《普通高中化学课程标准（2017年版）》明确提出要发展学生的“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认识”“实验探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等化学学科核心素养。化学学科核心素养的培养是促进学生全面发展的内在要求。手持技术的发展丰富了高中化学实验的数据测量和数据收集手段，使传统实验的内容更加丰富。如何在中学化学实验教学与研究性学习中用好手持技术，促进学生转变学习方式，培养学生的科学探究能力和创新精神，笔者做了实践探究。
一、手持技术的应用及其意义
（一）在知识的形成中求证，有利于学生推理与认知
手持技术的应用有助于促进学生“证据推理与模型认知”化学学科核心素养的发展。应用手持技术采集相关数据并生成图表，为科学探究提供充分证据，可使探究结论的得出以及知识的获取更加顺畅。
课例1：基于手持技术探究氨气的性质
喷泉实验：在圆底烧瓶中充满氨气，安装相对压强传感器，用注射器代替胶头滴管，这样便于向烧瓶中滴加蒸馏水。具体操作：首先用注射器向烧瓶中加入1滴蒸馏水，待压强数据不变后，打开止水夹，形成喷泉。仪器生成压强随时间变化的动态图像。加入1滴水后，可以看到压强迅速减小，说明氨气极易溶于水。其后，压强保持不变但并不为零，说明氨气已经溶于水达到饱和，但烧瓶中仍然有氨气剩余，即处于溶解平衡状态。最后，打开止水夹，形成喷泉，再次证明氨气极易溶于水。
一水合氨的电离：通过计算，得出喷泉实验中所得氨水的浓度约为0.04 mo1/L（溶质为NH3·H2O）。查阅资料可知，若一水合氨完全电离，其pH = 12.6。教师利用pH传感器测量溶液的pH≈10.86，由此证明，一水合氨不能完全电离，进而加深学生对于氨水成分的认识。
分析：通过手持技术的运用，让学生更直观、更形象地认识氨气溶于水。与以往的实验教学相比，本节课上教师利用手持技术向学生展示了氨气的喷泉实验过程中的压强变化，有力地向学生证明了氨气的两次溶解过程。水被吸入圆底烧瓶中的原因是烧瓶内压强小于外界大气压，其本质从宏观角度看是烧瓶内氨气由于先溶解在1滴蒸馏水中形成饱和溶液，导致烧瓶内压强变小，而进入的水又将烧瓶内剩余的氨气溶解；从微观的角度看来则为氨分子数目先减少一部分，导致烧瓶内单位面积上氨分子撞击烧瓶内壁的次数减少，压强变小，而进入的水又将剩余的氨气溶解。通过展示图形中压强的两次变化，引发了学生对先滴入的水的作用的思考，同时也让学生更加深入地认识水被倒吸入烧瓶中的过程，并能从中分析喷泉产生的原因。在讨论氨气与水反应的程度时，涉及一水合氨（NH3·H2O）是否完全电离的问题。若按照传统教学方法，教师只能直接告诉学生“一水合氨属于弱碱且不完全电离”（NH3 + H2O？NH3·H2O ？NH4++OH-），但本环节教师通过引入手持技术较精准地测定了溶液的pH，通过与理论值相比，顺利地推理出一水合氨不完全电离的结论。
课例2：弱电解质的电离
（已完成任务1——探究醋酸在水中的电离程度；任务2——探究醋酸溶液的微粒种类和数目）
任务3——探究醋酸溶液中微粒的相互作用。
学生提出疑问：为什么醋酸溶液中会有醋酸分子？教师演示实验：常温下，向0.1 mol/L CH3COOH溶液中，不断加入CH3COONH4固体，用pH传感器测量溶液的pH的变化，实时呈现溶液 pH 随时间变化的图像（如图1）。
