宋 偉

（江蘇省江陰市教師發(fā)展中心 江蘇江陰 214400）

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)的基礎(chǔ)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是化學(xué)教學(xué)活力的源泉。設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)一直是廣大化學(xué)教師重視和追求的目標(biāo)，但不同以往的是，隨著新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和普及，融入新技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)比例呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。景一丹［1］把“關(guān)注現(xiàn)代化技術(shù)，應(yīng)用新技術(shù)與新儀器”列為我國(guó)化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。

然而，在新技術(shù)賦能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的另一面，在實(shí)踐中也存在著“技術(shù)本位”“技術(shù)至上”的不良取向［2］，例如“為了技術(shù)而技術(shù)”，強(qiáng)行使用一些新技術(shù)代替原本簡(jiǎn)單玻璃儀器就能實(shí)現(xiàn)的功能，或是忽視了不同技術(shù)所適用的應(yīng)用環(huán)節(jié)、創(chuàng)新策略。

為了展示優(yōu)秀創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)如何應(yīng)用新技術(shù)，尤其是針對(duì)內(nèi)容少、起點(diǎn)低的初中實(shí)驗(yàn)如何融入新技術(shù)［3］，本文選擇有代表性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)比賽作品作為研究樣本，采用內(nèi)容分析法，試圖回答以下研究問(wèn)題：優(yōu)秀創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)采用了哪些新技術(shù)？應(yīng)用于哪些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)？采用了哪些創(chuàng)新策略？產(chǎn)生了哪些價(jià)值？

一、研究樣本的選取

本研究的樣本選取了2023 年4 月26～28 日舉辦的江蘇省第八屆中學(xué)化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)展評(píng)（以下簡(jiǎn)稱“省實(shí)驗(yàn)比賽”）的28件初中組參賽作品。省實(shí)驗(yàn)比賽由江蘇省教育科學(xué)研究院主辦，每2年一屆，至今已有10多年歷史，是全省化學(xué)實(shí)驗(yàn)的品牌賽事。本研究選取的28件作品是經(jīng)過(guò)區(qū)級(jí)評(píng)比、市級(jí)評(píng)比和省賽初評(píng)等層層選拔，最終進(jìn)入省賽現(xiàn)場(chǎng)評(píng)比的，它們至少獲得省級(jí)二等獎(jiǎng)的獎(jiǎng)勵(lì)，因此能夠代表江蘇省中學(xué)化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的較高水平和最新研究成果。

筆者作為此次比賽一等獎(jiǎng)作品的參賽選手，又全程觀摩了省實(shí)驗(yàn)比賽，并且用攝像機(jī)完整拍攝了所有作品展示的全過(guò)程，為本研究的分析提供了便利。

二、分析框架的確定

本文從4 個(gè)維度進(jìn)行分析：（1）新技術(shù)的類(lèi)型；（2）應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；（3）采取的創(chuàng)新策略；（4）產(chǎn)生的價(jià)值?！靶录夹g(shù)的類(lèi)型”和“產(chǎn)生的價(jià)值”維度采用“自下而上”的分析方法，即全面梳理每個(gè)作品用到的新技術(shù)和產(chǎn)生的價(jià)值，然后將相近的內(nèi)容歸納為某個(gè)類(lèi)型?！皯?yīng)用的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)”和“采取的創(chuàng)新策略”采用“自上而下”的分析方法，即先根據(jù)文獻(xiàn)制定分析框架，再對(duì)每個(gè)作品做編碼分析。這2個(gè)維度采用了何盼和占小紅提出的框架［4］，“應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)”體現(xiàn)了技術(shù)介入化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)硞€(gè)環(huán)節(jié)后的表現(xiàn)，“采取的創(chuàng)新策略”改編自博迪和戈登堡提出的五條微創(chuàng)新策略［5］，并融入了化學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵。具體的分析框架如表1所示。

表1 本研究的分析框架

三、分析方法與結(jié)果

采用內(nèi)容分析的方法，根據(jù)制定的分析框架，對(duì)28個(gè)作品做編碼分析，當(dāng)某個(gè)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)某種類(lèi)型時(shí)就做標(biāo)記。由于一個(gè)實(shí)驗(yàn)可能涉及多種類(lèi)型的技術(shù)、環(huán)節(jié)、策略、價(jià)值，因此可以多選。編碼結(jié)束后，對(duì)結(jié)果做統(tǒng)計(jì)分析。

