数字化传感技术在初中化学教学中应用的调查研究

刘珊 吴良根 王伟群

摘要：通过对苏州市数字化传感技术在化学教学中应用的现状进行调查，了解苏州市初中数字化化学实验室的建设情况、初中化学教学中常应用的传感器类型;分析不同类别教师对数字化传感实验及教学的认识、态度方面的差异性，以及教师自身对数字化实验教学的认识与行为的差异。以期提出合适的发展建议，进一步推动数字化传感实验在教学中的应用。

关键词：数字化传感技术;初中化学教学;问卷调查;差异分析

文章编号：1008-0546（2020）06-0083-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.022

信息技术的飞速发展给教育带来了革命性的影响，我国非常重视教育信息化建设。2010年7月颁布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中，把“教育信息化建设”列为10个重大项目之一，而后制定了《教育信息化“十三五”规划》，进一步推进教育信息化，坚持促进信息技术与学科教育教学的深度融合。数字化传感技术作为一种现代信息技术手段，是由传感器、数据采集器、计算机以及相应数据处理软件组成，能定量采集和处理实验数据的实验技术系统。数字化传感器的应用让实验过程可视化、科学化，能增强学生学习化学的兴趣，很好地体现教育信息化的要求。

一、问题的提出

《义务教育化学课程标准（2011年版）》在实施建议中提出“条件较好的学校，应积极开展改进、创新教师演示实验和学生实验的活动，让学生接触一些先进的实验仪器和设备，努力提高实验条件和实验手段的现代化水平”，《上海市中学化学课程标准》更是明确提出要引入和推广数字传感技术。可见数字化传感技术将在初中化学教学中发挥着重要作用。

数字化传感技术自从2003年左右被引进到化学教学中，至今已经有十七年左右的时间，无论是在相关的理论研究方面，还是应用数字化传感技术改进化学实验、促进课堂教学等实践探究方面，都有不少研究。当然更多教师的研究是利用数字化传感技术对某一化学实验进行改进，进而在教学中应用。总体而言，相对高中，利用数字化传感技术改进初中化学实验的较少，在教学中的应用研究更少。那初中教师对数字化传感实验的认识、掌握、应用的情况是怎样的？如何促进初中教师对数字化实验的认识和在教学中利用？本文通过对苏州市初中化学教师的调查，了解数字化传感实验在初中教学中应用的现状，进而提出对策。

二、调查的设计

初中化学数字化传感实验教学问卷由三部分构成，一是教师的基本信息，包括性别、教龄、学历、所执教的学校所属类型等;二是从教师对数字化传感实验及教学的认知、态度两个方面进行，其中有关数字化传感实验的认识共设置4道题、数字化传感实验教学的认识设置5道题、数字化传感实验的态度设置3道题、数字化传感实验教学的态度设置3道题。三是选做题，考查教师应用数字化传感技术教学的实际情况，采用利克特量表计分法，教师得分越高说明应用水平越好。

三、调查对象的统计

本研究调查对象是苏州市初中化学教师，共发放问卷230份，回收有效问卷200份，问卷有效率为87%。具体样本基本情况如表1。

四、调查结果分析

1.数字化传感技术仪器配备与应用情况

对苏州市数字化实验建设情况进行调查分析，结果如图1、2所示。

从中我们可以发现，有45.5%的教师执教学校建设了数字化实验室，有42.0%的教師执教学校没有数字化实验室。基于不同类型学校的数字化传感实验室建设情况进行统计分析，结果如图2所示。在已建有数字化实验室的学校中，有60.4%是属于大市城区学校，23.1%属于县（区）级城区学校，并且只有16.5%是属于乡镇学校;在没有数字化实验室的学校中，绝大多数为县（区）级城区、乡镇学校，只有8.3%为大市城区学校。这说明数字化实验室在苏州市不同区域学校分布是不均匀的，这也从侧面反映出教育的一定不公平现象，即使是同处于义务教育阶段的学校，在教学条件、实验硬件设备等方面仍存在较大差距。

