李文良

攜手手持技術(shù) 助力科學(xué)教育

李文良

學(xué)校科學(xué)教育在公民科學(xué)素質(zhì)建設(shè)中具有基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性地位。科學(xué)教育，是以傳授科學(xué)知識、訓(xùn)練科學(xué)方法、形成科學(xué)觀念和培養(yǎng)科學(xué)精神為內(nèi)容，以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)的教育活動。而化學(xué)作為一門中心的、實用的和創(chuàng)造性的自然科學(xué)，在科學(xué)教育中發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。將手持技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)教育，本身就是開闊視野、與時俱進(jìn)的舉措；同時為科學(xué)方法的培養(yǎng)和科學(xué)精神的塑造等方面的科學(xué)教育提供了鮮活的素材。

一、利用手持技術(shù)進(jìn)行科學(xué)教育

1.增長科學(xué)知識

在科學(xué)教育中，科學(xué)知識是培養(yǎng)學(xué)生智力、發(fā)展學(xué)生能力的實體因素[2]。科學(xué)知識，是科學(xué)活動中的科學(xué)成果，是對事物的基本屬性和運動規(guī)律的客觀描述和理論總結(jié)，起著基礎(chǔ)性的作用[3]。

例如，我校化學(xué)興趣小組開展課題為《利用手持技術(shù)探究中和反應(yīng)溶液的溫度與酸堿性的變化》(以下簡稱《中和反應(yīng)課題》)的活動中，學(xué)生實時地觀察反應(yīng)過程中溶液的溫度和酸堿性(pH)的變化，驗證了酸堿反應(yīng)的特點，鞏固了課堂上的知識。同時，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了意外現(xiàn)象：高濃度的氫氧化鈉溶液會使酚酞變色和酚酞剛好由紅色變?yōu)闊o色時，pH并不等于7。這些新收獲涉及高中知識，作為初中生為了解釋這些奇妙的現(xiàn)象，需要查閱資料獲取更多的信息，拓展學(xué)科知識面。

2.訓(xùn)練科學(xué)方法

科學(xué)方法是學(xué)生認(rèn)識、掌握、運用科學(xué)知識的重要工具，是在科學(xué)探究與解決問題過程中所采用的方式。掌握和運用科學(xué)方法的過程，對學(xué)生能力的形成和提高起關(guān)鍵性作用。只有掌握了正確的科學(xué)方法，才能使原有的科學(xué)知識不斷得到擴充。中學(xué)階段，學(xué)生應(yīng)該掌握的科學(xué)方法包括積累經(jīng)驗材料的方法(感性)和進(jìn)行理論思維的方法(理性)[4]。

中和反應(yīng)課題中，學(xué)生用無色酚酞試劑、pH傳感器和溫度傳感器實時監(jiān)測反應(yīng)過程中溶液的溫度和酸堿性的變化，其中涉及指示劑顏色的變化，pH和溫度數(shù)據(jù)的自動記錄以及記錄曲線的自動生成，這里關(guān)注的是對學(xué)生觀察法、實驗法、圖表法等方法的培養(yǎng)；而實驗數(shù)據(jù)的分析處理、意外現(xiàn)象的合理解釋以及中和反應(yīng)概念的形成，關(guān)注更多的是對學(xué)生理性思維方法的培養(yǎng)。

3.提高科學(xué)探究能力

科學(xué)探究在較大程度上反映了科學(xué)的本質(zhì)和過程特征，是科學(xué)教育領(lǐng)域最受關(guān)注的內(nèi)容之一?？茖W(xué)探究是以科學(xué)實驗為基礎(chǔ)、用科學(xué)方法展開的探究過程。手持技術(shù)的引入為科學(xué)探究提供了強大的技術(shù)支持，學(xué)生可以利用手持技術(shù)進(jìn)行大量實驗數(shù)據(jù)的采集、分析與處理，體驗科學(xué)家的科學(xué)實踐過程，并在“做科學(xué)”的探究實踐中培養(yǎng)自身的創(chuàng)新精神和實踐能力。

中和反應(yīng)課題中，學(xué)生要對反應(yīng)過程中溶液的溫度與酸堿性的變化進(jìn)行定性描述與定量分析，期間學(xué)生需要分析與解釋圖像和數(shù)據(jù)的含義。手持技術(shù)強大的數(shù)據(jù)處理功能可以幫助學(xué)生進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理。學(xué)生就擁有更多的時間可以思考、設(shè)計、評價實驗方案，最終獲得解決問題的方案。因而手持技術(shù)能有效促進(jìn)學(xué)生實驗操作能力、科學(xué)探究能力的發(fā)展。

4.形成科學(xué)觀念

科學(xué)觀念，是科學(xué)知識和方法的總結(jié)和升華，是學(xué)生在科學(xué)活動中經(jīng)過思考、探索、總結(jié)而形成的一種思維習(xí)慣和理性意識。科學(xué)觀念可以指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題、為科學(xué)方法提供合理性的辯護(hù)、啟發(fā)猜想的形成和假說的建立、提示科學(xué)研究工作應(yīng)承擔(dān)的社會責(zé)任等[5]，指引著科學(xué)探究活動的有效開展。新課程改革對“學(xué)科觀念”給予充分的重視，體現(xiàn)在“觀念為本的課程與教學(xué)”，強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生持久性影響的科學(xué)觀念。手持技術(shù)在化學(xué)觀念的建構(gòu)發(fā)揮著獨特的作用[6]。

