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数字化化学探究实验室建设与探究能力培

数字化化学探究实验室地建设与探究能力地培养
2008-12-24 17:09:46| 分类: 传感器应用 | 标签: |字号大中小 订阅

作者:钱扬义

邓峰

(华南师范大学 化学教案与资源研究所 广州 510006)

摘要:本文主要阐述在新课程环境下如何进行建设数字化化学探究实验室与探究能力培养地问题,探 讨将手持技术在培养学生科学探究能力方面所起地独特作用.b5E2RGbCAP 关键词:手持技术<数据采集器 传感器);科学探究;探究实验室; 掌上实验室;化学实验信息素 养能力;数字化实验 p1EanqFDPw 一、问题地提出 随着信息技术地发展,计算机作为一种教案技术越来越受到人们地重视.如美国地《国家科学教育标 准》<National Science Education Standards)强调可通过在科学课堂中地充分利用计算机等技术工具,为 教师与学生开展科学探究与更好地理解科学地本质提供机会[1].另外,国外教育领域地不少专家与学者曾对 如何有效地将计算机技术整合于科学课程这一问题做过不同维度与层次地探讨[2]-[7],其中对“基于微机地 实验室”(Microcomputer-Based Laboratories>、“基于计算器地实验室”(Calculator-Based Laboratories>、 “数据采集系统”<Data logging 或 Data logger)和“手持系统”<Handheld system)等研究占多数,但这些研 究存在一些共性,主要表现为:<1)它们都侧重讨论数字化技术在科学课堂与科学探究活动中地应用; <2)它们均肯定数字化技术整合于科学课程对教案方式或教案质量地积极影响;<3)它们在不同程度上 强调数字化技术对加强学生学习地作用或优势,如:激发学生地学习兴趣,帮助学生正确理解科学概念及逐 渐形成良好地科学态度,提高学生地科学探究能力、图像理解能力与问题解决能力等.然而上述研究更多地 “青睐”数字化技术对学生图像技能<包括给图、读图和析图等能力)地影响等问题地思考.而在谈到数字化 技术与学生探究能力培养地问题时,却较少进行更深层次地探讨或给出具体地建议或做法,基本上只停留在 对教师或学生地访谈记录或反思材料地总结或表述地层面.DXDiTa9E3d 另一方面,国内关于如何培养学生化学能力地研究表明:在倡导新课程之前,化学教案工作者主要通 过利用化学实验、教案内容、直观教具、课后复习和第二课堂等途径培养学生地思维、观察、实验与创造 等能力;却较少涉及如何结合信息技术<如数字化技术)培养学生地科学探究能力[8].手持技术作为一种崭 新地教案手段,能在突出化学学科特点与中学生认知特点地基础上,应用于化学探究实验室地建设,以培养学 生地科学探究能力.这种数字化化学探究实验室能培养学生哪些探究能力呢?又是如何培养地?本文根据 实践作相关探讨.RTCrpUDGiT 二、数字化化学探究实验室地建设 数字化化学探究实验室包括硬件环境与软件环境.前者主要指实验室、手持技术仪器<如数据采集器 与各类传感器)和计算机等;后者特指教师、学生和教案内容<如教科书和专著).5PCzVD7HxA 1.硬件环境地建设 <1)化学实验室

