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摘要 : 通过对 2003~ 2021年在核心期刊发表的手持技术实验案例开发论文进行实验主 题 、传感器 、数据处理方式三 个方面的分析 , 尝试总结手持技术实验开发的 一 般程序 。
研究发现 : 一是选择性必修课程手持实验的数目最多 , “有机实验基础 ”模块还有较大的 开发空间 , 且不同学段的手持技术实验各有侧重点 。二是手持技术实验往往倾向于使用 多种常规传感器 , 在达成实验目的的同时 , 让学生多角度认识化学变化 。 三是手持技术 实验主要有四种数据方式 , 充分体现其定量价值 。
随着教育改革的深化与推进 , 信息技术与教学 的 融 合 逐 渐 被 重 视 。《义 务 教 育 化 学 课 程 标 准 (2022年版) 》对教师提出了 “加强信息技术的应用 , 创新内容呈现形式 , 探索开发数字化教材 , 提供更 加丰富的内 容 资 源 与 多 样 化 的 学 习 方 式 ”的 要 求 , 《普通高中化学课程标准(2017年版 2020年修订) 》 也提出了 “应 重 视 化 学 教 材 信 息 资 源 平 台 的 建 设 , 促进化学教材的信息化发展 , 为各种潜力的学生和 教师提供多种多样的学习资源 ; 提倡化学教材示范 性地指导运用化学软件处理数据 , 培养学生运用软 件技术学习化学及处理数据的能力 ”的建议 。 手持 技术是信息技术与教学融合的重要工具之一 , 这在 课标与教材中均有所体现 。人教版高中化学教材在 主要栏目中添加了手持技术实验 , 如必修一 中介绍 了验证次氯酸光照分解产物的数字化实验 , 这符合 了课标在 “教材编写建议 ”中提倡的 “化学教材应精 心设计学生必做实验 , 适当增加微型实验 、家庭小 实验 、数字化实验 、定量实验和创新实 践 活 动 等 , 让学生在实验探究活动中学习科学方法 , 认识科学 探究过程 , 体会 、认识技术手段的创新对化学科学 的重要 价 值 , 形 成 严 谨 求 实 、 勇 于 实 践 的 科 学 态 度 , 发展实践能力 ”。
手持技术是由数据采集器 、传感器 、配套软件组成 的 定 量 采 集 数 据 (包 括 物 理 、 化 学 、 生 物 数据) 且能与计算机连 接 的 实 验 技 术 系 统 。 手 持 技 术实验具有便携 、实时 、准确 、综合 、直观的突出优点 , 可以实现隐性实验现象的可视化 。
为了解目前国内手持技术化学实验的开发与研究情况 , 以 “手持技术”“数字化实验”为关键词 , “学”为 主 题 在 中 国 知 网 检 索 文 献 , 挑 选 出 2003~2021年 期 间 在 核 心 期 刊 ( 即《化 学 教 育》《化 学 教学》) 中发表的实验案例开发类论 文 , 共 88篇 , 阅读后综述如下 。
一 、实验隶属主题分析
对手持 技 术 实 验 进 行 实 验 主 题 归 类 时 , 对 照《普通高中化学课程标准(2017年版 2020年修订) 》在 “课程内容 ”中划分的主题及其下属的内容要求 ,以及《义务教育化学课程标准(2022年版) 》在 “课程内容 ”中划分的一 级 主 题 与 二 级 主 题 , 统 计 每 个 手持实验隶属的主题后的分析 。
在初中阶段 , 由表 1可知 , 手持实验最多选自主题 2“身 边 的 化 学 物 质 ”, 其 中 二 级 主 题 “生 活 中常见的化合物 ”与 “金属与金属矿物 ”主题下的实验数目多 , 说明初中的手持实验探究主要集中在物质性质的学习上 , 如酸碱盐的性质 、二氧化碳与碱的反应等 , 它们都很适合用简单的传感器设计为手持 实验 。在 “金属与金属矿物 ”主题下的三个实验均以 “铁 ”这 个 物 质 为 研 究 主 题 , 与 “铁 的 缓 慢 氧 化 ”有 关 。相反 , 主题 3“物质构成的奥秘 ”与主题 4“物质 的化学变化 ”基本少有涉及 , 进 一 步说明了初中手 持实验 “重性质 , 轻原理 ”的倾向 。此外 , 涉及 “发 展科学探究能力 ”主题的手持实验也受到重视 , 这 可能与手持技术的实验性质相关 , 更适合用于研究 性学习 。
在高中阶段 , 课程性质分为必修课程 、选择性 必修课程 、选修课程 , 分析发现所开发的手持实验 在三类课程中的分布为 : 必修课程实 验 12个 , 选 择性必修课程实验 35个 , 选修课程实验 17个 。
