基礎教育中微型實驗教學發展研究*
——基于CiteSpace的CNKI數據庫分析

夏振洋 徐曉雪 王后雄

1 華中師范大學教師教育學院 武漢 430079 2 重慶市渝北區教師進修學院 重慶 401120 3 重慶市教育科學研究院 重慶 400015

1 問題的提出

1835年，愛爾蘭教師D.R.Reid率先提出“實驗小型化（Small scale）”這一概念。1925年，埃及E.C.Grey出版了《化學實驗的微型方法》大學教材。20世紀50年代，馬祖圣教授在New York大學開設有機化學微量技術課，1975年，與同事合著《化學中的微型實驗操作》。1982年起美國Mayo和Pike等人在基礎有機化學實驗中采用主試劑在mmol量級的微型制備實驗，取得成功，在國外引發研究微型實驗熱潮[1]。1985年，Butcher等人首次設計出微型有機實驗，并提出微型實驗（Microscale Experiment）和微型實驗室概念[2]。堪薩斯大學的S.Paul Sood等[3]在1987年提出微型原理化學實驗（microscale laboratory，ML）。微型實驗是以盡可能少的化學試劑來獲取所需化學信息的實驗方法與技術。試劑用量只為常規實驗用量的幾十分之一乃至幾千分之一，但其效果卻可以達到準確、明顯。微型實驗在高等教育、基礎教育中已有較多研究，但微型實驗教學研究系統性不足。

采用科學的研究工具對于教育科學研究具有重要意義。1973年，情報學家Small、Marshakova提出文獻共被引（Co-citation）的概念，作為測度文獻間關系程度的一種研究方法[4]。筆者采用引文可視化分析工具CiteSpace進行基礎教育中微型實驗教學研究。

2 數據源及研究統計分析

檢索條件：關鍵詞=微型實驗教學；以CNKI中國學術期刊網絡出版庫檢索，查詢文獻總數702篇；經Refworks精練后為數據源。從文獻發文時間看，最早收錄為1992年，為肖新榮等[5]的“微型有機化學實驗在實驗教學中的應用評價”。學者徐曉雪[6]、王霞晨[7]發文推廣應用，開始引起國內關注。

2.1 核心作者分析

表1 核心著者統計表（前11）

2.2 年收錄論文量統計

國內期刊微型實驗教學主題發文量見表2。

表2 國內期刊微型實驗教學主題發文量

2.3 關鍵詞分析

關鍵詞是重要文獻索引標識，是高度概括文章節點的詞匯。導入702篇文獻進行詞頻分析，生成節點（N）為563、連接數（E）為1 291的關鍵詞共線圖譜，見圖1，前10高頻關鍵詞見表3。從表3中可看出，高頻關鍵詞總頻次681次，占總頻次的42.45%。研究內容分析多涉及實驗教學、微型化、生活化、綠色化學實驗四個方面。

圖1 關鍵詞聚類分析圖

表3 關鍵詞統計表

2.4 主題聚類分析

為弄清楚微型實驗研究的熱點領域，經CiteSpace聚類分析，Modularity Q=0.4431＞0.3，聚類結構顯著，Silhouette S=0.7651＞0.7，聚類數據可信。關鍵詞聚類圖譜見表4。

表4 聚類標簽的LLR算法統計

2.5 微型實驗研究演進分析

在CiteSpace軟件中設置相應的參數和閾值，得到10個節點微型實驗研究前沿知識圖譜，如表4所示。

2.6 研究內容分析

2.6.1 微型實驗教學的儀器引領導向

聚類標簽#7、#8、#9強調了微型實驗新儀器的重要性。新儀器可以是實景實驗[8]中新儀器或者自制儀器[9]的應用，如有機化學實驗中常用的減壓蒸餾裝置、減壓過濾裝置，2019年高考卷中索氏提取器引起師生廣泛關注。筆者訪談河南師范大學附中楊松林碩士，他在全國優質課展示時驗證烷烴（煤油）的性質，設計活動單：1）涂抹異構十二烷（無毒無害），談談你的感受；2）將石蠟分別放入異構十二烷和水中，比較其密度；3）將石蠟放入異構十二烷中（熱水浴）中，觀察現象。因與液溴取代時有缺點：1）氣—氣混合，難以控制，可能發生爆炸；2）多為演示實驗，操作繁雜，現象不明顯。設計了微型實驗，選用100 uL的微量進樣器吸取液溴40 uL注入5 mL微型瓶中，并打開手機燈光源提供光能反應條件，另一個微型瓶用黑色紙包裹后做對照實驗，裝置見圖2。此實驗效果顯著，因微量進樣器中反應物量非常少，實驗由液相反應物生成氣相HBr量非常少，但經同屏投放在屏幕中現象非常明顯，且整個過程中微型瓶中無氣體逸出，綠色環保，試劑微量、能耗少、成本低、省空間、時間短、安全性好、學生單機操作、興致高漲、沉浸式實驗體驗感強，易于形成高階思維。因實驗用微型進樣器，其功能和在后續中學、大學有機實驗、藥學儀器—高效液相質譜儀常用，有很好的引領價值。

圖2 煤油與液溴在光照下反應微實驗

2.6.2 微型實驗教學的綜合評價導向

微型實驗已有教學研究：自制實驗儀器；微型實驗的實驗條件、實驗方法；微型實驗在課堂教學、第二課堂教學、在生活中的應用研究[10]，另外，微型實驗教學在農村中學、家庭實驗、疫情防控期間的教材替代實驗開展中均有較好的功用。而聚類標簽#0、#4、#5中尚沒有微型實驗評價和試題命制，筆者查閱2022年全國104套中考真題，有4套試題中出現“井穴板”，占比較少，分析原因，原因可能與課程標準、教材研發、師資培訓、課題研究、儀器在實驗室中的替代、實驗室管理、命題者的理論研究體系和匹配畫圖軟件的研發等有關。微型實驗在中高考試題中也有體現，如2017年新課標I高考化學試題4。

