手持技術助力化學實驗教學向深度進發

魏明貴

摘要： 信息化大環境下，化學教師應用手持技術開展數字化實驗教學，增強情境與知識的關聯性，啟發學生用批判的眼光看事物，透過現象以數據視角認識本質，可以促進學生對新知的建構，提升學生的高階思維能力，改進傳統教學模式，助力教師高效教學和學生深度學習。

關鍵詞：手持技術;數字化實驗;教學案例分析

義務教育九年級化學教科書是教師教學的主要依據，也是學生學習的重要資源。但教師僅靠教科書教學是不夠的。對于教科書中的化學知識，學生很難通過閱讀習得。如何彌補不足，教師應對教材內容進行挖掘、拓展、延伸，引起學生認知沖突，激發學生深刻剖析問題的欲望，深度學習與思考。《普通高中化學課程標準（2017年版）》在“教材編寫建議”中提到：應適當增加數字化實驗、定量實驗，讓學生深入接觸科學探究的過程，體會化學學科的重要價值^[1]。手持技術作為一種信息技術，它能自動采集數據并轉化為直觀的曲線，具有定量、便攜、自動化、實時、準確等特點，可作為促進學生對抽象概念理解的認知工具^[2]。教師應用手持技術開展實驗教學，改變學生的認知方式，不僅能為教師的教提供量化證據與多樣的可視化數據，提高知識的信度和效度，而且能為學生的學提供認知支持，降低學習難度。學生學會用數據建模有利于提高自身的預測力、洞察力、探究力及數字化學習素養。筆者以微粒的性質等內容為例，對教學中遇到的抽象概念、實驗現象等進行挖掘，開展基于手持技術的數字化實驗探究活動，引導學生自主學習，助推課堂教學向深度進發。

一、增強情境與知識的關聯性，發展學生高階思維能力

教學中，學生能沉浸其中，高度投入學習，內心愉悅而充實，這是教師追求的高品質的課堂教學。

（一）常規教學不利于學生深度認識問題

“微粒構成物質”屬于“物質的組成與結構”的核心內容，教學目標是讓學生“知道物質是由分子、原子、離子等微粒構成的，認識微粒的基本特征”。為了將學生從“具體”物質帶入“抽象”微粒，課堂上，教師會列舉“桂花飄香”“酒香不怕巷子深”“晾曬衣服”等實例，或做“品紅溶液擴散”“氨分子運動現象”等實驗，引導認知微粒。這樣教學，能體現學科與生活的關系，體現學科中實驗的重要性，但學生并沒有真正參與。雖然短時間內學生完成了學習任務，但是難以在知識間建立深度聯結，沒有體悟微粒的性質與宏觀世界的聯系。

（二）案例：用濕度傳感器測定空氣中濕度變化情況

教師如何在課堂上開展生成性教學讓學生全身心投入？教師結合生活實際，應用手持技術可以有效開展實驗教學。筆者展示一杯盛有水的燒杯，學生知道杯中水在蒸發。如何“看”到水蒸發？學生給出了很多答案：將盛水燒杯放在電子秤上，看讀數變化;取1滴水滴在潔凈玻璃片上，看消失情況等。能否尋找一種用時間短、可視化強、精確度高的方法呢？在筆者的啟發下，學生認識到用濕度傳感器測定空氣中濕度變化情況是一個不錯的實驗方法。

筆者為學生提供了兩個相同的塑料瓶。學生將盛有等體積、等溫度的水的兩個相同的燒杯分別放入兩個塑料瓶，在右邊瓶中放除濕劑（如圖1）。測量前，學生先預測并畫出兩個塑料瓶中濕度的變化情況。測量后，系統生成兩個塑料瓶中空氣的濕度變化曲線（如圖2）。短短幾十秒時間，學生“看”到塑料瓶中空氣濕度的變化，情緒高漲。