学生通过观察整个实验过程采集的图像，发现常温下，向醋酸溶液中加入醋酸铵固体，溶液pH变大。基于得到的实验证据，学生推测出醋酸溶液中除了醋酸的电离外，还可得出离子结合成分子的结论。至此关于醋酸的电离有了如下两个过程：（1）醋酸分子电离成醋酸根离子和氢离子；（2）醋酸根离子与氢离子结合成醋酸分子。（1）和（2）两个过程同时进行，诞生了醋酸的电离方程式：CH3COOH ？ CH3COO- + H+ ，即醋酸的电离是可逆的，在该溶液体系中存在着醋酸的电离平衡，所以醋酸溶液中含有醋酸分子。
分析：在上述任务中，教师考虑学生的知识和能力受限，故采用手持技术进行实验，将不易观察的微观变化宏观呈现出来，提供了有力证据，便于学生进行证据推理。由此，学生知道了醋酸不完全电离的本质，即存在着电离平衡。学生对于微粒间相互作用的认识得到发展。
任务4——探究醋酸溶液中微粒的运动和变化。
电离平衡是否同化学平衡一样，受外界条件的影响呢？提出问题：等体积 0.1 mol/L HCl、CH3COOH 分别与足量Mg条（已打磨）反应产生的气体的量存在什么关系？学生提出以下两个猜想。猜想1：盐酸产生气泡多。猜想2：产生气泡一样多。两个猜想的争论焦点是未电离的醋酸分子是否会继续电离。教师再次利用手持技术提供证据：常温下，向两支盛有等量Mg条的具支试管中分别同时加入1 mL 1 mol/L HCl 和1 mol/L CH3COOH，利用压强传感器测量试管内的压强变化，采集到压强（p）随时间（t）变化的数据并生成曲线图。
得到实验证据：常温下，利用压强传感器测量1 mL1 mol/L盐酸、醋酸分别与足量镁条的反应，发现盐酸的反应更快，再次通过证据说明了醋酸是不能完全电离的，但反应后容器内的压强几乎相等，说明最终二者产生的气体量几乎相同。由此可见，弱电解质的电离是可逆的，处于动态平衡中，受外界条件影响。
分析：在这一过程中，通过对猜想进行微观解释，再结合实验证据，最终得出正确的结论，使得学生对于反应过程中微粒的运动和变化有了更深层次的认识，也使他们认识微观粒子的思维方式从静态发展为动态，同时定量研究的意识也得到了提升。
（二）在探究中获取数据证据，发展化学学科核心素养与学习品质
手持技术既提供变化过程的图像，又提供实时的数据，这也为探究过程提供了数据证据。例如，为了获取在Fe（OH）2制备过程中沉淀颜色的改变与氧气有关的实验证据，师生用图2所示装置进行了如下实验（夹持装置已略去，气密性已检验）。
实验步骤：向瓶中加入饱和FeSO4溶液，按图2所示连接装置；打开磁力搅拌器，立即加入10% NaOH溶液；采集瓶内空气中O2含量和溶液中O2含量（DO）的数据。
实验现象：生成白色絮状沉淀且迅速变为灰绿色，一段时间后部分变为红褐色。
通过对上述实验过程中获得的两个实验数据进行分析，可知瓶内空气中、溶液中O2含量均降低，沉淀颜色改变，进而得出实验结论：在制备Fe（OH）2过程中，沉淀颜色改变与氧气有关。
分析：通过以上探究活动，学生对于在制备Fe（OH）2过程中沉淀颜色改变与氧气有关，认识更加深刻，并能通过实验获得证据来证实。
（三）探查课前学生学习情况获取教学证据
笔者曾在2017年9月对部分高一新生进行了有关化学学科核心素养的测查工作，为后续的教学设计与实践提供证据。探查的目的是利用图像定量描述H2SO4与Ba（OH）2溶液反应的现象，借此探查学生解读图像、定量认识并用文字解释实验变化过程的能力，为离子反应教学的设计与实施寻求学情依据。
