申明睿

（昆山開發(fā)區(qū)青陽港學校 江蘇 蘇州 215300）

一、問題的提出

手持技術由數據采集器、傳感器和配套軟件組成，與電腦或手機連接后，能定量、實時、直觀、準確、自動的采集實驗數據。手持技術最早于2003年，由華南師范大學錢楊義教授引入，是當前實驗學科與信息技術深度融合的典型代表［1］。

在《手持技術數字化實驗在初中化學項目式教學中的實踐研究》和《手持技術數字化實驗在初中化學教學中的應用研究》課題立項后，為了了解初中化學教師對手持技術實驗的了解程度、使用與培訓情況、認可程度及應用需求，我們課題組開展了相應因素的問卷調查。從調查結果來看:絕大多數化學教師對于手持技術實驗應用于課堂教學持積極態(tài)度。在目前具備部分手持技術資源的學校中，雖然手持技術實驗在初中化學教學中被逐步推廣應用已有很長一段時間，但實際使用的老師極少，具體表現:教師不善于開展基于手持技術的化學課堂教學研究，不知如何將手持技術實驗與傳統(tǒng)實驗相融合，自然地應用于課堂教學，缺乏開發(fā)手持技術實驗案例的經驗和方法。

近年來昆山的許多中學相繼采購了手持技術的部分儀器設備，昆山市初中化學名師工作室研修活動和我校發(fā)起的“市校合作”培訓活動等進行得如火如荼，使得筆者有機會學習如何將手持技術應用在初中課堂教學中，在不斷地聽課、上課和反思中，筆者得出了三條手持技術在初中課堂的應用路徑。本文從具體課例出發(fā)，例談手持技術是如何在初中課堂落地實施的，以期對和筆者一樣的新初三教師的教學有所啟發(fā)，并以此為基礎發(fā)展學生化學學科的核心素養(yǎng)。

二、路徑一：基于傳統(tǒng)實驗，應用手持技術來拓展

教材中保留的傳統(tǒng)實驗，都包含了重要的化學理論、思維和方法，現象明顯，容易觀察，較為經典。但傳統(tǒng)實驗中定性實驗較多、定量實驗較少，且定量實驗精度不高。手持技術作為現代化信息技術手段，可以用來對傳統(tǒng)實驗進行拓展與改進，為定量實驗提供準確、真實、實時的數據，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力［2］。

1.案例1：“測定空氣中氧氣的體積分數”

我校魏明貴老師在上這一部分實驗內容時，從化學家拉瓦錫加熱金屬汞測定空氣中氧氣含量的研究方法出發(fā)，引導學生分析實驗優(yōu)缺點后，又引出課本上用紅磷燃燒測定空氣中氧氣含量，在講到“進入集氣瓶中的水的體積即為紅磷燃燒消耗掉的氧氣的體積”時，許多同學不能理解，這時，魏老師借助壓強傳感器，在傳統(tǒng)實驗的基礎上，引入壓強傳感器，實時測定集氣瓶內壓強的變化，使得學生得以突破這一認知難點。接著魏老師又提出問題:紅磷真的將集氣瓶中的氧氣耗盡了嗎？激發(fā)學生進一步探究的興趣，同時引入氧氣傳感器，測定集氣瓶中氧氣含量的變化，學生通過實時數據和曲線變化，發(fā)現原來紅磷并不能將集氣瓶中的氧氣全部耗盡。探究結束后，魏老師又引導同學們進一步分析，能否用其他物質代替紅磷進行實驗，將氧氣全部耗盡？于是又引出了用白磷和暖寶寶中的鐵粉來分別代替紅磷來測定空氣中氧氣含量的實驗。

2.案例2：“蠟燭燃燒再探究”

淀山湖中學的魏艷麗老師在上這一部分實驗內容時，引導學生分析“粗玻璃管上留下的黑色物質是什么？”學生猜測可能是碳。設計實驗方案:將碳點燃完全燃燒產物是二氧化碳，可以通過二氧化碳傳感器測定二氧化碳的變化，發(fā)現二氧化碳的濃度升高，從而證明黑色物質是碳。