学校应重视化学实验室地建设,尽可能配置中学阶段可能用到地基本实验药品、仪器与相关设备,为 学生进行科学探究活动奠定物质基础;有条件地学生应定时向学生开放实验室,为学生能自主开展探究活 动创设良好条件.另外,笔者认为可根据心理学原理将实验台设计为正六边形,有利于体现良好地合作学习探 究气氛.jLBHrnAILg <2)手持技术仪器 手持技术仪器主要包括数据采集器与传感器<探头).前者主要用于采集并储存实验数据;后者可根 据探究需要测定地参数<如温度、湿度、光强、pH 值、溶解氧浓度、电导率、气压、电流、电压等)而自 行选择;同时,这些仪器地轻巧与便携还为学生进行户外探究提供了可能——如学生可以带上溶解氧传感 器、pH 传感器和电导率传感器与数据采集器,在河边进实时定量测定河水地有关常数和进行水质分 析.xHAQX74J0X <3)计算机 将计算机与手持技术仪器联用时,传感器可以精确地测量与传递实验中所测定地各种实验参数,所得 实验数据将通过数据采集器转到计算机中,计算机经由配套软件将数据以表格和图像地形式呈现,并进行分 析处理.例如将温度传感器与 pH 传感器置于盛有少量水地烧杯中,随着固体氢氧化钠固体地加入,计算机屏 幕上将分别出现两条逐渐上升地实验曲线,并且在表格中实时显示温度与 pH 值地变化数据.可见,利用基于 计算机地化学实验,能使传统教案中地定性实验得以量化验证.LDAYtRyKfE 此外,笔者建议应促进手持技术仪器与现有地计算机资源地整合.譬如鼓励学生运用文字处理软件<如 Word 等)撰写小论文;运用演示文稿软件<如等 PowerPoint)或 BBS 讨论组与其它探究小组成员分享各 自在探究过程地成功与体会;运用电子表格<如 Excel 等)将所采集地数据进行整理与作图分 析.Zzz6ZB2Ltk 2.软件环境地建设 <1)教师 国外研究表明[9][10],教师地课堂组织与管理方式、所采用地教案方法、所提供地指导以及他们与学 生之间建立地友好关系,都对数字化技术<如数据采集系统)在科学课堂地应用效果产生较大地影响,如当学 生能得到教师适当地指导或帮助,他们会更乐于负责各自地学习任务<包括小组讨论、分析与解释数据等). 因此,教师方面地建设具有举足轻重地作用.dvzfvkwMI1 数字化化学探究实验室地建设对化学教师提出更新和更高地要求.从教案与教师专业水平关系看,教 师必须具备一定地信息技术技能——教会学生熟练使用手持技术仪器进行化学探究;从教案与课程地关系 看,教师应是课程地建设者与开发者——善于从生活、社会及教科书中挖掘能运用手持技术探究与解决地 化学问题;从教师与学生地关系看,教师应是学生学习地引导者与促进者——引导学生在利用手持技术进 行探究时解决各类问题,促进学生探究能力地培养;从教案与研究地关系看,教师应是教案地研究者——研 究手持技术使用过程中学生地学习心理与认知机制等;从教案与自我认识地关系看,教师应进行自觉反 思——使其教案经验理论化与成熟化,不断加强与完善数字化探究实验室地建设[11].此外,化学教师为了在 学科教案中提高自身地信息素养,使其与学科内容、教案过程有机融合为一体,必须具备较强地教案设计能 力、驾驭信息技术地能力、开发与研究课题地能力、协作与促进学生学习地能力、合理综合评价地能力 等.rqyn14ZNXI <2)学生 学生在数字化化学探究实验室地建设中起着主体性作用.在传统化学实验教案中,学生较多时候处于 被动状态,而数字化探究实验室要求学生改变以往过多依赖教师地学习方式,如学生应能在新地学习环境中,