4.實驗室用H2還原WO3制備金屬W的裝置如圖所示（Zn粒中往往含有硫等雜質，焦性沒食子酸溶液用于吸收少量氧氣），下列說法正確的是（）

A．①、②、③中依次盛裝KMnO4溶液、濃H2SO4、焦性沒食子酸溶液

B．管式爐加熱前，用試管在④處收集氣體并點燃，通過聲音判斷氣體純度

C．結束反應時，先關閉活塞K，再停止加熱

D．裝置Q（啟普發生器）也可用于二氧化錳與濃鹽酸反應制備氯氣

該題通過微型實驗分別除去SO2、O2、H2O，體現微型實驗獨特價值，綜合考查學生的明辨思維、系統思維等質量水平。

2.6.3 微型實驗教學的工科思維導向

我國的工程教育專業體系認證始于2006年，2016年正式加入《華盛頓協議》框架，開始與國際同軌。我國堅持工程教育認證的三大理念：以學生為中心的教育理念SC（Students-Centered）；產出導向的教育體系OBE（Outcome-Based Education）；持續改進的質量觀CQI（Continnuous Quality Improvement）。工科思維以解決現實問題為導向，注重知識的綜合運用，注重解決問題的效率。思維方式的培養就是理解問題和解決問題方法的培養。工程教育的基本任務，就是培養學生良好的工科思維。是否具備工科思維是檢驗工科的學生培養成功與否的重要標準。如制藥工程專業是典型的工科專業，制藥設備與車間設計課程是制藥工程專業的核心課程。通過制藥設備與車間設計課程使學生掌握藥廠反應設備及車間工藝學科的基本知識和基本概念。通過闡明制藥車間工藝設計的方法,使學生掌握一定的設計方法，能最有效利用現有工程技術領域內的成就，組織制藥生產過程，配備相應的單元設備，提供必要的載能介質，完成產品的高效的工業化生產[11]。

聚類標簽#2、#3指出微型實驗教學過程注重工科思維的培養。如某添加劑提取液抑菌和毒理試驗，常選用微型實驗儀器——牛津杯，無菌操作時在培養基表面直接垂直放上牛津杯，在杯中加入待檢樣品（發酵液），正面向上置37℃培養16～18小時，觀察結果，獲得抑菌圈直徑這一重要抑菌參數，以甄別藥物效果，篩選優化藥物，促進藥物研發。微型實驗不僅是將實驗劑量的簡單小試驗，而是給“小試”“中試”“大試”工業遞進發展提供一定參考。其過程與理論基礎的豐富、工藝水平的高低、儀器的研制有關，也利于實驗室成果的快速工業化轉化。

3 結論

從學科發展研究看，微型實驗教學積累了豐富的教學案例，研究著述出版也取得了很大的進步，對基礎教育化學教育教學作出了一定的貢獻，這與化學家研發先進的儀器和分析技術有關，也與儀器有特定功能和過硬的材質有關，微型實驗教學評價發展還有空間。

4 展望

4.1 鼓勵基礎教學中融入和研發新儀器

現階段，儀器教學可以融入現代化實驗儀器，改造、創新微量儀器即微型化發展，微量進樣器、多用滴管、井穴板等儀器已經充實到新微型實驗中，微型化學實驗既不是常規實驗的簡單縮微，更不是常規實驗的對立，它們各有所長，相互補充，微量化學實驗的主要發展方向是通過改進儀器，提高準確度，減少相對誤差。鼓勵中小學教材和教學中增設微型實驗，如低年級段講授實驗安全時，用手動單道可調移液槍在雞蛋液中逐量加入相同質量分數的CuSO4溶液，讓學生體驗蛋白質變性的過程，在高年級段可以用同樣原理，讓學生體驗小活魚在逐量加入相同質量分數的CuSO4溶液并觀察小魚精神狀態，采食和飲水等情況，體驗實驗安全的必要性。從實驗中體會“量變到質變”的生理變化，科學詮釋生命教育的重要性。

4.2 合理匹配基礎教育中微型實驗考查評測

在科學教育框架中，實驗教學應用情況應該納入教育質量評價監測體系，對學校實驗室建設與管理、實驗教學開展情況和實驗教學質量等方面強化實驗評價。把學生實驗操作情況和能力表現納入綜合素質評價；2023年前要將實驗操作納入初中學業水平考試，考試成績納入高中階段學校招生錄取依據等，微型化實驗教學體系也要有學生的科學素養增值評價。如南京師范大學附屬中學王曾維、郭舒菡研究微型實驗過程中通過拍攝清晰真實的實驗圖片《蔓蔓生長的金屬》獲得香港·紐約國際青少年科學影像大賽一等獎、“HMA”關注科技進步專項獎、全國青少年科學影像節最佳作品獎、江蘇省青少年科學影像節一等獎。

4.3 支持企業完善和學校配套微型實驗平臺

微型實驗及耗材研發向精細化、標準化發展，在基礎教育中，發展微型實驗儀器教學需要發揮學校、社會、企業的協同教育，學校層面：建立平臺，形成教師—校本教材—學生微型實驗教學體系；社會層面：保障實驗儀器使用；企業層面：提供技術支持，研制便于教師繪制圖片，方便教師教學的配套軟件，總之，微型實驗發展任重道遠。