初中化學創(chuàng)新實驗中“新技術”的分析
——以江蘇省中學化學創(chuàng)新實驗展評作品為例

宋 偉

（江蘇省江陰市教師發(fā)展中心 江蘇江陰 214400）

實驗是化學的基礎，創(chuàng)新實驗是化學教學活力的源泉。設計創(chuàng)新實驗一直是廣大化學教師重視和追求的目標，但不同以往的是，隨著新技術的開發(fā)和普及，融入新技術的創(chuàng)新實驗比例呈現(xiàn)上升趨勢。景一丹［1］把“關注現(xiàn)代化技術，應用新技術與新儀器”列為我國化學創(chuàng)新實驗設計的特點之一。

然而，在新技術賦能創(chuàng)新實驗設計的另一面，在實踐中也存在著“技術本位”“技術至上”的不良取向［2］，例如“為了技術而技術”，強行使用一些新技術代替原本簡單玻璃儀器就能實現(xiàn)的功能，或是忽視了不同技術所適用的應用環(huán)節(jié)、創(chuàng)新策略。

為了展示優(yōu)秀創(chuàng)新實驗如何應用新技術，尤其是針對內(nèi)容少、起點低的初中實驗如何融入新技術［3］，本文選擇有代表性的創(chuàng)新實驗比賽作品作為研究樣本，采用內(nèi)容分析法，試圖回答以下研究問題：優(yōu)秀創(chuàng)新實驗采用了哪些新技術？應用于哪些實驗環(huán)節(jié)？采用了哪些創(chuàng)新策略？產(chǎn)生了哪些價值？

一、研究樣本的選取

本研究的樣本選取了2023 年4 月26～28 日舉辦的江蘇省第八屆中學化學創(chuàng)新實驗展評（以下簡稱“省實驗比賽”）的28件初中組參賽作品。省實驗比賽由江蘇省教育科學研究院主辦，每2年一屆，至今已有10多年歷史，是全省化學實驗的品牌賽事。本研究選取的28件作品是經(jīng)過區(qū)級評比、市級評比和省賽初評等層層選拔，最終進入省賽現(xiàn)場評比的，它們至少獲得省級二等獎的獎勵，因此能夠代表江蘇省中學化學創(chuàng)新實驗的較高水平和最新研究成果。

筆者作為此次比賽一等獎作品的參賽選手，又全程觀摩了省實驗比賽，并且用攝像機完整拍攝了所有作品展示的全過程，為本研究的分析提供了便利。

二、分析框架的確定

本文從4 個維度進行分析：（1）新技術的類型；（2）應用的實驗環(huán)節(jié)；（3）采取的創(chuàng)新策略；（4）產(chǎn)生的價值。“新技術的類型”和“產(chǎn)生的價值”維度采用“自下而上”的分析方法，即全面梳理每個作品用到的新技術和產(chǎn)生的價值，然后將相近的內(nèi)容歸納為某個類型。“應用的實驗環(huán)節(jié)”和“采取的創(chuàng)新策略”采用“自上而下”的分析方法，即先根據(jù)文獻制定分析框架，再對每個作品做編碼分析。這2個維度采用了何盼和占小紅提出的框架［4］，“應用的實驗環(huán)節(jié)”體現(xiàn)了技術介入化學實驗某個環(huán)節(jié)后的表現(xiàn)，“采取的創(chuàng)新策略”改編自博迪和戈登堡提出的五條微創(chuàng)新策略［5］，并融入了化學學科的內(nèi)涵。具體的分析框架如表1所示。

表1 本研究的分析框架

三、分析方法與結(jié)果

采用內(nèi)容分析的方法，根據(jù)制定的分析框架，對28個作品做編碼分析，當某個實驗出現(xiàn)某種類型時就做標記。由于一個實驗可能涉及多種類型的技術、環(huán)節(jié)、策略、價值，因此可以多選。編碼結(jié)束后，對結(jié)果做統(tǒng)計分析。

28個獲獎項目中，有24個應用了新技術，比例高達85.7%。沒有使用新技術的4個實驗中，有2個分別介紹了膠帽和濾紙在實驗中的新應用，還有2個采用了生活材料的組裝實現(xiàn)實驗效果。總體而言，江蘇化學創(chuàng)新實驗幾乎都很重視新技術的應用，很大程度上體現(xiàn)了化學與技術的融合。下文以24個應用新技術的實驗為基數(shù)做統(tǒng)計分析。

