手持技术在国内化学教学中的应用研究进展.doc

手持技术在国内化学教学中的应用研究进展张倩/方舟/钱扬义/李玉莹【专题名称】中学化学教与学【专 题 号】G37【复印期号】2012年01期【原文出处】化学教育(京)2011年10期第58页【作者简介】张倩，方舟，钱扬义，李玉莹，华南师范大学化学教学与资源研究所（广东广州510006）。【编 者 按】随着信息化浪潮和新课程改革的全面推进，信息技术与化学教学整合的研究在全国范围内迅速展开，目前手持技术在国内化学教学中的应用研究已经初具规模。本期专题，先对国内相关研究做了梳理，然后重点呈现手持技术在提高学生信息素养、促进学生概念认知方面的研究以及与微型实验设备相结合的可行性实践方面的研究成果，并辅以观点摘编和相关题录，以期对读者全面了解该领域的研究，深入探讨手持技术与化学教学整合中存在的问题有所助益。随着信息化浪潮和新课程改革的全面推进，信息技术与化学教学整合的研究在全国范围内迅速展开。目前手持技术在国内化学教学中的应用研究已经初具规模，已有多所高校先后建立起手持技术实验室，部分经济发达地区的中小学也先后建立了应用基地。截至2011年3月，找到关于手持技术的研究论文共88篇，其中期刊文献80篇，学位论文8篇，关于手持技术的专著共4部。一、国内手持技术的研究历程手持技术在我国发展的时间较短，约在20世纪90年代进入我国1。这种新型的实验技术最初在中学物理教学得到应用，随后被引进到化学教学中。根据查阅的文献，笔者将手持技术在国内化学教学中的应用研究分为以下3个主要阶段。1.案例开发阶段（20世纪90年代末至今）这一阶段的研究主要是开发利用手持技术的实验案例并应用于教学之中，如钱扬义等人于2003年将手持技术引入国内化学教学中，并进行了测定酒精灯火焰温度的实验，得出不同以往的结论2。此后，国内几种主要的化学教育类期刊也开始陆续报道了一系列的实验，并由魏锐、王磊提出了基于掌上实验室的科学实验开发思路3。从内容上看，这些实验应用于化学教学实践的途径，主要有3个方面：（1）常规教学的创新。传统教学中由于时间关系及实验条件的落后，往往只能先给出已有的结论、定理等，然后安排实验去验证这一结论。将手持技术引入课堂中，将知识的发现过程真实地展现在学生面前，还原科学实验的本来面目，使学生从中体会到“做科学”的乐趣，有利于培养学生独立思考、发现问题的能力。如白涛（2010）设计了基于手持技术的探究式教学流程进行“冰醋酸的电离”教学，将获得知识的过程展示给学生，帮助学生建立电离平衡的概念4。（2）传统实验的改进。手持技术以其多样的传感器和强大的数据处理能力，使得传统实验中难以做到的实验成为可能，使得学生难以理解的抽象概念原理变得清晰明了起来。如利用pH探头测量中和反应中pH的变化过程，能直观地使学生认识滴定终点附近的pH突变过程5；利用压强传感器测量密封容器中气压的变化，可以方便、定量地测定的分解速率以及乙醇分子的结构67。（3）开展研究性学习和科学探究活动。手持技术使得长时间、大范围、定量性质的实验得以开展，学生可以利用手持技术十分方便地开展基于社会生活与生产实践以及社会热点问题的研究性学习活动。钱扬义等（2006）提出了开发基于手持技术的研究性学习案例的5个维度：解决传统实验难点、减轻认知难点、探究社会热点、研究变量关系、拓展实践时空8。适用于研究性学习的手持技术实验有很多，如“食品中维生素C含量的测定”9等。这阶段的研究集中于案例开发，形成了内容丰富的手持技术实验资源，有助于帮助实现新课改所要求的提高学生科学探究能力的目标。同时，在客观上也有助于广大教师认识并接受手持技术，有利于手持技术在国内的进一步传播。但由于缺少完善的理论支持，导致案例的开发随意性较大，缺乏系统性。