探查试题：溶液的导电性可以用电导率衡量，单位体积溶液中自由移动的离子数目越多，溶液的导电性越强，电导率越大。教师向一定体积的Ba（OH）2溶液中滴加H2SO4溶液，利用手持技术测定实验过程中混合溶液的电导率变化（如图3）。
提问：（1）AB段的含义： 。（2）B点电导率最小的原因： 。（3）BC段电导率增大的原因： 。
评价参考：随着H2SO4溶液的加入，电导率减小，单位体积溶液中自由移动离子数目减少；在B点H2SO4与Ba（OH）2恰好完全反应，单位体积溶液中自由移动的离子数最少；随着H2SO4溶液不断加入，单位体积溶液中自由移动的离子的数目逐渐增多。
测查过程及结果分析：本题呈现了运用手持技术获取的电导率图像。学生需要应用微观示意图，借助图像变化，想象实验的微观情景，定量解释图像的含义。笔者以此探查学生的模型迁移、文字与图像解读能力和定量意识。
部分学生信息提取不完整，表现如下：（1）此时SO42-与Ba2+结合生成BaSO4沉淀，OH-与H+结合生成H2O，溶液中自由移动的离子数减少，溶液的导电性变弱，电导率变小；（2）B点对应Ba（OH）2溶液与H2SO4溶液恰好完全反应，此点对应的溶液中自由移动的离子数目最少；（3）B点时H2SO4溶液为适量，Ba（OH）2溶液已完全反应掉，再滴加H2SO4溶液（H2SO4溶液过量），溶液中就多了可自由移动的H+、SO42-。
少数学生不能获取文字信息，不理解离子的概念，表现如下：（1）Ba（OH）2与H2SO4反应，生成BaSO4沉淀，而BaSO4不具有导电性，会使电导率下降；（2）滴加入一定量的H2SO4溶液后，Ba（OH）2溶液与H2SO4溶液反应导致被消耗完，而生成的BaSO4不导电，所以B点导电率最小；（3）虽然Ba（OH）2溶液被消耗完，但是H2SO4溶液却还在不断滴加，而H2SO4溶液和H2O也可以导电，所以BC段导电率增大。
分析：笔者通过上述测查，发现学生的微粒观的认识还有待提高。今后的教学中教师要特别重视引导学生从图文信息中获取证据，进行证据推理，分析离子反应的实质。
二、手持技术教学应用分析
（一）课上呈现手持技术采集的图像还是数据
手持技术装备越先进，采集的数据越精准，受外界条件影响也就越明显，课堂上多次测得的数据就有较明显的差异，但图像变化趋势基本一致。需要思考的是，课堂上应用手持技术进行相关实验时，向学生展示什么，展示图像形成过程，还是数据变化。笔者认为展示图像变化更佳，因为数据的变化比较快，也不便直观地呈现变化趋势。
（二）手持技术有何不可替代性
手持技术的出现给教师提供了一个新的实验研究角度和方法，它能展现实验过程的变化，便于获取实验证据，有利于解释化学变化的本质。因此，教师要充分发挥手持技术的长处，避免用它做低端的工作。例如，一位教师在讲电离概念时，请学生利用手持技术先测了固体氯化钠的导电率为0，然后取出，向氯化钠固体中加水并搅拌，再用手持技术测氯化钠溶液的导电率。这就有点大材小用了，利用小灯泡是否亮的实验就可以完成本实验，而且现象明显，能说明问题。若用手持技术完成这个实验，建议这样操作：用手持技术测固体氯化钠的导电率；向氯化钠固体中逐滴加入水，同时进行搅拌；观察利用手持技术测出的这个过程导电率的变化。
分析：教师通过引入手持技术进行有关电解质电离过程实验，有助于学生从微观角度分析氯化钠固体到氯化钠溶液变化过程中到底发生了什么，使学生较好地建立电离这个概念。
（三）如何引导学生多角度观察、理解，创新实验研究
手持技术能从本质上提供实验证据，教师也可以利用手持技术的特点对实验做相应的改进与创新研究。
