論手持技術在化學實驗中的應用

xxx公司文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度題目：手持技術在實驗教學中的應用指導教師：專業(yè)：化學學號：姓名論手持技術在化學實驗中的應用【摘要】描述了手持技術的概念、特點及發(fā)展概況，介紹了手持技術的具體應用。學生通過學習掌握手持技術這門課程，將會學習到新的信息交流形式。而熟練的掌握，將使得化學實驗過程更加清晰，使學生走出實驗室進行實驗和科學探究成為現(xiàn)實，也是對傳統(tǒng)實驗方法的有力補充。我國的手持技術研究水平總體也呈現(xiàn)出較為薄弱的局面，需要科學工作者們共同努力，開創(chuàng)我國手持技術的新局面【關鍵詞】手持技術信息交流研究水平手持技術的概念隨著新課程改革的全面推進，信息技術與化學教學的整合研究成為當前教學研究的熱點之一。近年來，手持技術開始在國內一些中學化學教學中應用。手持技術，又稱傳感技術，是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套的軟件組成的定量采集各種常見數(shù)據(jù)并能與計算機連接的實驗技術系統(tǒng)。它能夠測量的化學數(shù)據(jù)包括溫度、電導率、壓強、溶解氧、色度、二氧化碳濃度等。與動畫模擬和教學課件這類信息技術相比，手持技術能夠升入化學知識；內部，更加直觀、定量和全面的輔助化學教學。二．手持技術的特點1.手持計算機的交流性能出現(xiàn)了新的師生反饋形式。有了手持計算機，電子記錄不易丟失，教師可以對學生的作業(yè)提供直接的和秘密的反饋。學生可相互合作并對評估項目或進行中的工作產(chǎn)品的質量提供反饋。教師還可根據(jù)來自全班的匿名輸入提供反饋，匯集個別學生的項目讓教師和學生共同評論。最后，手持應用軟件可匯集學生表現(xiàn)的數(shù)據(jù)，使教師和行政管理人員共享數(shù)據(jù)以促進教學分組，促進對學生教學需求的討論。

2.無線手持技術采用新的信息交流形式，新的知識呈現(xiàn)方式，將個別數(shù)據(jù)集合成有條理的課堂思維，新的參與形式，促進學生和教師的反思，提高學習和教學效率。手持計算機有潛力使評價實踐在支持不同情境中的教與學更有效、更有用。隨著手持技術的進一步發(fā)展，手持計算機在課程評價中會有良好的應用前景。便于實驗教學空間的開放手持設備的數(shù)據(jù)采集器和傳感器體積輕巧，便于攜帶，能隨時隨地進行探究活動，并能將實驗過程與結果進行及時存儲、分析和處理，將其與化學實驗教學有機融合，克服了傳統(tǒng)實驗課程只能被禁錮于實驗室之中的窘境，為化學實驗課程賦予了新的時代氣息，使學生走出實驗室進行實驗和科學探究成為現(xiàn)實，也是對傳統(tǒng)實驗方法的有力補充。如錢揚義教授的研究組讓學生利用手持設備中的溫度傳感器探究相同體積不同類型的氣體（如氧氣、氮氣、二氧化碳、甲烷和空氣）分別在太陽光和紅外燈照射下溫度的變化，分析數(shù)據(jù)，總結規(guī)律，從而使學生更好地理解了“溫室效應”這一科學概念，促進了其原有“前概念”向科學概念的轉變使化學實驗過程更清晰，數(shù)據(jù)及后續(xù)處理更準確更簡便

