传感器在高中化学课堂中的应用与反思

【摘要】本文分析了数字技术在高中化学课堂中的创新应用，特别关注了传感器的使用对学生自主学习与反思的积极影响。传感器作为先进的教学工具，能实时展示实验数据，使学生获得直观、真实的学习体验。数字技术的应用不仅拓宽了学生的知识视野，更培养了学生严谨求实的科学态度，提升了学生的动手能力和科学素养；也为课堂教学注入了新鲜的活力，为教育模式开启了更多的可能。【关键词】数字技术；传感器；化学实验探究党的二十大报告提出“推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国”；2024年《政府工作报告》提出“大力发展数字教育”。当今世界，科技进步日新月异，互联网、云计算、大数据等现代信息技术深刻改变着人们的学习方式和生活方式，推进教育数字化是贯彻落实科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略的重要“先手棋”。目前，我国正深入实施教育数字化战略行动，信息技术的快速更迭为教育高质量发展注入动力，数字技术的发展推动了人类的思维方式、生产生活方式以及学习方式的转变。随着人工智能、人工智能+、大数据、大模型等技术的逐渐普及与兴盛，数字化技术已成为促进世界经济和社会发展的重要动力[1][2]。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》要求，教师在教学设计过程中要重视实验探究与实践活动的设计，其中就包含数字化实验、创新实践活动等，让学生在实验探究的活动中学习学科方法，认识科学探究过程，体会、认识技术手段的创新对化学科学的重要价值，形成严谨求实、勇于实践的科学态度，发展实践能力，并且在设计情境时，要保障应具有真实情境性，体现时代性，有利于学生知识视野的拓宽，感悟科学、技术、社会和环境的相互影响；应适当融合跨学科知识，发展学生解决综合问题的能力。由此可见，以学生为主体的高中化学课堂需要数字化手段来进行支撑，教师在引导学生实验探究活动或指导学生自主学习活动时，就要保障学生能够通过教师设计的教学活动，得到“真”数据，观察“真”现象，发现“真”问题，获得“真”指导，提高“真”本领[3][4]。传感器在教学中的使用，就可以帮助师生实现上述的目标。本文以“在研究原电池输出电压中微电流传感器的应用”为例进行阐述。教学内容介绍本节课是高一年级“化学反应与能量”中学习完原电池基本工作原理后的实验探究课，以“铜、锌、硫酸铜所形成的原电池提供的电压无法使手持风扇正常运转”为真实情境，提出“研究有哪些方法能够提高化学电源输出的电压”的挑战性任务，学生通过思考物理学科中闭合电路、欧姆定律等相关知识，提出可能影响电源输出电压的因素，并利用数字化手段——传感器更精准、直接地对猜想进行研究和验证。应用意图在以往的实验中，多用电流表、灵敏电流计等器材，通过仪表指针的偏转从而证明原电池的形成。但每次在实验中容易受电解质溶液的浓度、电极腐蚀程度、导线新旧（生锈程度）影响，导致每组实验中指针偏转的幅度不同，仪表在使用的过程中也存在误差。本案例选择将微电流传感器与计算机联用，学生在研究影响因素的同时进行数据采集，可以在计算机中实时呈现数据和图像，并能同步录制实验视频，通过对数据或图像的分析就可以快速验证自己的猜想。应用策略及过程1.猜想与假设学生通过思考与讨论，提出以下可能影响原电池输出电压的因素：①电解质溶液浓度；②电极与电解质溶液接触面积；③正负两极的间距；④电极片种类（改变电池反应）；⑤电极的薄厚，并任选研究的对象，设计实验思路进行验证。2.实验验证促成学生的自主学习与反思学生根据小组所设计的实验思路，利用微电流传感器对影响因素进行研究。由于传感器的准确性和精度都要更高，这也导致真实实验情境中一些微小操作就会对整个实验数据造成较大的偏差。比如，学生在研究“电极片间距的改变对原电池电压的影响”时，就没有得出“电极间距越小，电源输出电压越大”的预期数据。实际在实验的过程中，学生是通过移动电极片来调整间距。有控制锌片不动，移动铜片的；还有同时将两个电极片靠近甚至接触的。由于学生操作的不同，以及真实情境中可能遇到的问题，学生们得到的结果就有明显差异。不过，这种与预期差距较大的实验数据的出现，反而可以更好地引导学生做更深入的自主学习与思考。多次尝试、多次试错，不同的数据结果可以引发小组内更加热烈的讨论。在实验研究之后，即使没有测出预期效果的学生也会分段分析自己组得出的数据，分享小组内讨论出可能存在的“隐藏因素”。对于“改变间距，影响原电池电压”组的实验，学生能够发现的“隐藏因素”有锌片上包裹的铜膜的脱落，改变间距过程中导致的液面高度变化（电极片与电解质溶液的接触面积），移动电极片过程中导致电解质溶液流速的变化（离子迁移速率）等，可能都会影响数据的准确性。在分析的过程中，学生也对其他组同学找到的“隐藏因素”特别感兴趣。应用的教育意义在当今信息爆炸的时代，数字技术以其独特的魅力，为学生打开了一扇通往自主学习与深度反思的窗户。透过这扇窗，学生通过自主学习和深度反思，不仅能发现自身学习的薄弱点，还能得到更为精准的帮助和指导，提高学习效率，获得更多的学习成就感，从而使学习走上越学习越有收获的良性循环。数字技术对学生自主学习与深度反思的作用及影响表现在以下几个方面。（1）从电子书籍到在线课程，从教学视频到专题论坛，学生们可以轻松地找到与学科相关的各种资料。数字技术为学生提供了一个海量的学习资源宝库，这些资源不仅丰富了学生的学习内容，更激发了他们的探索欲望，让他们在知识的海洋中畅游。（2）在数字技术的支持下，学生们不再被传统的教育模式所束缚。他们可以根据自己的兴趣和需求，选择学习内容，制定个性化的学习计划。这种自主导航的学习方式，不仅培养了学生的自主学习能力，还让他们在学习过程中找到了乐趣和成就感。（3）随着教师对数字化手段的认识不断深入，“讯飞星火”“文心一言”等人工智能、大数据、大模型技术也被引入课堂，给课堂增添新的活力。在智慧大脑的加持下，结合学生的个体差异和大数据、大模型技术，可以为每位学生提供精准的个性化辅导和帮助。这不仅是对传统课堂的一次革新，更是对学生自主学习和自主反思能力的极大赋能。总之，数字技术在理科实验教学中具有巨大的潜力和价值。当然，通过加强对教师和学生的数字技术培训和不断实践，教师就可以不断开发数字技术在教学中的应用，创建自己的教学特色，更为