对初中化学教师接触过的传感器种类进行统计分析，如图3所示。

仅对初中化学而言，pH传感器的应用最广泛占20.7%，其次是温度传感器占17.4%、压强传感器和氧气传感器各占14.1%，湿度传感器占6.4%则应用较少，光强度传感器和水溶氧传感器在初中化学中应用很少，分别占1.4%、2.5%。这与初中化学教学内容有很大的关系。应用pH传感器探究初中化学重点内容是“酸碱中和反应”实验，利用温度传感器的探究实验主要是燃烧，利用氧气传感器主要用于测定“空气中氧气含量”，压强传感器主要用于金属与酸反应的实验，电导率传感器主要用于探究物质在水中的溶解性。可见传感器应用于教学的面较窄。在初中化学课堂教学中应用溶解氧传感器、光强度传感器、电压传感器、色度计等则少之又少。但通过开展课外活动，可以在初中化学教学中引入更多的传感器。例如利用溶解氧传感器让学生去测定不同水体中的氧气含量，以此来探究影响水中溶解氧的因素;利用电压传感器进行果蔬原电池的趣味探索实验，这不仅能丰富学生对于数字化传感技术的认识，也能帮助学生建立起初高中的衔接。

2.影响数字化传感技术教学应用的原因分析

对影响数字化传感技术在化学教学中应用10项可能的因素进行调查。问题采用利克特量表计分法，对正向题目从“非常符合”“比较符合”“不太符合”“不符合”依次赋值4分到1分，对反向题目从“非常符合”“比较符合”“不太符合”“不符合”依次赋值1分到4分，按照教师的选择，对各个维度得分汇总。均值越高，说明教师认可因素的影响程度越大。统计分析结果如表2所示。

从均值排序中可以发现，“学校设备条件有限”“学校领导对手持技术的支持程度”“教师对数字化化学实验操作的熟练程度”“升学考试的压力”“课时数少”分别位列于前五位，均值分别为2.98、2.84、2.73、2.72、2.48，其中有4个为外在的客观因素，这说明大部分教师在归因时更倾向于归在外部因素。“学校设备条件”“学校领导支持程度”等外部因素固然会影响到数字化传感技术在教学中的应用，但以苏州市数字化实验室配置的情况来看，不足以成为最主要的影响因素，因此出现的归因偏差，也从另一个角度说明教师对数字化传感技术认识的偏差。

3.教师对数字化传感实验及教学的认识、行为、态度分析

（1）教师的认识、行为、态度总体水平

通过描述统计，了解苏州市初中化学教师对数字化传感实验及教学的认识、行为、态度总体水平，如表3。

由表3可知，教师对数字化传感实验的认识均值为2.47，处于中等水平。教师对数字化传感实验教学的认识均值为3.09，处于较好水平。关于态度方面，无论是对数字化传感实验还是教学的态度，均值都比较高，皆处于较好水平。在行为方面，整体水平较低，并且教师实验教学的行为均值为2.52，明显小于教师对数字化传感实验教学的认识均值3.09，因此为研究教师自身对数字化实验教学的认识与其在教学中的实践行为是否存在着差异，针对已使用技术教学的教师，进行配对T检验分析，如表4所示。

结果显示，P=0.000<0.05，故教师对数字化实验教学认识与行为之间存在显著差异。这一现象是由内外因素共同作用引起的，一方面教师口头上认识数字化传感实验在教学中的作用，但受到课时安排、升学考试压力等外部因素的影响，不能将对数字化实验教学的认识很好地付诸于实践;另一方面可能由于教师自身能力不够，虽有一些正确的观念，但在实践过程中，却没有正确的方法来实现数字化传感技术与化学教学的较好融合。

