| 类型：原创 | 来源：黄碧芸，钱扬义 | 作者/推荐人：黄碧芸，钱扬义 | 点击量：813184 | 时间：2011年11月22日 0:38:56 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
手持技术与化学整合的研究进展 ——以中国期刊网2003-2010年文献为例 黄碧芸 钱扬义 （华南师范大学 化学教学与资源研究所 广州 510006）
摘 要：本文从文献研究入手，基于中国期刊网2003至2010年关于手持技术与化学整合的82篇文献，分析文献的年份分布和期刊分布、文献第一作者地区和单位机构类型的分布、文献的研究类型分布以及传感器的应用内容，还有文献的研究内容。最后，针对手持技术与化学整合的现状提出4点建议：积极开发手持技术与化学整合的案例、设计基于手持技术的教学模式、深化应用和研发基于手持技术的高端产品、促进跨学科的多因素研究。 关键词：手持技术 化学 传感器
手持技术，又称掌上技术，也称传感技术，可以定量采集各种常见数据并能与计算机连接的实验技术系统。20世纪末，手持技术在国内刚刚受到关注，研究者对手持技术还处在一个学习摸索的阶段。随着手持技术的不断发展，广大的研究者对手持技术研究的逐渐加深，手持技术与化学整合也越来越紧密了，手持技术在化学实验和教学中的应用愈来愈广泛了。不少化学教师或研究者在手持技术与化学整合方面做出了早期的尝试，本文以他们发表的有关论文作为研究对象，重点探讨手持技术与化学整合的研究概况和研究内容，为手持技术的进一步研究应用提供参考。
1 手持技术的研究概况 为了了解手持技术与化学结合的研究进展，本文从文献研究入手，以 “手持”“化学”、“传感技术”、“传感器”作为关键词进行组合，检索2000年至2010年以来中国期刊网数据库的期刊文献及硕博士优秀论文，重点关注手持技术与化学整合的文献。截止2010年12月，共得82篇文献，其中包括期刊文献75篇，硕士论文7篇，博士论文0篇。 据收集的文献可得，第一篇有关手持技术的论文是由华南师范大学钱扬义教授撰写的《在掌上实验室探究酒精灯火焰温度——得出不同的结论》[1] ，在2003年《化学教育》第一期上发表了。第一篇有关手持技术的学位论文是华东师范大学李淑妍硕士研究生在2006年完成的 《基于传感器技术的中学化学实验开发及教学应用研究》 [2]。之前，关于手持技术与化学整合的文献只出现在期刊上，这篇硕士论文的面世，是手持技术与化学整合文献一个质的飞跃。但是，有关手持技术的博士论文至今为止还没有出现一篇，这个是今后广大研究者可以努力的方向。下面将从文献的年份分布和期刊分布、文献第一作者地区和单位机构类型的分布、文献的研究类型分布以及传感器的应用内容，来了解手持技术与化学整合的概况。
1.1 文献的年份分布
图1 各年份文献数量分布
从图1可以看出，文献的年份分布趋势可分为三个阶段：第一个阶段是平稳起飞阶段，时间是2003年至2005年，这期间由于手持技术在我国刚刚起步，因此发表关于手持技术与化学整合的文献还不多，最多的一年是2004年，有5篇文献；第二个阶段是快速前进阶段，时间是2006年至2008年，这期间随着研究者对手持技术认识的不断深入，与化学整合的手持技术文献如雨后春笋般的出现，总体看论文数量维持平衡；第三阶段是高速发展阶段，时间是2009年至2010年，这期间研究者对手持技术有比较深刻的认识和理解，表现在研究内容上更为丰富，2009年的文献数量达到八年来最多的一年，有17篇之多，占总篇数的21%，说明了手持技术在化学中的应用日益显著，越来越多的研究者研究手持技术与化学的整合。
