□福建省福州市平潭综合实验区教师进修学校 邓雪英

手持技术是一种基于数字化技术展开实验的方式，也称为掌上实验室，具有高效、便捷、直观的特点。其在初中化学实验教学中的应用具有重要作用，能够提升实验教学的实效性，助力教师打造高效化学教学课堂。本文分析了手持技术在化学实验教学中的应用优势，探讨了如何将手持技术与初中化学实验教学融合，优化初中化学实验教学，如何运用手持技术进行初中化学实验教学，提升学生的化学思维品质和实验探究能力，从而提升化学实验教学的实效性。

一、初中化学实验教学功能

《义务教育化学课程标准（2022 年版）》明确指出，初中化学实验教学有如下功能：

1.培养学生的数据素养，助力学生科学探究能力的形成，让学生在观察实验现象中获取、搜集、整理和分析数据，并形成结论以及建构模型，让化学实验教学可视化、数据化，辅助学生认识化学问题的本质；2.加强对传统实验方式的改进，并借助数字化技术的力量实现实验形式的多元化转变。

基于此，教师可引入手持技术，构建数字化实验课堂，实现现代信息技术与化学实验的深度融合，让化学实验数据化、直观化，降低学生学习化学的难度，提高学生探索化学的兴趣，达到提升学生科学探究能力的目的。

二、手持技术概述

（一）定义

手持技术是一种便携式、易于操作的实验设备，具有高度集成化、智能化、数据实时处理等特点。它由微电子技术和计算机技术构成，主要包括计算机及配套软件①、传感器②、数据采集器③三个主要部件。其中部件①发挥数据的加工和呈现作用，部件②起到数据的传输作用，部件③发挥的是数据采集作用。

（二）特性

1.准确性。

准确性主要是指实验数据展现的准确性。原因主要有以下两点：一是部件③和部件②均是特殊的精密仪器，能准确采集和传输各种实验数据；二是部件①具有强大的数据分析和呈现能力，能将搜集的数据进行准确分析和呈现。

2.直观性。

在部件③采集数据后，可通过部件②传输到部件①，并在部件①中完成数据的分析，以及数据呈现方式的选择，如可选择数字、表格、图像等，以便于研究人员直观了解各种数据的分布、变化等，从而提升实验的直观性。

3.实时性。

实时性是指研究人员可从部件①中随时提取需要的数据进行运用，并选择合适的呈现方式，如数字、图表等，从而让实验的过程更加可视化。

4.便携性。

便携性是指该技术的部件①、部件②和部件③采用一体化设计，具有质量轻、体积小且易连接、易操作等特点，有利于化学实验随时随地开展。

5.综合性。

综合性主要体现在对各种数据的同时性、多维性检测，包括化学实验涉及的电流、压力、电压、温度等，还能展示上述数据的细微变化，从而多维度地认识该项化学实验。

三、手持技术与化学实验建立联系的桥梁——传感器

（一）气体压力传感器

此传感器用于检测密闭容器中的压力变化，并通过部件①转化成图形、数字和表格等形式，实现实验数据的直观性展现。常见的化学反应体系检测气体包括O2、N2、CO2等，还可应用于气体体积测量、催化效果测量等对比实验。

（二）温度传感器

此传感器主要用于检测在化学反应中的温度变化。目前主要应用于检测被加热实验仪器的表面温度、二氧化碳与温室效应之间的关系。

（三）pH传感器

此传感器主要的作用是检测化学实验中离子的微观变化，如氢离子浓度的细微变化。主要应用于溶液中的pH值检测、酸碱滴定实验。

（四）二氧化碳传感器

此传感器应用于检测化学实验中二氧化碳的浓度变化。针对当前的初中化学实验教学而言，主要应用在二氧化碳与温室效应实验、蜡烛非常规熄灭实验中。

（五）氧气传感器

此传感器主要检测化学实验中的氧气浓度变化，主要应用的实验类型有微型实验，如植物光合作用微观机理分析实验；常规实验，如双氧水催化分解制备氧气实验等。

（六）电导率传感器

此传感器的作用是检测化学实验溶液中的离子电导率变化状况。如用于初中化学实验中对洗涤剂乳化能力强弱的检测实验。

（七）滴数传感器

此传感器的作用是在化学实验中开展自动、实时、准确的滴定实验。在具体的滴定实验中，此传感器需要与其他类型传感器（如温度传感器、电导率传感器、pH 值传感器等）“协同配合”，精确计算滴数与各种参数之间的细微变化（其参数包括各种离子，如硝酸根离子、钾离子、钙离子；还包括电导率以及pH值）。

