利用手持技術(shù)發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

劉姝妲　金士寶

摘要：將手持技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)實(shí)踐有利于發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，給予學(xué)生未來發(fā)展必備的品格和關(guān)鍵能力。手持技術(shù)和傳統(tǒng)教法有機(jī)融合，可以突破教學(xué)難點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生理解，使復(fù)雜的問題簡單化、定性的問題定量化、模糊的問題清晰化。

關(guān)鍵詞：手持技術(shù)；傳感器；化學(xué)；核心素養(yǎng)

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2019.01.019

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-1580（2019）01-0084-04

一、問題的提出

手持技術(shù)又稱數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件組成。它與實(shí)驗(yàn)裝置連接，測量、采集、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。手持技術(shù)傳感器可以測量電流、電壓、氣體壓強(qiáng)、溫度、濕度、電導(dǎo)率、氧氣濃度、二氧化碳濃度、酸堿度、色度等等。在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理和圖像分析。將不同的傳感器應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)實(shí)踐，教師可以更直觀和便捷地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生可以更精準(zhǔn)和具體地理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有利于傳統(tǒng)教學(xué)的創(chuàng)新、演示實(shí)驗(yàn)的改良、學(xué)生探究的量化。

初中階段的化學(xué)課程注重發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，是適應(yīng)世界教育改革發(fā)展趨勢、提升我國教育國際競爭力的迫切需要。手持技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國家的理科教學(xué)已經(jīng)應(yīng)用了30多年，在我國發(fā)展時(shí)間較短，且普及度較低，近年來國內(nèi)研究不斷發(fā)展深入，在化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域也開發(fā)了手持技術(shù)的應(yīng)用案例。將手持技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)，突破教學(xué)難點(diǎn)、促進(jìn)學(xué)生理解，可以更好地發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，在全球信息化的環(huán)境中給予學(xué)生未來發(fā)展必備的品格和關(guān)鍵能力。

二、例談手持技術(shù)的應(yīng)用

（一）利用手持技術(shù)發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)

“測定空氣中氧氣含量”時(shí)，氧氣肉眼不可見，學(xué)生在理解上存在困難，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)接人氧氣傳感器和壓強(qiáng)傳感器，把紅磷燃燒過程中氧氣和氣壓的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)于電腦屏幕，學(xué)生會清楚地理解氧氣減少和氣壓減小，感受紅磷燃燒過程中氧氣被消耗，還原化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，此外，手持技術(shù)的引人使實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確，將粗略測定優(yōu)化為精確測定。這能使學(xué)生更清楚地認(rèn)識物質(zhì)的多樣性，理解物質(zhì)的分類。

氫氧化鈉溶液和硫酸銅溶液的反應(yīng)現(xiàn)象明顯且實(shí)驗(yàn)快速，經(jīng)常作為實(shí)驗(yàn)載體出現(xiàn)在物質(zhì)的變化、質(zhì)量守恒定律、復(fù)分解反應(yīng)條件等不同的課題，對于本實(shí)驗(yàn)在宏觀上要求學(xué)生會用合適的語言對現(xiàn)象進(jìn)行恰當(dāng)描述、定性地知道反應(yīng)物和生成物、定量地了解化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量總和不變，在微觀上要明確這一復(fù)分解反應(yīng)的本質(zhì)。宏觀角度肉眼可見較易理解，難點(diǎn)是微觀視角的建立，利用手持技術(shù)電導(dǎo)率傳感器，測定向硫酸銅溶液中加入氫氧化鈉溶液這一實(shí)驗(yàn)過程中的電導(dǎo)率，繪制“電導(dǎo)率-時(shí)間”曲線，電導(dǎo)率的降低，更加直觀地體現(xiàn)了反應(yīng)過程中離子的減少，取實(shí)驗(yàn)后上層清液滴加氯化鋇，產(chǎn)生白色沉淀，證明硫酸根離子未減少，說明鈉離子和硫酸根沒有參加反應(yīng)，這一反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是銅離子和氫氧根離子的反應(yīng)生成難溶于水的氫氧化銅。同樣的原理，在驗(yàn)證酸堿中和反應(yīng)的發(fā)生時(shí)，也可以測定反應(yīng)過程中的電導(dǎo)率，繪制“電導(dǎo)率一時(shí)間”曲線，通過電導(dǎo)率的下降，揭示反應(yīng)的本質(zhì)是溶液中離子的減少，深化學(xué)生對溶液中反應(yīng)的認(rèn)識，提供新的視角去分析解決問題，從微觀角度認(rèn)識溶液中的化學(xué)反應(yīng)。“復(fù)分解反應(yīng)”和“中和反應(yīng)”是初中化學(xué)的重點(diǎn)，手持技術(shù)能夠助力突破微觀教學(xué)的難點(diǎn)，幫助學(xué)生透過化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)詮釋宏觀現(xiàn)象，建立物質(zhì)微粒觀，使學(xué)生能從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析解決實(shí)際問題。

