初中化學創新實驗中“新技術”的分析
——以江蘇省中學化學創新實驗展評作品為例

宋 偉

（江蘇省江陰市教師發展中心 江蘇江陰 214400）

實驗是化學的基礎，創新實驗是化學教學活力的源泉。設計創新實驗一直是廣大化學教師重視和追求的目標，但不同以往的是，隨著新技術的開發和普及，融入新技術的創新實驗比例呈現上升趨勢。景一丹［1］把“關注現代化技術，應用新技術與新儀器”列為我國化學創新實驗設計的特點之一。

然而，在新技術賦能創新實驗設計的另一面，在實踐中也存在著“技術本位”“技術至上”的不良取向［2］，例如“為了技術而技術”，強行使用一些新技術代替原本簡單玻璃儀器就能實現的功能，或是忽視了不同技術所適用的應用環節、創新策略。

為了展示優秀創新實驗如何應用新技術，尤其是針對內容少、起點低的初中實驗如何融入新技術［3］，本文選擇有代表性的創新實驗比賽作品作為研究樣本，采用內容分析法，試圖回答以下研究問題：優秀創新實驗采用了哪些新技術？應用于哪些實驗環節？采用了哪些創新策略？產生了哪些價值？

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化學創新實驗展評（以下簡稱“省實驗比賽”）的28件初中組參賽作品。省實驗比賽由江蘇省教育科學研究院主辦，每2年一屆，至今已有10多年歷史，是全省化學實驗的品牌賽事。本研究選取的28件作品是經過區級評比、市級評比和省賽初評等層層選拔，最終進入省賽現場評比的，它們至少獲得省級二等獎的獎勵，因此能夠代表江蘇省中學化學創新實驗的較高水平和最新研究成果。

筆者作為此次比賽一等獎作品的參賽選手，又全程觀摩了省實驗比賽，并且用攝像機完整拍攝了所有作品展示的全過程，為本研究的分析提供了便利。

二、分析框架的確定

本文從4 個維度進行分析：（1）新技術的類型；（2）應用的實驗環節；（3）采取的創新策略；（4）產生的價值?！靶录夹g的類型”和“產生的價值”維度采用“自下而上”的分析方法，即全面梳理每個作品用到的新技術和產生的價值，然后將相近的內容歸納為某個類型?！皯玫膶嶒灜h節”和“采取的創新策略”采用“自上而下”的分析方法，即先根據文獻制定分析框架，再對每個作品做編碼分析。這2個維度采用了何盼和占小紅提出的框架［4］，“應用的實驗環節”體現了技術介入化學實驗某個環節后的表現，“采取的創新策略”改編自博迪和戈登堡提出的五條微創新策略［5］，并融入了化學學科的內涵。具體的分析框架如表1所示。

表1 本研究的分析框架

三、分析方法與結果

采用內容分析的方法，根據制定的分析框架，對28個作品做編碼分析，當某個實驗出現某種類型時就做標記。由于一個實驗可能涉及多種類型的技術、環節、策略、價值，因此可以多選。編碼結束后，對結果做統計分析。

28個獲獎項目中，有24個應用了新技術，比例高達85.7%。沒有使用新技術的4個實驗中，有2個分別介紹了膠帽和濾紙在實驗中的新應用，還有2個采用了生活材料的組裝實現實驗效果?？傮w而言，江蘇化學創新實驗幾乎都很重視新技術的應用，很大程度上體現了化學與技術的融合。下文以24個應用新技術的實驗為基數做統計分析。

1.新技術的類型分析

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

圖1 實驗中應用各種新技術的占比

醫療技術主要涉及注射器（13 次）、針頭（3 次）和輸液器（1 次），尤其是注射器已經非常廣泛地應用到初中實驗中，它可以單獨使用，抽走或注入氣體和液體，接納反應的生成物，以及除去尾氣；也可以兩個注射器串聯使用，通過來回抽拉產生快速流動的氣流，增大反應物接觸面積。此外，輸液器被用于以某種速率滴入反應物溶液，是一種比較新穎的做法。

流體技術主要涉及單向閥（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方向流動，一方面避免倒吸，另一方面可以通過反復的吸氣、呼氣模擬打氣筒（吸氣時容器內氣體從單向閥A 吸入，呼氣時容器內氣體從單向閥B 排出），因此可以用于檢驗人體呼出氣體的實驗中。三通閥和流速閥可以方便地改變氣體和液體流動的方向和流速，多與注射器聯合使用。壓力罐內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。

傳感技術主要涉及二氧化碳傳感器（4 次）、氧氣傳感器（2 次）、壓強傳感器（2 次）、電導率傳感器（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在文獻中有很多介紹，本次比賽中傳感器的使用再次驗證了它仍然具有改進新實驗的創新活力。