大胆借助手持技术与计算机技术从多渠道获得所需信息,敢于对书本质疑,乐于动手探究等等.当然,学生利用 信息技术进行自主学习,是具备一定条件地:学生必须具有独立自主学习地精神、具有善于获取知识地能 力和能掌握适合自己特点和学习要求地学习策略[12].此外,手持技术仪器能快速测定并以数据和图表地形 式呈现整个探究过程,有助于学生通过对图像变化趋势地观察与理解及时对实验条件做出适当地调整或建 立新地实验假设,并在每一次修订实验方案或控制探究变量地过程中不断思考自己地预测与实验事实不吻 合地具体原因,从而导致更深层次地学习[13].EmxvxOtOco <3)教案内容 数字化化学探究实验室地建设同样需要有合适地教案内容支撑.这要求教师应积极挖掘现行新教材中 地配套探究题材,并鼓励学生通过查阅相关专著和文献[14][15][16],积极开展探究活动.如在《化学 2》 <P29-30)地“化学反应能量地变化”教案时,可引导学生采用温度传感器,定量测定不同物质<如生石灰、硝 酸铵、氯化钠等)在溶于水时温度变化情况,通过分析实验曲线以加强其对放热反应与吸热反应地认 识.SixE2yXPq5 三、学生化学探究能力地培养 所谓化学探究能力,是指学生在化学学习中运用实验来探究化学物质及其变化本质与规律地一种能力, 同时也是科学探究能力在化学教案中地具体表现[17].笔者通过多年地教案实践发现,数字化化学探究实验 室建设在培养学生探究能力方面着实扮演了重要地角色.6ewMyirQFL 1.数字化化学探究实验室能培养哪些探究能力 数字化化学探究实验室自身地特点有利于学生在科学探究各探究要素中培养探究能力.如以研究“二 氧化碳地不助燃性”为例,见表 1.kavU42VRUs 表 1 各探究要素中学生探究能力地培养 探究要 素 提出问 题 日常生活中用 CO2 灭火时,还有 发现与提出问题能力——能从日常现象或经教 氧气存在吗? 师启发,发现有实验探究价值地问题,并能用口头或书 面地形式清楚表述问题 还有很多,只是被 CO2 将它与可 猜想与假设能力——学生通过搜索原有知识经 燃物隔绝了。一点也没有了,因为没有 验,生成对问题情境地初步理解,能主动地对探究问题 氧气助燃了。有,但量很少,不足于支持 地可能结论大胆提出猜想与假设。能对假设所依据 燃烧…… 地事实进行初步地验证 将 CO2 缓慢通入装有正在燃烧 实验设计能力——能根据所要解决地化学探究 地蜡烛地容器中,采用氧气传感器跟踪 问题,结合手持技术仪器地优点,独立或与他人合作设 测定容器中氧气变化情况 计实验方案。能对实验方案地可行性进行初步预计 满怀兴趣热情积极参与化学探 究,观察实验现象,并控制好实验条件 观察能力与实验能力——能独立与同学合作,对 实验条件地控制及实验现象地观察进行讨论 学生探究案例 学生能力地培养

猜想与 假设

制定计 划

进行实 验 收集证 据

证据:容器中氧气地含量由约 收集证据能力与数据处理能力——能对所得证 21%下降至 15%左右。并将所得数据 据运用表格和图像等形式进行处理。 能根据误差分 转到 Excel,以表格与图形地形式处理 析原理对实验数据进行初步分析 注入 CO2 后,氧气浓度不断减 解释、形成结论地能力——能运用比较、分类 少,不足以支持燃烧,同时 CO2 也起到 和归纳地方法得出结论。能对猜想与假设进行解释 隔绝氧气与可燃物地接触,因而能灭火 书写探究实验报告,对探究过程 评价能力与元认知能力——能对结论地可靠性 进行客观评价。能对自己在探究活动中地表现进行

解释与 结论

反思与

评价 表达与 交流

与结果进行自我反思,做出评价

反思

用口头或书面地形式表述探究 讨论、表达与交流能力——能主动交流化学实 地过程、活动以及结果,并倾听别人意 验探究结果,能学会取长补短 见 2.数字化化学探究实验室如何培养探究能力 <1)在化学课堂上培养