（二）利用手持技術(shù)發(fā)展“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)

利用手持技術(shù)可以探究燃燒的條件和滅火的原理，直觀演示密閉容器中蠟燭燃燒消耗氧氣并生成二氧化碳的含量，將燃著的蠟燭置于密閉容器中，內(nèi)置氧氣傳感器和二氧化碳傳感器，學(xué)生觀察蠟燭逐漸熄滅，實(shí)時(shí)顯示容器中氧氣和二氧化碳的變化。學(xué)生會發(fā)現(xiàn)氧氣在蠟燭熄滅時(shí)含量約為15%，并未完全消耗，說明蠟燭熄滅是因?yàn)檠鯕鉂舛仍絹碓降停瑢?dǎo)致蠟燭不能與氧氣充分接觸，而不是沒有氧氣。這一實(shí)驗(yàn)更直觀地讓學(xué)生了解了物質(zhì)的變化，且化學(xué)變化的發(fā)生和停止有一定的條件，遵循一定的規(guī)律。

“人體吸入的空氣和呼出氣體有什么不同”是學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)之初接觸到的科學(xué)探究，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法為定性探究，利用澄清石灰水、燃著的木條、干燥的玻璃片，比較空氣和呼出氣體中二氧化碳、氧氣、水蒸氣含量的不同。手持技術(shù)為我們提供了定量研究的便捷方法，使用二氧化碳傳感器、氧氣傳感器、濕度傳感器，學(xué)生利用塑料袋取樣，實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的圖像自動生成，讓看不見的氣體量化出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕，給學(xué)生更直觀的感受，認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)前后的物質(zhì)變化。另外，由于不同的人呼氣速率不同，不同樣本中氧氣、二氧化碳、水蒸氣的含量也有差異，這種差異可以通過手持技術(shù)呈現(xiàn)出來，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)則不能。該實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生定量認(rèn)識化學(xué)變化有新物質(zhì)生成，有反應(yīng)物消耗。

物質(zhì)溶解過程中有溫度的變化，化學(xué)變化中也伴隨能量的變化，常規(guī)教學(xué)中學(xué)生通過觸摸進(jìn)行感官感知，溫度傳感器更加精準(zhǔn)，為學(xué)生提供新角度，便于學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)原理，體驗(yàn)感更強(qiáng)，印象更深刻。

（三）利用手持技術(shù)發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)

活潑金屬能與酸反應(yīng)生成氫氣，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中通過活潑金屬與酸反應(yīng)產(chǎn)生氣泡的快慢初步判斷金屬活動性強(qiáng)弱，手持技術(shù)可以對化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行量化，提供新的證據(jù)，如利用氣體壓強(qiáng)傳感器也可以驗(yàn)證金屬活動性強(qiáng)弱。取等量稀鹽酸分別與2.4g鎂粉、6.5g鋅粉、5.6g鐵粉、6.4g銅粉反應(yīng)，置于密閉容器中測量氣體壓強(qiáng)，觀察“氣體壓強(qiáng)一時(shí)間”數(shù)據(jù)圖像，可以清晰地看到鎂粉和酸的反應(yīng)首先達(dá)到最大壓強(qiáng)，其次是鋅、鐵，而銅粉和鹽酸接觸不產(chǎn)生氣體，這些實(shí)驗(yàn)的證據(jù)令探究更加精準(zhǔn)，通過對數(shù)據(jù)的分析認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征，通過推理加以證實(shí)或證偽。

探究二氧化錳對過氧化氫分解速率的影響，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要利用帶火星的木條復(fù)燃驗(yàn)證氧氣的生成，若利用氧氣傳感器測量氧氣濃度，繪制氧氣濃度在加入二氧化錳前后的變化曲線，可以直觀、精確、定量地驗(yàn)證二氧化錳加快了過氧化氫分解，也可以利用手持技術(shù)展開深入的探究，通過對比驗(yàn)證催化劑質(zhì)量對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能通過反應(yīng)現(xiàn)象的劇烈程度判斷催化效果，當(dāng)現(xiàn)象差異不明顯時(shí)，實(shí)驗(yàn)可行性則很低。可以首先建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停刂拼呋瘎┵|(zhì)量為變量，利用手持技術(shù)的氧氣傳感器，得到不同的氧氣濃度曲線，收集證據(jù)、分析數(shù)據(jù)，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。

（四）利用手持技術(shù)發(fā)展“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)

