（课程与教学论专业论文）基于传感器技术的中学化学实验开发及教学应用研究.pdf

中文摘要 传感器技术是一种与现代科学密切相关的新兴技术，具有便捷、直观、实时、 准确等特点。在中学实验教学中引入传感器技术，不仅使某些在当前条件下无法 实现的实验成为可能，还能促使学生了解先进的科学技术，获得科学的学习方法， 形成正确的学习态度。 为了推进传感器技术在中学化学教学中得到充分的应用，本论文从两个方面 着手进行研究：实验开发研究及实验教学研究。在进行实验开发研究时，我们主 要利用传感器技术对传统实验进行改进，不仅使实验过程中的变化更为明晰、现 象更为清楚，而且从定量的角度反映实验过程中的变化。在进行实验教学研究时， 我们运用行动研究模式进行三轮行动研究，探讨了传感器技术在中学化学实验教 学中的实施途径及效果。 通过本论文的研究，笔者认为传感器技术作为一种非常重要的技术手段，一 方面弥补了传统实验工具的缺陷，将传统方法不能实现的实验变得简便，另一方 面革新了化学实验仪器与方法，拓展了化学实验的内容。将传感器技术应用于探 究性学习，可以取得传统实验无法在达到的良好效果，有利于提高教学的效率， 尤其在研究化学反应速率较快、计算原理复杂、耗时过多、学科综合性强、没有 确定答案的探究型课题发挥着重要的作用。 笔者在研究过程中还发现，由于学生的基础有限，在教学过程中应促使学生 掌握传感器使用的方法，而不应将重点放在对传感器原理的理解上。在学生运用 传感器技术开展实验前，教师应注意做好前期准备工作，并对学生进行指导。此 外，笔者收集了学生对该技术进行教学的有效性、可操作性和认同性作了分析和 总结。 但是传感器技术在中学化学教学中的应用还远远不止这些，还需要在今后的 长期的研究中不断摸索和总结经验。 关键词：传感器技术化学课程实验教学 a b s t i a c t t r a n s d u c e r t e c h n o l o g yi sc 量o s e l yr e l a t e dt om o d e 玎ls c 记n c e i ti se a s y t o c o n d u c t ， v i s u a l ，r e a l t i m ea n da c c u r a t e 。a p p l i c a t i o no ft r a n s d u c e rt e c h n o l o g y t oc h e m i c a l e x p e r i m e n tt e a c h i n g n o t o n l ym a k e si tp o s s i b l e f o rs t u d e n t st oc a r r yo u tt h o s e e x p e r i m e n t st h a t a r ed i f f i c u l tt o n d u c tt t l r o u 曲t r a d i t i o n a im e t h o d s ，b u ta l s o e n h a n c e ss t u d e n t s u d e r s t a n d i go fm ea d v 卸c e ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g y h c l p st h 啪 o b t a i n 山es c i e n t i f i cl e a m i n gm e t t l o d s 孤df b 皿t h ec 0 玎e dl e a m i n ga t t i t u d e t op r o m o t et h eu s eo f t r a i l s d u c e r t e c h n o l o g y 血h i g hs c h o o lc h e m j c a lt e a c h i n g ，i n m i sp 8 p e rr e s e a r c h e sa r ec o n d u c l e di nt w oa s p e c t s ，n a m e l y c h e m 妇l le x p e r i m e n t s d e v e l o p m e ma n dt h e i ra p p l i c a t i o no nt e a c h i n g mt h ef i r s tp a n ，仃a s d u c e rt 妇1 0 9 y i sc o m b i n e dw i t ht r a d i t i o n a le x p e r i m e n t s ，m a k i n gt h ec h e m i c a lc h a i l g e sm o r ev i s i b l e a n da b l et ob et e s t c dq u a m i t a t i v e l y 1 1 