手持技术助力化学实验教学向深度进发

魏明贵

摘要： 信息化大环境下，化学教师应用手持技术开展数字化实验教学，增强情境与知识的关联性，启发学生用批判的眼光看事物，透过现象以数据视角认识本质，可以促进学生对新知的建构，提升学生的高阶思维能力，改进传统教学模式，助力教师高效教学和学生深度学习。

关键词：手持技术;数字化实验;教学案例分析

义务教育九年级化学教科书是教师教学的主要依据，也是学生学习的重要资源。但教师仅靠教科书教学是不够的。对于教科书中的化学知识，学生很难通过阅读习得。如何弥补不足，教师应对教材内容进行挖掘、拓展、延伸，引起学生认知冲突，激发学生深刻剖析问题的欲望，深度学习与思考。《普通高中化学课程标准（2017年版）》在“教材编写建议”中提到：应适当增加数字化实验、定量实验，让学生深入接触科学探究的过程，体会化学学科的重要价值^[1]。手持技术作为一种信息技术，它能自动采集数据并转化为直观的曲线，具有定量、便携、自动化、实时、准确等特点，可作为促进学生对抽象概念理解的认知工具^[2]。教师应用手持技术开展实验教学，改变学生的认知方式，不仅能为教师的教提供量化证据与多样的可视化数据，提高知识的信度和效度，而且能为学生的学提供认知支持，降低学习难度。学生学会用数据建模有利于提高自身的预测力、洞察力、探究力及数字化学习素养。笔者以微粒的性质等内容为例，对教学中遇到的抽象概念、实验现象等进行挖掘，开展基于手持技术的数字化实验探究活动，引导学生自主学习，助推课堂教学向深度进发。

一、增强情境与知识的关联性，发展学生高阶思维能力

教学中，学生能沉浸其中，高度投入学习，内心愉悦而充实，这是教师追求的高品质的课堂教学。

（一）常规教学不利于学生深度认识问题

“微粒构成物质”属于“物质的组成与结构”的核心内容，教学目标是让学生“知道物质是由分子、原子、离子等微粒构成的，认识微粒的基本特征”。为了将学生从“具体”物质带入“抽象”微粒，课堂上，教师会列举“桂花飘香”“酒香不怕巷子深”“晾晒衣服”等实例，或做“品红溶液扩散”“氨分子运动现象”等实验，引导认知微粒。这样教学，能体现学科与生活的关系，体现学科中实验的重要性，但学生并没有真正参与。虽然短时间内学生完成了学习任务，但是难以在知识间建立深度联结，没有体悟微粒的性质与宏观世界的联系。

（二）案例：用湿度传感器测定空气中湿度变化情况

教师如何在课堂上开展生成性教学让学生全身心投入？教师结合生活实际，应用手持技术可以有效开展实验教学。笔者展示一杯盛有水的烧杯，学生知道杯中水在蒸发。如何“看”到水蒸发？学生给出了很多答案：将盛水烧杯放在电子秤上，看读数变化;取1滴水滴在洁净玻璃片上，看消失情况等。能否寻找一种用时间短、可视化强、精确度高的方法呢？在笔者的启发下，学生认识到用湿度传感器测定空气中湿度变化情况是一个不错的实验方法。

笔者为学生提供了两个相同的塑料瓶。学生将盛有等体积、等温度的水的两个相同的烧杯分别放入两个塑料瓶，在右边瓶中放除湿剂（如图1）。测量前，学生先预测并画出两个塑料瓶中湿度的变化情况。测量后，系统生成两个塑料瓶中空气的湿度变化曲线（如图2）。短短几十秒时间，学生“看”到塑料瓶中空气湿度的变化，情绪高涨。

空气湿度变化，宏观上与水蒸发有关，微观上与微粒性质有关。笔者让学生想象自己就是水中一个微粒，将“看到”的景象画出来。

（三）设计手持技术实验旨在提高学生高阶思维能力

教师开展化学教学应使学生终身受益，不仅让学生掌握学科知识，而且要提高学生的思维水平和解决问题的能力。如果教师只用熟悉的生活实例引导学生理解微粒性质，虽然课堂上热热闹闹，学生看似附和教师授课节奏，其实并没有弄清楚微粒性质与情境的关联性。一些教师只做演示实验，让学生观察“水变红色”。学生似乎一看就会，能根据现象立即说出微粒的某种性质，但根本没有弄明白品红溶液扩散的原因，也不知道使酚酞溶液变红色的到底是什么物质，甚至还会产生错误的理解。这样教学，学生只是浅层学习。

教师借助生活实例、传统实验教学，只能让学生通过宏观可见的现象推测事物的微观变化。这种情况下，学生是被动学习。教师应借助手持技术开展数字化实验教学，让学生在问题驱动下全身心投入学习，探究短时间内看到烧杯中水在蒸发的方法。学生在课堂学习中“高投入”直接带来“高互动”。教师对学生讨论得出的各种结论，一方面给予肯定，另一方面指出问题，如精确度不够高、可视化不够强、观察时间较长等。在教师的启发下，学生想到湿度与水蒸气含量有关，使用湿度传感器进行测量。在手持技术的支持下，肉眼无法看到的水蒸发微观变化过程通过曲线表征出来，学生能直观认识水蒸发的微观变化本质。整个过程中，学生有思考、讨论、分析、预测、批判、创新等方面的认知，在发现中学习，先认识物质再描述物质，探究事物发展规律，提升高阶思维能力。