電工技術主要涉及遙控點火器（3次）、電熱絲（2次）、數碼顯示屏（1次）、音樂盒（1次）。遙控點火器可以遠距離遙控點火，一方面避免了如粉塵爆炸時實驗人員靠近點火帶來的安全隱患，另一方面可以解決密閉容器內不方便引燃反應物的問題。電熱絲是選手用電阻絲自制的，通電后發紅發熱，可以加熱反應物。

攝影技術主要涉及微距攝影（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象，便于觀察，還可以與無線投屏技術聯合使用，在大屏幕上進一步放大現象。熱成像攝影拓展了溫度測量手段，直觀地觀察到鐵與硫酸銅反應的放熱。視頻分析技術能夠定量觀察到粉塵爆炸的最高點。

2.應用的實驗環節分析

對“應用的實驗環節”的分析結果如圖2。24個實驗都在“計劃的實施與實驗結果的得出”環節應用了新技術（100%），有的使用新技術設計了實驗裝置，有的用于更好地觀察實驗現象，這與創新實驗的主旨是吻合的。

圖2 新技術應用的實驗環節占比

一些實驗在“結論的形成與表達”環節使用了新技術（20.8%），主要是用傳感器或攝影技術補充了新的數據，作為肉眼觀察到現象的補充和豐富，這樣能夠更加充分地證明結論。例如湯華娟、黃小云老師的“再探鐵與硫酸銅反應”實驗不僅用顯微鏡拍攝了鐵絲與硫酸銅反應生成紅色固體、溶液變綠的現象，還用熱成像拍攝到鐵絲表面溫度升高，兩個證據共同證明鐵與硫酸銅發生了化學反應。

少數實驗還在“問題的提出”環節使用了新技術（8.3%），例如筆者的“對‘燃燒條件’實驗的再探究”，在觀察到石蠟“一閃即滅”的“異?，F象”后，自然而然地提出“為什么會這樣？”的問題，從而進行“燃燒的條件”的實驗研究?！疤岢鰡栴}”的前提是前期細致地觀察，一些輔助學生觀察或測量數據的技術能幫助學生積累前期經驗、產生困惑，從而提出問題。

但是，總體而言，新技術在提出問題、做出假設、制定計劃等環節的應用還很少，而且在現實中學生也常常很難主動、順利地完成這些環節。究其原因，不是這些環節不重要，而是課堂上實驗問題、假設和步驟經常是給定的，缺少學生主體參與和探究，需要在未來進一步重視和改進。

3.采取的創新策略分析

對“采取的創新策略”的分析結果如圖3。由于不同技術所對應的策略可能有差異，本文不僅呈現了總體的占比，還選取了排名前4的四種技術所對應的策略，進行比較?？傮w來說，使用最多的是乘法策略（58%），其次是除法策略（33%），接著是任務統籌策略（17%）和減法策略（4%）。

圖3 新技術應用的創新策略占比

乘法策略被廣泛采用。幾乎所有應用傳感技術的實驗都采取了乘法策略（86%），這與傳感技術本身的特點密不可分——傳感技術測量了更多的參數，與肉眼觀察到的現象呼應，自然能夠同時呈現多元信息。醫療技術也經常采用乘法策略（71%），因為可以采用多個注射器串聯或并聯，把許多實驗現象合并到一起同時呈現。例如馬鳳老師的“酸雨及危害的可視化實驗”把模擬生成的二氧化硫分別吸入3個注射器中，分別產生“高錳酸鉀褪色”“石蕊變紅”“遇氯化鋇產生沉淀”的現象，通過多個信息的疊加，讓學生更好地理解二氧化硫的性質。電工技術同樣經常采用乘法策略（86%），例如用數碼顯示屏呈現數據信息，用音樂盒呈現聲音信息等，都能多元呈現數據?？傊?，乘法策略體現了一種集成式、組合式的創新思維，值得廣泛使用。

除法策略是應用第二廣泛的策略。傳感技術仍然是最多采用該策略的技術之一（43%），因為數字化實驗在保留必要環節（實驗數據呈現）的前提下，簡化了實驗數據記錄和繪圖。在醫療技術（36%）、流體技術（30%）和電工技術（43%）的應用中采用除法策略，可以用空氣泵或壓力罐更方便地鼓入氣體，用閥門更方便地控制氣體的定向流動，在密閉體系中直接遙控點火避免先點燃后密閉的麻煩……不僅操作更簡便了，而且原有的功能沒有被削弱。

