傳感器在高中化學(xué)課堂中的應(yīng)用與反思

【摘要】本文分析了數(shù)字技術(shù)在高中化學(xué)課堂中的創(chuàng)新應(yīng)用，特別關(guān)注了傳感器的使用對學(xué)生自主學(xué)習(xí)與反思的積極影響。傳感器作為先進(jìn)的教學(xué)工具，能實(shí)時(shí)展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使學(xué)生獲得直觀、真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用不僅拓寬了學(xué)生的知識視野，更培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，提升了學(xué)生的動手能力和科學(xué)素養(yǎng)；也為課堂教學(xué)注入了新鮮的活力，為教育模式開啟了更多的可能。【關(guān)鍵詞】數(shù)字技術(shù)；傳感器；化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究黨的二十大報(bào)告提出“推進(jìn)教育數(shù)字化，建設(shè)全民終身學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)型社會、學(xué)習(xí)型大國”；2024年《政府工作報(bào)告》提出“大力發(fā)展數(shù)字教育”。當(dāng)今世界，科技進(jìn)步日新月異，互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)深刻改變著人們的學(xué)習(xí)方式和生活方式，推進(jìn)教育數(shù)字化是貫徹落實(shí)科教興國戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的重要“先手棋”。目前，我國正深入實(shí)施教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動，信息技術(shù)的快速更迭為教育高質(zhì)量發(fā)展注入動力，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展推動了人類的思維方式、生產(chǎn)生活方式以及學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。隨著人工智能、人工智能+、大數(shù)據(jù)、大模型等技術(shù)的逐漸普及與興盛，數(shù)字化技術(shù)已成為促進(jìn)世界經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要?jiǎng)恿1][2]?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》要求，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中要重視實(shí)驗(yàn)探究與實(shí)踐活動的設(shè)計(jì)，其中就包含數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)踐活動等，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究的活動中學(xué)習(xí)學(xué)科方法，認(rèn)識科學(xué)探究過程，體會、認(rèn)識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學(xué)科學(xué)的重要價(jià)值，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、勇于實(shí)踐的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展實(shí)踐能力，并且在設(shè)計(jì)情境時(shí)，要保障應(yīng)具有真實(shí)情境性，體現(xiàn)時(shí)代性，有利于學(xué)生知識視野的拓寬，感悟科學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境的相互影響；應(yīng)適當(dāng)融合跨學(xué)科知識，發(fā)展學(xué)生解決綜合問題的能力。由此可見，以學(xué)生為主體的高中化學(xué)課堂需要數(shù)字化手段來進(jìn)行支撐，教師在引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究活動或指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動時(shí)，就要保障學(xué)生能夠通過教師設(shè)計(jì)的教學(xué)活動，得到“真”數(shù)據(jù)，觀察“真”現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)“真”問題，獲得“真”指導(dǎo)，提高“真”本領(lǐng)[3][4]。傳感器在教學(xué)中的使用，就可以幫助師生實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)。本文以“在研究原電池輸出電壓中微電流傳感器的應(yīng)用”為例進(jìn)行闡述。教學(xué)內(nèi)容介紹本節(jié)課是高一年級“化學(xué)反應(yīng)與能量”中學(xué)習(xí)完原電池基本工作原理后的實(shí)驗(yàn)探究課，以“銅、鋅、硫酸銅所形成的原電池提供的電壓無法使手持風(fēng)扇正常運(yùn)轉(zhuǎn)”為真實(shí)情境，提出“研究有哪些方法能夠提高化學(xué)電源輸出的電壓”的挑戰(zhàn)性任務(wù)，學(xué)生通過思考物理學(xué)科中閉合電路、歐姆定律等相關(guān)知識，提出可能影響電源輸出電壓的因素，并利用數(shù)字化手段——傳感器更精準(zhǔn)、直接地對猜想進(jìn)行研究和驗(yàn)證。應(yīng)用意圖在以往的實(shí)驗(yàn)中，多用電流表、靈敏電流計(jì)等器材，通過儀表指針的偏轉(zhuǎn)從而證明原電池的形成。但每次在實(shí)驗(yàn)中容易受電解質(zhì)溶液的濃度、電極腐蝕程度、導(dǎo)線新舊（生銹程度）影響，導(dǎo)致每組實(shí)驗(yàn)中指針偏轉(zhuǎn)的幅度不同，儀表在使用的過程中也存在誤差。