3.案例3：“實驗室制備二氧化碳實驗廢液的處理”

新鎮(zhèn)中學的王騫老師認為近年來，中考試題越來越注重對圖像、圖表的分析，因此在日常教學中要進行練習以及歸因分析。王老師以“某同學在完成二氧化碳的制取實驗后，觀察到錐形瓶內無氣泡產生，石灰石固體有剩余。他對該反應是否停止提出了疑問”為情境，引導同學們從反應開始到無氣泡產生的較長一段時間內，用pH 傳感器測出溶液pH 變化的曲線。依據pH 變化曲線，同學們發(fā)現，雖然無氣泡產生，但溶液的pH仍在變化，說明反應并未停止。由此得出:肉眼無法觀察到氣泡，只能說明反應速率太慢，肉眼無法察覺，不能認為反應已經停止。隨后，王老師又以“實驗室制備CO2所得廢液的主要成分是什么？”為切入點，引導學生應用傳感器對酸性廢液進行了處理，并根據曲線，實驗以及圖像進行綜合分析，發(fā)展了學生證據推理的能力。

以上三位教師應用手持技術的路徑都是基于傳統(tǒng)實驗，應用手持技術對傳統(tǒng)實驗來進行拓展和創(chuàng)新，壓強傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器和pH傳感器的引入使得同學們得出的實驗結論更加準確、科學。此外，傳感器還能將肉眼無法觀察到的實驗事實以數字化形式呈現出來，使推論更加精確，對傳統(tǒng)實驗進行輔助和補充。在此過程中，學生經歷了疑問、猜想、反思、實驗和驗證，學會了數據分析與證據推理，提高了科學探究的能力，實現了思維的進階，形成了嚴謹的科學態(tài)度，達成了化學學科核心素養(yǎng)。

三、路徑二：基于真實問題，應用手持技術來解決

如今的課堂教學強調以素養(yǎng)為導向，在真實情境下創(chuàng)設任務，使學生在解決真實問題的過程中形成化學觀念、發(fā)展科學思維、提升科學實踐與探究能力、培養(yǎng)正確的情感態(tài)度與價值觀。手持技術作為測定實驗數據的一種方法或手段，更加快速、準確的優(yōu)點，為學生在課堂上解決真實問題提供了強大助力。

1.案例4：“影響化學反應速率的因素”

玉山中學的倪晶晶老師以“吃魚時，喉嚨被魚骨頭卡住，能否用白醋軟化？”這一問題情境展開，學生分組討論，設計對比實驗。教學過程中發(fā)現，學生對反應速率的觀察，停留在“觀察氣泡快慢”等定性的水平。倪老師為同學們介紹了溫度和壓強傳感器，從定量的角度增加了幫助學生判斷反應速率快慢的方法。從同學們總結的方法中不難發(fā)現，手持技術的應用拓展了學生認識問題的視角，為學生解決實際問題提供了更多途徑和方法。

2.案例5：“再探鐵與硫酸銅溶液反應”

我校徐宇婧老師從學生熟悉的“鐵與硫酸銅溶液反應”實驗出發(fā)，通過實驗中發(fā)現的異常現象:鐵與硫酸銅溶液反應過程中產生氣泡。學生提出新問題:硫酸銅溶液是否呈酸性？學生剛剛學習酸堿鹽等知識，紛紛提出可以用pH試紙測定溶液的酸堿性。徐老師進一步引導學生思考:反應一段時間后，溶液的pH會發(fā)生怎樣的變化？pH試紙是否能測量？如何精確測量pH 變化？預測pH 隨時間變化曲線？自然而然地將pH傳感器引入課堂中來。當學生發(fā)現，pH隨時間變化曲線和自己預測的曲線變化趨勢完全相反時，認知沖突自然生成。此時徐老師引導學生在尊重實驗事實的基礎上，提出新的猜想、設計實驗方案、進行實驗、驗證猜想并得出結論，同學們經過分析后，認為可能與氧氣有關，應用溶解氧傳感器解決了真實問題，并通過查閱資料，了解了反應的本質，培養(yǎng)了學生質疑批判的精神及科學探究和創(chuàng)新能力。

