn)了從低階思維、淺層學(xué)習(xí)向高階思維、深度學(xué)習(xí)的進(jìn)階，養(yǎng)成了科學(xué)態(tài)度，增強(qiáng)了責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

四、路徑三：基于跨學(xué)科實踐活動，應(yīng)用手持技術(shù)來補(bǔ)充

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》從學(xué)科融合的角度對課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)立了多個跨學(xué)科實踐活動。手持技術(shù)中涵蓋的傳感器種類眾多，涉及的學(xué)科廣泛，為學(xué)生實施更綜合、更開放和更有深度的跨學(xué)科實踐活動提供了重要保障。

1.案例6：“基于數(shù)字化實驗下的二氧化碳的性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”

蓬朗中學(xué)的楊俊峰老師以當(dāng)下的熱門話題“碳中和”為切入點。首先帶領(lǐng)同學(xué)們了解二氧化碳增多后加劇溫室效應(yīng)對地球環(huán)境造成的危害。然后讓學(xué)生依據(jù)價-類圖，分析“二氧化碳的捕集、利用”的轉(zhuǎn)化路徑，從元素化合價的化學(xué)視角理解碳循環(huán)。接著以學(xué)生實驗——在充滿二氧化碳?xì)怏w的軟塑料瓶中分別加入氫氧化鈣、氫氧化鈉溶液后的變癟情況，引入二氧化碳傳感器，提供的圖像數(shù)據(jù)，讓學(xué)生從定量的角度分析二氧化碳與氫氧化鈣溶液、氫氧化鈉溶液的反應(yīng)。

2.案例7：“綠色植物與生物圈中的碳-氧平衡”

同樣以“碳中和”話題作為切入點，我校生物教師姜艷婷老師從“綠色植物的光合作用”實現(xiàn)“二氧化碳的捕集、利用”的轉(zhuǎn)化，在生物課堂中引入氧氣和二氧化碳傳感器，從定量的角度探究物質(zhì)的變化，加強(qiáng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

以上兩位教師應(yīng)用手持技術(shù)的路徑都是基于跨學(xué)科實踐活動，應(yīng)用手持技術(shù)作為定性實驗的一種補(bǔ)充。手持技術(shù)具有實時性、精確性等優(yōu)勢，可通過動態(tài)采集實驗數(shù)據(jù)開展定量研究。兩位老師的教學(xué)都讓同學(xué)們了解了“碳中和”的概念和意義，培養(yǎng)了學(xué)生熱愛自然、敬畏自然的科學(xué)信念，養(yǎng)成了保護(hù)環(huán)境的社會責(zé)任感。

五、教學(xué)反思

從以上課例中學(xué)生的學(xué)習(xí)效果來看，與傳統(tǒng)實驗相比，手持技術(shù)數(shù)字化實驗的優(yōu)勢特點非常明顯:除了其采集的數(shù)據(jù)類型廣、數(shù)量多、速度快、精度高外，還能將看不見的微觀本質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暬瘮?shù)據(jù)、將實驗現(xiàn)象以圖表與數(shù)據(jù)等形式同步呈現(xiàn)，使學(xué)生實現(xiàn)從定性認(rèn)識到定量認(rèn)識的轉(zhuǎn)變［3］。

這三條手持技術(shù)在初中課堂的應(yīng)用路徑，使得我校理科教師和昆山市初中化學(xué)名師工作室的各位同仁普遍增強(qiáng)了利用新的實驗手段進(jìn)行教學(xué)活動的能力，激發(fā)了教師們對教材中傳統(tǒng)實驗進(jìn)行二次開發(fā)的潛能和熱情，希望也能對和筆者一樣的新初三的教師教學(xué)有所啟發(fā)。隨著教師們開始頻繁地將各類傳感器應(yīng)用于課堂上，我校學(xué)生已經(jīng)可以主動將手持技術(shù)引入到解決實際問題的方法中，構(gòu)建了自主學(xué)習(xí)的新模式，在探究過程中，不僅鞏固、遷移了已有的化學(xué)知識，還拓展了看問題的視角，逐步形成了學(xué)科的價值觀念、具備了必備品格和關(guān)鍵能力［4］。

在信息化背景下，理科教師利用手持技術(shù)開展數(shù)字化實驗教學(xué)，對教學(xué)效果的提升幫助很大，有利于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，提升學(xué)生多角度、多途徑解決實際問題的能力，助力教師高質(zhì)量的教學(xué)和學(xué)生的深度學(xué)習(xí)［5］。