手持技術(shù)助力探究活動。人教版九年級化學(xué)第一單元中用一根火柴梗探究蠟燭燃燒時(shí)三層火焰的溫度，學(xué)生通過觀察火柴梗黑色的深淺來判斷火焰的溫度高低，有些學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果好，可以得出結(jié)論，但有些學(xué)生操作不標(biāo)準(zhǔn)，效果不明顯。借助溫度傳感器，既可以彌補(bǔ)這一不足，也可以精確測定火焰溫度，得出更科學(xué)的結(jié)論，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)呈現(xiàn)在學(xué)生的視野，更具說服力。而為什么外焰的溫度最高？學(xué)生探究中各抒己見，與他人合作分享，面對各種“異常”現(xiàn)象也敢于提出自己的見解，強(qiáng)化了探究能力，促進(jìn)了學(xué)生交流和個(gè)性發(fā)展。

手持技術(shù)為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了更多可能性。人教版九年級化學(xué)第十單元的知識點(diǎn)濃硫酸的吸水性，無法通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開展教學(xué)，手持技術(shù)可以為我們提供更安全有效的實(shí)驗(yàn)方法。只需借助濕度傳感器，對比測量濃硫酸吸水前后容器內(nèi)濕度的變化，即可驗(yàn)證濃硫酸具有吸水性，此外也可以驗(yàn)證稀硫酸不具有吸水性，糾正學(xué)生的易錯(cuò)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)便捷，可以使教學(xué)事半功倍，省去繁雜的數(shù)據(jù)記錄和處理，師生可以將更多的注意力用于探究方案的設(shè)計(jì)，側(cè)重實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新。

（五）利用手持技術(shù)發(fā)展“科學(xué)精神與社會責(zé)任”素養(yǎng)

化學(xué)源于生活，學(xué)生所學(xué)習(xí)的化學(xué)知識都應(yīng)服務(wù)于生活，利用手持技術(shù)可以開發(fā)生活實(shí)驗(yàn)，豐富校本課程。將手持技術(shù)與iPad相連，便攜性大大提高，不受空間限制，在校內(nèi)外都可以實(shí)施探究實(shí)驗(yàn)，如利用色度傳感器測定含鐵物質(zhì)中鐵元素的含量，利用pH傳感器測定食醋的含酸量或食物的酸堿度，利用電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行水質(zhì)分析等等，手持技術(shù)為生活實(shí)驗(yàn)的實(shí)施提供了技術(shù)上的支持，也激發(fā)著學(xué)生對化學(xué)的興趣，興趣是最好的老師，接觸先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，感受科技的魅力，學(xué)生更加樂于探究，在探究中逐步養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的學(xué)習(xí)方法與科學(xué)態(tài)度，形成探索未知、崇尚真理的意識，教師引導(dǎo)，學(xué)生身體力行，將科學(xué)知識應(yīng)用到生活實(shí)踐，關(guān)注社會熱點(diǎn)，參與社會發(fā)展。

三、手持技術(shù)應(yīng)用的反思

將手持技術(shù)合理有效地應(yīng)用于課堂教學(xué)，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，是教育信息化時(shí)代的需求，也是化學(xué)課程改革的需要，在應(yīng)用上需注意以下三點(diǎn)。

一是復(fù)雜的問題簡單化。在教育信息化的時(shí)代，手持技術(shù)作為一種教輔工具，進(jìn)入課堂為教師演示和講解提供了更多的幫助，部分化學(xué)實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)條件下實(shí)施存在困難，將手持技術(shù)與傳統(tǒng)教法有機(jī)融合，將變化曲線直觀呈現(xiàn)，可以將知識形象化。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)成像，是一種對實(shí)驗(yàn)的簡化。這種方法降低教學(xué)難度，但不增大教學(xué)容量。

二是定性的問題定量化。化學(xué)新課程的理念關(guān)注“科學(xué)探究”，科學(xué)探究是化學(xué)這門科學(xué)最重要的實(shí)證研究方法，因此化學(xué)學(xué)習(xí)必須尊重事實(shí)和證據(jù)，探究應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)可信。手持技術(shù)幫助我們采集精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為學(xué)生提供了理性的素材，定性研究結(jié)合定量研究，促進(jìn)學(xué)生崇尚真知、理性思維、勇于探究，這是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀念的有力工具。

三是模糊的問題清晰化。圍繞著教學(xué)中心，教師應(yīng)用手持技術(shù)時(shí)需恰到好處，提高課堂教學(xué)效率、突破教學(xué)重難點(diǎn)，避免畫蛇添足，選擇更利于學(xué)生接受的呈現(xiàn)方式，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。學(xué)生在觀察探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，既有感官感知的信息，也有傳感器測定的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)分析中將模糊的問題清晰化，讓學(xué)生經(jīng)歷理性的思維過程，在分析問題和解決問題的過程中形成清晰的認(rèn)知思路和學(xué)習(xí)方法，促進(jìn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

[責(zé)任編輯：王辰]