利用手持技術進行實驗時儀器或電腦可自動收集實驗數(shù)據(jù)，將其進行放大、儲存、顯示，并忠實地將實驗過程用曲線、數(shù)據(jù)等形式記錄下來，更好地詮釋了變化的過程，且可使用語言、符號、曲線、數(shù)據(jù)四種方式表示，既方便直觀，又可為進一步地研究提供依據(jù)。當與計算機相連時便可將實驗變化過程同步展示，若利用微型攝像頭還可將整個實驗過程儲存并回放，便于學生后續(xù)分析、處理，增加學生對科學探究活動的感受和體驗，從而提高學生定量分析能力，與傳統(tǒng)定量實驗儀器相比優(yōu)勢明顯。劉曉紅等根據(jù)滲析原理運用手持實驗技術記錄膠體滲析實驗過程水中離子濃度的變化，利用數(shù)據(jù)和圖表說明生活中幾種常見的半透膜：膠棉膜、雞蛋殼、硫酸紙、保鮮膜對Fe（OH）3膠體的滲析性能，不僅使學生更直觀地學習與實驗，而且提高了學生利用科學手段分析和解決問題的能力。

增強生活化學實驗的技術含量

普通高中化學課程標準（實驗）強調：使學生認識化學與人類生活的密切聯(lián)系，關注人類面臨的與化學相關的社會問題，培養(yǎng)學生的社會責任感，參與意識和決策能力。將手持技術引入生活化學實驗，既可滿足學生對高科技實驗手段的興趣和好奇心，又可提高實驗的技術含量、量化程度和實驗質量，不僅激發(fā)了學生的創(chuàng)新潛能，促進學生的實驗素養(yǎng)和思維能力的提高，還可幫助學生們理解宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質。如鄧育紅利用手持pH傳感器和電導率傳感器帶領學生對自來水、涼白開、純凈水、礦泉水、碳酸飲料、運動飲料和堿性飲料進行了探究，得到了直觀的數(shù)據(jù)和表格，揭開了各種水神秘的面紗，也讓學生學會運用科學實驗終結生活流言。

推進綠色環(huán)保實驗進程

化學是一門以實驗為基礎的科學，學生在做實驗時常常會給環(huán)境帶來不同程度的污染，將手持技術與微型實驗相結合，不僅可以節(jié)約試劑、保護環(huán)境、降低危險，更可使實驗結果明顯準確。如阿伏伽德羅常數(shù)的傳統(tǒng)測定一般采用單分子油膜法，該方法從實驗準備到實驗操作都比較繁瑣、可變因素較多，對實驗前的準備和實驗過程中的操作能力要求很高，且溶劑苯毒性大，對環(huán)境和實驗者的身體都有一定程度的影響。蔡禮儒等以銅為電極電解稀硫酸，利用手持技術4min內簡單、快速地測量阿伏伽德羅常數(shù)，滿足了學生實驗的要求，提高學生的學習興趣，并且減少了測定過程中產(chǎn)生誤差的因素，降低了實驗的毒性和污染三．手持技術的發(fā)展概況在歐美等發(fā)達國家，將手持技術應用于課堂教學已經(jīng)有30多年的歷史。以圖形計算器、MBL(MicrocomputerBasedLaboratory，基于微型計算機的實驗室)技術為代表的手持式便攜工具在學生中是比較普及的理科學習工具。國外也較早開始了對手持技術的研究，由于經(jīng)濟、文化和教育理念等不同，與國內關注的重點存在差異。與國外已有研究相比，國內的研究總體仍處于較薄弱的局面。1國內手持技術的研究歷程

手持技術在我國發(fā)展的時間較短，約在20世紀90年代進入我國［1］。這種新型的實驗技術最初在中學物理教學得到應用，隨后被引進到化學教學中。根據(jù)查閱的文獻，筆者將手持技術在國內化學教學中的應用研究分為以下3個主要階段。

1.1案例開發(fā)階段（20世紀90年代末至今）

這一階段的研究主要是開發(fā)利用手持技術的實驗案例并應用于教學之中，如錢揚義等人于2003年將手持技術引入國內化學教學中，并進行了測定酒精燈火焰溫度的實驗，得出不同以往的結論［2］。此后，國內幾種主要的化學教育類期刊也開始陸續(xù)報道了一系列的實驗，并由魏銳、王磊提出了基于掌上實驗室的科學實驗開發(fā)思路［3］。從內容上看，這些實驗應用于化學教學實踐的途徑，主要有3個方面：