1t h es e c o n dp a r t ，t h r e et u m s0 fa c t i o nr e s e a r c h e s h a v eb e e nd o n ea c c o r d i n gt ot h ea c t i o nr e s e a r c hp a t t e m a f t e rt h a tm e 弱u f e sa n d e f f e c t so ft r a n s d u c e rt e c h n o l o g y sa p p l i c a t 主o nt oc h e m i c a le x p e r i m e n tt e a c h i i l g 盯e d i s c u s s e d 疵o r d m g t ot h i sp a p e r ，t r a n s d u c c r t e c h n o i o g yi sav e r yi i n p o n a n tt e c h n o l o g y 1 n o n eh a n d ，i to v e r c 锄e st h ew e a k n e s so f 位l d i t i o n a ll a b o r a t o r ye q u i p m c n t s 如d 叫【c s t h o s ee x p e r i i n e t st h a t 盯eh 盯dt od ot h r o u g ht r a d i t i o n a lw a ye a s yt 0 n d u c t - k a n o t h e rh 蛐d ，i ti sa i li n n o v a t i o no fc h e m i c a le x p 面m e n t a ia p p a r a t u sa i l dt e a c h i n g m e t h o d m o r ec h 锄j c a le x p e r i i n e n t s 盯ea v a i l a b l eb yu s i n gt r a n s d u c e rt e c h n o l o g 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a c h i n gu s i n gt r a n s d u c e rt e c h n o l o g ya n ds t u d e n t s a g r e e m e n t a r ea n a l y z e d h o w e v e r ，t h ea p p l i c a t i o no ft r a n s d u c c rt e c h n o l o g yi nm eh 培hs c h o o lc h e m i c a l t e a c h i n gi sf a rb e y o n dt h i sp a p e li tn e e d sm o r ee x p l o r a t i o na n dr e f i n e r y i nt h e i o n g - t e 芏mr e s e a r c ha n dt e a c h i n g k e y w o r d s ：t r a n s d u c e r t e c h n o l o g y ，c h e m i s t r yc o u r s e ，c h e i i l i c a le x p e r i m e n tt e a c h i n g 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已 经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：日期：坦：上笙 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学 位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：李秀5 ：2 皤导师张勃必 h 生垂厦煎太堂亟：l 金塞基焦壁矍煎垄虹生芏也生塞墼珏蕉厘墼堂座周壁嚣 基于传感器技术的 中学化学实验开发及教学应用研究 l 研究背景 教育信息化是社会信息化的一个重要组成部分，它是指在教学过程中广泛应 用以电脑、多媒体和网络通信为基础的现代化信息技术，是信息资源开发和利用 及信息社会所特有的重要组织与理论管理方式在教育领域实现的一系列过程。自 2 0 世纪9 0 年代以来，国际教育界出现了以信息技术( i n f 0 衄a t i o n t e c h n o l o g y ) 的广 泛应用为特征的发展趋势，国内学者称之为教育信息化，即在教育领域全面深入 地运用现代信息技术来促进教育改革的过程。