徐睿

摘要：從數字化實驗接口設備單向到雙向、傳感器專業(yè)化到大眾化、數據傳輸有線到無線、實驗控制網絡化與智能化的發(fā)展現狀出發(fā)，分析中學化學數字化實驗多元化使用外圍設備、自動化、遠程化的發(fā)展趨勢，進而指出中學化學數字化實驗教學值得深入探索的若干發(fā)展方向。

關鍵詞：數字化實驗; 遠程實驗; 中學化學

文章編號：1005-6629（2020）09-0031-06

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

上世紀90年代末，隨著帶編程和繪圖功能的圖形計算器（Graphing Calculator）開始在我國中學數學學科得到應用，作為圖形計算器“外圍設備”的接口設備及系列傳感器也開始進入到自然科學學習領域的相關學科中，中學化學學科也是其中之一。傳感器的應用及實驗數據的數字化采集和處理，使中學化學實驗邁進了數字化時代，在促進認知、豐富探究手段、拓寬認知領域等方面，都發(fā)揮了獨特的教學功能。

經過20多年的探索，數字化實驗設備和數字化實驗的應用都在不斷發(fā)展。傳感器的種類越來越豐富;數據處理器也逐步多元化，除了圖形計算器，還有計算機、Pad和手機等，使用戶可以綜合考慮功能、便攜和成本等各方面因素進行靈活選擇。教學應用的普及程度也不斷提升，越來越多的學生有機會應用數字化設備來探究和創(chuàng)新。近年來，隨著物聯(lián)網、人工智能等技術的飛速發(fā)展以及STEM、 STEAM教育理念的普及，中學化學數字化實驗又迎來了新的發(fā)展機遇。

1?數字化實驗軟硬件的發(fā)展現狀

1.1?接口設備從單向到雙向

接口設備（Interface）是連接數據處理器和傳感器的“中介”，有的接口設備還帶有觸摸式的屏幕，兼具一定的數據處理功能。在傳統(tǒng)的數字化實驗中，接口設備負責將傳感器采集到的信息轉化為計算機或手持設備上的軟件能夠識別和處理的數據，這是一個“傳感器→接口設備→數據處理器”的單向傳遞過程。在實驗過程中，我們通過pH、電導率、色度、濁度、電流、電壓、溫度、二氧化碳濃度、溶解氧等各種類型的傳感器收集實驗數據，并將其通過接口設備傳送到數據處理器中，通過相關的配套軟件，實現數據的分析處理以及圖形的繪制等功能。

近幾年，部分廠商推出了新的接口設備或其擴展設備，實現了數據傳遞的雙向化，即還可以實現“數據處理器→接口設備→外圍設備”的信息傳送。例如德州儀器公司的創(chuàng)新者系統(tǒng)（TiInnovator Hub）（如圖1所示）和威尼爾公司的數字化控制單元（Digital Control Unit）（如圖2所示）。于是，數字化實驗不再僅僅停留在獲取數據，而可以輸出一定的信號，來控制馬達、揚聲器、LED、數位顯示管等外圍設備。數字化實驗從“輸入”發(fā)展為一個“輸入”和“輸出”結合互動的過程，豐富了其教學應用的場景。

“雙向”的數字化實驗往往可以通過編程實現對輸入數據的判斷、分析、呈現，并進一步根據條件自動輸出控制的指令，用來驅動外圍設備，從而豐富實驗結果的呈現形式或實現實驗條件的自動控制。

1.2?傳感器從專業(yè)化到大眾化

傳統(tǒng)的數字化實驗接口設備，往往只能兼容廠商自家或者有合作關系的廠商的傳感器，例如Pasco的接口設備只能使用Pasco的傳感器，TI的接口設備只可以接駁TI的傳感器和Vernier的傳感器。新涌現的一些“雙向”的接口設備除了支持自己品牌的傳感器，還可以兼容很多符合一定通用技術規(guī)范的第三方傳感器。這些兼容的第三方設備，盡管精度可能不及品牌的專業(yè)化傳感器，但是對于滿足中學階段的教學需求還是綽綽有余的。而且這些大眾化的傳感器還具有如下的特點：

