中学化学实验中手持技术的发展现状及趋势

魏蝶　李树伟　陈冠梅　孙振范

[摘   要]文章概述了我国中学化学实验使用手持技术的历史和应用现状，指出了该技术的成功经验和不足之处，提出了应用智能化家用仪器取代手持技术完成部分中学化学实验的可行性。

[关键词]中学化学;实验教学;手持技术;智能化家用仪器

[中图分类号]    G633.8        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）05-0073-03

化學是一门基于实验的学科，化学实验作为中学化学教学的重要组成部分，对于激发学生的学习兴趣、创设生动活泼的教学情境、帮助学生理解并掌握知识与技能、培养学生科学思维和创新精神具有不可替代的作用。然而，通过深入调查发现，我国中学化学实验的开设现状令人担忧，部分定性实验仅由教师演示，学生很少有机会做实验;即使是有实验条件的学校，考虑到升学问题，也很少开展学生实验，实验室多处于闲置状态。另外，中学定量实验较少，很少受到重视，教师几乎不进行演示，学生更是没有机会动手操作。可见，我国中学化学实验教学存在较大问题，亟须改善。

一、手持技术在中学化学实验中的应用研究

2003年，华南师范大学钱扬义等人最先提出将手持技术与中学化学相结合，与此同时王磊等人提出了与之类似的概念，称为“传感技术”，他们共同将这些技术应用到化学教学中。此后，国内学者开始对手持技术展开研究，国内化学教育期刊陆续报道了一系列的相关实验;国内生产手持设备的厂家逐渐增多，其中以山东远大朗威教育科技股份有限公司、江苏苏威尔科技有限公司、深圳市创能亿科科技开发有限公司等厂家为代表，为实验教学的基础教育提供了全面的数字化解决方案，实验质量和效率大大提高，学生实验操作空间明显扩大。

以“手持技术”“传感技术”和“中学化学”为关键词，在“中国知网”等数据库进行文献查阅，笔者发现，2012年以后，国内关于手持技术与中学化学相结合的研究显著增多。目前，钱扬义的课题“数字化手持技术理科探究实验室建设”已在全国10余所大学、50余所中小学建立实验研究基地，在一定程度上促进了我国中学化学实验教学的进步。国内学者对于手持技术在化学实验教学的研究主要体现在两个方面：教学案例开发以及基于手持技术应用的理论研究。

（一）教学案例开发

最初，手持技术引入我国是为了开发中学化学实验并用于中学化学教学。钱扬义等人率先将手持技术应用到中学化学实验中，通过温度传感器测定酒精灯火焰的温度[1]，得出“酒精灯温度最高的是内外焰交接处而不是通常所说的外焰温度”的结论。此后，国内学者关于手持技术的研究集中在化学实验案例的开发上。

1.改进传统实验

手持式技术在中学化学实验中的应用，需充分发挥其优势。手持技术由传感器和数据处理系统组成，因此易于将实验现象数字化呈现，让学生在感受化学变化的无穷魅力的同时，增强对化学知识的理解。

例如，通常，通过与稀盐酸反应来比较碳酸钠与碳酸氢钠的性质。当溶液混合时，反应在几秒内就能完成，用肉眼观察很难判断气体放出的快慢，用手也很难感触到明显的温度差异。高妙添等人在pH传感器、温度传感器及CO2传感器的辅助下，将不易观察的现象以数显、图表等形式显示出来，有利于直观、形象地比较这两种物质[2-3]。又如，探究钠与水的反应实验，教师大多引导学生通过观察、解释实验现象，并根据氧化还原反应得失电子守恒来推测反应产物。然而，实验中温度变化不明显，且学生不易理解生成的气体为氢气。为此，江丹虹、盛俭发等人通过pH传感器、温度传感器、氧气传感器，更加直观地体现物质生成的过程，使得实验更加具有说服力[4]。钱扬义等人应用手持技术研究了高中化学反应原理，特别是温度、压力、催化剂和浓度对化学反应速率的影响，研究文献多达二十余篇，让学生更容易从微观角度认识化学反应原理，进一步认识和理解化学物质世界。手持技术的引入，能够有效帮助学生构建化学实验的相关知识，使理论与实践的结合更加严密，让学生体验科学探究中的“边干边学”，感受科学进步带来的学习乐趣。