1.2 文献的期刊分布 从查阅到的文献的发布期刊，总共有27本期刊发表了关于手持技术与化学整合的文献。这27本期刊或是与化学相关，如《化学教育》、《江西化工》、《大学化学》，或是与信息技术相关，如《信息技术教育》、《网络科技时代》，或是学校学报，如《广东教育学院学报》、《广西师范学院学报》，或是综合性期刊，如《中国电化教育》、《教学与管理》、《课程·教材·教法》。其中专门学科期刊《化学教育》处于主体地位，有22篇文献发表在该刊上，占了全部文献的29%；综合性期刊《中国电化教育》有9篇文献，占了全部文献的12%；《教学仪器与实验》和《中学化学教学参考》都有7篇文献，《化学教学》和《江西化工》各有3篇文献，《广东教育学院学报》、《中小学信息技术教育》和《电化教育研究》各有2篇文献，其他期刊都只有1篇文献。因此从发表文献的期刊来看，《化学教育》引领着手持技术与化学整合的研究。
图2 各期刊文献数量分布
1.3 文献第一作者地区的分布 八年来，全国有6个省，分别是广东省、江苏省、浙江省、吉林省、四川省、广西省在期刊上发表了关于手持技术与化学整合的文献，其中以广东省最为突出，共发表了46篇文献，占文献总数的56%，因为广东省在沿海地区，经济比较发达，学校手持技术设备较齐全，教师利用手持技术进行研究与教学的积极性很高，研究成果也较多。全国共有13个市和4个直辖市在期刊上发表了关于手持技术与化学整合的文献，其中以广州市最为突出，发表了34篇文献，占总数的42%，在广州市不仅大学教授热衷对手持技术的研究，高中教师也对手持技术持有积极的态度，常利用手持技术进行教学难点的突破。不过从文献第一作者地区的分布，可以看出手持技术在东西部发展是极不平衡的，这与地区的经济发展密切相关，因为利用手持技术进行研究与教学是需要硬件设备支撑的。 表1 文献第一作者地区的分布
1.4 文献第一作者单位机构类型的分布 由表2可以看出，论文的作者主要来自于师范院校，作者人数达到是58位，占总人数的70.73%，其中华南师范大学总共发表了26篇文献，南京师范大学和韩山师范学院分别发表了6篇文献，华东师范大学发表了5篇文献，北京师范大学发表了3篇文献。其次作者来是中学，作者人数有21位，占总人数的25.61%。从此数据可以看出从事手持技术与化学整合研究的群体主要是师范院校的化学教师和研究生，还有中学化学教师，因为手持技术可以对化学实验和教学起到促进作用。 表2 文献第一作者单位机构类型的分布
1.5 文献的研究类型分布 在研读以上文献的基础上，将手持技术与化学整合的文献归纳为两大类，一类是理论研究型，另一类是实践探究型。两大类型根据其具体研究的内容又可以细分为三小类，理论研究型可分为理论探讨型、态度探访型和心理探析型；实践探究型可分为教学探讨型、课题探究型和实验探索型。详细见表3。 表3 文献的研究类型分布
从表3 可知，手持技术与化学整合的文献理论研究型有22篇，实践探究型有60篇，总体情况是实践探究型的文献要多于理论研究型的文献，可以看出研究者更重视手持技术应用在化学中的实践探究。其中最多文献类型的是实验探索型，总共有27篇；次之的是教学探讨型，总共有22篇文献；第三多的是理论探讨型，有14篇。课题探究型有7篇，心理探析型有6篇，研究最少的是态度探访，只有2篇。
图3 各年份各研究类型的分布 由图3 可知，理论探讨型的手持技术文献向来是研究者研究的热点，除了2005年没有文献的记录外，其余年份都有都出现文献。关于手持技术文献的心理探析型在2006年开始出现，2009年还出现了《基于手持技术的高中生化学概念学习认知研究》的硕士论文，表明研究者越来越关注从心理学的层面分析学生在使用手持技术的认知情况或心理机制。在2003年到2010年期间，手持技术应用在化学中的实验探索型文献每年都有，可以看出研究者是比较热衷于手持技术的实验探索，与之形成巨大反差的是态度探访型文献，2008年出现2篇之后便无人问津。2004年就开始有手持技术的教学探讨型文献发表，并呈现上升的趋势，2009年和2010年每年都有6篇文献发表。手持技术的课题探究型文献从2005年开始就进入研究者的视野，2007年此类文献达到最多，有4篇。