(1)常規(guī)教學的創(chuàng)新。傳統(tǒng)教學中由于時間關系及實驗條件的落后，往往只能先給出已有的結論、定理等，然后安排實驗去驗證這一結論。將手持技術引入課堂中，將知識的發(fā)現(xiàn)過程真實地展現(xiàn)在學生面前，還原科學實驗的本來面目，使學生從中體會到“做科學”的樂趣，有利于培養(yǎng)學生獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題的能力。如白濤(2010)設計了基于手持技術的探究式教學流程進行“冰醋酸的電離”教學，將獲得知識的過程展示給學生，幫助學生建立電離平衡的概念［4］。

(2)傳統(tǒng)實驗的改進。手持技術以其多樣的傳感器和強大的數(shù)據(jù)處理能力，使得傳統(tǒng)實驗中難以做到的實驗成為可能，使得學生難以理解的抽象概念原理變得清晰明了起來。如利用pH探頭測量中和反應中pH的變化過程，能直觀地使學生認識滴定終點附近的pH突變過程［5］；利用壓強傳感器測量密封容器中氣壓的變化，可以方便、定量地測定H2O2的分解速率以及乙醇分子的結構［6,7］。

(3)開展研究性學習和科學探究活動。手持技術使得長時間、大范圍、定量性質的實驗得以開展，學生可以利用手持技術十分方便地開展基于社會生活與生產(chǎn)實踐以及社會熱點問題的研究性學習活動。錢揚義等(2006)提出了開發(fā)基于手持技術的研究性學習案例的5個維度：解決傳統(tǒng)實驗難點、減輕認知難點、探究社會熱點、研究變量關系、拓展實踐時空［8］。適用于研究性學習的手持技術實驗有很多，如“食品中維生素C含量的測定［9］”等。

這階段的研究集中于案例開發(fā)，形成了內容豐富的手持技術實驗資源，有助于幫助有效實現(xiàn)新課改所要求的提高學生科學探究能力的目標。同時，在客觀上也有助于廣大教師認識并接受手持技術，有利于手持技術在國內的進一步傳播。但由于缺少完善的理論支持，導致案例的開發(fā)隨意性較大，缺乏系統(tǒng)性。對手持技術的研究較多處于簡單的模仿與學習階段，較多的停留于案例開發(fā)，缺乏以具體數(shù)據(jù)來顯示應用這一新的教學手段的效果或不足，對學生的應用感受也缺乏深入的調查研究。

1.2理論研究階段（約2006年至今）

這一階段的研究中手持技術的實驗案例仍然在繼續(xù)，但研究者已逐漸開始注意從心理學、教育學等角度對手持技術的應用進行理論方面的探討，屬于認知層面的研究。如鄧峰(2006)首次分析了高中生利用手持技術測量溶解氧實驗前后的認知過程，探討信息技術在解決問題類研究性學習中所起的作用，為如何在化學實驗教學中培養(yǎng)學生的信息技術素養(yǎng)和探究能力提出建議［10］。隨后，各師范院校的研究生成為該層面研究的主力軍，研究手持技術的學位論文數(shù)量逐漸增多。其中不僅有手持技術實驗的行動研究，還包括運用心理學的研究方法，以實證研究來深入考察手持技術在學生概念認知以及相關能力發(fā)展方面所起的作用。

這階段的研究主要包括4個方面：(1)實證研究。如王祖浩等(2010)設立實驗組和控制組，運用測驗、觀察和訪談的方法比較學生在化學概念學習方面的認知差異，發(fā)現(xiàn)手持技術對學中生、學困生和女生概念學習的影響比學優(yōu)生和男生更為明顯［11,12］。(2)促進學生學習過程的研究。謝澤琛(2007)通過訪談、現(xiàn)場活動觀察和口語報告法，對中學生運用手持技術解決化學定量實驗問題的心理過程進行研究，為教師利用手持技術培養(yǎng)學生問題解決能力提供參考，并分析了手持技術在問題解決各個環(huán)節(jié)中的獨特作用［13］。(3)教師及學生對應用手持技術的態(tài)度等的研究。鄧峰(2008)分別調查了化學教師和化學選修班學生對手持技術應用于教學中的態(tài)度和認識，并探討了影響手持技術在化學教學中應用的因素［14,15］。(4)教學模式研究。鄧峰(2007)構建了基于手持技術的高中化學教學模式(HBCIM)，包括適用于實驗探究的“6S”模式和適用于課題探究的“10C”模式，該模式對學生的化學成績、化學概念理解水平、化學學習興趣、元認知水平和圖像技能的提高具有更顯著的作用［16］。