（1） 小型。這些設備與傳統(tǒng)的定量實驗儀器或傳統(tǒng)的傳感器相比，體積顯然小很多（如圖3所示）。一般都是模塊化設計，具有統(tǒng)一規(guī)范的接口，在連接時只要進行簡單的插拔即可。

（2） 集成。有些傳感器能夠集成多種功能，通過一個傳感器同時采集多個物理量。例如圖4中的空氣質量傳感器，盡管體積不大，但卻可以同時測量PM2.5、甲醛、溫度、濕度四個量。

（3） 兼容。這些傳感器的兼容性往往比較好，可以匹配不同品牌的接口設備，有的還可用于接駁機器人教學的相關硬件。硬件兼容性的提高，有利于其跨學科的使用，不僅為學生創(chuàng)造了更廣闊的技術應用場景，也降低了技術學習時間的占比，提高了教學效率。

（4） 價廉。第三方傳感器的價格一般只有專業(yè)品牌傳感器的十分之一左右，有利于在各類學校普及配備。由于成本低，即使在使用中有損耗，學校也可以承受，更加適合學生使用。

1.3?數據傳輸從有線到無線

傳統(tǒng)的傳感器一般都是通過線纜將數據信號傳輸到接口設備，這往往會給數字化實驗帶來一些問題：

●會造成實驗裝置和電腦、接口設備等離得比較近，不利于干濕分離，容易造成電子設備的損壞;

●如果裝置中有加熱設備，線纜的存在會有一定的安全隱患;

●在使用多傳感器同時測量的時候，線纜的存在會嚴重影響實驗操作的便利性;●由于線纜的存在，造成實驗體系并不獨立，有些量就無法準確測量。

隨著無線傳感器的出現，這些問題都能得到很好的解決。目前市場上的無線傳感器主要通過藍牙技術實現無線連接，在傳感器和接口設備上都有無線模塊的存在（如圖5所示），實現數據的無線傳送。在移動端app的支持下，傳感器獲取的數據也可以通過藍牙直接傳送給手機等移動設備，并在移動設備上進行數據的分析處理。

圖6是一套自動滴定的裝置，與以往常見的采用滴數計獲取標準液用量的方法不同，這套裝置采用了重量法。其中無線pH傳感器的應用，擺脫了線纜對稱量的影響，使燒杯的體系成為獨立的可準確稱量的對象，也使自動滴定又增添了一種可行的方案。

1.4?實驗控制的網絡化與智能化

隨著近年來智能化物聯(lián)網的不斷發(fā)展，很多智能設備走進了日常生活，常見的有溫度傳感器、濕度傳感器、光強度傳感器、天然氣報警器、煙霧報警器、人體感應器、智能插座、智能攝像機、智能燈泡等。盡管精度可能不如專業(yè)的傳感器或控制設備，但能接入互聯(lián)網的特點使這些硬件的使用、控制和管理更加便捷，在化學實驗中具有廣泛的應用場景，例如：測量實驗變量、控制實驗條件、保障實驗安全、開展遠程實驗和長周期實驗觀察與記錄等。通過配套的app，還可以設置各種邏輯條件，使實驗的開展更加自動化和智能化。

2?數字化實驗的發(fā)展趨勢

2.1?傳感器等外圍設備使用的多元化

隨著數字化實驗設備的普及和發(fā)展，所使用的傳感器種類也越來越多，例如經?？梢钥吹接薪處熢趯嶒炛惺褂醚鯕狻⒍趸?、溶解氧等傳感器，有的教師還使用了離子選擇性電極。傳感器使用的多元化，有利于在教學中打開學生的設計思路，鼓勵多元方案的形成，例如中和滴定實驗，除了可以使用pH傳感器，還可以使用電導率、溫度、顏色識別等傳感器來對滴定終點進行研究。

“雙向”化是數字化實驗發(fā)展的一個重要趨勢，除了使用傳感器來獲取、輸入信息，實驗中還會涉及數字化信息的輸出，輸出的信息常以電、光、聲等形式表現出來。電的輸出可以用來驅動馬達，形成機械運動，例如用馬達來旋轉滴定管的活塞;電的輸出還可以用來加熱、產生磁場等，從而實現對實驗條件、實驗操作等的主動控制。光的輸出不僅表現為是否發(fā)光，還可以在強度、顏色等方面有所變化。同樣，聲的輸出也可以在是否發(fā)聲、音量高低、聲音頻率等方面有所變化。

