邓坤连 黄颖怡 李芸 严德振

【摘要】本文基于手持技术在教学中的优势，将手持技术融入初中化学课堂教学，以人教版化学九年级下册“金属与酸反应”为例，论述利用手持技术促进学生科学思维发展的教学设计与实施。

【关键词】初中化学 手持技术 科学思维 金属与酸反应

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）31-0069-04

手持技术是一种数字化实验教学工具，能实时采集实验数据并通过曲线表征，具有便携性、实时性、准确性、直观性等特点。目前关于手持技术的研究，主要聚焦在手持技术在实验创新、实验开发、实验教学探究等方面，极少将手持技术这一数字化实验教学工具运用于初中化学课堂教学。《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称《2022年版化學课标》）提出的科学思维，主要包括在解决化学问题中所运用的比较、分类、分析、综合、归纳等科学方法，基于实验事实进行证据推理、构建模型并推测物质及其变化的思维能力，在解决与化学相关的真实问题中形成的质疑能力、批判能力和创新意识。化学科学思维是2011年版化学课标过程与方法的拓展与深化，并且与高中化学的证据推理与模型认知素养联系紧密。将手持技术引入初中化学课堂教学，可以将抽象、难理解的化学概念和原理通过宏观现象、微观本质、符号呈现、曲线描述四重表征，发展学生由定性到定量的科学思维，帮助学生构建假设、证据和结论之间的联系，让学生从中发现物质及其变化的本质和规律，有利于学生构建认知模型并用于解释类似的化学问题。因此，笔者尝试探究利用手持技术发展学生科学思维的化学教学模式，从不同层面帮助学生完善认知结构和思维模型。

一、在初中化学教学中融入手持技术对学生科学思维的促进作用

《2022年版化学课标》要求教师积极探索信息技术与化学实验的深度融合，积极开展科学探究和综合实践活动。手持技术由传感器、数据采集器和配套电脑软件组成，依托先进的传感器与实验装置连接，可以测量电流、电压、电导率、温度、湿度、气体压强、气体浓度、酸碱度等，在采集数据的同时进行实时的数据处理和图像呈现，为实验提供可量化、精确化的数据。手持技术与初中化学教学的结合，不仅能便捷、直观地呈现实验数据，还能创新化学实验方法、拓宽实验探究范围，提高学生实践创新、数据分析、解决问题等方面的综合能力。手持技术有利于传统教学方式的创新、演示实验的改良、学生探究的量化，以一种新方法、新手段和新技能为学生化学核心素养的发展注入活力，体现新课程改革的思想和理念。

初中化学教学以实验为基础，为学生构建化学知识体系和形成化学观念，发展学生的科学思维、创新精神与实践能力。教师利用手持技术在化学教学中开展实验探究活动，引导学生进行合作学习和实验探究，开展动手操作、交流讨论，促进学生思维发展，形成科学方法。手持技术集数据采集与处理于一体且便于操作，一定程度上降低了实验的难度，使学生有更多的时间去思考、分析实验中数据变化的原因，经历验证和归纳总结的过程，形成解决问题的能力。教师从实验证据出发，引导学生通过分析、概括、假设、推理等方法进行模型构建，逐步形成科学思维，构建自己的化学认知模型和知识体系。在学生构建自己的认知模型的过程中，教师要始终以学生为主体，鼓励学生大胆猜想和表述、动脑思考与讨论、展开操作并验证，让学生在课堂中始终处于主动参与和积极探索的状态。

二、融入手持技术促进学生科学思维发展的“金属与酸反应”教学设计思路

（一）融入手持技术发展学生科学思维的教学流程

初中九年级才开设化学课程，学生学习时间短，为了应对升学考试，大多数学生停留在机械记忆的浅层学习阶段，没有形成对实验现象进行深入探究和构建认知模型的意识，不能灵活地运用知识解决实际问题。要想解决这一问题，教师应在教学中注重培养学生的科学思维，让学生学会基于事实进行证据推理，自主构建认知模型并能灵活运用模型解决问题。手持技术数字化实验通过“宏观—微观—符号—曲线”四重表征，能有效促进学生基于宏观现象进行分析推理、归纳类比，最终得出化学反应的微观本质。为提高初中化学教学的实施效果，教师将手持技术融入课堂教学，可设计如图1所示的教学流程。

以上五个教学环节，环环相扣，从经验证据到现象证据，再从定量的角度进行分析得到数据证据，经过了一系列的证据收集和分析推理过程，使学生逐渐学会从定性和定量的角度分析问题，从而促进科学思维的发展。