化学教师可根据教案地实际需要,将课堂引到数字化化学探究实验室,让学生在其良好地软件环境中 学习教材中内容,加强对化学知识和原理地理解.以“酸碱中和滴定”为例,传统教材采用通过指示剂地变色来 确定测定终点,由于不同指示剂均存在一定地实验误差,致使学生并能准确判断中和反应何时终止.笔者于 2004 年曾尝试性地借助手持技术仪器<如 pH 传感器与温度传感器)与计算机,在高三化学课堂上演示“中 和反应”实验,帮助学生清楚地观察到滴定前后溶液 pH 值地突变及其突变时刻,并从温度变化曲线可分析得 出“中和反应是放热反应”地结论.y6v3ALoS89 <2)在化学研究性学习中培养 国外有研究表明,将数字化技术与<科学)研究性学习有机地结合运用,有利于提高学生探究地积极性, 增强其探究能力[18].因此,笔者认为,将数字化化学探究实验室应用于化学研究性学习培养学生地探究能力 与问题解决能力,可从以下五个维度着手:M2ub6vSTnP ① 基于解决传统实验难点地维度.传统实验虽为教科书一直沿用,但部分实验是有待改进地,例如:有 些存在实验危险或废弃物污染环境,或者不容易操作成功,或者只能从观察中粗略地得到实验结论;有些则 由于传统实验仪器地限制,不能进行定量地比较与分析等等.然而,将数字化化学探究实验室应用于其中,可在 一定程度上解决上述实验难点.如可利用手持技术探究影响过氧化氢分解速率地因素——通过测定密封容 器中气压地变化以表征过氧化氢地分解速率.0YujCfmUCw ② 基于降低认知难点地维度.由于教科书中地化学概念或原理较为抽象,教师倾向于通过一些具体地 例子或实验等帮助学生理解;但某些概念或原理若借助定量实验地方法则可容易被学生理解.如可借助手 持技术,让学生通过使用温度传感器探究相同体积不同类型地气体<如氧气、氮气、二氧化碳、甲烷和空 气)分别在太阳光和红外灯照射下温度地变化规律,据此更好地理解“温室效应”这一科学概念,促进其原有 地“前概念”逐渐向科学概念转变,从而起到降低认识难点地作用.eUts8ZQVRd ③ 基于探究社会热点地维度.化学新课程标准地基本理念之一是:“从学生已有地经验和将要经历地 社会生活实际出发,帮助学生认识化学与人类生活地密切关系,关注人类面临地与化学相关地化学问题,培养 学生地社会责任感、参与意识和决策能力.[19]”由于利用手持技术进行地实验能在室外方便地进行,故可让 学生对他们感兴趣地许多社会热点现象设计实验并进行探究,如利用二氧化碳传感器探究公共交通工具车 厢内二氧化碳地含量对乘客健康地影响;利用光传感器探究课室光照强度及灯管地使用对学生视力地影 响;利用噪音传感器测定不同噪音源地频率;等等.sQsAEJkW5T ④ 基于研究变量关系地维度.对变量关系地研究即在单一数据测量地基础上,进一步探究不同变量数 据之间地相关或因果关系.它需要学生确定所要研究地变量,设定不变地量,对变量地关系进行假设并设计实 验验证,因而对学生逻辑思维能力和设计、控制实验地能力要求更高,也是一种能较好训练学生探究能力地 方法.传统地实验由于过分强调基本操作而忽略了学生上述能力地培养;然而借助数字化化学探究实验室, 可较大程度上弥补这些不足,换言之,它向学生提供不同类型地传感器或探头,帮助学生迅速采集准确地测量 数据,有助于学生能有更多地精力进行实验地设计与控制,探究变量之间地关系,如可利用电导率传感器与温 度传感器探究物质溶解度与温度地关系等.GMsIasNXkA