輸入、輸出設備的聯(lián)用使數字化實驗的應用場景得到進一步拓寬。例如，有教師在研究弱電解質的電離平衡移動的實驗中，利用“雙向”的外圍設備將pH、電導率等傳感器獲取的信息轉換為音樂的音調高低，使學生可以通過聽覺來獲取實驗信息，拓展了實驗觀察的感官，也使教學更加趣味化，促進了科學與人文藝術的融合。

2.2?化學實驗的自動化

在只有輸入的單向數字化實驗系統(tǒng)中，盡管數據處理器具有自動記錄、處理從傳感器獲取的數據的功能，但是其只能以數字、表格、圖像等形式呈現結果，而無法輸出動作，實驗條件的控制還得實驗者手動才能完成，例如關閉活塞、升高加熱溫度等。在使用了“雙向”的接口設備以后，這些輸出的動作就可以在程序的控制下通過相應的外圍設備來完成，如馬達的旋轉、電加熱的啟動等。在程序中可以自由設定各種邏輯條件，只有滿足特定的條件，才執(zhí)行相應的動作，并且可調整的動作參數不僅僅是“開”和“關”，還可以是強度、速度等。

在配制一定pH醋酸溶液的實驗中，實現自動化的原理如圖7所示。

化學實驗的自動化與培養(yǎng)學生的基本實驗技能并不矛盾，信息化支持下的實驗技能也是實驗技能的重要組成部分，在學生掌握必要的傳統(tǒng)實驗技能后，實驗的信息化和自動化可以讓實驗更加精確、迅捷、高效，也可以挖掘出更多的育人價值。我們在教學中可以把學生從簡單、機械重復的實驗操作中解放出來，把節(jié)省下來的時間用于引導學生查找資料、深入思考、全面設計，并應用各種實驗手段解決復雜、真實的問題。

2.3?化學實驗的遠程化

在智能化物聯(lián)網等軟硬件環(huán)境的支持下，化學實驗的遠程化成為可能，一般可以遠程實現以下功能：（1）物料的添加或移除;（2）實驗條件的控制，如反應溫度的控制;（3）實驗現象觀察與實錄;（4）數據傳送和分析處理等。遠程化學實驗并不等同于虛擬化學實驗，它借助的還是真實的儀器、試劑、設備，和現場實驗一樣具有不確定性，在實驗現象和實驗數據獲取方面能帶給學生真實的實驗感受，只不過操作上要借助有關設備遠程實現。因此，遠程化學實驗仍然是真實的科學實驗。

遠程化學實驗打破了時間和空間的限制，無論何時何地，學生都可以通過網絡開展實驗活動。由此，遠程實驗使實驗室資源得到更加充分的利用[1]。遠程化學實驗使學生的學習環(huán)境更加安全、環(huán)保，還能方便地實現24小時全天候的實驗觀察和記錄。例如，制備硫酸銅晶體的實驗需要較長的實驗周期，期間也需要學生不斷進行觀察和記錄，利用網絡攝像頭，學生可以隨時觀察晶體的生長情況，學生也可以利用系統(tǒng)的延時攝影等功能，自動記錄整個晶體形成的過程并進行在線展示。

在網絡化的遠程實驗環(huán)境下，學生還可以方便地開展合作與交流，實驗過程和成果也容易實現及時共享，這些都有效提高了學習效率。

在2020年新冠疫情背景下的在線教學中，學生缺少動手實驗的機會是一個普遍存在的問題，研究和開發(fā)系列遠程化學實驗是彌補這一短板的有效手段。

3?數字化實驗教學的發(fā)展方向

3.1?解決生活實踐中的真實問題

數字化實驗手段的日益豐富，拓展了學生開展探究和解決問題的手段，有利于教師在教學中引導學生發(fā)現生活中的真實問題，建立問題解決的模型，并借助相關的技術通過實踐活動加以解決。一個好的能夠借助數字化實驗解決的問題一般具有以下的特點：（1）問題來源于現實生活，真實存在，最好學生有相關經歷或感受;（2）問題的解決需要數據的實證支持;（3）對學生來說問題的解決具有一定的開放性和不確定性，對教師來說可以提供大量的資源;（4）問題的解決需要遵循一定的流程和規(guī)范;（5）問題解決的方案能在實際生活中應用，為社會服務。