【1 墩育信息化的基本特点是教学过 程的数字化、网络化、智能化和多媒体化。1 2 j 说到信息化教育，很多人会想到以多媒体电脑和网络通信为基础的现代化信 息技术，而本论文研究的是传感器技术f n a i l s d u o c r t e c h n 0 1 0 9 y ) 。它是刚刚在我国 中学教育领域崛起的极具生命力的信息技术。 传感器技术是当今世界令人瞩目、迅猛发展的高科技术之一，也是当代科学 技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术共同构成了2 1 世纪信息 产业的三大支柱。形象地说，如果将计算机看作是人类大脑扩展的话，传感器就 是人类五官的延伸。【3 l 传感器技术也是现代科技的前沿技术，它是制造业自动化 和信息化的基础。随着现代检测、控制和自动化技术的发展，在工业生产自动化、 能源、交通、环境与安全监测以及军事等方面开发的各种传感器也显示出了它们 的独特优势。例如，为了使设备在最佳状态中工作或者提高产品的质量，会用各 种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数。当前，发达国家都将传感器技术 作为国家重点开发的关键技术之一，并将传感器与传感器技术的发展水平作为衡 量一个国家综合实力的重要标志。 新的科学技术革命也必然会影响到中学教育，将传感器技术应用于中学实验 教学中，不仅能促使学生了解先进的生产力，感受现代高新技术的魅力，更好地 适应未来社会生活、学习与工作的高度技术化环境，而且能促使学生获得科学的 学习方法，培养科学的学习和工作态度。依靠传感技术可以精确、高效、可靠地 采集各种形式的信息，如何将其渗透到基础教育中，已成为国内外教育界的热门 话题。 化学学习要求充分体现实验这一环节，要求通过学生对实验的观察和思考等 坐丕血亟厶芏塑盈塞基壬篮鲎整撞茎曲主堂丝堂塞墅五筮盈熬生堕且班珏 过程来解决问题，而非过去的根据实验结论来“验证”实验现象，此外增加了很 多拓展型和研究型的学习内容，充分融入了科学探究的思想，从过程与方法的角 度来开发学生的潜能，并给学生发表意见和想法的机会。课程理念的改变势必也 要求对化学实验方法及实验仪器装备进行改革创新，而传感器技术就是一种非常 有效的技术手段。 欧美等发达国家很早就将传感器技术广泛的应用于中学数学、物理、化学、 生物等理科教学中。而我国在这方面的研究起步较晚，从目前国内情况看，绝大 多数学校尚未应用传感器技术，少部分学校对传感技术在物理方面的应用研究比 较多。而在化学方面的应用研究比较薄弱，但是从基础教育课程改革趋势来看， 将传感器技术作为一种实验工具引入到了物理、化学、生物等学科实验中已成为 一种趋势，因为它不仅能弥补传统实验工具的弊端，还能丰富实验研究的内容。 基于以上认识，本文尝试利用传感器技术开发化学实验，并通过实际教学过程的 研究，试图将其应用到中学化学实验教学中，让它真正成为师生的朋友。 1 - 1 化学课程改革的特点 进入2 1 世纪，中学化学教育对教育者来说既是一种机遇也是一种挑战。全 国新一轮课程改革的全面开展，为本文的研究提供了一个良好的研究背景。上海 市中学化学新课程在继承我国传统化学教育有益经验的基础上，积极借鉴和吸收 国外科学教育改革的成果，开拓创新，从化学课程的价值定位、基本理念、设计 思路、课程目标、学习方式等方面进行了全面的改革，体现了以学生发展为本的 思想，重点是培养学生的创新精神和实践能力。 1 1 1 课程目标的全面性 课程目标是实现教育目的和教育目标的重要手段。化学新课程目标的界定 从学生发展、学科发展和社会发展的需要出发，体现了基础性、时代性和选择性。 以往的化学课程目标片面强调了学生知识与技能的培养，而新的课程目标更具有 可操作性，尤其突出了过程与方法、情感态度与价值观在学生认知和发展过程中 的重要作用。 上海市中学化学课程标准使用清晰、便于理解及可操作的行为动词对 过程与方法、情感态度与价值观进行了描述。例如，过程与方法目标分为“感受”、 “认识”和“运用”等层次，情感态度与价值观目标分为“体验”、“感悟”和 “形成”等层次，便于教师在教学和评价过程中把握。此外，新课程特别强调科 学思想和科学方法的教育。科学探究实质上就是在学习过程中让学生运用自然科 学方法经历研究过程。【4 】例如，上海市中学化学课程标准明确指出：让学生 2 望丕娅垫叁芏亟! ，适= 堑基主佳盛墨攮盔鲤主生也芏基建五蕴丛熬堂堕崩丝嚣 学习用化学语言描述物质的组成、结构、性质和变化，学习收集信息、应用实验 和观察手段进行探索和验证；学习质疑、预测、设计、反思、验证以及科学概括、 推理、类比、归纳和演绎等科方法，获得科学过程的体验。( 5 j 1 1 2 教育空间的开放性 教育空间的开放性要求学生走出课堂，面向社会，不断接受书本以外的信息， 产生创造的欲望，找到创造的切入点，在开放的学习环境中，逐步形成创造性思 维能力，并可能产生一些创造发明的成果。