对手持技术的研究较多处于简单的模仿与学习阶段，较多的停留于案例开发，缺乏以具体数据来显示应用这一新的教学手段的效果或不足，对学生的应用感受也缺乏深入的调查研究。2.理论研究阶段（约2006年至今）这一阶段的研究中手持技术的实验案例仍然在继续，但研究者已逐渐开始注意从心理学、教育学等角度对手持技术的应用进行理论方面的探讨，属于认知层面的研究。如邓峰（2006）首次分析了高中生利用手持技术测量溶解氧实验前后的认知过程，探讨信息技术在解决问题类研究性学习中所起的作用，为如何在化学实验教学中培养学生的信息技术素养和探究能力提出建议10。随后，各师范院校的研究生成为该层面研究的主力军，研究手持技术的学位论文数量逐渐增多。其中不仅有手持技术实验的行动研究，还包括运用心理学的研究方法，以实证研究来深入考察手持技术在学生概念认知以及相关能力发展方面所起的作用。这阶段的研究主要包括4个方面：（1）实证研究。如王祖浩等（2010）设立实验组和控制组，运用测验、观察和访谈的方法比较学生在化学概念学习方面的认知差异，发现手持技术对学中生、学困生和女生概念学习的影响比学优生和男生更为明显1112。（2）促进学生学习过程的研究。谢泽琛（2007）通过访谈、现场活动观察和口语报告法，对中学生运用手持技术解决化学定量实验问题的心理过程进行研究，为教师利用手持技术培养学生问题解决能力提供参考，并分析了手持技术在问题解决各个环节中的独特作用13。（3）教师及学生对应用手持技术的态度等的研究。邓峰（2008）分别调查了化学教师和化学选修班学生对手持技术应用于教学中的态度和认识，并探讨了影响手持技术在化学教学中应用的因素1415。（4）教学模式研究。邓峰（2007）构建了基于手持技术的高中化学教学模式（HBCIM），包括适用于实验探究的“6S”模式和适用于课题探究的“10C”模式，该模式对学生的化学成绩、化学概念理解水平、化学学习兴趣、元认知水平和图像技能的提高具有更显著的作用16。与前一阶段相比，这一阶段的研究具有以下优点：开始重视建构手持技术研究的系统化的理论框架；初步开始从教育学、心理学的角度进行手持技术的实证研究，注重运用统计数据来说明应用的效果；探讨影响手持技术应用效果的因素，开始注意对手持技术教学模式的研究等。但这阶段研究的缺点是：理论研究的论文数相对较少，理论框架仍不完善；仍然缺少足够的实证研究来支撑手持技术的应用效果，研究方法较简单；将手持技术作为认知工具的研究不够深入，缺乏站在学生的角度去探究学生在运用手持技术学习时的心理机制的研究。3.前沿研究阶段（约2008年至今）这一阶段可以看作是前两个阶段的进一步发展，这阶段的研究主要是将手持技术与其他新型实验手段相结合，为手持技术的进一步应用提供更加广阔的平台，如“数字化气象站”17、“远程实验室”18等。研究从宏观的“案例层面”深入到微观的“认知层面”，逐渐发展到现今应用于思维建模、远程实验室中。研究人员也不断壮大，形成了包括本科生、研究生和大、中学教师在内的多群体多学科的集团军。钱扬义教授的专著手持技术在化学学习中的应用与建模研究（2009）中，将手持技术当作一种思维建模的工具进行研究，以此促进学生在模型构建、分组合作和学业成就方面的发展，代表了目前我国手持技术研究的最新成果18。与前面两个阶段相比，这一阶段的研究更进了一步，如在研究方法上，从最初的典型样例法，到口语报告、视频分析与电脑屏幕记录等，再到如今的交叉研发法（需要化学、信息技术与自动化技术研发新产品）。更加注重借助量表、问卷等调查手段，试图从更加客观的角度评价手持技术的应用效果。这一阶段的研究刚刚起步，无论是在技术上和理论上都存在很大空间，有待相关的研究者做进一步的探索和发展。