中和反應(yīng)課題中，手持技術(shù)的優(yōu)勢實現(xiàn)了化學(xué)實驗從定性分析到定量分析的轉(zhuǎn)變，幫助學(xué)生建構(gòu)計量觀。此外，高濃度的氫氧化鈉溶液為何使酚酞變色、酚酞的變色范圍等新問題，隱含著實驗探索未知等實驗觀的建構(gòu)；生成物的探討基于質(zhì)量守恒元素觀的建立；中和反應(yīng)本質(zhì)的研究、概念的建立與升華涉及微粒觀和分類觀的建構(gòu)等。只有具備基本觀念，學(xué)生才能從化學(xué)視角理解所觀察到的自然界并切實有效地開展化學(xué)認(rèn)識和實踐活動，雖然化學(xué)觀念只是從化學(xué)學(xué)科的角度論證了辯證唯物主義關(guān)于物質(zhì)世界存在與發(fā)展變化的哲學(xué)判斷，但有利于并加深學(xué)生對物質(zhì)世界的認(rèn)識，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)觀念的形成[7]。

5.培養(yǎng)科學(xué)精神

科學(xué)精神，指學(xué)生在進(jìn)行與科學(xué)有關(guān)的認(rèn)知與實踐活動中所表現(xiàn)的信念、意志和品格。如果科學(xué)知識、科學(xué)方法的傳授是科學(xué)教育的實體，那么科學(xué)精神與科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)則是科學(xué)教育的靈魂。

中和反應(yīng)課題中，初中化學(xué)認(rèn)為酸堿恰好反應(yīng)時，無色酚酞剛好由紅色變?yōu)闊o色，溶液pH=7。然而，手持技術(shù)實驗，酚酞在pH=8左右發(fā)生了變色，這就要求學(xué)生認(rèn)真分析原因，不能草率，從中培養(yǎng)學(xué)生懷疑批判、尊重實驗事實、實事求是的科學(xué)精神。在收集整理資料，檢驗、驗證這一現(xiàn)象時，重點培養(yǎng)學(xué)生求真求實和團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。由于手持技術(shù)設(shè)備昂貴，實驗操作程序和操作規(guī)范要求學(xué)生認(rèn)真對待，實驗現(xiàn)象要求學(xué)生耐心細(xì)致地觀察。應(yīng)用手持技術(shù)的數(shù)據(jù)處理功能時，學(xué)生可以充分利用數(shù)形結(jié)合思想，在“做”中體會數(shù)據(jù)處理的意義，完善對科學(xué)探究的認(rèn)識，培養(yǎng)細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)、堅持真理、積極探索的科學(xué)精神。

二、手持技術(shù)在科學(xué)教育中應(yīng)用的思考

從手持技術(shù)在科學(xué)教育的應(yīng)用來看，手持技術(shù)在我國中學(xué)校園的應(yīng)用與推廣具有必要性和可行性。

第一，適合于中學(xué)生的技能操作與知識運用。手持技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡單、體積小，易于操作?？茖W(xué)實踐活動中，可以綜合運用多個傳感器進(jìn)行不同數(shù)據(jù)的采集與處理，有利于學(xué)生多學(xué)科知識的綜合運用與學(xué)科交叉思維的培養(yǎng)。

第二，滿足信息技術(shù)與學(xué)科課程整合的需要。傳統(tǒng)科學(xué)實驗主要以定性為主，定量較少，而定量實驗重在培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)精神和素養(yǎng)。手持技術(shù)的引入，可借助計算機處理實驗變量、驗證假設(shè)并探究各變量間的關(guān)系，提供了學(xué)習(xí)科學(xué)的諸多機會。此外，手持技術(shù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具有豐富的數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合功能，促進(jìn)了信息技術(shù)與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科教育的整合。

第三，體現(xiàn)新課程發(fā)展的要求。新課程提出以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為主旨，而科學(xué)探究是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的首要途徑。手持技術(shù)的引入，不僅對學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變、科學(xué)探究能力和信息素養(yǎng)的培養(yǎng)等具有重要意義；而且可以讓學(xué)生了解科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢，運用先進(jìn)的研究方法和實驗手段進(jìn)行科學(xué)實踐，體會科學(xué)家是如何做研究的，體現(xiàn)了新課程對課程內(nèi)容時代性的要求。

[1] 馬勇軍,吳俊明.科學(xué)教育概念辨析[J].天津市教科院學(xué)報,2006(4):41-43.

[2] Miller J D. Scientific literacy: A conceptual and empirical review[J].Daedalus, 1983, 112(2): 29-48.

[3] 關(guān)亮亮.我國中學(xué)科學(xué)教育的現(xiàn)狀、問題和研究對策[D].重慶:西南大學(xué),2013.

[4] 錢揚義,彭豪.數(shù)字化微型氣象站在科學(xué)教育中的應(yīng)用與思考[J].中國電化教育,2009(7):88-91.

[5] 陳芳芳.初中化學(xué)教科書中科學(xué)方法的編制研究[D].沈陽:沈陽師范大學(xué),2011.

[6] 周德紅.談科學(xué)思想與科學(xué)研究[J].科學(xué), 2012, 64(3):38-41.

[7] 畢華林,萬延嵐.化學(xué)基本觀念:內(nèi)涵分析與教學(xué)建構(gòu)[J].課程·教材·教法,2014(4):76-83.

李文良，碩士，中教二級。福建省晉江市紫華中學(xué)，362200