與前一階段相比，這一階段的研究具有以下優(yōu)點：開始重視建構手持技術研究的系統(tǒng)化的理論框架；初步開始從教育學、心理學的角度進行手持技術的實證研究，注重運用統(tǒng)計數(shù)據(jù)來說明應用的效果；探討影響手持技術應用效果的因素，開始注意對手持技術教學模式的研究等。但這階段研究的缺點是：理論研究的論文數(shù)相對較少，理論框架仍不完善；仍然缺少足夠的實證研究來支撐手持技術的應用效果，研究方法較簡單；將手持技術作為認知工具的研究不夠深入，缺乏站在學生的角度去探究學生在運用手持技術學習時的心理機制的研究。

1.3前沿研究階段（約2008年至今）

這一階段可以看作是前2個階段的進一步發(fā)展，這階段的研究主要是將手持技術與其他新型實驗手段相結合，為手持技術的進一步應用提供更加廣闊的平臺，如“數(shù)字化氣象站［17］”、“遠程實驗室［18］”等。研究從宏觀的“案例層面”深入到微觀的“認知層面”，逐漸發(fā)展到現(xiàn)今應用于思維建模、遠程實驗室中。研究人員也不斷壯大，形成了包括本科生、研究生和大、中學教師在內的多群體多學科的集團軍。錢揚義教授的專著《手持技術在化學學習中的應用與建模研究》(2009)中，將手持技術當作一種思維建模的工具進行研究，以此促進學生在模型構建、分組合作和學業(yè)成就方面的發(fā)展，代表了目前我國手持技術研究的最新成果［18］。

與前面2個階段相比，這一階段的研究更進了一步，如在研究方法上，從最初的典型樣例法，到口語報告、視頻分析與電腦屏幕記錄等，再到如今的交叉研發(fā)法（需要化學、信息技術與自動化技術研發(fā)新產(chǎn)品）。更加注重借助量表、問卷等調查手段，試圖從更加客觀的角度評價手持技術的應用效果。這一階段的研究剛剛起步，無論是在技術上和理論上都存在很大空間，有待相關的研究者做進一步的探索和發(fā)展。四、手持技術的具體應用例如：探究影響化學反應速率的因素【實驗目的】加深對手持技術這一教學手段的了解，認識手持技術中氣壓傳感器，學會運用手持技術開發(fā)并設計實驗?！緦嶒炗闷贰績x器：帶支管的試管（兩個）、橡皮塞（兩個）、注射器、膠皮管、數(shù)據(jù)采集器、壓強傳感器（配套）、手持技術配套軟件、酒精燈；藥品：3%過氧化氫溶液、二氧化錳、去離子水?！緦嶒灢襟E】1.軟件的基本設置：打開探索之星，雙擊DisELAB,選擇有線，啟動；點擊工具欄中的文件新建文件，在選項中進行實驗屬性設置，在基本參數(shù)中采樣頻率設為1Hz，結束實驗參數(shù)中采樣總秒數(shù)設為500s；打開圖形工具欄，圖形標題可以命名為“催化劑對化學反應速率的影響”，左側縱坐標中點擊曲線，選擇0號氣壓傳感器，畫線，畫點，右側縱坐標中點擊曲線，選擇1號氣壓傳感器，畫線，畫點，橫坐標中點擊數(shù)據(jù)，選擇時間。2.取10mL左右的3%過氧化氫溶液加入到試管1中。3.取少量二氧化錳加入到試管2中，再用注射器取10mL左右的3%過氧化氫溶液并扎在橡皮塞上，將此橡皮塞塞在試管2管口，暫時不加入。4.開啟