1.6 传感器的应用内容 手持技术的组成包括了数据采集器、传感器和配套的软件，传感器是手持技术实验不可缺少的组成部分，是手持技术的灵魂。表4是根据对文献资料的阅读与统计，得出了温度传感器、pH传感器、电导率传感器、光传感器、溶解氧传感器、二氧化碳传感器、色度传感器、电压传感器、电流传感器和气压传感器等10种传感器在文献实验中提及到的应用内容。从传感器应用的内容来看，pH传感器、温度传感器和色度传感器的使用频率较高，看来研究者更喜欢用这三种传感器进行手持实验的探究，原因可能在于使用pH传感器、温度传感器或色度传感器，从数据上可以清楚地知道溶液的pH、温度或颜色的变化。而较少使用的传感器是电压传感器和电流传感器，可能是是因为所测的电压和电流是物理量，不能够直接反应溶液的化学相关性质。 表4 10种传感器的应用内容举例
应用在化学中的传感器除了以上提到的10种外，还有一类传感器----离子传感器，如铵根离子传感器、钙离子传感器和铁离子传感器等。从以上82篇文献来看，目前为止，离子传感器仍然没有得到应用，存在的原因可能有几个。第一，离子传感器比较昂贵；第二，离子传感器操作起来比较繁琐困难。应用离子传感器解决化学中的问题这个方面对研究来说是个空白，研究者可以往这方面多做尝试，来弥补这方面的空白。 2 手持技术的研究内容 2.1 按年份分析 从2003年和2004年的文献来看，手持技术还没有完全独立出来，主要通过“掌上实验室”来体现其价值的，如探讨掌上实验室（Lab in Hand）的特点及其功能[6]、在掌上实验室探究酒精灯火焰温度[7]、在“数字化掌上实验室”中做科学[8]理论研究等；在2003年至2004年的8篇文献中，首次将手持技术独立开来的是华南师范大学钱扬义教授发表的《应用“手持技术”测定不同物质溶解于水时溶液的温度变化——现代高科技与学科实验教学的整合研究》[9]，明确指出了手持技术的定义，为今后手持技术在化学中的应用的研究奠定了基础。 2005年开始，手持技术不在依托掌上实验室，并且发表的3篇文献都是关于手持技术与化学整合的实践探究，如利用手持技术探究影响大气“温室效应”的因素[10]、广州市空调公共汽车空气质量影响影响的研究[11]、利用手持技术研究影响硫酸铅溶解度的因素[12]，看得出研究者迫切希望将手持技术应用到化学实践中来。 2006年和2007年延续了2005年重实践研究的趋势，分别发表的13篇文献有9篇是关于手持技术的实践探究，如利用手持技术探究简易化学电池[13]、含铁物质中铁元素含量的测定[14]、利用手持技术探究甲烷的温室效应[15]。 2008年共有12篇文献，4篇理论研究型，8篇实践探究型，如进行手持技术与化学教学整合的研究概述[19]等理论研究型，手持技术在中和热测定中的应用研究[20]等实践探究型。 2009年手持技术与化学整合的文献出现了井喷的现象，总共有17篇文献，包括3篇硕士优秀论文，其中有14篇是实践探究型文献， 3篇是理论研究型文献。实践探究型的文献有手持技术在乙酸乙酯皂化反应中的应用[21]、酶与二氧化锰对过氧化氢催化分解作用的应用与思考[22]、利用传感技术进行二氧化碳的喷泉实验设计[23]等，理论研究型文献有手持技术在化学教学应用中存在的问题及对策研究[24]、高三化学选修班学生对“温室效应”的认知调查[25]等。 2010年，总共有16篇手持技术文献，3篇理论研究型，13篇实践探究型，表明研究者将会继续重视对手持技术应用在化学中的实践探究，如基于手持技术和多媒体技术的“电离平衡”教学研究[26]、利用手持技术改进测定乙醇分子结构实验[27]、信息技术环境下基于POE策略的高三化学教学[28]等。
2.2 按类型分析 理论探究型文献主要探究掌上实验室的特点及其功能、手持技术与化学实验及化学教学结合的研究，并分析研究了手持技术在化学教学应用中存在的问题及相关的对策，且重点针对手持技术在高中化学应用的研究。 态度探访型文献主要针对手持技术在化学教学的应用，调查教师对将手持技术应用于教学的做法所持的态度，以及学生对利用手持技术所持的态度和认识。 心理探析型文献主要侧重从心理学层面分析学生在使用手持技术时的认知情况和心理机制。一方面从认知角度深入了解学生的思维过程，考察手持技术学习环境中学生概念学习的特点，旨在体现基于手持技术的教学中学生对于化学概念认识、理解并应用的过程特点。