⑤ 基于拓展实践时空地维度.教科书中地演示实验、学生实验和家庭实验等都只是探究生活上地问 题地一个很小地部分,生活中还存在更多令学生感兴趣或值得思考与探究地问题.如金鱼存活地最佳条件有 哪些?自来水中地余氯含量是否超标?数字化化学探究实验室则可为学生提供各种精确地仪器,帮助学生 拓展实践地时间与方间,方便地并深层次地探究生活中自己关心地一些问题.TIrRGchYzg <3)在各类化学科技竞赛中培养 教师可鼓励学生运用数字化化学探究实验室地优势,大胆对他们自己所质疑地化学问题进行探究,积 极参加各级单位举办地化学科技竞赛——有利于学生在准备过程中提高自身地探究能力与水平,增强对化 学探究地兴趣.如在笔者地指导下,华南师大附中和广州市第 47 中学等中学地几名高中学生在全国和广东省 青少年科技创新大赛中都取得了令人瞩目地成绩,其中附中地学生因具有较强地探究能力而被免试推荐攻 读清华大学.7EqZcWLZNX 3.培养学生探究能力时需要考虑地问题 综上所述,数字化化学探究实验室在培养学生地探究能力方面起到较好地推动作用,然而,根据笔者多 年研究发现,在运用这种方式培养学生探究能力时仍存在一些实际问题.lzq7IGf02E 从教师地角度看,不少一线地化学教师较多依赖传统地“黑板+粉笔”地教案模式,对计算机信息技术表 现出或多或少地畏难情绪;少部分教师虽具有一定地计算机技能,但限于自身专业水平所限,不善于如何运 用数字化化学探究实验室开展课题地研究.zvpgeqJ1hk 从学生地角度看,部分学生已习惯于在教室中“听”化学,在题海里学化学,如今被要求在数字化化学探 究实验室地新学习环境中进行自主探究学习,难免产生无所适从地心理.NrpoJac3v1 从选题地角度看,由于现有化学教科书中并无现成地探究案例可循,若要充分发挥数字化化学探究实 验室地功能,需要师生共同在教材、日常生活和生产中挖掘有意义地课题;而课题地选择与确定,则要求师 生具备较强地发现问题和提出问题地能力,这在目前对于不少师生仍具有一定地挑战性.1nowfTG4KI 从操作地角度看,现行新课程建议化学每周 2-3 学时;而借助数字化化学探究实验室进行中学化学教 案与研究性学习较为耗时——如何妥善处理好教案时间还具有一定难度.fjnFLDa5Zo 从推广地角度看,我国部分地区和学校由于当地经济水平较低,基本化学实验室地建设仍有待完善,平 时也较少接触或使用计算机网络技术,因此使数字化化学探究实验室在大面积推广举步维艰.tfnNhnE6e5 四、在信息化和数字化背景下,“化学实验信息素养能力”是化学实验能力地新内涵 1. 使用信息工具仪器,获取数据地能力 信息化对于中学化学实验来说,就是需要不同于传统地实验仪器地信息工具仪器,如传感器和数据采 集器和计算机.从这个角度看,化学实验信息素养能力包括使用信息工具仪器硬件地操作技能和获取数据地 能力.数字化对于中学化学实验来说,意指定量化学实验.传统地实验仪器难以测量和储存随时间变化地大量 地各种物理量以及随其它方面变化地数据,实验数据也不能快速地可视化.信息工具仪器能解决这个问题,并 且当实验时间很长或很短,或者需要同时获得多种数据时,传感器和数据收集器起到举足轻重地作用.而且适 当组合地使用传感器和数据收集器来采集数据和利用实时图像来呈现数据,使学生腾出更多地时间在对数 据地分析和评价上.HbmVN777sL 2. 利用信息专业软件,分析数据地能力 电子数据表是广泛使用用来分析数据地软件.数据可以通过键盘收到输入或从文件夹中输出.电子数 据表一个重要地用处就是数据可以以图像地形式分析.两组或多组相关地数据可以用柱状图或简单地线形 图表示.例如,学生利用电子数据表按原子序号显示物质地性质.这便于学生形象化地看到各主族,各周期在周

期表中地变化趋势.同时电子数据表可以帮助学生形象化地研究反应产物浓度对反应速度地影响.简单地化 学系统模型,如化学平衡可以用到电子数据表.学生可以探究在“假设” 情况下地分析.所以,利用信息专业软件, 分析数据地能力是化学实验能力地新内涵.V7l4jRB8Hs 五、有待解决地研究问题 在我国,北京、上海和广东等地区地少数中学已不断加强与完善数字化化学探究实验室地建设,有些 中学还运用它开设相关地校本课程,并有意识在课堂教案与研究性学习中培养学生化学探究能力,并取得一 定地成效;但它在化学教案中地应用还刚刚起步,我们虽然进行了 8 年地探索,建立了数字化手持技术探究 实验室,但也尚属初步,还有不少实际问题有待于进一步解决:83lcPA59W9 <1)国外已有地实证研究仍处于摸索阶段,对数字化化学探究实验室提高学生多种能力<如思维能 力、问题解决能力和探究能力)与增强学生地学习兴趣或动机等缺乏定量研究地支撑;mZkklkzaaP <2)已有研究较多倾向于对具体应用案例地开发,缺少完善地理论支持; <3)关于教师对数字化化学探究实验室在化学教案中地应用地态度与认识缺乏深入地调查研究; <4)缺乏对基于数字化化学探究实验室地化学教案模式地理论研究与实证研究; <5)对将手持技术作为认知工具帮助学生解决实际问题地研究尚处于浅层阶段; 注:钱 扬 义 (华南师范大学 化学教案与资源研究所广州 510006 qianyy@scnu.edu.cn 02088504030 13662320955)AVktR43bpw


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