基础教育中微型实验教学发展研究*——基于CiteSpace的CNKI数据库分析

夏振洋 徐晓雪 王后雄

1 华中师范大学教师教育学院 武汉 430079 2 重庆市渝北区教师进修学院 重庆 401120 3 重庆市教育科学研究院 重庆 400015

1 问题的提出

1835年，爱尔兰教师D.R.Reid率先提出“实验小型化（Small scale）”这一概念。1925年，埃及E.C.Grey出版了《化学实验的微型方法》大学教材。20世纪50年代，马祖圣教授在New York大学开设有机化学微量技术课，1975年，与同事合著《化学中的微型实验操作》。1982年起美国Mayo和Pike等人在基础有机化学实验中采用主试剂在mmol量级的微型制备实验，取得成功，在国外引发研究微型实验热潮[1]。1985年，Butcher等人首次设计出微型有机实验，并提出微型实验（Microscale Experiment）和微型实验室概念[2]。堪萨斯大学的S.Paul Sood等[3]在1987年提出微型原理化学实验（microscale laboratory，ML）。微型实验是以尽可能少的化学试剂来获取所需化学信息的实验方法与技术。试剂用量只为常规实验用量的几十分之一乃至几千分之一，但其效果却可以达到准确、明显。微型实验在高等教育、基础教育中已有较多研究，但微型实验教学研究系统性不足。

采用科学的研究工具对于教育科学研究具有重要意义。1973年，情报学家Small、Marshakova提出文献共被引（Co-citation）的概念，作为测度文献间关系程度的一种研究方法[4]。笔者采用引文可视化分析工具CiteSpace进行基础教育中微型实验教学研究。

2 数据源及研究统计分析

检索条件：关键词=微型实验教学；以CNKI中国学术期刊网络出版库检索，查询文献总数702篇；经Refworks精练后为数据源。从文献发文时间看，最早收录为1992年，为肖新荣等[5]的“微型有机化学实验在实验教学中的应用评价”。学者徐晓雪[6]、王霞晨[7]发文推广应用，开始引起国内关注。

2.1 核心作者分析

表1 核心著者统计表（前11）

2.2 年收录论文量统计

国内期刊微型实验教学主题发文量见表2。

表2 国内期刊微型实验教学主题发文量

2.3 关键词分析

关键词是重要文献索引标识，是高度概括文章节点的词汇。导入702篇文献进行词频分析，生成节点（N）为563、连接数（E）为1 291的关键词共线图谱，见图1，前10高频关键词见表3。从表3中可看出，高频关键词总频次681次，占总频次的42.45%。研究内容分析多涉及实验教学、微型化、生活化、绿色化学实验四个方面。

图1 关键词聚类分析图

表3 关键词统计表

2.4 主题聚类分析

为弄清楚微型实验研究的热点领域，经CiteSpace聚类分析，Modularity Q=0.4431＞0.3，聚类结构显著，Silhouette S=0.7651＞0.7，聚类数据可信。关键词聚类图谱见表4。

表4 聚类标签的LLR算法统计

2.5 微型实验研究演进分析

在CiteSpace软件中设置相应的参数和阈值，得到10个节点微型实验研究前沿知识图谱，如表4所示。

2.6 研究内容分析

2.6.1 微型实验教学的仪器引领导向

聚类标签#7、#8、#9强调了微型实验新仪器的重要性。新仪器可以是实景实验[8]中新仪器或者自制仪器[9]的应用，如有机化学实验中常用的减压蒸馏装置、减压过滤装置，2019年高考卷中索氏提取器引起师生广泛关注。笔者访谈河南师范大学附中杨松林硕士，他在全国优质课展示时验证烷烃（煤油）的性质，设计活动单：1）涂抹异构十二烷（无毒无害），谈谈你的感受；2）将石蜡分别放入异构十二烷和水中，比较其密度；3）将石蜡放入异构十二烷中（热水浴）中，观察现象。因与液溴取代时有缺点：1）气—气混合，难以控制，可能发生爆炸；2）多为演示实验，操作繁杂，现象不明显。设计了微型实验，选用100 uL的微量进样器吸取液溴40 uL注入5 mL微型瓶中，并打开手机灯光源提供光能反应条件，另一个微型瓶用黑色纸包裹后做对照实验，装置见图2。此实验效果显著，因微量进样器中反应物量非常少，实验由液相反应物生成气相HBr量非常少，但经同屏投放在屏幕中现象非常明显，且整个过程中微型瓶中无气体逸出，绿色环保，试剂微量、能耗少、成本低、省空间、时间短、安全性好、学生单机操作、兴致高涨、沉浸式实验体验感强，易于形成高阶思维。因实验用微型进样器，其功能和在后续中学、大学有机实验、药学仪器—高效液相质谱仪常用，有很好的引领价值。

图2 煤油与液溴在光照下反应微实验

2.6.2 微型实验教学的综合评价导向

微型实验已有教学研究：自制实验仪器；微型实验的实验条件、实验方法；微型实验在课堂教学、第二课堂教学、在生活中的应用研究[10]，另外，微型实验教学在农村中学、家庭实验、疫情防控期间的教材替代实验开展中均有较好的功用。而聚类标签#0、#4、#5中尚没有微型实验评价和试题命制，笔者查阅2022年全国104套中考真题，有4套试题中出现“井穴板”，占比较少，分析原因，原因可能与课程标准、教材研发、师资培训、课题研究、仪器在实验室中的替代、实验室管理、命题者的理论研究体系和匹配画图软件的研发等有关。微型实验在中高考试题中也有体现，如2017年新课标I高考化学试题4。