28個(gè)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目中，有24個(gè)應(yīng)用了新技術(shù)，比例高達(dá)85.7%。沒(méi)有使用新技術(shù)的4個(gè)實(shí)驗(yàn)中，有2個(gè)分別介紹了膠帽和濾紙?jiān)趯?shí)驗(yàn)中的新應(yīng)用，還有2個(gè)采用了生活材料的組裝實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果?？傮w而言，江蘇化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)幾乎都很重視新技術(shù)的應(yīng)用，很大程度上體現(xiàn)了化學(xué)與技術(shù)的融合。下文以24個(gè)應(yīng)用新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)為基數(shù)做統(tǒng)計(jì)分析。

1.新技術(shù)的類(lèi)型分析

對(duì)“新技術(shù)的類(lèi)型”的分析結(jié)果如圖1，使用比例最大的是醫(yī)療技術(shù)（58.3%），其次是流體技術(shù)（41.7%），接著是傳感技術(shù)（29.2%）和電工技術(shù)（29.2%），最后是攝影技術(shù)（12.5%）。

圖1 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用各種新技術(shù)的占比

醫(yī)療技術(shù)主要涉及注射器（13 次）、針頭（3 次）和輸液器（1 次），尤其是注射器已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用到初中實(shí)驗(yàn)中，它可以單獨(dú)使用，抽走或注入氣體和液體，接納反應(yīng)的生成物，以及除去尾氣；也可以兩個(gè)注射器串聯(lián)使用，通過(guò)來(lái)回抽拉產(chǎn)生快速流動(dòng)的氣流，增大反應(yīng)物接觸面積。此外，輸液器被用于以某種速率滴入反應(yīng)物溶液，是一種比較新穎的做法。

流體技術(shù)主要涉及單向閥（3次）、三通閥（3次）、壓力罐（3 次）、流速閥（2 次）、空氣泵（1 次）、抽氣泵（1 次）。單向閥可以讓氣體朝著一個(gè)方向流動(dòng)，一方面避免倒吸，另一方面可以通過(guò)反復(fù)的吸氣、呼氣模擬打氣筒（吸氣時(shí)容器內(nèi)氣體從單向閥A 吸入，呼氣時(shí)容器內(nèi)氣體從單向閥B 排出），因此可以用于檢驗(yàn)人體呼出氣體的實(shí)驗(yàn)中。三通閥和流速閥可以方便地改變氣體和液體流動(dòng)的方向和流速，多與注射器聯(lián)合使用。壓力罐內(nèi)事先充滿二氧化碳等壓力氣體，可以以一定壓力注入瓶中，非常方便。

傳感技術(shù)主要涉及二氧化碳傳感器（4 次）、氧氣傳感器（2 次）、壓強(qiáng)傳感器（2 次）、電導(dǎo)率傳感器（1 次）、pH 傳感器（1 次）、濕度傳感器（1 次）、高溫傳感器（1次）。這些傳感器的使用已經(jīng)在文獻(xiàn)中有很多介紹，本次比賽中傳感器的使用再次驗(yàn)證了它仍然具有改進(jìn)新實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新活力。

電工技術(shù)主要涉及遙控點(diǎn)火器（3次）、電熱絲（2次）、數(shù)碼顯示屏（1次）、音樂(lè)盒（1次）。遙控點(diǎn)火器可以遠(yuǎn)距離遙控點(diǎn)火，一方面避免了如粉塵爆炸時(shí)實(shí)驗(yàn)人員靠近點(diǎn)火帶來(lái)的安全隱患，另一方面可以解決密閉容器內(nèi)不方便引燃反應(yīng)物的問(wèn)題。電熱絲是選手用電阻絲自制的，通電后發(fā)紅發(fā)熱，可以加熱反應(yīng)物。

攝影技術(shù)主要涉及微距攝影（2 次）、熱成像攝影（1次）、視頻分析（1次）。微距攝影可以捕捉微小的現(xiàn)象，便于觀察，還可以與無(wú)線投屏技術(shù)聯(lián)合使用，在大屏幕上進(jìn)一步放大現(xiàn)象。熱成像攝影拓展了溫度測(cè)量手段，直觀地觀察到鐵與硫酸銅反應(yīng)的放熱。視頻分析技術(shù)能夠定量觀察到粉塵爆炸的最高點(diǎn)。