州 新课程强化了课程内容与学生生活及社会现实的联系，并强调与现代科学技 术的有机融合，从而克服了传统课程的封闭性，给新化学课程赋予了时代气息。 化学教学也应充分体现化学学科的特点，密切联系社会生产和人们的生活，注重 化学知识的实际应用，引导学生运用知识思考化学、技术和社会的关系，体现了 s t s e 精神。化学新教材在内容上联系社会、生活实际安排了大量探究活动、合 作交流等内容，学生通过质疑、调查、探究等过程了解科学的发展过程，通过参 与科学实践活动，更好地获得和应用化学知识。 1 1 3 教学活动的多样性 既关注学生学习结果，又重视学生的学习过程，提倡多样化的学习方式已 成为课程改革的核心内容之一。学生学习方法的多样性必然要求教师教学方法的 创新和开放。教学方式即引导学生学习的方式和形式，它的开放性要求教学过程 从以教师为中心转为以学生为中心，即向学生开放；从以课堂为中心转向课堂学 习与实践锻炼并重，即课堂的开放。1 7 】对于教学方式的创新不仅要考虑学生学习 的生活方式，而且还要考虑学习的内容，不同的学习内容应有不同的学习方式。 建构主义理论认为，学生在教师创设的良好的学习环境中可以通过实验、独立探 究、合作学习等方式开展学习，基于学生以往已有的经验，依靠他们的认知能力， 提出假设，形成对问题的解释。 理论实验是化学教学的基础，教学活动的开放性主要体现在演示实验、拓 展型以及研究型实验的过程中。演示实验有助于学生理解知识；拓展型以及研究 型实验不仅有助于培养学生的实践能力、分析能力、解决问题的能力，而且有助 于提供学生学以致用的机会，将理论与实践相结合，通过对实验的分析、思考、 操作来锻炼学生的思维。 3 坐苤咂堑盍主亟垃塞墨王篮壁墨整垄啦主堂丝堂塞墅五蕴丛熬生堙且盟赶 1 1 4 现代信息技术的先进性 现代信息技术的普及为中学教育提供r 丰富的资源，它对教学模式、教学内 容、教学方法都会产生深远的影响。新课程强调了现代信息技术在化学教学应用 中的地位和作用。上海市中学化学课程标准中明确提出：“推广在化学实验中 使用图形计算器或掌上电脑( 掌上实验室) 和传感器技术，并应用于课堂教学之 中，特别是应用于研究性学习之中”，“在化学实验教学中，采用模拟实验，提高 实验教学效果；引入数字化传感器技术，革新中学化学实验的内容，拓展实验方 法，节省实验时闻”。1 5 1 目前，现代信息技术的关键是付诸于实践，改进传统的实验方式，不仅仅验 证前人已做过的实验，更重要的是要深入开发探究型的新实验课题，让学生尝试 创造性地使用信息技术解决新问题。在中学教育中，建构信息化的学习环境和新 的学习模式，实现信息技术与学科课程的整合等方面的研究具有十分重要的现实 意义。 1 2 传感器技术简介 人们通常将能把被测物理量或化学量转换为与之有确定对应关系的电量输 出的装置称为传感器，并将此技术称为传感器技术。【8 】传感器技术包括传感器的 研究、设计、试制、生产、检测与应用等诸项内容在内，是一种利用现代电子数 码科技进行实验的方法。 传感器系统一般由传感器、接口设备、数据处理器、数据采集处理软件四 部分组成。常见的数据处理器有图形计算器、计算机、掌上电脑等，它们可以对 采集到的数据进行存储、运算、作图、分析等操作。以图形计算器为核心的手持 式教学工具包括“图形计算器”、“以计算器为基础的实验室( 如c b l ) 系统”、各 种传感器等。 手持技术阻e l dt e c 1 i l o l o g y ) 是一种常用的传感器技术，又称为是掌上技术。 它是由数据采集器、传感器和配套的软件组成的定量采集各种常见数据并能与计 算机连接的实验技术系统，由于其体积较小，在手掌上就可以操作，采集多种数 据，故形象地称为手持技术仪器。【9 】手持技术的应用给学校理科实验室建设和教 学方式的改革引起了革命性的变化，它能使“计算机实验室”转变为“实验室计 算机”。【1 0 】教室计算机弥补了传统教室和计算机教室的不足，能使教学随时随地 进行，兼顾课堂内外的活动，有利于学生的个性发展。 传感器技术作为一种辅助化学实验教学的工具，为现代电子技术信息转换 与处理提供了极其完善的手段，它是传统实验工具的有利补充，同时为中学实验 4 竖筮衄煎厶堂亟建皇基焦壁墨蛙垄曲主堂也鲎塞墅五蕴屋熬堂琏周丛嚣 教学尤其是探究型实验教学开辟了新的途径。 l 。2 。l 化学传感器的基本原理 传感器可把自然界中的各种物理量和化学量等精确地变换为电信号，再经电 子电路或计算机进行处理，从面对这些量进行捡测或控制。1 1 1 】图1 1 表示了传感 器的基本原理框图。【1 2 l 敏感 物理 信号 元件 - - j 化学 h 。 交换 a县 ( 化学量) 变化 1 ( 交换器) 检 测 图1 1 传感器的基本原理框图 通俗地讲，如果将计算机看作是信息技术的大脑，光纤通信看作是信息技术 的神经网络的话，传感器如同信息技术的感觉器官，作为信息系统的信息摄取装 置。 