本案例選擇將微電流傳感器與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，學(xué)生在研究影響因素的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像，并能同步錄制實(shí)驗(yàn)視頻，通過對數(shù)據(jù)或圖像的分析就可以快速驗(yàn)證自己的猜想。應(yīng)用策略及過程1.猜想與假設(shè)學(xué)生通過思考與討論，提出以下可能影響原電池輸出電壓的因素：①電解質(zhì)溶液濃度；②電極與電解質(zhì)溶液接觸面積；③正負(fù)兩極的間距；④電極片種類（改變電池反應(yīng)）；⑤電極的薄厚，并任選研究的對象，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路進(jìn)行驗(yàn)證。2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證促成學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與反思學(xué)生根據(jù)小組所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)思路，利用微電流傳感器對影響因素進(jìn)行研究。由于傳感器的準(zhǔn)確性和精度都要更高，這也導(dǎo)致真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境中一些微小操作就會對整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成較大的偏差。比如，學(xué)生在研究“電極片間距的改變對原電池電壓的影響”時(shí)，就沒有得出“電極間距越小，電源輸出電壓越大”的預(yù)期數(shù)據(jù)。實(shí)際在實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生是通過移動電極片來調(diào)整間距。有控制鋅片不動，移動銅片的；還有同時(shí)將兩個(gè)電極片靠近甚至接觸的。由于學(xué)生操作的不同，以及真實(shí)情境中可能遇到的問題，學(xué)生們得到的結(jié)果就有明顯差異。不過，這種與預(yù)期差距較大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，反而可以更好地引導(dǎo)學(xué)生做更深入的自主學(xué)習(xí)與思考。多次嘗試、多次試錯(cuò)，不同的數(shù)據(jù)結(jié)果可以引發(fā)小組內(nèi)更加熱烈的討論。在實(shí)驗(yàn)研究之后，即使沒有測出預(yù)期效果的學(xué)生也會分段分析自己組得出的數(shù)據(jù)，分享小組內(nèi)討論出可能存在的“隱藏因素”。對于“改變間距，影響原電池電壓”組的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)的“隱藏因素”有鋅片上包裹的銅膜的脫落，改變間距過程中導(dǎo)致的液面高度變化（電極片與電解質(zhì)溶液的接觸面積），移動電極片過程中導(dǎo)致電解質(zhì)溶液流速的變化（離子遷移速率）等，可能都會影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在分析的過程中，學(xué)生也對其他組同學(xué)找到的“隱藏因素”特別感興趣。應(yīng)用的教育意義在當(dāng)今信息爆炸的時(shí)代，數(shù)字技術(shù)以其獨(dú)特的魅力，為學(xué)生打開了一扇通往自主學(xué)習(xí)與深度反思的窗戶。透過這扇窗，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和深度反思，不僅能發(fā)現(xiàn)自身學(xué)習(xí)的薄弱點(diǎn)，還能得到更為精準(zhǔn)的幫助和指導(dǎo)，提高學(xué)習(xí)效率，獲得更多的學(xué)習(xí)成就感，從而使學(xué)習(xí)走上越學(xué)習(xí)越有收獲的良性循環(huán)。數(shù)字技術(shù)對學(xué)生自主學(xué)習(xí)與深度反思的作用及影響表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）從電子書籍到在線課程，從教學(xué)視頻到專題論壇，學(xué)生們可以輕松地找到與學(xué)科相關(guān)的各種資料。數(shù)字技術(shù)為學(xué)生提供了一個(gè)海量的學(xué)習(xí)資源寶庫，這些資源不僅豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，更激發(fā)了他們的探索欲望，讓他們在知識的海洋中暢游。（2）在數(shù)字技術(shù)的支持下，學(xué)生們不再被傳統(tǒng)的教育模式所束縛。他們可以根據(jù)自己的興趣和需求，選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，制定個(gè)性化的學(xué)習(xí)計(jì)劃。這種自主導(dǎo)航的學(xué)習(xí)方式，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，還讓他們在學(xué)習(xí)過程中找到了樂趣和成就感。（3）隨著教師對數(shù)字化手段的認(rèn)識不斷深入，“訊飛星火”“文心一言”等人工智能、大數(shù)據(jù)、大模型技術(shù)也被引入課堂，給課堂增添新的活力。在智慧大腦的加持下，結(jié)合學(xué)生的個(gè)體差異和大數(shù)據(jù)、大模型技術(shù)，可以為每位學(xué)生提供精準(zhǔn)的個(gè)性化輔導(dǎo)和幫助。這不僅是對傳統(tǒng)課堂的一次革新，更是對學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主反思能力的極大賦能?？傊瑪?shù)字技術(shù)在理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有巨大的潛力和價(jià)值。當(dāng)然，通過加強(qiáng)對教師和學(xué)生的數(shù)字技術(shù)培訓(xùn)和不斷實(shí)踐，教師就可以不斷開發(fā)數(shù)字技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，創(chuàng)建自己的教學(xué)特色，更為