任務統籌策略在部分實驗中出現，這些實驗通過新技術引發新問題、新情境、新任務，促進學生思維、情感的發展。例如筆者的“對‘燃燒條件’實驗的再探究”設置了5個環環相扣的系列實驗，每個實驗的結果都會引發下一個實驗的思考，例如“滿足3個燃燒的條件就一定能燃燒嗎？”下一個實驗就設計了滿足3個條件但不燃燒的實驗案例。再如葛德新老師的“幾種人體呼吸產生二氧化碳演示器的制作與使用”和閔亞東老師的“巧妙驗證呼吸作用產生二氧化碳”2 個實驗，都利用單向閥設計裝置，模擬人體呼吸，但并未就此結束，而是與生物學產生跨學科聯系，進一步聯系生活實際進行科普教育。

減法策略在少數實驗中運用，通常是為了化繁就簡，直接刪除某些實驗環節或要素。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驗的重點，因此他們采用減法策略直接去掉了制備的環節，購買現成的“二氧化碳氣罐”提供二氧化碳，讓實驗步驟更簡潔、重點更突出。

4.產生的價值分析

對“產生的價值”的分析結果如圖4，產生的價值豐富多樣，占比相對均衡?，F象明顯（58.3%）是創新實驗追求最多的價值，尤其是攝影技術能夠讓現象更加明顯，還有傳感技術也能夠定量化呈現現象。操作簡便（45.8%）是占比第二的價值體現，本次比賽出現的許多新穎的技術，如在密閉環境中遙控點火、用電熱絲加熱反應物、用單向閥導氣、用空氣泵鼓氣等等，都具有簡化操作的優點。安全環保（37.5%）和一體化（33.3%）常常用醫療技術和流體技術實現，因為多個注射器和閥門的組合能把原本多個裝置整合到一起，還能有效進行廢液廢氣的收集和處理。還有許多實驗關注到了新課標提出的跨學科（25.0%）和激發思維（33.3%），其實利用新技術改進實驗，本身就是化學與技術的跨學科融合。最后，相比往屆比賽，微型化（12.5%）改進的比例有所降低。

圖4 新技術應用的價值占比

四、研究啟示

1.新技術為創新實驗設計注入活力

此次省實驗比賽的28 件獲獎作品中有85.7%應用了新技術，超過50%的作品應用了至少2 種不同類型的新技術?？梢?，現在的創新實驗設計不再像過去那樣只是瓶瓶罐罐的組合，而更多地“由技術賦能”。新技術的類型也是豐富多樣的，不僅有經常使用的傳感器、注射器，也出現了點火器、壓力罐、熱成像、抽氣泵等令人耳目一新的技術。這些新技術的融入，推動著化學實驗設計不斷創新、不斷超越。

2.重視“實驗技術”的“教育功能”

通過本研究的分析發現教師經常把新技術應用于實驗的實施環節，而很少用于提出問題、做出假設、制定計劃等環節。這說明在老師們的觀念中，更多地關注技術帶來的方便、一體化、環保、現象明顯等“技術層面”的價值，而較少關注技術如何幫助學生主動參與探究和發現的“教育層面”的價值。

筆者認為應重視“實驗技術”的“教育功能”，一方面警惕實驗技術的引入反而使原有的教育功能喪失，例如在學生初學化學實驗時應增加他們操作常規儀器的機會，以提高學生的實驗操作技能，此時不宜過多使用注射器等代替常規儀器。另一方面，充分發揮實驗技術輔助學生科學探究、科學實踐的功能，例如通過攝影技術對現象的仔細觀察，發現“異?，F象”，提出研究問題；再如運用無線投屏技術，幫助學生對比不同小組的實驗結果，更好地歸納自變量和因變量之間的關系，從而得到結論。

3.聯合使用多種創新策略改進實驗

本次省實驗創新比賽作品運用了多種創新策略，而且不同類型的新技術適用于不同的創新策略。筆者建議在設計創新實驗時可以聯合使用多種策略，形成優勢互補。利用“乘法策略”，疊加有效信息，便于學生全面感知實驗現象，對比差異，用更豐富的實驗證據推理實驗結論。利用“除法策略”，在保留原有功能的基礎上簡化操作，降低學生認知負擔，從而把更多精力轉移到乘法策略所呈現的有效信息上。利用“減法策略”，刪繁就簡，突出實驗核心目的、核心知識，同樣可以讓學生把精力放在乘法策略的關鍵信息上。利用“任務統籌策略”，關聯新任務和聯系實際，充分發揮實驗技術的教育功能、教育價值，促進學生思維、情感、素養等更多方面的發展。利用“屬性依存策略”，幫助學生遷移知識，可以加強系列實驗之間的關聯，讓學生利用前一個實驗的結論或原理解釋下一個實驗?？傊?，這些創新策略之間應該是互補的、相互促進的，老師們在設計實驗時可以綜合采用這些策略，讓實驗內涵更豐滿、價值更豐富。