2.應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分析

對(duì)“應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)”的分析結(jié)果如圖2。24個(gè)實(shí)驗(yàn)都在“計(jì)劃的實(shí)施與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的得出”環(huán)節(jié)應(yīng)用了新技術(shù)（100%），有的使用新技術(shù)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置，有的用于更好地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的主旨是吻合的。

圖2 新技術(shù)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)占比

一些實(shí)驗(yàn)在“結(jié)論的形成與表達(dá)”環(huán)節(jié)使用了新技術(shù)（20.8%），主要是用傳感器或攝影技術(shù)補(bǔ)充了新的數(shù)據(jù)，作為肉眼觀察到現(xiàn)象的補(bǔ)充和豐富，這樣能夠更加充分地證明結(jié)論。例如湯華娟、黃小云老師的“再探鐵與硫酸銅反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)不僅用顯微鏡拍攝了鐵絲與硫酸銅反應(yīng)生成紅色固體、溶液變綠的現(xiàn)象，還用熱成像拍攝到鐵絲表面溫度升高，兩個(gè)證據(jù)共同證明鐵與硫酸銅發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

少數(shù)實(shí)驗(yàn)還在“問(wèn)題的提出”環(huán)節(jié)使用了新技術(shù)（8.3%），例如筆者的“對(duì)‘燃燒條件’實(shí)驗(yàn)的再探究”，在觀察到石蠟“一閃即滅”的“異常現(xiàn)象”后，自然而然地提出“為什么會(huì)這樣？”的問(wèn)題，從而進(jìn)行“燃燒的條件”的實(shí)驗(yàn)研究?！疤岢鰡?wèn)題”的前提是前期細(xì)致地觀察，一些輔助學(xué)生觀察或測(cè)量數(shù)據(jù)的技術(shù)能幫助學(xué)生積累前期經(jīng)驗(yàn)、產(chǎn)生困惑，從而提出問(wèn)題。

但是，總體而言，新技術(shù)在提出問(wèn)題、做出假設(shè)、制定計(jì)劃等環(huán)節(jié)的應(yīng)用還很少，而且在現(xiàn)實(shí)中學(xué)生也常常很難主動(dòng)、順利地完成這些環(huán)節(jié)。究其原因，不是這些環(huán)節(jié)不重要，而是課堂上實(shí)驗(yàn)問(wèn)題、假設(shè)和步驟經(jīng)常是給定的，缺少學(xué)生主體參與和探究，需要在未來(lái)進(jìn)一步重視和改進(jìn)。

3.采取的創(chuàng)新策略分析

對(duì)“采取的創(chuàng)新策略”的分析結(jié)果如圖3。由于不同技術(shù)所對(duì)應(yīng)的策略可能有差異，本文不僅呈現(xiàn)了總體的占比，還選取了排名前4的四種技術(shù)所對(duì)應(yīng)的策略，進(jìn)行比較?？傮w來(lái)說(shuō)，使用最多的是乘法策略（58%），其次是除法策略（33%），接著是任務(wù)統(tǒng)籌策略（17%）和減法策略（4%）。

圖3 新技術(shù)應(yīng)用的創(chuàng)新策略占比

乘法策略被廣泛采用。幾乎所有應(yīng)用傳感技術(shù)的實(shí)驗(yàn)都采取了乘法策略（86%），這與傳感技術(shù)本身的特點(diǎn)密不可分——傳感技術(shù)測(cè)量了更多的參數(shù)，與肉眼觀察到的現(xiàn)象呼應(yīng)，自然能夠同時(shí)呈現(xiàn)多元信息。醫(yī)療技術(shù)也經(jīng)常采用乘法策略（71%），因?yàn)榭梢圆捎枚鄠€(gè)注射器串聯(lián)或并聯(lián)，把許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象合并到一起同時(shí)呈現(xiàn)。例如馬鳳老師的“酸雨及危害的可視化實(shí)驗(yàn)”把模擬生成的二氧化硫分別吸入3個(gè)注射器中，分別產(chǎn)生“高錳酸鉀褪色”“石蕊變紅”“遇氯化鋇產(chǎn)生沉淀”的現(xiàn)象，通過(guò)多個(gè)信息的疊加，讓學(xué)生更好地理解二氧化硫的性質(zhì)。電工技術(shù)同樣經(jīng)常采用乘法策略（86%），例如用數(shù)碼顯示屏呈現(xiàn)數(shù)據(jù)信息，用音樂(lè)盒呈現(xiàn)聲音信息等，都能多元呈現(xiàn)數(shù)據(jù)?？傊朔ú呗泽w現(xiàn)了一種集成式、組合式的創(chuàng)新思維，值得廣泛使用。