四、手持技术应用于化学实验的优势

（一）丰富验证性实验的检测手段

验证性实验，顾名思义主要是用于验证，注重验证的结果以及验证的方式。值得注意的是，学生需要在对研究对象有一定认知的前提下（知晓实验结果）才可以开展验证性实验。因为验证性实验有所侧重，所以可以通过手持技术进行，即利用手持技术的准确性特征反映实验的数据变化，达到验证的目的。

例如，为了验证铁生锈中氧气是否参与反应，用含有铁粉、活性炭粉和无机盐等物质的暖宝宝进行实验，将其贴在集气瓶内壁并在表面喷洒适量的水，加速铁粉生锈的进程，运用氧气传感器观察电脑中的氧气含量数据图，进而验证氧气是否参与反应。

（二）可视探究性实验的研究过程

探究性实验是一种实验活动，其独特之处在于实验结果在开始时并不为人所知，需要通过深入探究来得出结果，进而形成科学概念。这与传统的实验过程形成了鲜明对比。传统的实验过程往往按照“先理论分析，再设计实验，后观察现象，最后得出结论”的程序进行。然而，这种传统的实验方式存在一些弊端，包括需要记录多个实验现象，探究过程相对复杂，以及对实验结果具有较强的“主观猜测”性，这导致了实验结果存在较高的片面性。

为了更好地理解这个观点，我们可以以“空气中氧气含量的测定实验”为例展开论述。传统的测量氧气在空气中的占比的方式是通过标注红色刻度，观察吸水量与刻度的对应关系实现，如（图1）所示。然而，这种测定方式具有较强的主观臆断性，因为已经将刻度标在集气瓶中，这也导致学生在潜意识中认为只有吸水量在刻度处才证明实验科学。

图1

为了避免传统实验的这些弊端，教师可以采用手持技术，设定如（图2）所示的实验装置。首先，教师介绍实验的思路，即通过反应前后集气瓶内压强差与反应前内压强之比，推算出空气中的氧气含量。其次，寻找初始压差A（100.4kPa）和集气瓶压差最低D（79.6kPa），并计算氧气占空气的比重，如（图3）所示。这种新的实验方式不仅减少了主观猜测的影响，也使实验过程更为直观和科学。

图2

图3

值得注意的是，教师可以让学生分析整个气压的变化波动图与实际实验现象之间的关系，让学生在此过程中加深对实验现象背后数据的分析。学生讨论结果如下：从A到B，是将红磷放入集气瓶中，瓶内气压升高。从B到C，气压陡然增加的原因是红磷在集气瓶中迅速燃烧，产生大量热，导致瓶中的空气膨胀，继而气压升高。从C 到D 为下降趋势，是红磷在经历燃烧阶段后，集气瓶温度逐渐降低，直到最低，出现最低气压。从D到E气压迅速回归正常大气压，说明止水夹打开，水倒吸，整个实验结束。

使用手持技术，可以让探究性实验的过程变得更加可视化，也能让实验数据更为清晰，为实验探究提供确切的数据支撑，提高实验结论的准确度、客观性和可信度。

（三）扩展研究性学习实验的项目内容

拓展性学习实验是以小组合作为主要形式，以教师指导为主要方向，以研究问题为切入点，以文献查阅、方案制定、实际操作、数据处理、结论整理为实验环节，以让学生掌握科学的实验研究方法和丰富化学知识为目的的实验形式。在此实验中，教师可以通过手持技术，促进学生高效地完成实验，避免传统实验的弊端。

例如，在开展“不同浓度的二氧化碳温室效应”实验时，教师可以让学生设计如下实验：准备四个体积相同的集气瓶，并分别在四个瓶中装入瓶自身体积的1/5、2/7、3/8、5/6 的二氧化碳。此后，将4 个温度传感器分别放入4个集气瓶中，并在阳光下暴晒，记录四个集气瓶的温度变化数据，如（图4）所示。对比这些数据所呈现的图形，分析造成现象的原因。学生可以通过数据图的变化了解整个实验过程，并分析其中原因，提升自身的科学探究能力。

图4

（四）从定性到定量的思维转变：以氢氧化钠和氯化铁溶液反应为例

在初中化学教学中，氢氧化钠溶液和氯化铁溶液的反应是一个经常被使用的实验载体。这个反应的特点是现象明显且反应速率快，因此非常适合用于物质的变化、质量守恒定律、复分解反应条件等课题的实验教学。

然而，对于这个反应的微观理解却一直是教学中的一个难点。为了帮助学生突破这个难点，我们可以利用手持技术的电导率传感器进行实验。我们可以通过测量向氯化铁溶液中加入氢氧化钠溶液的电导率并绘制“电导率—时间”曲线，直观地看到电导率的降低，这反映了反应过程中离子浓度的减少。