二、国内外手持技术研究的对比分析在欧美等发达国家，将手持技术应用于课堂教学已经有30多年的历史。以图形计算器、MBL（Microcomputer-Based Laboratory.，基于微型计算机的实验室）技术为代表的手持式便携工具在学生中是比较普及的理科学习工具。国外也较早开始了对手持技术的研究，由于经济、文化和教育理念等不同，与国内关注的重点存在差异。与国外已有研究相比，国内的研究总体仍处于较薄弱的局面。1.研究的主流方面国外的研究大多是通过实证的方法，研究在科学教学之中应用了手持技术之后，对学生的认知情况（如概念理解）和学习能力（如图像技能、数据处理等）所产生的影响1921。国内目前的研究主流仍是实验案例研究，从认知层面探讨手持技术的教学优势的研究还很少，这类的论文仅有11篇，在搜索到的文献中占13.7%。2.研究的对象方面国外的研究对象不仅有中、小学生，还包括大学生，除了关注学生使用手持技术的情况以外，对教师应用手持技术进行教学的态度和如何发挥手持技术功效的策略等方面也有所涉及；国内的研究对象主要是中学生，对手持技术如何促进学生学习的过程追踪及比较研究较少，对学生和教师应用手持技术的感受和认识的研究也较少。3.研究的方法方面国外的研究方法主要有定量和定性两个方面，定量方法如问卷和量表调查的方法，定性方法如观察、访谈、分析拍摄录像、教师及学生的反思日记等；国内在定量数据的获取上还存在一定差距，较少研究者了解量表编制的过程和信度效度的计算分析，也缺乏足够的学生结果数据以显示手持技术应用的效果。三、手持技术应用中存在的问题目前国内许多中学都购买了手持技术仪器，但一线教师在使用手持技术进行教学时仍存在一系列的问题。这些问题包括技术本身的问题和教学中的问题。1.技术上的问题（1）手持技术仪器的价格相对传统实验用品要高很多，各种传感器的使用和保养大多需要一些特殊条件，如pH探头在使用之前应在去离子水中浸泡数小时，为保证探头的灵敏性，还需要使用标准缓冲溶液进行校正以确保数据的精确。在不使用时应浸泡在氯化钾溶液中。由于前期处理不足，部分教师在使用手持技术进行实验时，数据的重现性和稳定性不是很好，在测定相同溶液的pH时，不同探头测得的数据也可能存在一定的差距。（2）此外，有教师反映在某些情况下使用手持技术进行实验会使实验变得更复杂。如在进行酸碱中和滴定反应时，用pH探头测定的是溶液的pH随时间变化的曲线，若要得到pH随加入溶液的体积变化的曲线，还需要用到准确计算所滴加液体体积的光电门传感器，而这又增加了实验操作。因此有部分教师认为使用传统方法进行滴定更简单，学生容易理解。2.教学上的问题（1）在目前中学环境下，中学生平时较少接触到手持技术这一类现代仪器。因此在教学中使用手持技术，往往会出现学生的注意力集中在仪器上，而不是实验内容本身上。如在测定离子反应过程中的电导率变化时，有的学生对磁力搅拌器的磁子十分感兴趣，而忽视了实验本身现象。（2）一些教师不注意研究使用手持技术的教学策略，只满足于在教学中使用了技术。如在测得所需数据、得到曲线后，没有针对曲线上的一些关键点、曲线的走向等进一步探究，出现一些不合常理的数据变化也不能帮助学生分析为什么会出现这种情况，这就难以达到培养学生数据分析能力的目标。（3）许多教师认为手持技术对于学生考试和实验操作能力的培养没有太大的帮助，究其原因，主要是手持技术培养学生的能力是一个潜移默化的过程，传统的试题很难将学生真正的能力检测出来。因此有的教师更愿意使用传统方法教学，不愿意学习使用手持技术，这在教龄比较长的教师中较为常见。四、手持技术在化学教学中应用的研究建议1.