化学传感器是把特定化学物质的种类和浓度转变成电信号来表示的功能元 件，它主要利用敏感材料和被测物质中的分子、离子或生物物质相互接触时直接 或间接地引起电极或电势等电信号的变化，基于这个原理，根据不同的应用设计 出了各种各样的化学传感器。由于可以把外界信息变成电信号，化学传感器被广 泛用于信息处理、监视、自动控制等诸多方面。 1 3 l 化学传感器种类很多，中学阶段最常用的化学传感器有温度传感器、电导率 传感器、p h 传感器、压强传感器等，附录1 中列举了中学阶段常用到的一些传 感器。无论哪种传感器，其工作原理一般都比较复杂，由于其原理都高于中学生 的理解能力，所以应用时的重点不是介绍基本原理，而是让学生掌握传感器技术 的使用和维护，使之成为化学实验的辅助工具，为实验教学服务，从而解决化学 实验教学中的些疑难问题。 1 。2 2 传感器技术的特点 传感器技术能使操作者不受时空的限制，方便、快捷地完成实验测定，数据 采集器、传感器等是必要的组成部分，但为了充分利用计算机强大的运算和数据 处理功能，更好地对实验进行精确操作并对实验结果进行分析、推测，便于操作 者观察、操作、处理数据，教学中运用的掌上型信息技术产品中都会提供其产品 与计算机的接口软件。这种软件与传感器整合后，操作者直接通过配套软件就可 5 坐丕垃型叁芏亟土地塞基王焦盛疆撞丕的主生焦生塞熊噩蕉丛熬芏廛旦塑珏 以进行数据采集、数据储存与数据分析。采集的数据可以通过软件以多种形式呈 现，例如数据表格、数据曲线、刻度等表现方式：软件也丰富了数据分析的功能， 可提供了数据统计、数据公式计算、曲线拟合等，操作简单，易f 学e 接受。 例如，图1 2 是某公司“手持技术”配套的“探世界”软件程序界面( 图1 2 ) ， 它是一个综合性的程序，包括四个窗口：图形窗口、列表窗口、视频窗口以及被 称为数据地图的数据检索窗口，使用时可以同时显示这四个窗口，也可以选择几 个任意组合，能提供数据采集、图形及列表显示、复杂的数据处理、实验过程的 录像等实验所需要的一切支持。 图1 2 “探世界”软件程序界面 在中学教学中引入传感器技术是对传统实验的一种有力补充，其最大的优势 就是拓宽了中学化学探究型实验的内容，使中学化学实验由定性转为定量。表 1 1 列出的是传感器技术与某些传统实验仪器在使用方法、效果等方面的差别。 表i l 传感器技术与传统定量实验仅器的比较0 4 传感器技术传统的定量实验仪器 操作简便，可商接操作c b l ，也可通过图较复杂，不同的仪器的操作 操作形计算器控制：不同的探头往往有类似的方法往往有较大的差异，不 操作，便于掌握 易掌握 精度较高，不同类型探头的精度基本一致视仪器不同而不同，不同仪 精度 器的精度往往相差较大 较短，数据采集时问间隔短，理论上可达较长，取决于实验者的速 数据采集时间间隔 1 0 s 度，一般很难小于1 s 数据记录方式手工、半自动、全自动可选 一般为手工记录 数据处理手工、半自动、全自动可选一般为手t 处理 6 坐丕垃整盘堂亟监塞 基王篮壁墨撞主曲生芏丝芏塞熊荭蕉丛熬堂廑目丛嚣 由图形计算器自动完成，并可无级放大或 手工完成，精度取决于绘图 图像绘制 缩小 纸的刻度 数据、图像等可自动存储于图形计算器的一般存储在纸上 资料存储 内存中，必要时可打印输出 便携性便携性体积小、重量轻、使用干电池 便携性差 各种探头共用一套图形计算器和c b i ，一成套性差用途单一 设备的成套性个c b l ；可同时连接多个探头，同时测得多 个物理量 性价比性价比相对较高性价比相对较低 1 3 国内外传感器技术的教育应用与研究 影响2 0 世纪国外基础教育发展的因素有很多，但目前比较明显是科技。传 感器技术作为信息技术中采集、处理、传播三大关键技术之一，许多国家都把传 感器技术列为尖端技术。美国早在2 0 世纪8 0 年代就声称世界已进入传感器时代， 日本则把传感技术列为十大技术之首。【1 习随着科技竞争的日益激烈，国际教育 出现了将科技与基础教育相结合的新现象，而作为现代信息技术之一的传感器技 术也必然成为中学教育改革的重要内容。我国的基础教育在继承传统的教育经验 的基础上，也在不断的学习国外先进的教育思想和文化，目前我国的理科课程改 革也将传感器技术提到了新的高度。 1 3 1 国外研究状况 全球化已成为当今世界的一个基本特征，为了适应全球化的未来发展，美国 也在提倡教育全球化。在美国，教育界人士在不断增加科学技术在初高中学校教 育的运用。他们希望能通过标准化的设备( 包括所有可利用的技术 、课程和评估 为所有学生建立一个公平化的教育机会。【1 6 】1 9 9 7 年2 月美国总统克林顿提出：“给 我们的孩子最好的教育，我们必须帮助他们利用强大的技术”，在他的努力下， 到2 0 0 0 年美国每一个教室和图书馆都与英特网相连接。 为了能让学生在学校中就能掌握先进的技术，以适应未来社会高度技术化的 环境，国外发达国家早在上世纪就已经开始重视在数理化各学科的教育中融入很 多先进技术。