为了进一步确认这个结果，我们进行了后续实验。在实验后，我们取上层清液滴加硝酸银，产生了白色沉淀。沉淀证明氯离子并未减少，因此我们可以得出结论：在这个反应中，钠离子和氯离子并未参与反应，实质是铁离子和氢氧根离子的反应，生成了难溶于水的氢氧化铁。

这个实验清晰地展示了化学反应的微观本质以及如何通过微观视角来解释和理解宏观现象。利用手持技术，我们可以帮助学生更好地理解和掌握这个难点，深化他们对宏微辨析的理解，从而实现从定性到定量的思维转变。

五、手持技术应用于初中化学实验的路径

（一）借助手持技术开展实验，辅助学习新知识

以氢氧化钠与二氧化碳的化学反应为例，教师可以运用手持技术，从定性和定量两个角度分析两者的反应，让学生通过数据直接理解相应的化学概念，提升学生的实验数据和实验图表分析能力，并通过如下四点，让学生理解化学新知识。

在具体实验设计方面，教师应准备如（图5）所示内容。

图5

1.转化知识：以实验数据为思维借力点，将陌生知识转化为熟悉知识。教师从如下几个步骤入手：一是复习旧知识。旧知识1二氧化碳与氢氧化钙反应生成白色沉淀，旧知识2通过水瓶和气球的形态变化，判断水与二氧化碳发生反应；二是引出新问题。除了利用上述方法外，引导学生思考新的验证方式，让学生从定性思维转向定量思维，即引入手持技术，让学生通过各种传感器的数据变化观察两者的反应，学习新的知识。

2.量化感知：通过感知实验数据变化实现新旧知识衔接，降低新知识学习陌生感。在实验中，教师需要让学生观察两类实验的变化。类型1，二氧化碳与蒸馏水。类型2，二氧化碳与氢氧化钠，其中的实验数据是以同一时间为依据下的压强变化、温度变化。此外，教师还需引导学生建立数据变化与现象变化的联系，让学生通过数据数量的变化直观感受气球的变化，降低时新知识学习的陌生感。

以类型2为例，在加入氢氧化钠后，因为实验瓶中已有部分二氧化碳和蒸馏水，所以这些化学药剂会发生反应。一开始气压值上升，气球稍微变大，原因是氢氧化钠加入。随后，气压值出现明显下降，气球在原有大小的基础上逐步缩小，说明氢氧化钠与二氧化碳反应，导致气球中二氧化碳减少。该方式通过量化感知，降低学生对新知识学习的陌生感。

3.视觉感知：呈现可视化的实验曲线图像，克服新知识的认知难点。在实验中，教师可以让学生观察气球的变化，尤其是与之对应的各种数据变化，如上文提到的放入氢氧化钠后，气压值先是升高，后是不断降低。教师可以通过这些可视化实验曲线，让学生直观发现两者的反应变化，尤其是克服学困生对新知识学习的认知难点。

（二）运用手持技术开展实验，提升实验有效性

1.搭建室外课堂，拓展实验的空间。

因为手持技术具有便携性特点，教师可以将实验“放”到室外，拓展实验空间，更新实验形式。例如，在探索“各种饮料质量”时，教师可以搭建室外课堂，让学生应用pH传感器、电导率传感器对常见的饮料进行检测，分析饮料的离子浓度、导电性、pH 值等，了解各种饮料的质量，在拓展实验空间的同时指导学生合理选用饮用水。

2.采用直观数据，提高实验准确率。

教师可以应用手持技术的准确性特性搜集实验的各种数据，实现定性和定量两种化学实验分析形式，让学生更为深刻地理解实验原理。以“测定空气中的氧气含量”为例，教师可以利用氧气传感器、气体压力传感器，分别测量采集前后的氧气含量、压强数据，将不可肉眼观看的实验现象通过直观数据进行展现，提高实验的准确性，让学生更为直观地理解氧气在空气中的体积占比。

3.推进微型实验，开展实验绿色化。

手持技术可在短时间内采集实验数据，得出实验结论，有效控制实验药品的用量，缩短实验时间，将手持技术与微型实验融合构建绿色化的实验，提高实验效率，降低药品用量。以“酸碱中和反应”实验为例，教师可以设计微型实验，采用微型实验工具，并将pH 传感器放到实验溶液中，通过测量溶液pH值的方式找准酸碱中和的终点，这样不但减少了药品用量，还缩短了实验时间，更推动了实验绿色化发展。

六、结语

总而言之，将手持技术与初中化学实验教学融合是一种有效的实验教学方法。教师应积极探索手持技术与初中化学实验教学的融合策略，充分发挥手持技术的优势，提高化学实验教学的质量和效率。