（二）“金属与酸反应”的教学分析

初中化学课程以促进学生核心素养发展为导向，设置了五个学习主题。“金属与酸反应”属于学习主题2“物质的性质与应用”的内容，要求学生能依据金属活动性顺序，初步预测常见金属的主要性质，设计实验方案，分析、解释有关的实验现象，进行证据推理，得出科学、合理的结论。在人教版化学九年级下册教材中，“金属与酸反应”是在学生学习完“金属的化学性质”“酸、碱的化学性质”等知识的基础上进行教学，采用理论与实验探究验证，说明过量金属与酸反应的现象和金属与过量酸反应的现象有所区别。教师将手持技术融入“金属与酸反应”的教学过程，构建利用手持技术“宏观—微观—符号—曲线”四重表征发展学生科学思维的模型（如图2）。

教师研读《2022年版化学课标》要求和教材内容，确定“金属与酸反应”一课的教学目标如下：通过回忆及观察实验，认识常见金属与酸反应的过程，能够初步判断金属与酸反应的普遍规律，感受化学与生活的紧密联系，树立从生活到化学、从化学到社会的理念；通过手持技术实验，探究不同条件下金属与稀盐酸的反应，能够判断过量金属与酸反应和金属与过量酸反应的本质区别，初步学会定性、定量探究的方法；通过归纳金属与酸反应的探究过程，能初步掌握证据推理的研究方法并形成解决金属与酸反应图像题的认知模型。课堂教学采用实验探究方法，引导学生对实验结果进行分析，归纳得出金属与酸反应的规律以及金属与酸反应的认知模型，发展学生的科学思维。

三、融入手持技术的“金属与酸反应”的教学实施过程

（一）创设情境，引入课题

在教学中设置与教学内容相关的情境，可以激发学生的学习兴趣，让学生主动运用生活经验和已有知识在解决问题的过程中获得新知识。在引入课题前，教师可设计驱动性问题，让学生联系生活经验和所学知识进行探究。

在“金属与酸反应”一课教学中，教师先引导学生联系生活经验，说出厨房中盛放食醋的容器是玻璃瓶或塑料瓶，接着提出驱动性问题。

师：为什么不能用铝或不锈钢制品盛放食醋呢？

生：因为食醋的主要成分是醋酸，而铝或不锈钢制品中的活泼金属能与醋酸反应。

教师在真实的生活情境中提出驱动性问题，为学生提供生活中的感性材料，激发学生巩固已有知识，为实验探究和构建模型作铺垫。

（二）经验认知，做出假设

学习是在原有知识、经验基础上对新知识进行选择和加工的能动过程。学习新知识时，教师要引导学生基于已有知识和经验，经过一系列的逻辑思考，针对具体问题提出自己的观点或疑问。教师应注重培养学生在真实情境中获取信息的能力，使学生能基于事实与逻辑进行独立思考和判断，对不同信息、观点和结论进行质疑与判断。

教师根据学生对金属与酸反应的已有认知，进一步提出问题，引导学生从定性到定量进行思考：“大部分金属均能与酸发生反应。那过量金属与酸反应和金属与过量酸反应的现象是否有区别？”学生联系所学知识，根据认知经验提出猜想。猜想一：过量金属与酸反应，由于酸不足，且生成气体的元素由酸提供，因此不同种类金属与酸反应生成气体的量应该由酸的用量决定。猜想二：金属与过量酸反应，由于金属不足，生成气体的量由金属用量和金属活动性顺序决定。在这一教学环节，学生基于已有知识做出假设，认识视角由定性到定量，形成金属与酸反应的经验证据。

（三）定性验证，分析推理

每一个科学的发现和发明都是以实验事实为依据，经过缜密的逻辑推理得来的。在实验探究过程中，证据推理发挥了极其重要的作用。为了提高学生的证据推理能力，教师应提供充分的推理材料，引导学生通过实验探究，分析实验现象并得出结论，逐步形成推理思路，保证推理的科学性与严谨性。

根据学生的猜想，教师提供实验药品和仪器，组织学生开展分组实验活动，验证猜想。教师引导学生对金属与酸反应的猜想进行定性实验探究，实验验证的过程如表1。学生从实验现象出发，经过分析推理，对猜想进行验证，得到现象证据，基于实验现象证据得出结论，发展分析推理的能力。定性验证能够帮助学生感性地理解理论知识，但学生未能从本质上进行探究，难以发现现象背后的深层原因。

