利用手持技术发展化学学科核心素养

刘姝妲　金士宝

摘要：将手持技术应用于化学教学实践有利于发展学生的核心素养，给予学生未来发展必备的品格和关键能力。手持技术和传统教法有机融合，可以突破教学难点，促进学生理解，使复杂的问题简单化、定性的问题定量化、模糊的问题清晰化。

关键词：手持技术；传感器；化学；核心素养

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2019.01.019

中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1671-1580（2019）01-0084-04

一、问题的提出

手持技术又称数字化实验室，是由传感器、数据采集器、计算机和相关数据处理软件组成。它与实验装置连接，测量、采集、处理实验数据。手持技术传感器可以测量电流、电压、气体压强、温度、湿度、电导率、氧气浓度、二氧化碳浓度、酸碱度、色度等等。在数据采集的同时，计算机进行实时的数据处理和图像分析。将不同的传感器应用于化学教学实践，教师可以更直观和便捷地呈现教学内容、学生可以更精准和具体地理解实验数据，有利于传统教学的创新、演示实验的改良、学生探究的量化。

初中阶段的化学课程注重发展学生核心素养，是适应世界教育改革发展趋势、提升我国教育国际竞争力的迫切需要。手持技术在一些发达国家的理科教学已经应用了30多年，在我国发展时间较短，且普及度较低，近年来国内研究不断发展深入，在化学教学领域也开发了手持技术的应用案例。将手持技术应用于化学教学，突破教学难点、促进学生理解，可以更好地发展学生的化学学科核心素养，在全球信息化的环境中给予学生未来发展必备的品格和关键能力。

二、例谈手持技术的应用

（一）利用手持技术发展“宏观辨识与微观探析”素养

“测定空气中氧气含量”时，氧气肉眼不可见，学生在理解上存在困难，改进实验装置，在实验装置内接人氧气传感器和压强传感器，把红磷燃烧过程中氧气和气压的数据实时呈现于电脑屏幕，学生会清楚地理解氧气减少和气压减小，感受红磷燃烧过程中氧气被消耗，还原化学反应的本质，此外，手持技术的引人使实验更准确，将粗略测定优化为精确测定。这能使学生更清楚地认识物质的多样性，理解物质的分类。

氢氧化钠溶液和硫酸铜溶液的反应现象明显且实验快速，经常作为实验载体出现在物质的变化、质量守恒定律、复分解反应条件等不同的课题，对于本实验在宏观上要求学生会用合适的语言对现象进行恰当描述、定性地知道反应物和生成物、定量地了解化学反应前后质量总和不变，在微观上要明确这一复分解反应的本质。宏观角度肉眼可见较易理解，难点是微观视角的建立，利用手持技术电导率传感器，测定向硫酸铜溶液中加入氢氧化钠溶液这一实验过程中的电导率，绘制“电导率-时间”曲线，电导率的降低，更加直观地体现了反应过程中离子的减少，取实验后上层清液滴加氯化钡，产生白色沉淀，证明硫酸根离子未减少，说明钠离子和硫酸根没有参加反应，这一反应的实质是铜离子和氢氧根离子的反应生成难溶于水的氢氧化铜。同样的原理，在验证酸碱中和反应的发生时，也可以测定反应过程中的电导率，绘制“电导率一时间”曲线，通过电导率的下降，揭示反应的本质是溶液中离子的减少，深化学生对溶液中反应的认识，提供新的视角去分析解决问题，从微观角度认识溶液中的化学反应。“复分解反应”和“中和反应”是初中化学的重点，手持技术能够助力突破微观教学的难点，帮助学生透过化学反应的微观本质诠释宏观现象，建立物质微粒观，使学生能从宏观和微观相结合的视角分析解决实际问题。

（二）利用手持技术发展“变化观念与平衡思想”素养

利用手持技术可以探究燃烧的条件和灭火的原理，直观演示密闭容器中蜡烛燃烧消耗氧气并生成二氧化碳的含量，将燃着的蜡烛置于密闭容器中，内置氧气传感器和二氧化碳传感器，学生观察蜡烛逐渐熄灭，实时显示容器中氧气和二氧化碳的变化。学生会发现氧气在蜡烛熄灭时含量约为15%，并未完全消耗，说明蜡烛熄灭是因为氧气浓度越来越低，导致蜡烛不能与氧气充分接触，而不是没有氧气。这一实验更直观地让学生了解了物质的变化，且化学变化的发生和停止有一定的条件，遵循一定的规律。

“人体吸入的空气和呼出气体有什么不同”是学生在化学学习之初接触到的科学探究，传统实验方法为定性探究，利用澄清石灰水、燃着的木条、干燥的玻璃片，比较空气和呼出气体中二氧化碳、氧气、水蒸气含量的不同。手持技术为我们提供了定量研究的便捷方法，使用二氧化碳传感器、氧气传感器、湿度传感器，学生利用塑料袋取样，实验过程中数据的图像自动生成，让看不见的气体量化出现在计算机屏幕，给学生更直观的感受，认识化学反应前后的物质变化。另外，由于不同的人呼气速率不同，不同样本中氧气、二氧化碳、水蒸气的含量也有差异，这种差异可以通过手持技术呈现出来，传统实验则不能。该实验帮助学生定量认识化学变化有新物质生成，有反应物消耗。