二、启发学生用批判的眼光看事物，促进新知建构

（一）学生进阶学习需要教师引发认知冲突

孔子在《论语》里说“不愤不启，不悱不发”，愤悱二字诠释了学习者需要经历“平衡—不平衡—新的平衡”的过程，即认知冲突。教学中，教师除了让学生获取学科知识外，还应鼓励他们用批判与质疑的眼光看事物，在学习的过程中面对认知冲突，深度学习，不断进阶。化学是一门以实验为基础的科学，化学实验对于化学课程目标的全面落实具有重要的作用。实验在培养学生科学素养方面的独特作用在教材中得到了充分体现，教材围绕核心知识精选了有关的实验内容，或提供了给学生感性认识，增强知识的直观性，或为学生的科学探究和意义建构提供了直接或间接的证据^[3]。

（二）案例：用手持技术测定加热过程中盐酸pH

在“酸和碱”单元中，教材设计了实验：教师分别打开盛有硫酸、盐酸的试剂瓶的瓶盖，让学生观察现象并闻气味。学生通过观察，看到盐酸瓶口出现白雾，知道浓盐酸具有挥发性。

在实验过程中，有学生提出“浓盐酸挥发后，酸性一定减弱，如果加热会变成中性”的想法。教学中，对于课堂生成的问题，最好的解答方式就是通过实验取得证据来说理。有学生提出另一种实验方案：向盐酸中滴加紫色石蕊溶液观察颜色变化。学生分别取等体积盐酸加入两支试管中，再分别向其中滴加2滴石蕊溶液，振荡后，观察现象（如图3）;用酒精灯加热B试管到沸腾，观察现象（如图4）。

试管中液体颜色没有褪去，这与学生的认知相冲突。他们原以为盐酸挥发，加热后理应加快HCl气体的“逸出”，但加热后石蕊溶液仍为红色，说明此时试管中溶液仍然为酸性，即尚存H⁺。学生又提出将此时的情况与加热前比较，探究溶液的酸碱度变化。学生将一定量的稀盐酸注入小烧杯，将pH传感器放入后，加热，测定温度升高过程中溶液的pH变化情况（如图5）。

学生观察曲线，获取的信息再次与认知冲突，加热后酸性反而增强。有学生提出猜想：盐酸挥发或者给盐酸加热，溶液中的水也会因蒸发而减少，水蒸发速度快于HCl挥发的速度才造成上述结果。学生分别取等质量的蒸馏水和稀盐酸敞口放置在空气中，一段时间后测质量，发现蒸馏水减小的速度快于稀盐酸。就此，他们从微观角度探究清楚了盛有稀盐酸的烧杯中微粒的变化情况（如图6）。

（三）在观察和分析中构建新知

建构主义理论认为，学习是学习者个体与外部世界相互作用，主动建构个人知识意义的过程^[4]。学生受自身认知水平影响对新知识的学习与理解存在片面性。教师开展手持技术数字化实验教学，为学生提供了直观的图像，不仅能让学生观察宏观实验现象，而且能让学生接受视觉刺激，揭示微观本质。这样的数字化实验既能让学生获得感性认识，又能发展学生的辩证逻辑思维能力，有利于学生在脑海中建立关于“浓盐水挥发”性质新的知识序列，科学建构知识。

三、透过现象以数据视角认识本质，转变认知方式

学生认知水平的高低是判断其学习是否有深度的一个重要指标。学生对概念的学习停留在记忆、理解层面，是一种低阶思维，属于浅层学习;只有学会分析、评价、迁移，才具有深度学习的意义。

（一）案例：用手持技术测定溶液电导率

在教学“饱和溶液和不饱和溶液”时，教师设计了如下实验：实验者将盛有150 mL蒸馏水的烧杯放在磁力搅拌器上（如图7），将电导率传感器放入液体中，打开磁力搅拌器开关，调整转速，同时点击采集按钮。接着往水中加入碘盐，一直加到烧杯底部有固体为止。

在实验过程中，学生观察到：烧杯中碘盐先很快溶解，后溶解减慢，直至不再溶解。学生分析曲线后发现：开始电导率为0，说明蒸馏水不能导电（图中A点之前）;加入加碘食盐后曲线明显上升，说明水中阳离子和阴离子浓度增加（图中AB段）;一段时间后，曲线上升减慢直至停止，此时，烧杯底部有固体（图中B点以后），说明溶液中阳离子和阴离子浓度不再改变。

（二）深度探究，转变认知方式

教学中，教师还根据溶液导电的特性以及溶液饱和状态变化的条件等，让学生进行了再探究：配制碘酒的过程中，将碘加入酒精中，电导率几乎没有变化，分析可知溶液中没有带电的粒子，无法用此曲线分析溶液饱和状态;改变其他条件，如温度、溶质种类等，在测定溶液电导率实验中升温，发现电导率曲线又上升，说明随着温度的改变，溶液的饱和状态也会发生改变;在图7装置中，继续加入氯化钠，发现曲线也开始上升，说明溶液的饱和状态只是针对“碘盐”，此时可以继续溶解氯化钠，但加入的是蔗糖时，曲线变化不大。

教师针对合适的主题开展数字化实验教学，改变学生被动接受抽象概念、浅表化学习化学知识的现状，让学生在手持技术的辅助下获取精准的信息，经过知识加工与构建，进行深度学习，有利于全面提升学生的化学学科核心素养。在信息化的大环境下，教师应将手持技术数字化实验融合到课堂教学活动中，积极构建学生自主学习新模式，让他们在学习中，不仅学得学科知识，而且逐渐形成学科的价值观念、关键能力和必备品格。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 钱扬义，王立新，林惠梅.手持技术数字化化学实验教学研究：理论构建与创新实践[M].北京：科学出版社，2021.

[3] 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准：2011年版[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[4] 陈广余.向深度进发的中学化学教学[M].上海：上海教育出版社，2020.

（作者系江苏省苏州市昆山开发区青阳港学校化学教师、特级教师，全国初中化学优秀教师）

责任编辑：祝元志