例如：為解決溫室中植物生長環(huán)境的智能化調節(jié)，有學生利用“雙向”的數字化實驗設備，設計了如圖8所示的方案，以大號透明塑料儲物盒為材料，搭建了“智能溫室”模型。

3.2?實現跨學科的教學目標

有機整合“科學與工程實踐”“跨學科概念”“學科核心知識”這三個維度[2]已經成為科學教育的重要發(fā)展趨勢，數字化實驗的運用，有助于將數學、物理、生物、信息、勞技、藝術等學科的知識緊密結合，有效促進學生跨學科知識的綜合應用，是STEM或STEAM教學的重要抓手。

“培養(yǎng)學生運用軟件技術學習化學及處理數據的能力”[3]是信息化時代化學教學必須關注的問題，教師要引導學生充分認識技術應用在問題解決中的重要作用，能找準技術的特點和問題解決的需求之間的結合點，充分發(fā)揮技術的長處來解決問題。能在問題解決的過程中，根據問題解決的需要，學習和應用一定的新技術。有些國家將“10分鐘編程”整合在科學課程的教學中，就是技術服務于學科問題解決的典型案例。

3.3?提供更多實踐與體驗的機會

在技術的支持下，學生探究的時間和空間得到拓展，探究的角度更加多樣，探究的內容更加豐富，這是學生學習過程中獲取直接經驗的寶貴機會。教師在教學中應讓學生能在一定的目標引導下開展有針對性的實踐活動，通過操作、觀察等行為獲得直觀體驗，在實踐和體驗的過程中將動手和動腦緊密結合、互相促進。教師要引導學生加強思考，減少動手實踐的盲目性;教師也要讓學生能夠充分基于實踐過程中獲得的證據開展思考，使實踐活動成為進一步深入思考和解決真實問題的前提條件。

3.4?促進學生綜合學習能力的提升

數字化的實驗環(huán)境對學生自學能力和科學探究能力等提出了更高的要求，具體表現在學習新技術、資料查找、方案設計、數據處理、交流合作等各個方面。學生要能嘗試用多種方案解決真實問題，能比較不同方案的優(yōu)缺點，提出自己獨特的問題解決方案。能在問題解決過程中大膽質疑，正確面對挫折和失敗。數字化實驗創(chuàng)設的學習環(huán)境，可以使學生的綜合學習能力得到鍛煉和提升，也有利于促進科學態(tài)度和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

3.5?建設更加靈活多樣的數字化實驗課程

在常規(guī)的必修課程中開展數字化實驗，數字化實驗常以“點狀”分布在整個教學過程中，數字化實驗教學功能的整體發(fā)揮往往受到一定的限制，建設更加靈活的數字化實驗課程是解決此問題的有效途徑。

教師可以以主題活動為基本單位，開發(fā)短周期（一般為4～6課時）的課程。這些課程一般以數字化實驗為主線，或幫助學生形成新的知識，或解決一個實際問題。有的課程可作為必修課程的一部分，有的則作為選修課程。

課程的呈現方式可以打破傳統(tǒng)的紙質教材形式，采用網絡平臺或者app作為課程的載體，提供豐富的課程內容、媒體資源和交流渠道，學生主要通過信息化環(huán)境下的自主學習為實踐活動做好充分的準備。

教師在課程的實施過程中，在信息化平臺上為學生準備學習資源、提出學習任務、參與學習交流。教師還需要在環(huán)境、儀器、藥品等各方面為學生的實踐活動做好線下的保障工作，在學生的探索過程中及時進行針對性的指導，并保證學生整個實踐和體驗過程的安全。短周期、網絡化、自助式的特點使此類課程的實施更加靈活和方便，也會使其更具生命力。

參考文獻：

[1]曾東波. 校園遠程網絡實驗室的設計與實現[J]. 物聯(lián)網技術， 2015， （9）：102.

[2]Committee on Conceptual Framework for the New K-12 Science Education Standards; National Research Council. A Framework for K-12 Science Education：Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas [M]. Washington， D.C.：The National Academies Press， 2012.

[3]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S]. 北京：人民教育出版社， 2020：84.