初中化学创新实验中“新技术”的分析——以江苏省中学化学创新实验展评作品为例

宋 伟

（江苏省江阴市教师发展中心 江苏江阴 214400）

实验是化学的基础，创新实验是化学教学活力的源泉。设计创新实验一直是广大化学教师重视和追求的目标，但不同以往的是，随着新技术的开发和普及，融入新技术的创新实验比例呈现上升趋势。景一丹［1］把“关注现代化技术，应用新技术与新仪器”列为我国化学创新实验设计的特点之一。

然而，在新技术赋能创新实验设计的另一面，在实践中也存在着“技术本位”“技术至上”的不良取向［2］，例如“为了技术而技术”，强行使用一些新技术代替原本简单玻璃仪器就能实现的功能，或是忽视了不同技术所适用的应用环节、创新策略。

为了展示优秀创新实验如何应用新技术，尤其是针对内容少、起点低的初中实验如何融入新技术［3］，本文选择有代表性的创新实验比赛作品作为研究样本，采用内容分析法，试图回答以下研究问题：优秀创新实验采用了哪些新技术？应用于哪些实验环节？采用了哪些创新策略？产生了哪些价值？

一、研究样本的选取

本研究的样本选取了2023 年4 月26～28 日举办的江苏省第八届中学化学创新实验展评（以下简称“省实验比赛”）的28件初中组参赛作品。省实验比赛由江苏省教育科学研究院主办，每2年一届，至今已有10多年历史，是全省化学实验的品牌赛事。本研究选取的28件作品是经过区级评比、市级评比和省赛初评等层层选拔，最终进入省赛现场评比的，它们至少获得省级二等奖的奖励，因此能够代表江苏省中学化学创新实验的较高水平和最新研究成果。

笔者作为此次比赛一等奖作品的参赛选手，又全程观摩了省实验比赛，并且用摄像机完整拍摄了所有作品展示的全过程，为本研究的分析提供了便利。

二、分析框架的确定

本文从4 个维度进行分析：（1）新技术的类型；（2）应用的实验环节；（3）采取的创新策略；（4）产生的价值。“新技术的类型”和“产生的价值”维度采用“自下而上”的分析方法，即全面梳理每个作品用到的新技术和产生的价值，然后将相近的内容归纳为某个类型。“应用的实验环节”和“采取的创新策略”采用“自上而下”的分析方法，即先根据文献制定分析框架，再对每个作品做编码分析。这2个维度采用了何盼和占小红提出的框架［4］，“应用的实验环节”体现了技术介入化学实验某个环节后的表现，“采取的创新策略”改编自博迪和戈登堡提出的五条微创新策略［5］，并融入了化学学科的内涵。具体的分析框架如表1所示。

表1 本研究的分析框架

三、分析方法与结果

采用内容分析的方法，根据制定的分析框架，对28个作品做编码分析，当某个实验出现某种类型时就做标记。由于一个实验可能涉及多种类型的技术、环节、策略、价值，因此可以多选。编码结束后，对结果做统计分析。

28个获奖项目中，有24个应用了新技术，比例高达85.7%。没有使用新技术的4个实验中，有2个分别介绍了胶帽和滤纸在实验中的新应用，还有2个采用了生活材料的组装实现实验效果。总体而言，江苏化学创新实验几乎都很重视新技术的应用，很大程度上体现了化学与技术的融合。下文以24个应用新技术的实验为基数做统计分析。

1.新技术的类型分析

对“新技术的类型”的分析结果如图1，使用比例最大的是医疗技术（58.3%），其次是流体技术（41.7%），接着是传感技术（29.2%）和电工技术（29.2%），最后是摄影技术（12.5%）。

图1 实验中应用各种新技术的占比

医疗技术主要涉及注射器（13 次）、针头（3 次）和输液器（1 次），尤其是注射器已经非常广泛地应用到初中实验中，它可以单独使用，抽走或注入气体和液体，接纳反应的生成物，以及除去尾气；也可以两个注射器串联使用，通过来回抽拉产生快速流动的气流，增大反应物接触面积。此外，输液器被用于以某种速率滴入反应物溶液，是一种比较新颖的做法。

流体技术主要涉及单向阀（3次）、三通阀（3次）、压力罐（3 次）、流速阀（2 次）、空气泵（1 次）、抽气泵（1 次）。单向阀可以让气体朝着一个方向流动，一方面避免倒吸，另一方面可以通过反复的吸气、呼气模拟打气筒（吸气时容器内气体从单向阀A 吸入，呼气时容器内气体从单向阀B 排出），因此可以用于检验人体呼出气体的实验中。三通阀和流速阀可以方便地改变气体和液体流动的方向和流速，多与注射器联合使用。压力罐内事先充满二氧化碳等压力气体，可以以一定压力注入瓶中，非常方便。