1.新技術的類型分析

對“新技術的類型”的分析結(jié)果如圖1，使用比例最大的是醫(yī)療技術（58.3%），其次是流體技術（41.7%），接著是傳感技術（29.2%）和電工技術（29.2%），最后是攝影技術（12.5%）。

圖1 實驗中應用各種新技術的占比

醫(yī)療技術主要涉及注射器（13 次）、針頭（3 次）和輸液器（1 次），尤其是注射器已經(jīng)非常廣泛地應用到初中實驗中，它可以單獨使用，抽走或注入氣體和液體，接納反應的生成物，以及除去尾氣；也可以兩個注射器串聯(lián)使用，通過來回抽拉產(chǎn)生快速流動的氣流，增大反應物接觸面積。此外，輸液器被用于以某種速率滴入反應物溶液，是一種比較新穎的做法。

流體技術主要涉及單向閥（3次）、三通閥（3次）、壓力罐（3 次）、流速閥（2 次）、空氣泵（1 次）、抽氣泵（1 次）。單向閥可以讓氣體朝著一個方向流動，一方面避免倒吸，另一方面可以通過反復的吸氣、呼氣模擬打氣筒（吸氣時容器內(nèi)氣體從單向閥A 吸入，呼氣時容器內(nèi)氣體從單向閥B 排出），因此可以用于檢驗人體呼出氣體的實驗中。三通閥和流速閥可以方便地改變氣體和液體流動的方向和流速，多與注射器聯(lián)合使用。壓力罐內(nèi)事先充滿二氧化碳等壓力氣體，可以以一定壓力注入瓶中，非常方便。

傳感技術主要涉及二氧化碳傳感器（4 次）、氧氣傳感器（2 次）、壓強傳感器（2 次）、電導率傳感器（1 次）、pH 傳感器（1 次）、濕度傳感器（1 次）、高溫傳感器（1次）。這些傳感器的使用已經(jīng)在文獻中有很多介紹，本次比賽中傳感器的使用再次驗證了它仍然具有改進新實驗的創(chuàng)新活力。

電工技術主要涉及遙控點火器（3次）、電熱絲（2次）、數(shù)碼顯示屏（1次）、音樂盒（1次）。遙控點火器可以遠距離遙控點火，一方面避免了如粉塵爆炸時實驗人員靠近點火帶來的安全隱患，另一方面可以解決密閉容器內(nèi)不方便引燃反應物的問題。電熱絲是選手用電阻絲自制的，通電后發(fā)紅發(fā)熱，可以加熱反應物。

攝影技術主要涉及微距攝影（2 次）、熱成像攝影（1次）、視頻分析（1次）。微距攝影可以捕捉微小的現(xiàn)象，便于觀察，還可以與無線投屏技術聯(lián)合使用，在大屏幕上進一步放大現(xiàn)象。熱成像攝影拓展了溫度測量手段，直觀地觀察到鐵與硫酸銅反應的放熱。視頻分析技術能夠定量觀察到粉塵爆炸的最高點。

2.應用的實驗環(huán)節(jié)分析

對“應用的實驗環(huán)節(jié)”的分析結(jié)果如圖2。24個實驗都在“計劃的實施與實驗結(jié)果的得出”環(huán)節(jié)應用了新技術（100%），有的使用新技術設計了實驗裝置，有的用于更好地觀察實驗現(xiàn)象，這與創(chuàng)新實驗的主旨是吻合的。

圖2 新技術應用的實驗環(huán)節(jié)占比

一些實驗在“結(jié)論的形成與表達”環(huán)節(jié)使用了新技術（20.8%），主要是用傳感器或攝影技術補充了新的數(shù)據(jù)，作為肉眼觀察到現(xiàn)象的補充和豐富，這樣能夠更加充分地證明結(jié)論。例如湯華娟、黃小云老師的“再探鐵與硫酸銅反應”實驗不僅用顯微鏡拍攝了鐵絲與硫酸銅反應生成紅色固體、溶液變綠的現(xiàn)象，還用熱成像拍攝到鐵絲表面溫度升高，兩個證據(jù)共同證明鐵與硫酸銅發(fā)生了化學反應。

少數(shù)實驗還在“問題的提出”環(huán)節(jié)使用了新技術（8.3%），例如筆者的“對‘燃燒條件’實驗的再探究”，在觀察到石蠟“一閃即滅”的“異常現(xiàn)象”后，自然而然地提出“為什么會這樣？”的問題，從而進行“燃燒的條件”的實驗研究。“提出問題”的前提是前期細致地觀察，一些輔助學生觀察或測量數(shù)據(jù)的技術能幫助學生積累前期經(jīng)驗、產(chǎn)生困惑，從而提出問題。