2.辅助常规实验

传统化学实验教学受实验仪器尤其是定量化实验仪器的限制，中学的很多化学实验多是验证性实验，学生很难理解实验现象和理论背后的奥秘;有的实验现象不明显，学生对知识的建构受到一定的影响。因此，利用手持技术进行常规实验是中学化学教学的必然要求。例如，考虑到高中生在分析影响弱电解质电离平衡的因素时存在一定的认知困难，王春、李妍等人利用pH传感器、电导率传感器及温度传感器研究了影响弱电解质电离平衡的因素，有效帮助学生突破了这一难点[5];陈浩漫等人运用温度传感器测定不同物质溶解于水的温度变化[6]，让九年级学生更好地理解和掌握该知识，并且较早地接触手持技术，有利于培养学生的探究意识。

3.开展创新实验

手持技术的出现为开发创新性科学实验提供了可能，更多生产生活中的例子都可以成为实验的对象。例如，孙卫中、倪霞等人利用色度传感器测定了市售饮料和泡腾片中的维生素C含量[7]、白酒中的甲醇含量，拉近了科技与生活、化学与生活的距离;邓育红引导学生以一种探究的方式，利用各类传感器对生活中的一些现象进行研究，加深学生对宏观物质的微观认识，并且极大地提升了学生的学习兴趣;任改兰等人利用手持技术便携的特点，在户外开展探究卫河水是否适合鱼类生长的综合实践活动，既扩大了学生的学习空间，又为地方河水污染的防治提出了建设性意见。

（二）基于手持技术应用的理论研究

随着手持技术在中学化学实验教学中的应用，国内学者开始考虑从心理、教学模式等角度对手持技术的应用展开理论研究。钱扬义等人率先分析了中学生对于运用手持技术的态度及解决化学定量实验问题的心理过程[8]，为手持技术的推广提供了一定的理论基础。此后，国内的学者、高校研究生逐渐就手持技术的应用展开理论研究。

1.基于心理层次的探究

谢泽琛等人通过访谈、现场活动观察等方式，研究了中学生运用手持技术解决化学定量实验问题的心理过程，给教师教学提供参考，有助于教师利用手持技术培养学生解决问题的能力;分析了手持技术在问题解决的各个环节中的作用，为推广运用手持技术提供了理论依据。陈贞芳认为，有机地结合手持技术与传统实验，可以使大多数化学实验顺利、简便，而难以学习和教学的概念知识和原则也将变得易于接受和承认。王立新等人基于认知心理视角探究了化学实验中手持技术的应用，指出需考虑数字实验的认知功能、目标知识和学生的认知水平，并阐明三者之间的关系。他们根据“认知建构主义”学习理论，首次提出基于手持技術的TQVC概念认知模型并加以验证，发现该模型有助于教育者从心理学角度理解手持技术环境下学生概念学习的认知规律[9-10]。钱扬义等人通过问卷调查、访谈等形式研究了化学教师对手持技术实验的态度[11-12]，为手持技术在实验中的应用和推广提供了一定的依据。

2.开创教学新模式

随着研究的深入，国内学者先后开创了基于手持技术的教学新模式。首先，邓峰构建了新的高中化学教学模式，包括用于实验探究的“6S”模式和用于课题探究的“10C”模式，并通过问卷调查等方式对此模式加以验证。在此基础上，邵亚华通过分析三个主要模式：充分激发与科学引导、合理猜想与演示分析、探索研究和总结归纳，对基于手持技术的“6S”化学实验探究模式的应用实践提出了建设性意见。