例如，以计算机为核心的i c t f i n f o r i i l a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ) 与教育的整合已经成为当前教育改革中的一种重要趋势，它不只是传 统教育的辅助工具，还是西方国家教育改革( 包括教育目标、内容、方法、形式 变革) 的强大动力。西方国家的学校在过去2 0 多年里已经投资大量资金应用于i c t 方面。现在i c t 已经成为一种被应用在学习过程中的教育工具。【1 7 】 传感器技术从上世纪8 0 年代开始就在国外发达国家尤其美国的中学理科教 学中得到广泛应用的，为了能让这一技术顺利开展，在研究和应用过程中还得到 7 垡丕垃歪盔堂亟土论童基士篮盛墨撞垄鲢生芏毡堂塞壁丑蕉且熬芏廑旦班蕉 了国家科学界人士的直接参与。它的应用与发展打破了传统的教学模式和方法， 以促进学生科学探究为目的，它的发展与先进的教育理念密不可分。在欧洲和北 荚的部分经济发达国家在本世纪初提出了很多利于学乍学习成效和学习兴趣的 教学模式和学习方式，如移动学习( m k 锄i n 曲、数字学习( e k a m i n g ) 等。这在 某种程度上也推进了传感技术的发展，同时也扩大了其在世界上影响程度。从国 外资料看，主要将传感器技术用在财经、力学、热学、电学、土壤酸化、污水治 理、校园环保等问题中。 目前，国际上比较流行的是以图形计算器为核心的手持式教学工具，这种教 学工具包括“1 r i 图形计算器”、“以计算器为基础的实验室( c b l 系统) ”、各种传 感器( 俗称探头) 等。图形计算器除了具有一般计算器的计算、统计及函数功能 以外还有以下特点：( 1 ) 能显示函数的图像；( 2 ) 可以利用计算机语言编程：( 3 ) 可 以直接和2 8 6 及其以上的p c 系列微机通信，达到数据共享；h ) 可以与专门设计 的单片机，如c b u c a i c u l a t o rb a s e di 丑b o r a t o r y ) 、c b r ( c a l c l l l a t o rb a s e d 胁g c r ) 通信，实时处理单片机传来的数据，得到函数图像。c b 吼是一个单片机：它可 以和多种传感器连接，c b l 机内的a d ( 模拟信号数据信号) 模块把传感器采集到 的物理模拟量转换为数据信号，再经过机内的c p u 处理后通过馈线传给图形计算 器处理并显示。因此可以说c b 吼就是传感器与图形计算器之间的一个接口。1 1 8 j 图形计算器历史悠久、影响力也比较大，因为它具有强大的数字、图形功能， 因此最早被广泛的应用在数学领域中。美国全国数学教师协会f h en a t i o n a l c o u n c i lo f t c a c h e r so fm a t h e m a t i c s ) 、美国数学协会( t h em a i h e m a t i c a l 缸s 0 h c i a 廿o n o f a m e r i c a ) 、全国科学学院数学科学教育部“h em a t h e m a t i c a ls c i e n c e se d u c a n b o a r do f t h en a t i o n a la c a d e m vo fs c i c n c 曲都强烈推荐图形计算器在教学和考试 中使用。在美国基础教育的标准中很早就明确提出了有关图形计算器的应用，并 且对其作用及其要达到的目标有了明确规定。 例如，1 9 8 9 年美国数学教育会议( n 口m1 9 8 9 ) 公布的面向9 1 2 年级标准， 提出了以下设想： 图形科学计算器可让学生在任意时间都能使用。 计算机应该保证每个班级的正常使用，所有学生都可以利用计算机进行 个人或小组的学习。 2 0 0 0 年n c t m 为中学数学发布的标准包括了完整的应用原则，即： 技术对数学的教学扣学习都有必要的；技术影响着数学的教学过程，它 能促进学生有效的学习。 这说明在n c t m 标准中关注：当科学技术设备应用于教学中时，学生应该集 中决策、反省、推理和解决问题。【1 9 】 坐壅蛭蕊太坐鲤监童基焦壁壁技垄煎主生也雯塞蛰五蕉厘熬芏厘旦丛跫 现代手持教育技术也称为掌上技术，是由数据采集器、传感器和配套的软件 组成的定量测定常见数据并能弓汁算机莲接的实验技术系统。该技术在美嗣、以 色列、新加坡以及欧洲的一些国家和地区的中学理科教材中有一定的应用。 传感器技术在圈外发展至今，在应用研究上己比较成熟，因此人们将重点从 中学教学中的应用研究转为对其评价方式如中学生考试方式变革的研究，很多人 也对此方面提出了彳；同看法，例如，在亚洲数学第三次技术会议上提出手持技术 不仅已经改变了我们教学的内容和方法，它也已经改变了我们学生的考试内容， 因为手持图形技术可以完成很多传统的技巧，如图形、解方程式、因式分解、求 最大值或最小值、递增或递减、针对概念的测试题等，因此测试的方法可以对设 置某个问题，让学生通过多种的方法来解决它。