在必 修 课 程 中 , 83.3%的 研 究 者 选 择 主 题 2 “常见的无 机 物 及 其 应 用 ”中 的 实 验 改 进 为 手 持 实 验 , 且由图 1数据可知 , 在主题 2下的 4项内容要 求均有一定程度的涉及 , 证明 “无机物的性质及其应用 ”的内容比较适 合 用 于 手 持 实 验 探 究 。 而 必 修 课程的其他主题几乎没有出现手持实验 , 与初中课 程的手持实验类似 , 着重研究物质的性质 , 这可能 与这 部 分 内 容 在 必 修 课 程 的 知 识 深 度 要 求 不 高 有关 。
在选择性必修课程中 , 通过分析表 2中的数据 可知 , 模块 1“化学反应原理 ”相关的手持实验数目 占了绝大 多 数 , 且 在 该 模 块 下 的 3个 主 题 均 匀 分 布 。其中 , 与主题 1“化学反应与能量 ”相关的实验 数目最多 , 达 45.7% , 这 说 明 了 研 究 者 倾 向 于 使 用手持技术实验帮助学生理解较为抽象的原理性知 识 , 这与手持技术实验的特点相符 。 其 中 , 与 “化 学反应与电能 ”相关 的 实 验 最 多 , 研 究 者 深 入 挖 掘 了原电池 、 电解池 、 电化学腐蚀等概念 、模型下的 化学原理 , 通过手持技术帮助学生理解隐性的变化 过程 , 部分实验 还 挖 掘 了 学 生 对 电 化 学 的 认 识 深 度 , 如比较电解池阳极与原电池负极金属腐蚀速率 的大小 、探究电解质溶液对原电池电流的影 响 等 。 不同的是 , “化学反应 的 方 向 、 限 度 和 速 率 ”与 “水 溶液中的离子反应与平衡 ”内容的多个实验也被设 计为手持实验 , 但其主要目的为丰富学生的认识维 度 , 增加定量视角或定量探究体验 。
此外 , 模块 2“物质结构与性质 ”下的主题 2“微 粒间的相互作用与物 质 的 性 质 ”也 较 多 , 且 改 进 的 手持实验都集中在该主题下的 “微粒间的相互作用 ”这一 内容要求 , 特别是有机化合物分子间作用力大 小的比较 , 研 究 者 运 用 TQVC概 念 认 知 模 型 , 将 “分子间作用力 ”这一 目标概念转化为 “挥发温度 ”这 一量化感知 , 再 进 行 测 量 与 比 较 。 而 模 块 3“有 机化学基础 ”被设计成 手 持 实 验 的 数 目 极 少 , 有 较 大的开发空间 , 但这可能是因为有机反应的副反应较 多 , 会影响传感器测量的准确度 , 导致设计成手持 实验的难度加大 。
在选修课程中 , 手持实验的开发主要集中在两 个主题上 , 分别为 “化学原理探究 ”与 “STEM 综合 实验 ”。“化学原理探究 ”主题下的手持实验主要为 阿伏伽德罗常数的测定与气体摩尔体积的测定 , 研 究者从 “阿伏伽德罗常数 ”与 “气体摩尔体积”两组核 心概念中提出研究问题 , 收集数据 , 并运用公式计 算得出结果 , 充分发挥了手持实验的定量价值 。 而 “STEM 综合 实 验 ”主 题 下 的 实 验 多 从 生 活 问 题 设 计综合实验项目 , 如探究不同洗涤剂乳化能力 、探 究燃煤烟气的脱硫效率等 。上述案例的选题虽符合 “STEM 综合实验 ”的主题 , 但似乎少有 “工程 ”“技 术 ”方面的体现 , 仅完成实验探究后得到实验结论 。
综上所述 , 在实验的主题选择上 , 不同学段呈 现出以下特点 : 一是初中课程与高中必修课程中的 手持实验具有 “重性质 , 轻原理 ”的倾向 ; 二是在选 择性必修课程中 , 由于原理性知识增多 , 隐性过程对学生的认知 负 荷 大 , 故 手 持 实 验 的 数 目 明 显 增多 , 且出现 “挖掘认识深度 ”与 “拓宽认识维度 ”两种实验目的 , 但 “有机实验基础 ”模块还有较大的开发空间; 三是目前的手持技术实验还是以中学教材中的主 题 为 主 , 在 选 修 课 程 中 有 少 部 分 选 择 了 与STEM 主题 相 关 的 实 验 , 尚 未 发 现 跨 学 科 的 实 验主题 。在 STEM 主题相关的实验中 , 也较少有 “工程 ”“技术 ”方面的体现 。
二 、传感器分析