（2）不同类别教师的认识、行为、态度的分析

首先分析不同类别教师在数字化传感实验及教学的认识、行为、态度方面是否存在着相关性，分别以“性别”“教龄”“学历”“学校类型”4个变量依次与认识、行为、态度3个量表得分做皮尔逊相关性分析，结果如表5所示。

从表5中数据可知，性别、学历、学校类型不同的教师与其对数字化实验及教学态度无显著相关，而以教龄为变量，皮尔逊相关系数为-0.166，相应的显著性概率为0.019小于0.05，因此化学教师的教龄与其对数字化实验及教学态度呈现负相关，这表明越是年轻的教师越认可数字化传感技术。同样地，在行为方面无显著相关。此外，我们可以得出化学教师的性别、教龄、学历分别与其对数字化实验及教学的认识也无显著相关，而以化学教师所执教的学校类型为变量，显著性概率为0.000，小于0.01，因此初中化学教师所执教学校的所属类型与其对数字化实验及教学的认识密切相关。

为了进一步了解在不同类型学校执教的教师在数字化传感实验及教学的认识方面是否存在着差异，以“学校类型”为变量进行单因素方差分析，结果如表6所示。

从表中可知，学校类型不同的教师在对数字化传感实验及教学的认识上相应的概率值为0.000，小于0.05，这说明来自不同类型学校的化学教师在对数字化传感实验及教学的认识上存在着显著的差异。通过描述统计，在对数字化传感实验及教学认识方面，所属大市城区的教师均值为26.69、来自县（区）级城区和乡镇学校的教师均值分别为25.02、24.18，故大市城區的教师对数字化传感实验及教学的认识高于县（区）级城区和乡镇学校的教师，这种认识上的差异又是由不同类型学校数字化设备建设情况的差异引起的。

五、讨论与建议

以苏州市为例，从数字化传感技术在初中化学教学中应用的调查研究中我们发现，不同区域学校的信息化水平的发展程度不同，导致来自不同区域学校的教师对数字化实验及教学的认识存在明显差异，这体现出教育资源分配不均匀的现象。其次，由于内外因素的影响，教师自身对数字化实验教学的认识与其在实际教学中的实践行为存在着显著性差异。为了更好地在初中化学教学中应用和推广数字化传感技术，提出以下两点建议。

1.各部门发挥协同作用，做好物质资源合理分配

数字化传感实验的基础设备是教师能投身于数字化传感技术建设的基本保障，一些乡镇地区学校没有实验设备，教师就没有实践的机会，学生就不能利用数字化实验来提高科学素养。因此首要任务是要努力缩短区域之间的差异，让各学校享有相当的教育水平，但数字化传感设备价格比较昂贵，若是给每一所学校都配置一套实验设备，耗资巨大，也会是成为教育资源的浪费。我们可以借鉴美国阿拉巴马州开展的“运动中的科学”项目，政府投资购买昂贵的仪器设备，利用有篷卡车把数字化传感设备带到课堂教学中，让公立学校能循环共享这些先进的实验设备，使不同背景的学生有机会利用数字化传感技术进行学习。这样既实现了教育信息化水平的均衡发展，也能节约教育资源。

2.实施分层培训，建立多层次的交流平台

从调查结果来看，初中教师在化学教学中应用数字化传感技术的水平是多层次的，有的教师没有接触过数字化传感技术，也有部分教师对该技术有一定的认识，但在教学实践中只是简单机械地应用技术，使得教师对数字化传感实验教学的认识与实践存在差异。因此，中学和大学应适当联合以建立多层次的培训与交流平台。针对零基础但对数字化传感技术感兴趣的教师的培训，要让教师培训后有一定的认识，会动手操作数字化传感实验，并鼓励教师积极改进创新实验;针对认识与实践存在差异的教师，培训的目标是教师能将化学数字化传感实验的优势最大化地应用到中学化学教学中，实现技术与教学的深度融合。为此培训内容主要侧重技术与教学深度融合的理论学习，并且多提供些深度融合的教学案例供教师交流参考。