4.实验室用H2还原WO3制备金属W的装置如图所示（Zn粒中往往含有硫等杂质，焦性没食子酸溶液用于吸收少量氧气），下列说法正确的是（）

A．①、②、③中依次盛装KMnO4溶液、浓H2SO4、焦性没食子酸溶液

B．管式炉加热前，用试管在④处收集气体并点燃，通过声音判断气体纯度

C．结束反应时，先关闭活塞K，再停止加热

D．装置Q（启普发生器）也可用于二氧化锰与浓盐酸反应制备氯气

该题通过微型实验分别除去SO2、O2、H2O，体现微型实验独特价值，综合考查学生的明辨思维、系统思维等质量水平。

2.6.3 微型实验教学的工科思维导向

我国的工程教育专业体系认证始于2006年，2016年正式加入《华盛顿协议》框架，开始与国际同轨。我国坚持工程教育认证的三大理念：以学生为中心的教育理念SC（Students-Centered）；产出导向的教育体系OBE（Outcome-Based Education）；持续改进的质量观CQI（Continnuous Quality Improvement）。工科思维以解决现实问题为导向，注重知识的综合运用，注重解决问题的效率。思维方式的培养就是理解问题和解决问题方法的培养。工程教育的基本任务，就是培养学生良好的工科思维。是否具备工科思维是检验工科的学生培养成功与否的重要标准。如制药工程专业是典型的工科专业，制药设备与车间设计课程是制药工程专业的核心课程。通过制药设备与车间设计课程使学生掌握药厂反应设备及车间工艺学科的基本知识和基本概念。通过阐明制药车间工艺设计的方法,使学生掌握一定的设计方法，能最有效利用现有工程技术领域内的成就，组织制药生产过程，配备相应的单元设备，提供必要的载能介质，完成产品的高效的工业化生产[11]。

聚类标签#2、#3指出微型实验教学过程注重工科思维的培养。如某添加剂提取液抑菌和毒理试验，常选用微型实验仪器——牛津杯，无菌操作时在培养基表面直接垂直放上牛津杯，在杯中加入待检样品（发酵液），正面向上置37℃培养16～18小时，观察结果，获得抑菌圈直径这一重要抑菌参数，以甄别药物效果，筛选优化药物，促进药物研发。微型实验不仅是将实验剂量的简单小试验，而是给“小试”“中试”“大试”工业递进发展提供一定参考。其过程与理论基础的丰富、工艺水平的高低、仪器的研制有关，也利于实验室成果的快速工业化转化。

3 结论

从学科发展研究看，微型实验教学积累了丰富的教学案例，研究著述出版也取得了很大的进步，对基础教育化学教育教学作出了一定的贡献，这与化学家研发先进的仪器和分析技术有关，也与仪器有特定功能和过硬的材质有关，微型实验教学评价发展还有空间。

4 展望

4.1 鼓励基础教学中融入和研发新仪器

现阶段，仪器教学可以融入现代化实验仪器，改造、创新微量仪器即微型化发展，微量进样器、多用滴管、井穴板等仪器已经充实到新微型实验中，微型化学实验既不是常规实验的简单缩微，更不是常规实验的对立，它们各有所长，相互补充，微量化学实验的主要发展方向是通过改进仪器，提高准确度，减少相对误差。鼓励中小学教材和教学中增设微型实验，如低年级段讲授实验安全时，用手动单道可调移液枪在鸡蛋液中逐量加入相同质量分数的CuSO4溶液，让学生体验蛋白质变性的过程，在高年级段可以用同样原理，让学生体验小活鱼在逐量加入相同质量分数的CuSO4溶液并观察小鱼精神状态，采食和饮水等情况，体验实验安全的必要性。从实验中体会“量变到质变”的生理变化，科学诠释生命教育的重要性。

4.2 合理匹配基础教育中微型实验考查评测

在科学教育框架中，实验教学应用情况应该纳入教育质量评价监测体系，对学校实验室建设与管理、实验教学开展情况和实验教学质量等方面强化实验评价。把学生实验操作情况和能力表现纳入综合素质评价；2023年前要将实验操作纳入初中学业水平考试，考试成绩纳入高中阶段学校招生录取依据等，微型化实验教学体系也要有学生的科学素养增值评价。如南京师范大学附属中学王曾维、郭舒菡研究微型实验过程中通过拍摄清晰真实的实验图片《蔓蔓生长的金属》获得香港·纽约国际青少年科学影像大赛一等奖、“HMA”关注科技进步专项奖、全国青少年科学影像节最佳作品奖、江苏省青少年科学影像节一等奖。

4.3 支持企业完善和学校配套微型实验平台

微型实验及耗材研发向精细化、标准化发展，在基础教育中，发展微型实验仪器教学需要发挥学校、社会、企业的协同教育，学校层面：建立平台，形成教师—校本教材—学生微型实验教学体系；社会层面：保障实验仪器使用；企业层面：提供技术支持，研制便于教师绘制图片，方便教师教学的配套软件，总之，微型实验发展任重道远。