对所有手持实验使用的传感器进行统计 , 得到统计图 2. 从图中可以看到 , 温度传感器使用得最多 , 其次是 pH 传感器 , 而且氧气 、气压 、二氧化碳 、 电流 、 电导率 、色度计等常规传感器均有 一定程度的使用 。还有部分少见的传感器被应用 , 如光电门传感器 、光强度传感器等 。此外 , 还有研究者使用了手机 软 件 , 如 colorgrab采 集 实 验 数 据 , 再与传感器测定的结果比较 , 这也不失为一种方便的数据采集工具 。温度传感器被应用次数最多的原因可能有以下三点 : 一是温度比较容易测量 , 且温度为化学探究实验中最常用的变量之一 , 在改变这一变量时 , 可能会用上温度传感器 ; 二是温度通常作为多角度认识化学变化的一种辅助角度 , 对变化过程中的温度进行检测 , 可以让学生更全面 、更多维地了解化学反应 , 培养更 全 面 的 变 化 观 念 ; 三 是 在 TQVC概念认知模型被提出并 应 用 后 , 研 究 者 会 将 “分 子 间作用力 ”这 一 目 标 概 念 转 化 为 “挥 发 温 度 ”的 量 化感知 。
综合以上分析可知 , 手持实验往往倾向于使用 多种常规传感器 , 在达成实验目的的同时 , 让学生 多角度认识化学变化 , 有助于培养其变化观念 。
三 、数据处理方式分析
手持技术实验常用的数据方式有使用具体数值 比较或运算 、运用曲线趋势比较 、 四重表征与线性 回归四种 。根据分析可知 , 最常使用的方式为曲线 趋势的运用 , 即通过软件绘制的实验数据曲线的走 向 , 深入分析化学变化的每个阶段 。其次 , 使用具 体数值比较或运算也使用较多 , 体现了手持实验的 定量价值 。而四重表征特指在文章中以清晰的表格 呈现出 “宏 观 — 微 观 — 符 号 — 曲 线 ”一 一 对 应 的 关 系 , 这种处理方式能帮助学生更清晰 、更直观分析 同一化学变化不同阶段的宏观现象 、微观实质与符 号表征 , 不仅有助于学生理解反应本质 , 还能影响 其分析化学变化的有序性 。此外 , 少部分研究使用 了线性回归的方式处理数据 。经过统计发现 , 这种 处理方式通常运用到课外拓展实验中 , 且所使用的 传感器常为色度计与分光光度计 。通常做法是通过 标准液绘制出标准曲线 , 再测定待测液的吸光度代 入标准曲线 , 即可求得其浓度 。这种方法在中学阶 段属于纵向拓展技能 , 考验学生的思维能力与图表分析能力 , 适合用于课外能力提升的探究 。
四 、手持实验开发的 一 般程序
通过对手持实验案例进行概括 , 发现手持实验 开发的过程可概括为以下七大步骤 : 一是确定实验 内容与研究问题 。研究者一般可以从改进教材中的 定性实验 、深度挖掘教材中的科学知识 、探究常规 实验中出现的异常现象 、选取与生活相关的实验主 题四个方面确定实验的内容 , 再将确定好的内容拆 分成若干个研究问题 。二是文献综述 。对确定的实 验内容进行文献综述 , 汇总前人做过的实验改 进 , 分析已有实验改进的共同点 、趋势 , 尝试提出目前 空缺且有意义的实验角度 , 判断引入手持技术的价 值 。三是剖析实验原理 。 主要包含两个方面 , 一 方 面是分析实验中设计的化学反应方程式或确定计算目标物理量需要运用的公式 , 另一方面是确定需要 收集的物理量数据 , 如温度 、湿度 、pH 等 。 四是 选择实验药品与仪器 。对于实验仪器 , 重点是选取 合适的传感器采集目标物理量数据 , 若需要多角度 认识化学变化 , 则需要选取多个传感器 。少量实验 还需 要 运 用 TQVC 概 念 认 知 模 型 进 行 数 据 转 化 。 此外 , 为了保证氧气传感器 、气压传感器 、二氧化 碳传感器等传感器的精确度 , 往往需要搭建密闭体 系 , 故有时候需要专门定做相应大小孔径的 仪 器 。 对于实验药品 , 溶液的浓度需要满足所选择传感器 的量程要求 , 可以在第二步文献综述结果中借鉴经 验或进行有必要的预实验 。 五是设计与实施 实 验 。 运用控制变量法 、正交实验法等设计具体的实验过 程 , 确保实验过程的科学性与严谨性 。六是处理与 分析数据 。可使用四重表征 、 曲线趋势比较等方式 分析实验数据 , 从本质上理解化学变化 。七是得出 研究结果与讨论 。根据对数据的分析 , 得出实验结 论 , 并对本实验的亮点 、可继续优化的角度 、对教 学的价值 、是否解决提出的研究问题等方面进行反 思与讨论 。
参考文献
[1] 普通 高 中 化 学 课 程 标 准(2017年 版 2020年 修 订) [M] . 北京 : 人民教育出版社 , 2020: 84.
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