拓宽传感器使用范围目前研究中的一个问题就是许多教师在设计实验时较随意，实验步骤和操作都比较简单并且缺乏规范性，从收集的相关文献来看，这些实验设计大多数只用到一种传感器，并且较多的集中在中和反应中pH的变化、化学反应的温度变化等，从而造成使用的实验案例较为单一和简单，有新意的实验较少，研究内容上也出现较多重复的部分。在手持技术的推广应用和研究中，应该充分发挥手持技术能同时测定多种数据的优势，联合使用多种传感器进行多因素的问题探究，从不同的层面上丰富和完善学生的认知。2.深化理论研究手持技术研究至今，对于实验案例的开发应用仍居于主导地位，部分研究者虽然对于手持技术在教学实践中的效果进行了一些实证的研究，但相关研究的论文数量不多，研究的范围较小，时间较短，所使用的数据分析方法也相对简单。因此利用教育学和心理学等新理论解释和解决手持技术应用于中学教学实践中的问题方面有待进一步的加强。3.探索应用手持技术的教学策略手持技术在化学教学中的应用并非简单地替换传统仪器，想要达到提高教学质量的目标，必须寻求将手持技术与化学课程有效地整合，探索应用手持技术的教学策略。实现从“学习使用技术”到“使用技术学习”的转变也是手持技术进一步应用发展的方向。如何将实验的基本操作与新兴技术有效兼顾、手持技术支持下的学生学习过程中教师的定位、教师的指导方法以及教师对技术的掌握程度应该如何把握，如何从测得的曲线中总结出化学基本原理，在教学中没有得到预想的结果时应如何处理等问题都是今后手持技术研究中值得进一步探索的问题。【参考文献】1王磊，魏锐，范林.传感技术化学实验探究手册M.北京：北京师范大学出版社，2007：6.2钱扬义，陈健斌，吴宗志等.在掌上实验室探究酒精灯火焰温度得出不同的结论J.化学教育，2003，24(1)：39-41.3魏锐，王磊.掌上移动实验室在科学教育中的应用J.中国现代教育装备，2008，(10)：166-169.4白涛.基于手持技术和多媒体技术的“电离平衡”教学研究J.化学教育，2010，31(3)：78-80.5魏锐，包明，王磊等.利用pH传感器研究中和反应过程中pH的突变J.化学教育，2007，28(4)：59-61.6陈承声，区永麟.利用手持技术探究过氧化氢的分解J.广东教育学院学报，2007，27(3)：59-63.7任红艳，洪湘琼.利用手持技术改进测定乙醇分子结构实验J.化学教育，2010，31(4)：71-73.8钱扬义.手持技术在研究性学习中的应用及其心理学基础M.北京：科学出版社，2006.9赵成兰，陈方炜，陆真.化学新课程实验中传感技术应用的报告食品中维生素C含量测定的实验设计与实践J.中学化学教学参考，2008，(1-2)：46-48.10邓峰，钱扬义.利用手持技术对学生学习溶解氧认知过程初探信息技术在研究性学习中的应用J.化学教育，2006，27(6)：32-34.11王祖浩，孙丹儿，李法瑞等.基于手持技术的高中生化学概念学习认知研究J.中国电化教育，2010，(6)：82-86.12王晶，郑长龙，徐洁等.手持技术促进学生化学变化和化学实验观念转变的实证研究J.化学教育，2011，32(3)：16-18.13谢泽琛，钱扬义，罗秀玲等.中学生运用手持技术解决化学定量实验问题的心理过程分析J.中国电化教育，2007，(4)：81-84.14邓峰，钱扬义，陈徽等.化学教师对手持技术在教学中应用所持态度的调查研究J.化学教育，2008，29(4)：5.15邓峰，钱扬义，钟映雪等.化学选修班学生对手持技术所持态度与认识的调查研究J.化学教育，2008，29(6)：49-52.16邓峰.基于手持技术的高中化学教学模式(HB-CIM)的构建及其研究D.华南师范大学，2007.17钱扬义，彭豪.“数字化微型气象站”在科学教育中的应用与思考J.中国电化教育，2009，(7)：88-91.18钱扬义