但是，總體而言，新技術在提出問題、做出假設、制定計劃等環(huán)節(jié)的應用還很少，而且在現(xiàn)實中學生也常常很難主動、順利地完成這些環(huán)節(jié)。究其原因，不是這些環(huán)節(jié)不重要，而是課堂上實驗問題、假設和步驟經(jīng)常是給定的，缺少學生主體參與和探究，需要在未來進一步重視和改進。

3.采取的創(chuàng)新策略分析

對“采取的創(chuàng)新策略”的分析結(jié)果如圖3。由于不同技術所對應的策略可能有差異，本文不僅呈現(xiàn)了總體的占比，還選取了排名前4的四種技術所對應的策略，進行比較。總體來說，使用最多的是乘法策略（58%），其次是除法策略（33%），接著是任務統(tǒng)籌策略（17%）和減法策略（4%）。

圖3 新技術應用的創(chuàng)新策略占比

乘法策略被廣泛采用。幾乎所有應用傳感技術的實驗都采取了乘法策略（86%），這與傳感技術本身的特點密不可分——傳感技術測量了更多的參數(shù)，與肉眼觀察到的現(xiàn)象呼應，自然能夠同時呈現(xiàn)多元信息。醫(yī)療技術也經(jīng)常采用乘法策略（71%），因為可以采用多個注射器串聯(lián)或并聯(lián)，把許多實驗現(xiàn)象合并到一起同時呈現(xiàn)。例如馬鳳老師的“酸雨及危害的可視化實驗”把模擬生成的二氧化硫分別吸入3個注射器中，分別產(chǎn)生“高錳酸鉀褪色”“石蕊變紅”“遇氯化鋇產(chǎn)生沉淀”的現(xiàn)象，通過多個信息的疊加，讓學生更好地理解二氧化硫的性質(zhì)。電工技術同樣經(jīng)常采用乘法策略（86%），例如用數(shù)碼顯示屏呈現(xiàn)數(shù)據(jù)信息，用音樂盒呈現(xiàn)聲音信息等，都能多元呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。總之，乘法策略體現(xiàn)了一種集成式、組合式的創(chuàng)新思維，值得廣泛使用。

除法策略是應用第二廣泛的策略。傳感技術仍然是最多采用該策略的技術之一（43%），因為數(shù)字化實驗在保留必要環(huán)節(jié)（實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)）的前提下，簡化了實驗數(shù)據(jù)記錄和繪圖。在醫(yī)療技術（36%）、流體技術（30%）和電工技術（43%）的應用中采用除法策略，可以用空氣泵或壓力罐更方便地鼓入氣體，用閥門更方便地控制氣體的定向流動，在密閉體系中直接遙控點火避免先點燃后密閉的麻煩……不僅操作更簡便了，而且原有的功能沒有被削弱。

任務統(tǒng)籌策略在部分實驗中出現(xiàn)，這些實驗通過新技術引發(fā)新問題、新情境、新任務，促進學生思維、情感的發(fā)展。例如筆者的“對‘燃燒條件’實驗的再探究”設置了5個環(huán)環(huán)相扣的系列實驗，每個實驗的結(jié)果都會引發(fā)下一個實驗的思考，例如“滿足3個燃燒的條件就一定能燃燒嗎？”下一個實驗就設計了滿足3個條件但不燃燒的實驗案例。再如葛德新老師的“幾種人體呼吸產(chǎn)生二氧化碳演示器的制作與使用”和閔亞東老師的“巧妙驗證呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳”2 個實驗，都利用單向閥設計裝置，模擬人體呼吸，但并未就此結(jié)束，而是與生物學產(chǎn)生跨學科聯(lián)系，進一步聯(lián)系生活實際進行科普教育。

減法策略在少數(shù)實驗中運用，通常是為了化繁就簡，直接刪除某些實驗環(huán)節(jié)或要素。例如在朱清華和蔡華美老師的“一定量液體吸收二氧化碳的比較”中，二氧化碳的制備并不是實驗的重點，因此他們采用減法策略直接去掉了制備的環(huán)節(jié)，購買現(xiàn)成的“二氧化碳氣罐”提供二氧化碳，讓實驗步驟更簡潔、重點更突出。