例如：教师利用传感器技术实时测定了实验装置内的压强、温度和氧气浓度，生成三条曲线变化趋势图。学生通过观察压强曲线的变化，可以得知本实验过程中，压强先变大，后变小，最后又恢复为起始压强。这些变化对应的原因是，开始时红磷燃烧放热使瓶内压强变大的影响大于红磷燃烧消耗氧气使瓶内压强变小的影响，反映在压强曲线上则有个压强变大的阶段；其后又是红磷燃烧消耗氧气的影响大于红磷燃烧放热的影响，最终结果使得压强变小；接着上升的一段则对应的是打开止水夹，烧杯内水倒吸入瓶中的操作，压强恢复为起始压强的过程。温度曲线的变化则说明“红磷燃烧放热温度升高”以及“冷却过程中温度逐渐降低”等过程。氧气浓度曲线的变化随着红磷与氧气发生反应，瓶内氧气浓度逐渐降低，通过图像分析也可以看出，最终瓶内氧气的浓度也只是减小到一定程度，并没有达到0，这也辩证地说明了红磷不能将空气中的氧气全部耗尽，只是消耗比较多而已，可以近似地认为瓶中氧气趋近于0。
分析：初中化学教学中开展测定空气中氧气含量的实验，通常只是通过过量红磷在空气中充分燃烧消耗氧气，再利用压强变小后水倒吸进入瓶中的体积，进而得到空气中氧气的含量。对于初中学生来说，压强变小，液体倒吸的理解还是有一定的困难的，而且这个实验过程中，瓶内的压强也不是骤然变小的，而是先变大后变小的过程。冷却后，打开止水夹，烧杯内水倒吸入瓶中，瓶中压强又迅速变大直至恢复到反应前压强为止。传统实验并不能直观地为学生的判断提供充足的证据，只能靠教师讲解以及学生自己理解。利用测定压强、温度、氧气浓度的手持技术恰好能使上述困惑加以解决，并能引导学生深刻理解进入水的体积等于空气中氧气的体积。
三、总结：应用手持技术突破教学难点
应用手持技术能将化学变化过程的某些量具象化，有助于学生理解化学变化历程，理解化学变化的本质，突破教学难点。例如：对于碳酸钠与稀盐酸的反应过程，学生只是在教师的讲解下理解是分成两步进行的，首先是碳酸钠与稀盐酸反应生成碳酸氢钠，碳酸氢钠再与稀盐酸反应生成氯化钠、二氧化碳和水。但究竟是不是这样一个过程，学生还是有疑问的。为了解决这个问题，也使学生信服该化学反应过程，教师将碳酸钠与稀盐酸的反应实验进行如下设计：向等体积、含等物质的量碳原子的碳酸氢钠和碳酸钠溶液中，分别逐滴加入同浓度的盐酸，测量并生成pH变化与时间的关系图，最后将两个图进行叠加，发现两者有一些部分基本重合。
分析：学生通过实验发现图形部分重合，表明这部分发生的化学反应是一样的。那么，碳酸钠与稀盐酸发生的第一步反应是转化成碳酸氢钠的过程。学生由此可以拓展为鉴别碳酸钠与碳酸氢钠两种固体的方法：取两种固体加水配成溶液，分别逐滴加入盐酸，若立即产生气泡则为碳酸氢钠，若开始无气泡，一段时间后有气泡，则为碳酸钠。利用手持技术辅助实验，能让学生理解碳酸钠与稀盐酸反应的过程是分两个阶段进行的，同时还牵出碳酸钠与碳酸氢钠的鉴别问题。
综上所述，应用手持技术使中学化学知识通过更加广泛的实验变得更为直观和形象，也使得学生的参与更加深入，思维更为活跃。在化学课堂教学中，对于一些抽象复杂的问题，比如化学平衡移动的过程、化学反应速率的比较等，教师适当地运用手持技术，一方面通过具体形象的实验进行解释，可促进学生对知识的自主建构；另一方面引导学生从微观角度更加深入地理解化学反应的原理，提供有力的证据，有利于提高学生基于证据解决实际化学问题的能力，对于学生化学学科核心素养的发展也有重要的作用和价值。
（作者系北京教科院基教研中心教研员）
责任编辑：祝元志