另一方面对基于手持技术的高中化学学习认知情况进行研究，对中学生运用手持技术解决化学定量实验问题的心理过程进行研究, 为教师利用手持技术培养学生问题解决能力提供参考, 同时分析了手持技术在问题解决各个环节中的独特作用, 为手持技术的推广运用提供理论依据。 教学探究型文献主要针对高中化学课堂教学，运用手持技术突破高中化学重难点和高考考点，涉及到的化学课本内容有冰醋酸的电离过程、影响氯化铁水解的条件、离子浓度大小比较和离子反应。 课题探究型文献是探究与生活实际密切相关的社会问题，涉及内容很广，包括了广州公交车二氧化碳含量的测定，教室光线照度的测定，果蔬原电池的探索，探究甲烷的温室效应、护发素的效果和简易化学电池。 实验探索型文献是对化学实验的改进与创新，运用手持技术可以将得到抽象的实验现象转化为曲线的输出，进而对实验进行深入的探究。利用手持技术探究了溶解氧过程、影响硫酸铅溶解度的因素、过氧化氢的分解、苯酚和溴水反应类型，运用手持技术测定不同物质溶解于水时的温度变化和测量丙酮的摩尔质量，关注了手持技术在酸碱滴定中的应用、中和热测定的应用、乙酸乙酯皂化反应中的应用。
3 手持技术的未来展望 通过对手持技术与化学整合文献的研究，分析其文献的年份分布和期刊分布、文献第一作者地区和单位机构类型的分布、文献的研究类型分布以及传感器的应用内容，还有文献的研究内容，发现手持技术与化学整合有以下几个特点。 文献是手持技术的宝藏，不同的文献类型有不同的作用，理论研究型可以提供理论基础，实践探索型可以提供丰富的案例。关于手持技术与化学整合的文献基本呈增长的趋势，表明越来越多的研究者关注手持技术在化学中的应用。其发表多在专门的学科期刊上，如《化学教育》和《化学教学》，也发表在交叉性很强的期刊上，如《中国电化教育》和《电化教育研究》。在六种文献类型中，总体情况是实践探究型的文献要多于理论研究型的文献，文献数量从最多到最少的分别是实验探索型、教学探讨型、理论探讨型、课题探究型、心理探析型、态度探访型，说明了研究者注重手持技术与化学整合的实验探索、教学探讨和理论探讨，但是缺乏对课题探究、心理探析和态度探访。 传感器是手持技术的灵魂，不同的传感器有不同的效果，电导率传感器可以测出溶液的导电能力，溶解氧传感器可以测出溶液的溶解氧浓度等。常用的传感器有pH传感器、温度传感器和色度传感器，而电压和电流传感器用得比较少，像离子传感器这一类传感器根本没有一个手持技术案例。 为此，笔者提出一些想法，如下： （1）积极开发手持技术与化学整合的案例，不管是从传感器种类上的使用，还是从研究类型上的考虑。传感器的种类很多，应该好好利用传感器的多样性，开展多种传感器在化学应用中的研究。进一步加强手持技术与化学整合的课题探究，探究与生活实际密切相关的社会问题；进一步深化心理探析，深入研究手持技术在认知方面和心理机制如何起到影响的，进而能够更好地整合手持技术与化学；进一步注重运用手持技术的态度探访研究，从教师和学生两个方面来研究手持技术应用在化学中，对教师和学生的态度影响及其效果。 （2）设计基于手持技术的教学模式，不管是完善现有的教学模式，还是研发新的教学模式。现有“四重表征”教学模式、“10C”（课题探究模式）和“6S”（实验探究模式），应在不断地摸索与实践中，完善旧模式，研发新模式。要将手持技术案例成功地运用于中学化学的教学，必须针对每一类型的案例设计出一套教学模式，辅助教师和学生在教学和学习中正确地应用手持技术案例。 （3）深化应用和研发基于手持技术的高端产品，目前有“远程实验室”和“数字化气象站”。通过“远程实验室”，给学生提供独立自主的探究机会，激发学生学习兴趣，培养学生的定量思维和数据处理分析能力；运用“数字化气象站”进行科学教育，增长学生的科学知识，提高学生的科学探究能力，增强学生的科学观以及培养学生的科学品质。 （4）促进跨学科的多因素研究。在传统的学科可以挖到铜矿，在现代学科可以挖到银矿，在交叉学科中可以挖到金矿。因此，要积极挖掘化学与其他学科之间的联系，运用手持技术促进手持技术跨学科的多因素研究。
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