手持技术化学实验案例开发的研究概况

庄建德(贵州省毕节市赫章县实验中学 553200)

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，“化学”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。

表1 初中阶段手持实验隶属主题分布表

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。

图1 手持实验在必修课程中主题2下的内容要求分布

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。

表2 选择性必修课程中的手持实验隶属主题分布表

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。

图2 手持实验中使用的传感器次数汇总

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、p H 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。