除法策略是應(yīng)用第二廣泛的策略。傳感技術(shù)仍然是最多采用該策略的技術(shù)之一（43%），因?yàn)閿?shù)字化實(shí)驗(yàn)在保留必要環(huán)節(jié)（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)）的前提下，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和繪圖。在醫(yī)療技術(shù)（36%）、流體技術(shù)（30%）和電工技術(shù)（43%）的應(yīng)用中采用除法策略，可以用空氣泵或壓力罐更方便地鼓入氣體，用閥門(mén)更方便地控制氣體的定向流動(dòng)，在密閉體系中直接遙控點(diǎn)火避免先點(diǎn)燃后密閉的麻煩……不僅操作更簡(jiǎn)便了，而且原有的功能沒(méi)有被削弱。

任務(wù)統(tǒng)籌策略在部分實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)，這些實(shí)驗(yàn)通過(guò)新技術(shù)引發(fā)新問(wèn)題、新情境、新任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生思維、情感的發(fā)展。例如筆者的“對(duì)‘燃燒條件’實(shí)驗(yàn)的再探究”設(shè)置了5個(gè)環(huán)環(huán)相扣的系列實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都會(huì)引發(fā)下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的思考，例如“滿足3個(gè)燃燒的條件就一定能燃燒嗎？”下一個(gè)實(shí)驗(yàn)就設(shè)計(jì)了滿足3個(gè)條件但不燃燒的實(shí)驗(yàn)案例。再如葛德新老師的“幾種人體呼吸產(chǎn)生二氧化碳演示器的制作與使用”和閔亞?wèn)|老師的“巧妙驗(yàn)證呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳”2 個(gè)實(shí)驗(yàn)，都利用單向閥設(shè)計(jì)裝置，模擬人體呼吸，但并未就此結(jié)束，而是與生物學(xué)產(chǎn)生跨學(xué)科聯(lián)系，進(jìn)一步聯(lián)系生活實(shí)際進(jìn)行科普教育。

減法策略在少數(shù)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用，通常是為了化繁就簡(jiǎn)，直接刪除某些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)或要素。例如在朱清華和蔡華美老師的“一定量液體吸收二氧化碳的比較”中，二氧化碳的制備并不是實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，因此他們采用減法策略直接去掉了制備的環(huán)節(jié)，購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的“二氧化碳?xì)夤蕖碧峁┒趸?，讓?shí)驗(yàn)步驟更簡(jiǎn)潔、重點(diǎn)更突出。

4.產(chǎn)生的價(jià)值分析

對(duì)“產(chǎn)生的價(jià)值”的分析結(jié)果如圖4，產(chǎn)生的價(jià)值豐富多樣，占比相對(duì)均衡?，F(xiàn)象明顯（58.3%）是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)追求最多的價(jià)值，尤其是攝影技術(shù)能夠讓現(xiàn)象更加明顯，還有傳感技術(shù)也能夠定量化呈現(xiàn)現(xiàn)象。操作簡(jiǎn)便（45.8%）是占比第二的價(jià)值體現(xiàn)，本次比賽出現(xiàn)的許多新穎的技術(shù)，如在密閉環(huán)境中遙控點(diǎn)火、用電熱絲加熱反應(yīng)物、用單向閥導(dǎo)氣、用空氣泵鼓氣等等，都具有簡(jiǎn)化操作的優(yōu)點(diǎn)。安全環(huán)保（37.5%）和一體化（33.3%）常常用醫(yī)療技術(shù)和流體技術(shù)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槎鄠€(gè)注射器和閥門(mén)的組合能把原本多個(gè)裝置整合到一起，還能有效進(jìn)行廢液廢氣的收集和處理。還有許多實(shí)驗(yàn)關(guān)注到了新課標(biāo)提出的跨學(xué)科（25.0%）和激發(fā)思維（33.3%），其實(shí)利用新技術(shù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，本身就是化學(xué)與技術(shù)的跨學(xué)科融合。最后，相比往屆比賽，微型化（12.5%）改進(jìn)的比例有所降低。