空氣濕度變化，宏觀上與水蒸發有關，微觀上與微粒性質有關。筆者讓學生想象自己就是水中一個微粒，將“看到”的景象畫出來。

（三）設計手持技術實驗旨在提高學生高階思維能力

教師開展化學教學應使學生終身受益，不僅讓學生掌握學科知識，而且要提高學生的思維水平和解決問題的能力。如果教師只用熟悉的生活實例引導學生理解微粒性質，雖然課堂上熱熱鬧鬧，學生看似附和教師授課節奏，其實并沒有弄清楚微粒性質與情境的關聯性。一些教師只做演示實驗，讓學生觀察“水變紅色”。學生似乎一看就會，能根據現象立即說出微粒的某種性質，但根本沒有弄明白品紅溶液擴散的原因，也不知道使酚酞溶液變紅色的到底是什么物質，甚至還會產生錯誤的理解。這樣教學，學生只是淺層學習。

教師借助生活實例、傳統實驗教學，只能讓學生通過宏觀可見的現象推測事物的微觀變化。這種情況下，學生是被動學習。教師應借助手持技術開展數字化實驗教學，讓學生在問題驅動下全身心投入學習，探究短時間內看到燒杯中水在蒸發的方法。學生在課堂學習中“高投入”直接帶來“高互動”。教師對學生討論得出的各種結論，一方面給予肯定，另一方面指出問題，如精確度不夠高、可視化不夠強、觀察時間較長等。在教師的啟發下，學生想到濕度與水蒸氣含量有關，使用濕度傳感器進行測量。在手持技術的支持下，肉眼無法看到的水蒸發微觀變化過程通過曲線表征出來，學生能直觀認識水蒸發的微觀變化本質。整個過程中，學生有思考、討論、分析、預測、批判、創新等方面的認知，在發現中學習，先認識物質再描述物質，探究事物發展規律，提升高階思維能力。

二、啟發學生用批判的眼光看事物，促進新知建構

（一）學生進階學習需要教師引發認知沖突

孔子在《論語》里說“不憤不啟，不悱不發”，憤悱二字詮釋了學習者需要經歷“平衡—不平衡—新的平衡”的過程，即認知沖突。教學中，教師除了讓學生獲取學科知識外，還應鼓勵他們用批判與質疑的眼光看事物，在學習的過程中面對認知沖突，深度學習，不斷進階?；瘜W是一門以實驗為基礎的科學，化學實驗對于化學課程目標的全面落實具有重要的作用。實驗在培養學生科學素養方面的獨特作用在教材中得到了充分體現，教材圍繞核心知識精選了有關的實驗內容，或提供了給學生感性認識，增強知識的直觀性，或為學生的科學探究和意義建構提供了直接或間接的證據^[3]。

（二）案例：用手持技術測定加熱過程中鹽酸pH

在“酸和堿”單元中，教材設計了實驗：教師分別打開盛有硫酸、鹽酸的試劑瓶的瓶蓋，讓學生觀察現象并聞氣味。學生通過觀察，看到鹽酸瓶口出現白霧，知道濃鹽酸具有揮發性。

在實驗過程中，有學生提出“濃鹽酸揮發后，酸性一定減弱，如果加熱會變成中性”的想法。教學中，對于課堂生成的問題，最好的解答方式就是通過實驗取得證據來說理。有學生提出另一種實驗方案：向鹽酸中滴加紫色石蕊溶液觀察顏色變化。學生分別取等體積鹽酸加入兩支試管中，再分別向其中滴加2滴石蕊溶液，振蕩后，觀察現象（如圖3）;用酒精燈加熱B試管到沸騰，觀察現象（如圖4）。

試管中液體顏色沒有褪去，這與學生的認知相沖突。他們原以為鹽酸揮發，加熱后理應加快HCl氣體的“逸出”，但加熱后石蕊溶液仍為紅色，說明此時試管中溶液仍然為酸性，即尚存H⁺。學生又提出將此時的情況與加熱前比較，探究溶液的酸堿度變化。學生將一定量的稀鹽酸注入小燒杯，將pH傳感器放入后，加熱，測定溫度升高過程中溶液的pH變化情況（如圖5）。