4.產(chǎn)生的價值分析

對“產(chǎn)生的價值”的分析結(jié)果如圖4，產(chǎn)生的價值豐富多樣，占比相對均衡。現(xiàn)象明顯（58.3%）是創(chuàng)新實驗追求最多的價值，尤其是攝影技術能夠讓現(xiàn)象更加明顯，還有傳感技術也能夠定量化呈現(xiàn)現(xiàn)象。操作簡便（45.8%）是占比第二的價值體現(xiàn)，本次比賽出現(xiàn)的許多新穎的技術，如在密閉環(huán)境中遙控點火、用電熱絲加熱反應物、用單向閥導氣、用空氣泵鼓氣等等，都具有簡化操作的優(yōu)點。安全環(huán)保（37.5%）和一體化（33.3%）常常用醫(yī)療技術和流體技術實現(xiàn)，因為多個注射器和閥門的組合能把原本多個裝置整合到一起，還能有效進行廢液廢氣的收集和處理。還有許多實驗關注到了新課標提出的跨學科（25.0%）和激發(fā)思維（33.3%），其實利用新技術改進實驗，本身就是化學與技術的跨學科融合。最后，相比往屆比賽，微型化（12.5%）改進的比例有所降低。

圖4 新技術應用的價值占比

四、研究啟示

1.新技術為創(chuàng)新實驗設計注入活力

此次省實驗比賽的28 件獲獎作品中有85.7%應用了新技術，超過50%的作品應用了至少2 種不同類型的新技術。可見，現(xiàn)在的創(chuàng)新實驗設計不再像過去那樣只是瓶瓶罐罐的組合，而更多地“由技術賦能”。新技術的類型也是豐富多樣的，不僅有經(jīng)常使用的傳感器、注射器，也出現(xiàn)了點火器、壓力罐、熱成像、抽氣泵等令人耳目一新的技術。這些新技術的融入，推動著化學實驗設計不斷創(chuàng)新、不斷超越。

2.重視“實驗技術”的“教育功能”

通過本研究的分析發(fā)現(xiàn)教師經(jīng)常把新技術應用于實驗的實施環(huán)節(jié)，而很少用于提出問題、做出假設、制定計劃等環(huán)節(jié)。這說明在老師們的觀念中，更多地關注技術帶來的方便、一體化、環(huán)保、現(xiàn)象明顯等“技術層面”的價值，而較少關注技術如何幫助學生主動參與探究和發(fā)現(xiàn)的“教育層面”的價值。

筆者認為應重視“實驗技術”的“教育功能”，一方面警惕實驗技術的引入反而使原有的教育功能喪失，例如在學生初學化學實驗時應增加他們操作常規(guī)儀器的機會，以提高學生的實驗操作技能，此時不宜過多使用注射器等代替常規(guī)儀器。另一方面，充分發(fā)揮實驗技術輔助學生科學探究、科學實踐的功能，例如通過攝影技術對現(xiàn)象的仔細觀察，發(fā)現(xiàn)“異常現(xiàn)象”，提出研究問題；再如運用無線投屏技術，幫助學生對比不同小組的實驗結(jié)果，更好地歸納自變量和因變量之間的關系，從而得到結(jié)論。

3.聯(lián)合使用多種創(chuàng)新策略改進實驗

本次省實驗創(chuàng)新比賽作品運用了多種創(chuàng)新策略，而且不同類型的新技術適用于不同的創(chuàng)新策略。筆者建議在設計創(chuàng)新實驗時可以聯(lián)合使用多種策略，形成優(yōu)勢互補。利用“乘法策略”，疊加有效信息，便于學生全面感知實驗現(xiàn)象，對比差異，用更豐富的實驗證據(jù)推理實驗結(jié)論。利用“除法策略”，在保留原有功能的基礎上簡化操作，降低學生認知負擔，從而把更多精力轉(zhuǎn)移到乘法策略所呈現(xiàn)的有效信息上。利用“減法策略”，刪繁就簡，突出實驗核心目的、核心知識，同樣可以讓學生把精力放在乘法策略的關鍵信息上。利用“任務統(tǒng)籌策略”，關聯(lián)新任務和聯(lián)系實際，充分發(fā)揮實驗技術的教育功能、教育價值，促進學生思維、情感、素養(yǎng)等更多方面的發(fā)展。利用“屬性依存策略”，幫助學生遷移知識，可以加強系列實驗之間的關聯(lián)，讓學生利用前一個實驗的結(jié)論或原理解釋下一個實驗。總之，這些創(chuàng)新策略之間應該是互補的、相互促進的，老師們在設計實驗時可以綜合采用這些策略，讓實驗內(nèi)涵更豐滿、價值更豐富。