二、手持技术的限制与改进

手持技术在实践和理论两方面的研究，都在一定程度上对我国中学化学实验教学起到了推动作用，但仍然存在一些不足：第一，研究手持技术需要成套的价格昂贵的手持仪器，且使用寿命有限，因此手持技术多在我国沿海经济发达地区推行，西部地区以及经济欠发达地区很少使用;第二，目前推行的传感器多为pH传感器、温度传感器、色度传感器、电导率传感器、压强传感器、CO2传感器等单一传感器，造成实验设计案例单一、仪器利用率低;第三，师生在运用手持技术时需要掌握一定的操作技术，这对教师的教学能力及学生的学习、动手能力提出了更高的要求;第四，使用手持技术过程中，仪器的稳定性与网络速度、测定样品、温度等众多因素有关，因此测定的结果有一定的误差。

随着科学技术的发展以及互联网销售手段的提升，近年来很多便携式、智能化的仪器逐渐被家庭所用。这些仪器不仅低价、易操作，而且能够将测定结果数据化显示。例如，甲醛检测仪、血糖监测仪、荧光检测笔、水分检测仪、TDS水质检测笔等，这些智能化家用仪器给人们的生活带来了极大的便利。利用智能化家用仪器开展中学化学实验是可行的。例如，徐茜利用TDS水质检测笔在初中化学教学中开展“定量比较硬水、软水”的实验，通过测试硬水、软水的TDS值，将便携式TDS水质检测笔实用化，加强了化学实验与实际生活的联系[13];黄兰引导九年级学生利用TDS水质检测笔，创设了“沉淀洗涤干净的判断方法的探究”“难溶物质的微量溶解性”等课外实验，极大地激发了学生的学习兴趣，提升了学生定量数据收集和分析等科学素养[14]。实践表明，智能化家用仪器可以作为开展中学化学实验的一种新手段。

[   参   考   文   献   ]

[1]  钱扬义，陈健斌，吴宗志，等.在掌上实验室探究酒精灯火焰温度：得出不同的结论[J].化学教育，2003（1）：39-41+21.

[2]  吴晓红，任斌，肖敏，等.利用手持技术探究碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸的反应本质[J].教学仪器与实验，2015（4）：32-33.

[3]  高妙添.基于“四重表征”与“手持技术”教学模式的实践研究：以“盐酸滴定碳酸氢钠和碳酸钠的pH变化”为例[J].化学教育，2013（6）：38-41.

[4]  盛俭发，吴宣东.用手持技术探究过氧化钠与水反应的历程[J].中学化学教学参考，2016（23）：55-56.

[5]  李妍.浅谈手持技术在“弱电解质的电离平衡”教学中的功能[J].中学化学教学参考，2016（2）：69.

[6]  陈浩漫，穆旗旗，衷明华.利用手持技术测定不同物质溶解于水时温度的变化[J].中学化学教学参考，2016（12）：45.

[7]  倪霞.运用手持技术测定果蔬中维生素C含量的研究性学习[J].教育与装备研究，2019（7）：77-79.

[8]  邓峰，钱扬义，陈徽，等.化学教师对手持技术在教学中应用所持态度的调查研究[J].化学教育，2008（4）：50-52+60.

[9]  王立新，钱扬义.认知心理学视角下探究化学实验中手持技术的应用[J].中小学数字化教学，2019（8）：5-8.

[10]  王立新，钱扬义，苏华虹，等.手持技术数字化实验与化      学教学的深度融合：从“研究案例”到“认知模型”——         TQVC概念认知模型的建构[J].远程教育杂志，2018           （4）：104-112.

[11]  朱庆，钱扬义，麦裕华，等.化学教师对手持技术数字化      实验应用的态度调查[J].化学教学，2019（10）：13-18.

[12]  麦裕华，钱扬义，杜慧鸣，等.教师对手持技术实验的态      度探析：基于对“国培计划（2018）”H大学化学研修班参    训教师的问卷调查[J].现代教育技术，2019（7）：80-86.

[13]  徐茜.在初中化学教学中增加定量型实验的研究[D].成   都：四川师范大学，2016.

[14]  黄兰.利用TDS水质检测笔设计初中化学课外实验的研    究[D].成都：四川师范大学，2018.

（责任编辑 罗   艳）