（四）定量验证，数据证实

从宏观到微观、从定性到定量，体现了化学学科发展的趋势。对物质组成的微观研究和定量实验探究，可以帮助学生从本质上理解和掌握化学知识。手持技术是一种新型数字化实验教学工具，能实时为学生提供直观的实验数据图像，有利于培养学生从定性到定量的科学思维。因此，在化学教学中，教师要善于利用手持技术引导学生开展实验探究，将反应的微观本质通过化学符号和曲线表征出来，让学生分析图像、数据，定量验证，进而得出结论。

以上教学环节，学生通过实验定性验证了猜想二不正确。为了证明酸不足时不同种类等质量金属与等质量酸反应生成气体的量相等、酸过量时不同种类等质量金属生成气体的量之间的关系，教师可以通过演示手持技术实验来定量地呈现生成气体的量。“金属与酸反应”手持技术实验装置如图3所示，实验原理：金属与酸反应生成的氢气引起锥形瓶内气体压强的变化，利用气体压强传感器感应锥形瓶中气压的变化情况，通过数据采集器和电脑软件处理，以曲线的形式表征。

實验操作步骤：（1）组装好实验装置，检查实验装置的气密性，分别往三个锥形瓶加入1g铝粉、1g锌粉、1g铁粉，连接好气体压强传感器，将数据采集器与电脑连接，在电脑软件中设置好参数，以时间为横坐标，压强为纵坐标；（2）点击开始按键，立即推动注射器往锥形瓶注入5mL稀盐酸，开始采集数据；（3）300s后，停止采集数据。教师以此实验操作步骤，分别采集过量铝粉、锌粉、铁粉与稀盐酸反应的数据。接下来，教师在另外三个锥形瓶分别加入0.1g铝粉、0.1g锌粉、0.1g铁粉，重复上述实验操作步骤，分别采集铝粉、锌粉、铁粉与过量稀盐酸反应的数据。实验过程中，数据采集器屏幕实时呈现气体压强变化曲线，图4为过量金属与酸反应气体压强变化曲线，图5为金属与过量酸反应气体压强变化曲线。

手持技术所呈现出来的图像包含准确、动态的信息，学生对图像数据进行分析，可以得到精细化的结论，形成严谨、求实的科学态度，达成实验论证能力的提升。学生观察图4、图5气体压强变化曲线，思考其中发生的化学反应及原理，书写化学反应方程式，小组共同分析数据、描述曲线，从“宏观—微观—符号—曲线”四重表征分析“金属与酸反应”手持技术实验，归纳得出结论（如表2）。

教师通过更准确、直观的手持技术实验，为学生提供数据证据，促进学生对金属与酸反应的认识从定性走向定量，实现“宏观—微观—符号—曲线”四重表征，得出金属与酸反应的一般规律，验证假设。学生借助图像学会定量分析实验现象，进行多维度的思考，提升图像分析能力，促进科学思维的发展。

（五）构建模型，迁移运用

化学学习离不开认知模型，学生一旦构建了认知模型，便能对模型对应的化学问题形成解决思路。学生能否熟练构建和运用认知模型极大地影响学习效率。在初中化学实验探究题中，通常以学生熟悉或不熟悉的实验为情境，利用数字化传感器采集实时、动态的数据绘制曲线图，考查学生从图像中获取证据进行推理的能力，以及运用已有知识解释实验结果的能力。因此，教师要善于联系学生已有经验和知识，通过图像呈现数据讲解新知识，引导学生逐步学会构建认知模型，并将模型运用到化学学习中，发展化学核心素养。

在“金属与酸反应”一课教学中，教师利用多媒体课件呈现如图6所示的课堂练习题，引导学生总结本课内容，通过对不同条件下金属与酸反应的探究，归纳出不同条件下金属与酸反应的认知模型：分析题目，找出已知条件；判断金属与酸反应属于哪一种模型；得出各曲线所对应的金属种类。学生将宏观的化学变化、微观的化学反应、化学用语与数形曲线进行有机结合，形成模型认知能力，学会知识迁移运用，并熟练使用认知模型解决相关化学问题。

综上所述，在初中化学课堂教学中，教师引入手持技术为改进传统教学方式和发展学生的化学核心素养提供了新的思路和方法。手持技术可以实现将微观反应宏观化、完成一些实验现象不明显的传统实验等，使微观的学习可视化、抽象的学习具体化。手持技术也为学生在实验探究过程中提供多样的思维方法，形成从宏观、微观、符号结合的视角探究物质及其变化规律的认识方式，促进学生科学思维的发展。

参考文献

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［2］刘双雪，杨宇，王婧忆，等.浅谈四重表征对学生化学核心素养发展的意义［J］.中学化学教学参考，2021（14）：2-3.

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［4］魏凤.手持技术：中学化学实验中的实践新应用［J］.基础教育论坛，2022（21）：2.