物质溶解过程中有温度的变化，化学变化中也伴随能量的变化，常规教学中学生通过触摸進行感官感知，温度传感器更加精准，为学生提供新角度，便于学生分析实验原理，体验感更强，印象更深刻。

（三）利用手持技术发展“证据推理与模型认知”素养

活泼金属能与酸反应生成氢气，传统实验中通过活泼金属与酸反应产生气泡的快慢初步判断金属活动性强弱，手持技术可以对化学反应状态进行量化，提供新的证据，如利用气体压强传感器也可以验证金属活动性强弱。取等量稀盐酸分别与2.4g镁粉、6.5g锌粉、5.6g铁粉、6.4g铜粉反应，置于密闭容器中测量气体压强，观察“气体压强一时间”数据图像，可以清晰地看到镁粉和酸的反应首先达到最大压强，其次是锌、铁，而铜粉和盐酸接触不产生气体，这些实验的证据令探究更加精准，通过对数据的分析认识研究对象的本质特征，通过推理加以证实或证伪。

探究二氧化锰对过氧化氢分解速率的影响，传统实验主要利用带火星的木条复燃验证氧气的生成，若利用氧气传感器测量氧气浓度，绘制氧气浓度在加入二氧化锰前后的变化曲线，可以直观、精确、定量地验证二氧化锰加快了过氧化氢分解，也可以利用手持技术展开深入的探究，通过对比验证催化剂质量对化学反应速率的影响，传统实验只能通过反应现象的剧烈程度判断催化效果，当现象差异不明显时，实验可行性则很低。可以首先建立实验模型，控制催化剂质量为变量，利用手持技术的氧气传感器，得到不同的氧气浓度曲线，收集证据、分析数据，揭示现象的本质和规律。

（四）利用手持技术发展“实验探究与创新意识”素养

手持技术助力探究活动。人教版九年级化学第一单元中用一根火柴梗探究蜡烛燃烧时三层火焰的温度，学生通过观察火柴梗黑色的深浅来判断火焰的温度高低，有些学生实验效果好，可以得出结论，但有些学生操作不标准，效果不明显。借助温度传感器，既可以弥补这一不足，也可以精确测定火焰温度，得出更科学的结论，严谨的数据呈现在学生的视野，更具说服力。而为什么外焰的温度最高？学生探究中各抒己见，与他人合作分享，面对各种“异常”现象也敢于提出自己的见解，强化了探究能力，促进了学生交流和个性发展。

手持技术为创新实验提供了更多可能性。人教版九年级化学第十单元的知识点浓硫酸的吸水性，无法通过传统实验开展教学，手持技术可以为我们提供更安全有效的实验方法。只需借助湿度传感器，对比测量浓硫酸吸水前后容器内湿度的变化，即可验证浓硫酸具有吸水性，此外也可以验证稀硫酸不具有吸水性，纠正学生的易错点。实验便捷，可以使教学事半功倍，省去繁杂的数据记录和处理，师生可以将更多的注意力用于探究方案的设计，侧重实验探究和创新。

（五）利用手持技术发展“科学精神与社会责任”素养

化学源于生活，学生所学习的化学知识都应服务于生活，利用手持技术可以开发生活实验，丰富校本课程。将手持技术与iPad相连，便携性大大提高，不受空间限制，在校内外都可以实施探究实验，如利用色度传感器测定含铁物质中铁元素的含量，利用pH传感器测定食醋的含酸量或食物的酸碱度，利用电导率传感器进行水质分析等等，手持技术为生活实验的实施提供了技术上的支持，也激发着学生对化学的兴趣，兴趣是最好的老师，接触先进的科学技术，感受科技的魅力，学生更加乐于探究，在探究中逐步养成严谨求实的学习方法与科学态度，形成探索未知、崇尚真理的意识，教师引导，学生身体力行，将科学知识应用到生活实践，关注社会热点，参与社会发展。

三、手持技术应用的反思

将手持技术合理有效地应用于课堂教学，进而发展学生的科学素养，是教育信息化时代的需求，也是化學课程改革的需要，在应用上需注意以下三点。

一是复杂的问题简单化。在教育信息化的时代，手持技术作为一种教辅工具，进入课堂为教师演示和讲解提供了更多的帮助，部分化学实验在传统条件下实施存在困难，将手持技术与传统教法有机融合，将变化曲线直观呈现，可以将知识形象化。在化学实验过程中，实时数据成像，是一种对实验的简化。这种方法降低教学难度，但不增大教学容量。

二是定性的问题定量化。化学新课程的理念关注“科学探究”，科学探究是化学这门科学最重要的实证研究方法，因此化学学习必须尊重事实和证据，探究应严谨可信。手持技术帮助我们采集精确的实验数据，为学生提供了理性的素材，定性研究结合定量研究，促进学生崇尚真知、理性思维、勇于探究，这是培养学生科学观念的有力工具。

三是模糊的问题清晰化。围绕着教学中心，教师应用手持技术时需恰到好处，提高课堂教学效率、突破教学重难点，避免画蛇添足，选择更利于学生接受的呈现方式，符合学生的认知规律。学生在观察探究实验时，既有感官感知的信息，也有传感器测定的数据，在数据分析中将模糊的问题清晰化，让学生经历理性的思维过程，在分析问题和解决问题的过程中形成清晰的认知思路和学习方法，促进化学学科核心素养的提升。

[责任编辑：王辰]