以上兩位教師應用手持技術的路徑都是基于真實的問題，應用手持技術作為一種手段或方法來解決問題，壓強傳感器、溫度傳感器、pH 傳感器和溶解氧傳感器的引入使得同學們學會運用多重表征來分析收集證據，逐步建立起解決復雜問題的思維框架。并且在整個過程中，學生有思考、有討論、有預測、有分析，實現了從低階思維、淺層學習向高階思維、深度學習的進階，養(yǎng)成了科學態(tài)度，增強了責任擔當。

四、路徑三：基于跨學科實踐活動，應用手持技術來補充

《義務教育化學課程標準（2022 年版）》從學科融合的角度對課程內容結構進行了優(yōu)化，設立了多個跨學科實踐活動。手持技術中涵蓋的傳感器種類眾多，涉及的學科廣泛，為學生實施更綜合、更開放和更有深度的跨學科實踐活動提供了重要保障。

1.案例6：“基于數字化實驗下的二氧化碳的性質及其轉化”

蓬朗中學的楊俊峰老師以當下的熱門話題“碳中和”為切入點。首先帶領同學們了解二氧化碳增多后加劇溫室效應對地球環(huán)境造成的危害。然后讓學生依據價-類圖，分析“二氧化碳的捕集、利用”的轉化路徑，從元素化合價的化學視角理解碳循環(huán)。接著以學生實驗——在充滿二氧化碳氣體的軟塑料瓶中分別加入氫氧化鈣、氫氧化鈉溶液后的變癟情況，引入二氧化碳傳感器，提供的圖像數據，讓學生從定量的角度分析二氧化碳與氫氧化鈣溶液、氫氧化鈉溶液的反應。

2.案例7：“綠色植物與生物圈中的碳-氧平衡”

同樣以“碳中和”話題作為切入點，我校生物教師姜艷婷老師從“綠色植物的光合作用”實現“二氧化碳的捕集、利用”的轉化，在生物課堂中引入氧氣和二氧化碳傳感器，從定量的角度探究物質的變化，加強了學生的科學探究能力。

以上兩位教師應用手持技術的路徑都是基于跨學科實踐活動，應用手持技術作為定性實驗的一種補充。手持技術具有實時性、精確性等優(yōu)勢，可通過動態(tài)采集實驗數據開展定量研究。兩位老師的教學都讓同學們了解了“碳中和”的概念和意義，培養(yǎng)了學生熱愛自然、敬畏自然的科學信念，養(yǎng)成了保護環(huán)境的社會責任感。

五、教學反思

從以上課例中學生的學習效果來看，與傳統(tǒng)實驗相比，手持技術數字化實驗的優(yōu)勢特點非常明顯:除了其采集的數據類型廣、數量多、速度快、精度高外，還能將看不見的微觀本質轉變?yōu)榭梢暬瘮祿?、將實驗現象以圖表與數據等形式同步呈現，使學生實現從定性認識到定量認識的轉變［3］。

這三條手持技術在初中課堂的應用路徑，使得我校理科教師和昆山市初中化學名師工作室的各位同仁普遍增強了利用新的實驗手段進行教學活動的能力，激發(fā)了教師們對教材中傳統(tǒng)實驗進行二次開發(fā)的潛能和熱情，希望也能對和筆者一樣的新初三的教師教學有所啟發(fā)。隨著教師們開始頻繁地將各類傳感器應用于課堂上，我校學生已經可以主動將手持技術引入到解決實際問題的方法中，構建了自主學習的新模式，在探究過程中，不僅鞏固、遷移了已有的化學知識，還拓展了看問題的視角，逐步形成了學科的價值觀念、具備了必備品格和關鍵能力［4］。

在信息化背景下，理科教師利用手持技術開展數字化實驗教學，對教學效果的提升幫助很大，有利于培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)，提升學生多角度、多途徑解決實際問題的能力，助力教師高質量的教學和學生的深度學習［5］。