學生觀察曲線，獲取的信息再次與認知沖突，加熱后酸性反而增強。有學生提出猜想：鹽酸揮發或者給鹽酸加熱，溶液中的水也會因蒸發而減少，水蒸發速度快于HCl揮發的速度才造成上述結果。學生分別取等質量的蒸餾水和稀鹽酸敞口放置在空氣中，一段時間后測質量，發現蒸餾水減小的速度快于稀鹽酸。就此，他們從微觀角度探究清楚了盛有稀鹽酸的燒杯中微粒的變化情況（如圖6）。

（三）在觀察和分析中構建新知

建構主義理論認為，學習是學習者個體與外部世界相互作用，主動建構個人知識意義的過程^[4]。學生受自身認知水平影響對新知識的學習與理解存在片面性。教師開展手持技術數字化實驗教學，為學生提供了直觀的圖像，不僅能讓學生觀察宏觀實驗現象，而且能讓學生接受視覺刺激，揭示微觀本質。這樣的數字化實驗既能讓學生獲得感性認識，又能發展學生的辯證邏輯思維能力，有利于學生在腦海中建立關于“濃鹽水揮發”性質新的知識序列，科學建構知識。

三、透過現象以數據視角認識本質，轉變認知方式

學生認知水平的高低是判斷其學習是否有深度的一個重要指標。學生對概念的學習停留在記憶、理解層面，是一種低階思維，屬于淺層學習;只有學會分析、評價、遷移，才具有深度學習的意義。

（一）案例：用手持技術測定溶液電導率

在教學“飽和溶液和不飽和溶液”時，教師設計了如下實驗：實驗者將盛有150 mL蒸餾水的燒杯放在磁力攪拌器上（如圖7），將電導率傳感器放入液體中，打開磁力攪拌器開關，調整轉速，同時點擊采集按鈕。接著往水中加入碘鹽，一直加到燒杯底部有固體為止。

在實驗過程中，學生觀察到：燒杯中碘鹽先很快溶解，后溶解減慢，直至不再溶解。學生分析曲線后發現：開始電導率為0，說明蒸餾水不能導電（圖中A點之前）;加入加碘食鹽后曲線明顯上升，說明水中陽離子和陰離子濃度增加（圖中AB段）;一段時間后，曲線上升減慢直至停止，此時，燒杯底部有固體（圖中B點以后），說明溶液中陽離子和陰離子濃度不再改變。

（二）深度探究，轉變認知方式

教學中，教師還根據溶液導電的特性以及溶液飽和狀態變化的條件等，讓學生進行了再探究：配制碘酒的過程中，將碘加入酒精中，電導率幾乎沒有變化，分析可知溶液中沒有帶電的粒子，無法用此曲線分析溶液飽和狀態;改變其他條件，如溫度、溶質種類等，在測定溶液電導率實驗中升溫，發現電導率曲線又上升，說明隨著溫度的改變，溶液的飽和狀態也會發生改變;在圖7裝置中，繼續加入氯化鈉，發現曲線也開始上升，說明溶液的飽和狀態只是針對“碘鹽”，此時可以繼續溶解氯化鈉，但加入的是蔗糖時，曲線變化不大。

教師針對合適的主題開展數字化實驗教學，改變學生被動接受抽象概念、淺表化學習化學知識的現狀，讓學生在手持技術的輔助下獲取精準的信息，經過知識加工與構建，進行深度學習，有利于全面提升學生的化學學科核心素養。在信息化的大環境下，教師應將手持技術數字化實驗融合到課堂教學活動中，積極構建學生自主學習新模式，讓他們在學習中，不僅學得學科知識，而且逐漸形成學科的價值觀念、關鍵能力和必備品格。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 錢揚義，王立新，林惠梅.手持技術數字化化學實驗教學研究：理論構建與創新實踐[M].北京：科學出版社，2021.

[3] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準：2011年版[S].北京：北京師范大學出版社，2012.

[4] 陳廣余.向深度進發的中學化學教學[M].上海：上海教育出版社，2020.

（作者系江蘇省蘇州市昆山開發區青陽港學校化學教師、特級教師，全國初中化學優秀教師）

責任編輯：祝元志