传感技术主要涉及二氧化碳传感器（4 次）、氧气传感器（2 次）、压强传感器（2 次）、电导率传感器（1 次）、pH 传感器（1 次）、湿度传感器（1 次）、高温传感器（1次）。这些传感器的使用已经在文献中有很多介绍，本次比赛中传感器的使用再次验证了它仍然具有改进新实验的创新活力。

电工技术主要涉及遥控点火器（3次）、电热丝（2次）、数码显示屏（1次）、音乐盒（1次）。遥控点火器可以远距离遥控点火，一方面避免了如粉尘爆炸时实验人员靠近点火带来的安全隐患，另一方面可以解决密闭容器内不方便引燃反应物的问题。电热丝是选手用电阻丝自制的，通电后发红发热，可以加热反应物。

摄影技术主要涉及微距摄影（2 次）、热成像摄影（1次）、视频分析（1次）。微距摄影可以捕捉微小的现象，便于观察，还可以与无线投屏技术联合使用，在大屏幕上进一步放大现象。热成像摄影拓展了温度测量手段，直观地观察到铁与硫酸铜反应的放热。视频分析技术能够定量观察到粉尘爆炸的最高点。

2.应用的实验环节分析

对“应用的实验环节”的分析结果如图2。24个实验都在“计划的实施与实验结果的得出”环节应用了新技术（100%），有的使用新技术设计了实验装置，有的用于更好地观察实验现象，这与创新实验的主旨是吻合的。

图2 新技术应用的实验环节占比

一些实验在“结论的形成与表达”环节使用了新技术（20.8%），主要是用传感器或摄影技术补充了新的数据，作为肉眼观察到现象的补充和丰富，这样能够更加充分地证明结论。例如汤华娟、黄小云老师的“再探铁与硫酸铜反应”实验不仅用显微镜拍摄了铁丝与硫酸铜反应生成红色固体、溶液变绿的现象，还用热成像拍摄到铁丝表面温度升高，两个证据共同证明铁与硫酸铜发生了化学反应。

少数实验还在“问题的提出”环节使用了新技术（8.3%），例如笔者的“对‘燃烧条件’实验的再探究”，在观察到石蜡“一闪即灭”的“异常现象”后，自然而然地提出“为什么会这样？”的问题，从而进行“燃烧的条件”的实验研究。“提出问题”的前提是前期细致地观察，一些辅助学生观察或测量数据的技术能帮助学生积累前期经验、产生困惑，从而提出问题。

但是，总体而言，新技术在提出问题、做出假设、制定计划等环节的应用还很少，而且在现实中学生也常常很难主动、顺利地完成这些环节。究其原因，不是这些环节不重要，而是课堂上实验问题、假设和步骤经常是给定的，缺少学生主体参与和探究，需要在未来进一步重视和改进。

3.采取的创新策略分析

对“采取的创新策略”的分析结果如图3。由于不同技术所对应的策略可能有差异，本文不仅呈现了总体的占比，还选取了排名前4的四种技术所对应的策略，进行比较。总体来说，使用最多的是乘法策略（58%），其次是除法策略（33%），接着是任务统筹策略（17%）和减法策略（4%）。

图3 新技术应用的创新策略占比

乘法策略被广泛采用。几乎所有应用传感技术的实验都采取了乘法策略（86%），这与传感技术本身的特点密不可分——传感技术测量了更多的参数，与肉眼观察到的现象呼应，自然能够同时呈现多元信息。医疗技术也经常采用乘法策略（71%），因为可以采用多个注射器串联或并联，把许多实验现象合并到一起同时呈现。例如马凤老师的“酸雨及危害的可视化实验”把模拟生成的二氧化硫分别吸入3个注射器中，分别产生“高锰酸钾褪色”“石蕊变红”“遇氯化钡产生沉淀”的现象，通过多个信息的叠加，让学生更好地理解二氧化硫的性质。电工技术同样经常采用乘法策略（86%），例如用数码显示屏呈现数据信息，用音乐盒呈现声音信息等，都能多元呈现数据。总之，乘法策略体现了一种集成式、组合式的创新思维，值得广泛使用。

除法策略是应用第二广泛的策略。传感技术仍然是最多采用该策略的技术之一（43%），因为数字化实验在保留必要环节（实验数据呈现）的前提下，简化了实验数据记录和绘图。在医疗技术（36%）、流体技术（30%）和电工技术（43%）的应用中采用除法策略，可以用空气泵或压力罐更方便地鼓入气体，用阀门更方便地控制气体的定向流动，在密闭体系中直接遥控点火避免先点燃后密闭的麻烦……不仅操作更简便了，而且原有的功能没有被削弱。