【别教育者开发研究具有普遍适用 性的教学模式，包括学校的介入、学生培训、全职技术指导者，其目的就是为了 使其真正成为有效的课堂教学工具。1 2 1 l 为了满足教师和学生的需要，目前美国已经出版了很多关于传感器技术应用 的中学化学实验的实验书，例如，c e m 括磅w 泐q 册舢( 3 1 个实验) 、爿咖n ，z c 甜 c 托协西们，w 溉琵埘耙r r 3 5 个实验) 、i 铆c ew 触胁厅d 矗e 出( 实验附加c d ) 、 c 绷函珂w l f o 妇如f 0 坩( 3 6 个实验) ，包括b e 盯定律、中和滴定、蒸发作用和分 子间的吸引力、测定化学反应速率、化学平衡等实验。这些实验对我们开发和创 新实验都有积极的指导作用。 1 3 2 国内研究状况 传感器技术在我国基础教育中的应用晚于西方国家，大概是从上世纪末才开 始的。我国台湾省和香港地区的一些中学已经开始应用手持技术进行教学，我国 大陆如上海、北京、广东等地的一些中学也已开始将这项技术应用在研究性学习 中，并且开设了有关的校本课程。 国内学者在国外研究的基础上，在传感器技术方面作了很多工作。例如， 华南师范大学钱扬义教授承担了中国教育学会“十五”科研规划重点课题“掌上 型信息技术产品在教学中的运用和开发研究”，该课题已在5 所师范院校和1 2 所中学设立了子课题，在研究的基础上，他参与出版了手持技术在理科试验中 的应用研究。f 1 0 j 很多中学也参与了此类研究的试验工作并且取得了明显的成绩。例如，北 京市宏志中学于2 0 0 0 年1 0 月承担了北京市“t i 图形计算器在中学数学创新教 育中的应用”的课题研究，2 0 0 2 年9 月又承接了北京市基教研中心、人民教育 出版社捆绑课题：以普通高级中学实验教科书( 信息技术整合本) 数学为 载体的“高中数学教材与信息技术整合的研究”的实验工作。【冽 望丕灶堑叁堂亟丝童 基佳盛墨垫垄曲主堂丝主塞熊垣蕉丛蛰堂应用型豇 用技术推动课堂教学领域的革命，是卜海市二期课改的一个重点。自1 9 9 8 年起在上海开展了n 技术教学技术培训与课程改革试验。这场试验以课堂教学 引进一种图形计算器为基础的手持式、使携式理化学习工具为载体和标志，通过 这个被称为“微型实验室”在数学、物理等学科教学的运用，拓展学生学习空间， 提高解决问题的能力，从而改变教与学的方式，提升教学水平。日前由上海市教 委教学研究室举行的“课程改革与教学技术培训项目总结、展示暨新项目启 动大会”上，“推进1 1 技术与课程整合，促进课堂教学改革”成为双方第二期合 作项目的目标。二期合作项目将继续探索利用手持技术来完善学生训练、实验和 活动系统的有效途径，以及对学生创新精神和实践能力的培养作用。倒 从目前国内研究的总体情况来看，很多地方尤其是经济不发达省市学校还没 有建立起传感器技术的概念；从传感器技术在理科教学的应用研究来看，它在数 学、物理等学科上的应用研究相对多些，但在化学、生物等学科的研究还处于起 步阶段，很多案例的选择多是陈旧的话题，而在理论与教学实践的结合上也少有 相关丙容的研究。因此，笔者确定了这一研究方向，希望能对我国传感器技术在 中学化学教育中的应用和发展起到一定的作用。 1 4 化学实验教学中运用传感器技术的价值 化学实验是构筑化学科学的基石。在人们长期的教学实践中，传统的化学实 验已经得到了不断的改进，很多实验从教学效果上来看都比较成功。从这一点来 看，没有必要将传感器技术引入到这些传统实验教学中。但是也有一些传统实验 由于设备、条件、人为等原因，效果理想的情况，传感器技术可以弥补某些传统 实验存在的不足。另外，传感器技术的引入，使学生有了功能强大的探究工具， 探究的手段和能力有了更大的发展的空间。以“实验一问题一讨论一结论”或者 “问题一讨论一实验一结论”等实验模式开展探究性实验，通过改变教学方式和 学习方式来增加学生对科学探究等活动的感受和体验。f 2 4 】通过研究和实践，笔 者认为传感器技术在以下几方面更能突出其价值。 1 4 1 有利于探究教学活动的开展 化学实验在进行科学探究的过程中起着十分重要的作用。课程改革也将强 化实验探究的作用提升到了新的高度，而传统的实验工具却影响了一些探究性学 习活动的正常进行。例如，耗时长、结果出现慢而且过多占用学生的时间；实验 工具多、杂而不便于户外探究活动的开展；对原理复杂的实验不便通过传统实验 工具完成等。 传感器技术在中学化学实验中的应用以它独特的功能和特点拓宽了探究型 1 0 生壅蛭堑叁堂亟迨建 基王佳盛墨拉垄鲍虫望丝堂塞墼筮丛熬堂廑旦蛆嚣 实验课题的范畴。首先，它的体积小，便于师生的携带，这样可以将开展实验的 场所由室内转为户外，如住宅小区、工厂、河边等；其次，它有各种探头，便于 从同学科的不同方面或者不同学科的多个角度柬研究问题，加强物理、化学、 数学、生物等各学科的联系。