应用手持技术促进初中化学深度教学初探

郭碧红 杨厚铿

（晋江罗山中学，福建 泉州）

手持技术即数字化实验，是“传感器+数据采集器+分析软件”的数字化实验手段。手持技术应用传感器测定实验过程中的数据，依据对现象和数据的关联分析获得实验结论，从而达到实验研究的目的。由于手持技术能准确、真实、动态、全程反映实验过程中数据的变化，为实验过程的精确推理提供有力的依据，因此，手持技术被越来越多地应用到化学研究和教学中，为满足实验探究目的服务。

深度教学是将学生引向“深度学习”的教学活动，它要求教师在提高自身素养与改变思维方式的同时改变学生的学习方式，在课堂中培养学生在深度理解的基础上主动、批判地整合新知识，提升认知结构，学会解决新问题。深度教学的课堂应提升学生对化学学习的兴趣，对问题的分析能力、证据推理能力、创新能力、模型构建能力，培养学生的核心素养。

在初中化学教学中融入手持技术，基于手持技术提供的情境，以问题为导向，可以构建深度思维、高度参与的课堂教学，从而达到促进课堂深度教学的目的。

一、深研教材，在教学中融入手持技术

化学是以实验为基础的科学，初中化学教学以实验为手段，既为学生构建新的知识体系，又发展学生的认知能力。随着信息技术的发展和手持技术的出现，实验也在传统的基础上得到创新与发展。怎样看待手持技术与传统实验在教学中的优劣？如何看待手持技术与传统实验二者的关系？怎样在教学中融入手持技术？这些成为初中化学课堂教学需要面对的问题。

现有初中化学教材中呈现的实验大多是传统实验。传统实验作为长期以来的教学与研究手段，经历发展与沉淀，留下大批优秀的经典方法与案例，它们被化学教材选用，成为化学学习中不可缺少的部分。传统实验在教学上的优势，一是教材中有原型，符合教师的教学习惯；二是包含了重要的化学理论、方法与思维；三是操作过程可以培养学生的动手能力；四是宏观现象丰富，易激发学生的兴趣。缺点是定性多、定量少，定量精度不高，有些现象和规律无法用传统实验呈现。

手持技术作为信息化实验手段，依托先进的传感器，为实验提供准确、真实、动态、全程的数据，教学上的优势，一是实验方法新颖，可培养学生的创新能力；二是提供实验的数据表征，可培养学生的数据分析能力；三是实验数据定量化、精确化、多样化，可提高学生的精细化思维和思辨能力。缺点是仪器价格高、数量有限，教师对仪器的认识不足。

传统实验与手持技术，二者各有优劣，对学生认知发展能起到不同作用，只固守传统实验，拒绝将手持技术引入课堂，不利于学生认知水平的发展。另外，一味地应用手持技术代替传统实验，忽视传统实验的优势，也容易失去探究过程的乐趣和经典方法论的传承。只有在深度研究教材内容的基础上，将二者结合于教学中，充分发挥二者优势，才能有助于教学，有助于学生体验学习乐趣，培养自主学习、合作探究的方式，提升分析问题、解决问题、实践创新的能力。

为将手持技术融入初中化学教学，促进初中化学深度教学，我们组建了课题组，通过对初中教材的理解、设计、实践和反思，研究手持技术与初中化学深度教学的关系，探讨如何应用手持技术促进初中化学的深度教学。

二、运用手持技术，转变学习方式，实现深度教学

（一）将手持技术融入传统实验，促进知识深度理解

教学包含着方法、知识与能力的提升，实验探究的过程是动手操作、交流讨论、思维发展、方法形成的过程。传统实验渗透着经典的方法论，随着时代的发展，这些方法仍然闪烁着熠熠的光辉，吸引着化学学习者追寻着前人的脚步不断研究探索，继承、发展着这些优秀的方法。

初中化学“测定空气中氧气的体积分数”实验，传承着化学家拉瓦锡加热汞测定空气中氧含量的研究方法“替代法”，用水的体积替代消耗的氧气的体积，实现对空气中氧气体积分数的测定。教材上的实验，现象明显，趣味性强，有不可替代的优势，但水为什么会倒流和水的体积为什么等同于氧气的体积，却成为许多学生理解上的难点。因此，可借助压强传感器，在传统实验的基础上增加压强变化的测定，将手持技术融入传统实验。（图1：实验装置；图2：压强变化）

图1

图2

实验过程中，在燃烧装置上连接压强传感器，通过数据采集器连接电脑采集压强变化的数据和图像，学生观察到红磷燃烧，同时也观察到压强曲线的变化，由此轻松建立红磷燃烧消耗氧气使瓶内气压减小的思维；当压强不变时，打开集气瓶连通水的开关，水倒流入瓶中，气压恢复至实验前的大气压，由此推测出倒流的水取代了消耗的氧气。

手持技术融入传统实验，为实验方法打开了新角度、新思维，使不易理解的问题具体化、简单化、可视化，促进了学生对问题理解的深度和广度。

（二）培养学生的数据与图像分析能力，让探究从预测转向实证

手持技术所呈现出来的数据包含着准确、动态、真实、完整的信息，它是实验过程的真实表现，通过数据图像的分析，我们可以得到更为精细化的结论，形成更加严谨、求实的科学方法，达成实验论证能力的提升。