任务统筹策略在部分实验中出现，这些实验通过新技术引发新问题、新情境、新任务，促进学生思维、情感的发展。例如笔者的“对‘燃烧条件’实验的再探究”设置了5个环环相扣的系列实验，每个实验的结果都会引发下一个实验的思考，例如“满足3个燃烧的条件就一定能燃烧吗？”下一个实验就设计了满足3个条件但不燃烧的实验案例。再如葛德新老师的“几种人体呼吸产生二氧化碳演示器的制作与使用”和闵亚东老师的“巧妙验证呼吸作用产生二氧化碳”2 个实验，都利用单向阀设计装置，模拟人体呼吸，但并未就此结束，而是与生物学产生跨学科联系，进一步联系生活实际进行科普教育。

减法策略在少数实验中运用，通常是为了化繁就简，直接删除某些实验环节或要素。例如在朱清华和蔡华美老师的“一定量液体吸收二氧化碳的比较”中，二氧化碳的制备并不是实验的重点，因此他们采用减法策略直接去掉了制备的环节，购买现成的“二氧化碳气罐”提供二氧化碳，让实验步骤更简洁、重点更突出。

4.产生的价值分析

对“产生的价值”的分析结果如图4，产生的价值丰富多样，占比相对均衡。现象明显（58.3%）是创新实验追求最多的价值，尤其是摄影技术能够让现象更加明显，还有传感技术也能够定量化呈现现象。操作简便（45.8%）是占比第二的价值体现，本次比赛出现的许多新颖的技术，如在密闭环境中遥控点火、用电热丝加热反应物、用单向阀导气、用空气泵鼓气等等，都具有简化操作的优点。安全环保（37.5%）和一体化（33.3%）常常用医疗技术和流体技术实现，因为多个注射器和阀门的组合能把原本多个装置整合到一起，还能有效进行废液废气的收集和处理。还有许多实验关注到了新课标提出的跨学科（25.0%）和激发思维（33.3%），其实利用新技术改进实验，本身就是化学与技术的跨学科融合。最后，相比往届比赛，微型化（12.5%）改进的比例有所降低。

图4 新技术应用的价值占比

四、研究启示

1.新技术为创新实验设计注入活力

此次省实验比赛的28 件获奖作品中有85.7%应用了新技术，超过50%的作品应用了至少2 种不同类型的新技术。可见，现在的创新实验设计不再像过去那样只是瓶瓶罐罐的组合，而更多地“由技术赋能”。新技术的类型也是丰富多样的，不仅有经常使用的传感器、注射器，也出现了点火器、压力罐、热成像、抽气泵等令人耳目一新的技术。这些新技术的融入，推动着化学实验设计不断创新、不断超越。

2.重视“实验技术”的“教育功能”

通过本研究的分析发现教师经常把新技术应用于实验的实施环节，而很少用于提出问题、做出假设、制定计划等环节。这说明在老师们的观念中，更多地关注技术带来的方便、一体化、环保、现象明显等“技术层面”的价值，而较少关注技术如何帮助学生主动参与探究和发现的“教育层面”的价值。

笔者认为应重视“实验技术”的“教育功能”，一方面警惕实验技术的引入反而使原有的教育功能丧失，例如在学生初学化学实验时应增加他们操作常规仪器的机会，以提高学生的实验操作技能，此时不宜过多使用注射器等代替常规仪器。另一方面，充分发挥实验技术辅助学生科学探究、科学实践的功能，例如通过摄影技术对现象的仔细观察，发现“异常现象”，提出研究问题；再如运用无线投屏技术，帮助学生对比不同小组的实验结果，更好地归纳自变量和因变量之间的关系，从而得到结论。

3.联合使用多种创新策略改进实验

本次省实验创新比赛作品运用了多种创新策略，而且不同类型的新技术适用于不同的创新策略。笔者建议在设计创新实验时可以联合使用多种策略，形成优势互补。利用“乘法策略”，叠加有效信息，便于学生全面感知实验现象，对比差异，用更丰富的实验证据推理实验结论。利用“除法策略”，在保留原有功能的基础上简化操作，降低学生认知负担，从而把更多精力转移到乘法策略所呈现的有效信息上。利用“减法策略”，删繁就简，突出实验核心目的、核心知识，同样可以让学生把精力放在乘法策略的关键信息上。利用“任务统筹策略”，关联新任务和联系实际，充分发挥实验技术的教育功能、教育价值，促进学生思维、情感、素养等更多方面的发展。利用“属性依存策略”，帮助学生迁移知识，可以加强系列实验之间的关联，让学生利用前一个实验的结论或原理解释下一个实验。总之，这些创新策略之间应该是互补的、相互促进的，老师们在设计实验时可以综合采用这些策略，让实验内涵更丰满、价值更丰富。