再次，传感器技术都包含数据处理工具，强大的数 据处理系统为学生节省了大量的研究时间，可以让他们在化学实验中将注意力更 多集中在收集资料、测量、观察、解释实验现象和分析实验结果的过程中，利于 学生分析、综合、归纳、演绎、类比等逻辑方法能力的提高。 1 4 2 增强学生间的交流与合作 在科技高速发展的时代，团队精神显得尤为重要，因为任何重大项目的完 成都离不开人们的共同参与和交流合作。基于传感器技术的实验比传统实验更能 增强学生间的合作与交流，因为它面向的实验很多都是研究型的课题，这些课题 需要学生自主完成的项目很多，很多传感器原理比较复杂，使用过程中也难免出 现预料之外的问题，而且有时候实验需要的采样量比较大，在这些情况下，对于 中学生来说，如果没有交流与合作，学生的负担会很重，在有限时间内也达不到 预期的效果。所以，基于传感器技术的大多数中学实验都以活动小组的形式开展， 这样促使学生在合作交流中学会沟通，学会互助，学会分享，能够尊重他人，理 解他人，欣赏他人，在合作的情境中，促进师生互动、生生互动，共同协作完成 研究任务。 1 4 3 丰富了化学实验评价的内涵 传统实验均以达到合理的实验结果作为主要目的，这使它的评价原则也显 得比较片面。例如，评价内容过分强调知识与技能，评价方式以实验操作和实验 结果为主等。这种情况并不利于学生的发展，因此课程改革倡导评价目标的多元 化和评价方式的多样化，坚持终结性评价与过程性评价相结合、定性评价与定量 评价相结合、学生评价与他人评价相结合。基于传感器技术的实验能很好地丰富 化学实验评价的内涵，首先，它能引入大量的定量实验，这对学生在实验态度、 基本操作、数据处理的方法和能力上有了衡量的标准：其次，它能将很多生活、 生产中的实验可操作化，学生以采用调查、资料收集、实验操作、结果分析等途 径开展，使评价方式多样化；第三，它可以对学生的评价从知识与技能、过程与 方法、情感态度与价值观三个维度全面展开，体现了评价内容的全面性；第四， 这种实验方法尤其强调了实验过程的变化，因此体现了评价的过程性等。 坐垂蛆| 整态芏亟盈童基佳盛墨挂盔笪主堂丝芏塞墅五蕴丛熬芏廛囝研嚣 1 4 4 培养学生数图结合解决问题的能力 传统的中学化学很少涉及图形问题，定性实验居多，这从化学学科的发展角 度来看存在片面性，我们知道学生在大学里会进入不同的专业，如化学分析、物 理化学、化学工程与工艺等，这些学科都会涉及图谱分析问题；另外，中学生开 展的活动的原理或目的可能非常简单，但是遇到的数学运算却比较繁琐甚至可 能遇到高等数学的知识时就显得难以克服。传感器技术可以提供图形计算器以及 函数处理功能，不仅能在早期教育中培养学生数图结合的能力，而且对处理复杂 计算的相关实验课题非常有利。它可以直观地反映两个或更多相关物理量间的关 系，实现数图结合，从而使学生关注科学研究的本质问题，理解化学变化的一般 规律。 1 5 本论文主要研究工作 传感器技术作为一种辅助教学手段，对中学化学实验的具体应用体现在哪些 方面呢? 它在中学化学实验教学实践过程中的实施方式和效果又如何呢? 笔者 针对这些问题展开研究工作，主要分为以下凡部分： ( 1 ) 从推广的可行性出发，将传感器技术与中学化学实验相结合，重点从不 同角度介绍所开发的中学化学实验，体现其实际应用价值。 f 构建适合该技术研究的化学实验平台，开展了三次行动研究试验，探索 基于传感器技术的中学化学实验的实施和效果，促进学生学习方式的转变。 ( 3 ) 通过调查问卷、访谈等途径分析、总结研究结论。 2 基于传感器技术的中学化学实验开发 引入传感器技术并不是否定传统实验工具的功能，很多传统的中学实验经过 很多学者多年的研究已经达到了比较完善的程度，对这些实验是没有必要利用新 技术去实验的。但长期以来，由于传统的中学实验主要都以验证性实验为主，因 此不可避免的存在些实验现象不明显或者因为操作等人为因素导致实验反常 现象的产生，而这种情况还有可能给学生带来误解：另外，课程改革要求从学生 的兴趣、生活经验等出发，采用研究性学习方式开展课题研究活动，而传统实验 工具的局限性却限制了这类活动的顺利开展。在这种情况下，就需要充分发挥传 感器技术的优势。可见，传感器技术的引入与传统的实验技术并不冲突，如何更 好地互相取长补短，更利于学生个人的发展是关键。笔者在前人研究的基础上， 应用传感器技术进行实验开发，使实验过程明晰化、揭示化学实验现象的本质、 使实验变化过程“可视化”、定性实验定量化。 生丕趣堕盍堂亟主盈墓 基量丝盛墨这垄鲤生芏丝芏塞壁珏蕴丛夔堂厘旦盟基 2 1 实验变化过程的明晰化 传统实验方法已经过很多专家和学者的研究和实践证明，有其独特的优势， 但是对某些问题却很难通过简单的实验改进就能弥补，而且对于有些实验只是给 学生以表面的感性认识而已，不能很好地帮助学生由感性认识上升为理性认识。 传感器技术主要是使传统实验的过程更精确化，能够借助其他物理量或化学量来 反映实验结果，直观地观察到反应进行的整个过程，让学生更清晰地掌握和理解 知识，提高教学效果。 案例l 压强对化学平衡移动影响的研究 【实验研究背景