在应用压强传感器测定空气中氧含量的实验中，我们观察到水的体积不足瓶内空气体积的1/5，认识到该实验存在误差，什么原因导致结果小于1/5？氧气没消耗完吗？根据压强曲线的变化（图2），我们可以计算出瓶内消耗气体的多少，依据“相同温度相同体积时，气体的压强与气体的分子数目成正比”，根据公式（P始-P终）/P始，可计算消耗的气体体积分数为（101-83）/101≈17.8%，由此可推测出压强并没有降低到氧气完全被消耗的程度，说明瓶内还有残余的氧气，红磷燃烧不能将瓶内的氧气完全消耗。结合课外活动小组测定的红磷燃烧时氧含量变化曲线（图3：实验装置；图4：变化曲线），我们的预测转向实证。从预测转向实证的过程，学生经历了疑问、猜想、分析、推理、论证，经历了实验探究中的高度参与和深度思维，达成了自身知识、能力、情感态度的提升。

图3

图4

（三）推进实验改进，培养学生的创新思维

手持技术实验的数据与图像不仅能帮助我们精细化探究实验，发现实验的不足，还能为实验的改进提供数据支持。

发现红磷燃烧无法将密闭容器中的氧气完全消耗，为提高测定空气中氧含量的准确度，我们应选择哪种物质来取代红磷呢？手持技术实验可以帮助我们寻找更为合适的替代物。在生活中，我们找到了能与氧气反应且生成物为固体的暖宝宝粉末。利用氧含量传感器，我们测定它在密闭容器中消耗氧气的数据及曲线。（图5：暖宝宝；图6：实验装置；图7：氧含量曲线）

图5

图6

图7

读取图7 数据，可证实暖宝宝可将氧气几乎消耗完全，由此，学生设计出利用暖宝宝取代红磷对测定空气中氧含量实验进行改进的实验，并评价该实验准确度更高，且环保无污染。

实验改进的探究活动有利于培养学生的高阶思维，学生的对比、分析、评价、创新能力得到提高。

（四）呈现真实情境，激发学生的探究兴趣

手持技术呈现的数据与图像并不是孤立、无意义的数字，反映的是实验的真实过程，它是宏观现象的延伸与补充，它的呈现让学生能更深入地探究实验，同时也极大地激发了学生的探究热情。

在测定空气中氧含量的探究实验中，我们应用手持技术呈现了瓶内压强改变、红磷耗氧曲线、暖宝宝耗氧曲线，呈现出跟以往不同的真实情境，学生感到新鲜、好奇，探究兴趣被激发。

在“溶液”概念的学习中，为引导学生对溶液中的微观粒子进行探究，我们利用手持电导率传感器测定水、蔗糖溶液、氯化钠溶液三者的电导率，将不可见的现象可视化，激发了学生从微观角度探析溶液的兴趣。

在“催化剂”的学习中，我们用压强传感器测定红砖粉末、二氧化锰催化双氧水的压强变化，将几种实验数据的变化曲线呈现给学生，激发了学生对催化剂探究的好奇心。

在初中化学教学中，我们可应用手持技术呈现更多传统实验无法呈现的真实、新颖的情境，看上去像是仅仅针对个别真实情境的深入分析，其实更广泛地培养了学生的迁移能力和分析理解能力，也帮助学生高度参与到课堂中，实现了在课堂中的深度学习。

（五）发挥手持技术的评价功能

手持技术实验探究过程包含初中化学教学对学生知识与能力水平的要求，应用手持技术试题评价学生的学习成果，能诊断学生的数据分析能力、表达交流能力、证据推理能力和反思评价能力，对教师改进教学方式和学生调整学习方式有指导作用。

例如，中和反应是初中化学的重要原理，为诊断学生的学习结果，用以下手持技术试题评价学生水平。

题目：用数字化手持技术探究氢氧化钠溶液与稀盐酸反应过程中的pH 及温度的变化，根据曲线分析：

①烧杯中的溶液是_________，不断搅拌的目的是____________________________________________；

②0～50s 时，pH 下降的原因是________________（用化学方程式表示）；

③烧杯中溶液温度升高的原因是____________________________________________。

手持技术试题，基于真实情境，综合性强、信息量大，既考查学生的基础知识，也考查学生的高阶思维，能立体评价不同层次学生的知识与能力。

三、手持技术在教学应用中的前景与展望

以往由于手持技术受到仪器价格高、数量有限、使用不便的限制，部分教师应用手持技术的意愿不强，手持技术与化学教学融合的研究一直处于摸索阶段。当前在信息技术高速发展的影响下，手持技术设备价格降低、稳定性提高，还实现了无线远程接收数据，设备微小化、操作便捷化，使用者用无线传感器加上手机就可以实现对实验的研究，越来越多的教师愿意主动地研究和应用手持技术。手持技术与化学教学的融合逐渐发展、成熟起来。未来手持技术的发展空间将更加广阔。手持技术也将为教学提供更多样的呈现方式，使抽象的学习具体化，使微观的学习可视化，使复杂的学习清晰化，使分散的学习结构化。手持技术也将为学生提供更多样的思维方式，使学生在实验探究过程中的方法由单一转向多维，由粗略转向精细，由预测转向实证，兴趣提升，高度参与，高度思维，实现核心素养的提高。

四、结语

时代的大背景，让我们加速学生学科核心素养的提升，国家提出要培养一大批具有国际水平的战略科技人才，然而我们现在的初中化学教学在发展学生学科核心素养中走了多远呢？作为教育的先行者，教师应首先认识到先进的教育观念的建立、教育方式的改变、教学手段的引入将有助于人才的培养。手持技术的进步必将推动教育教学技术的发展，让手持技术走进课堂、走进研究，让学生体验现代信息技术在课堂中的魅力，实现有意义、有深度的课堂。