圖4 新技術(shù)應(yīng)用的價(jià)值占比

四、研究啟示

1.新技術(shù)為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)注入活力

此次省實(shí)驗(yàn)比賽的28 件獲獎(jiǎng)作品中有85.7%應(yīng)用了新技術(shù)，超過(guò)50%的作品應(yīng)用了至少2 種不同類(lèi)型的新技術(shù)。可見(jiàn)，現(xiàn)在的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不再像過(guò)去那樣只是瓶瓶罐罐的組合，而更多地“由技術(shù)賦能”。新技術(shù)的類(lèi)型也是豐富多樣的，不僅有經(jīng)常使用的傳感器、注射器，也出現(xiàn)了點(diǎn)火器、壓力罐、熱成像、抽氣泵等令人耳目一新的技術(shù)。這些新技術(shù)的融入，推動(dòng)著化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新、不斷超越。

2.重視“實(shí)驗(yàn)技術(shù)”的“教育功能”

通過(guò)本研究的分析發(fā)現(xiàn)教師經(jīng)常把新技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的實(shí)施環(huán)節(jié)，而很少用于提出問(wèn)題、做出假設(shè)、制定計(jì)劃等環(huán)節(jié)。這說(shuō)明在老師們的觀念中，更多地關(guān)注技術(shù)帶來(lái)的方便、一體化、環(huán)保、現(xiàn)象明顯等“技術(shù)層面”的價(jià)值，而較少關(guān)注技術(shù)如何幫助學(xué)生主動(dòng)參與探究和發(fā)現(xiàn)的“教育層面”的價(jià)值。

筆者認(rèn)為應(yīng)重視“實(shí)驗(yàn)技術(shù)”的“教育功能”，一方面警惕實(shí)驗(yàn)技術(shù)的引入反而使原有的教育功能喪失，例如在學(xué)生初學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)增加他們操作常規(guī)儀器的機(jī)會(huì)，以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，此時(shí)不宜過(guò)多使用注射器等代替常規(guī)儀器。另一方面，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)技術(shù)輔助學(xué)生科學(xué)探究、科學(xué)實(shí)踐的功能，例如通過(guò)攝影技術(shù)對(duì)現(xiàn)象的仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)“異常現(xiàn)象”，提出研究問(wèn)題；再如運(yùn)用無(wú)線投屏技術(shù)，幫助學(xué)生對(duì)比不同小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更好地歸納自變量和因變量之間的關(guān)系，從而得到結(jié)論。

3.聯(lián)合使用多種創(chuàng)新策略改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

本次省實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新比賽作品運(yùn)用了多種創(chuàng)新策略，而且不同類(lèi)型的新技術(shù)適用于不同的創(chuàng)新策略。筆者建議在設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)可以聯(lián)合使用多種策略，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。利用“乘法策略”，疊加有效信息，便于學(xué)生全面感知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)比差異，用更豐富的實(shí)驗(yàn)證據(jù)推理實(shí)驗(yàn)結(jié)論。利用“除法策略”，在保留原有功能的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化操作，降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)擔(dān)，從而把更多精力轉(zhuǎn)移到乘法策略所呈現(xiàn)的有效信息上。利用“減法策略”，刪繁就簡(jiǎn)，突出實(shí)驗(yàn)核心目的、核心知識(shí)，同樣可以讓學(xué)生把精力放在乘法策略的關(guān)鍵信息上。利用“任務(wù)統(tǒng)籌策略”，關(guān)聯(lián)新任務(wù)和聯(lián)系實(shí)際，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)技術(shù)的教育功能、教育價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生思維、情感、素養(yǎng)等更多方面的發(fā)展。利用“屬性依存策略”，幫助學(xué)生遷移知識(shí)，可以加強(qiáng)系列實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生利用前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論或原理解釋下一個(gè)實(shí)驗(yàn)?？傊@些創(chuàng)新策略之間應(yīng)該是互補(bǔ)的、相互促進(jìn)的，老師們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)可以綜合采用這些策略，讓實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵更豐滿、價(jià)值更豐富。