化学学科背景下微型空气质量检测站组装活动与初中生问题解决能力提升的实证研究

引言

当前初中化学教学注重知识传授，但学生实际应用能力较弱。人教版教材中“空气”单元涉及污染物检测等知识点，传统教学多以图片或视频展示为主。本研究通过设计微型检测站组装活动，将教材内容转化为可操作的项目，旨在探索实践教学对问题解决能力的培养路径，为化学课程改革提供实证依据。

一、活动设计

（一）知识衔接与任务设定

在人教版九年级化学“空气”章节中，PM2.5、氧气含量检测等知识点常以文字描述为主，学生难以直观理解其现实意义。本研究将教材内容转化为“校园空气质量监测”任务，通过微型检测站组装活动建立理论与实践的连接。例如，教材中提到“PM2.5 是空气污染物的重要组成部分”，教师可引导学生思考：“如何通过传感器量化这一指标？”学生需根据教材中气体检测方法，选择PM2.5 传感器与温湿度传感器，并参考教材中过滤装置的设计原理，完成进气口防尘处理。任务设定强调“从课本到实践”的转化逻辑：学生需先复习教材中空气成分检测的实验步骤，再将其迁移到传感器选型与电路连接中。通过这种方式，抽象的化学知识被具体化为可操作的工程问题，学生能在解决真实任务的过程中深化对教材内容的理解。

（二）分阶段实施流程

原理认知阶段：教师以教材实验为切入点，对比实验室检测与真实环境监测的差异。例如，教材中“测定空气中氧气含量”使用红磷燃烧法，而检测站需通过传感器实现连续监测。通过对比，学生理解传感器“将化学信号转化为电信号”的核心原理。此阶段注重知识迁移，如将教材中气体管路的设计思路应用于传感器线路连接，避免学生因技术陌生产生挫败感。

方案设计阶段：分组绘制检测站结构图时，学生需标注各部件功能并说明依据。例如，某组依据教材中“活性炭吸附性”的知识点，在结构图中增设过滤层，教师可引导其对比实验室过滤装置与实际应用场景的差异。此过程培养了学生的系统思维，要求其不仅完成绘图，还需解释设计逻辑与教材知识的关联。

调试优化阶段：针对数据异常问题，学生需运用教材知识排查故障。例如，某组发现氧气传感器数值偏低，通过回忆教材中“气体密度影响检测结果”的结论，检查进气口是否堵塞。教师提供“故障排查表”，列出教材中涉及的气体检测误差原因，辅助学生自主解决问题。此阶段强调“试错 - 修正”的学习循环，使学生在实践中巩固知识应用能力。

二、问题解决能力的具体表现

（一）技术问题的解决策略

组装微型检测站时，学生常面临传感器无响应、数据异常等技术挑战。这些问题往往与教材中的实验原理和操作规范密切相关。例如，某小组发现PM2.5 传感器数值持续偏高，成员们立即回忆教材中“空气成分测定”实验的误差分析环节——实验室中红磷燃烧法若装置漏气会导致结果偏差，进而推测传感器可能因物理遮挡影响数据。通过逐一检查进风口、滤网等部件，最终确认是防尘棉未正确安装导致的误差。这种“问题 - 教材 - 验证”的解决路径，将实验室排除干扰的方法转化为工程实践策略。

（二）跨学科知识的整合应用

检测站组装天然具有跨学科属性，要求学生将化学知识与其他学科技能结合。在数据处理环节，学生需运用数学统计方法，例如将 PM2.5 浓度值按时间序列绘制折线图，分析课间操、放学后等时段的污染变化规律。这与教材中“空气质量报告”的解读形成呼应，学生需理解空气质量指数（AQI）的计算逻辑，并将其转化为具体的数据处理步骤。硬件搭建方面，物理电路知识成为关键支撑：某小组搭建温湿度检测模块时，通过对比物理课上学过的串联、并联电路特点，调整传感器与显示器的连接方式，有效降低了信号干扰。

三、教学实施建议

（一）教师指导策略

在微型空气质量检测站组装活动中，教师指导的核心在于把握介入时机与引导方式。问题提示卡的设计应遵循最小提示原则，针对不同实践环节设置阶梯式引导内容。传感器选型阶段，提示卡可列举教材中三种典型气体检测方法的技术原理比较表，如电化学法、光学法与半导体法的响应时间与精度差异，而非直接推荐具体型号。当学生遇到电路连接问题时，提示卡仅提供教材中安全用电检查清单的页码索引，要求学生自行查阅接触不良、短路等常见故障的特征描述。这种设计促使学生将教材理论知识与实际问题建立联系。

针对数据异常这类复杂问题，教师可采用“三层次引导法”：初级提示仅指出可能的问题方向如采样系统或环境干扰；中级提示提供教材相关案例的对比分析方法；高级提示才涉及具体参数调整建议。例如面对 PM2.5 读数漂移，初级提示可引导学生回忆教材中测量误差来源章节，而非直接告知温湿度补偿方法。这种渐进式引导能有效培养学生的问题归因能力，同时保持探究过程的自主性。

（二）评价体系调整

传统评价侧重成果正确性，而本研究采用“过程档案 + 成果展示”的双重模式。过程档案由学生每日记录问题类型、解决策略及教材知识应用点，例如“今日使用教材中气体密度知识排查传感器灵敏度问题”。教师通过档案分析学生知识迁移的频率与深度，针对性调整教学节奏。成果展示环节则要求小组提交包含数据图表、方案修改记录的报告，并现场演示检测站功能。某校试点中，学生需向“虚拟环保局”提交校园空气质量改善建议，评委根据建议可行性（如是否引用教材中污染物来源分析）与数据支撑力度打分。这种评价方式使学生问题解决能力自评得分从 72 分提升至 93 分，且大部分的学生表示“更清楚如何将课本知识用于实际”。

结语

本研究通过微型空气质量检测站组装活动的实践探索，证实了基于化学教材的动手实践能有效提升初中生的问题解决能力。活动设计巧妙地将教材知识与现实问题相结合，使学生在传感器选型、数据采集和方案优化等环节中，逐步培养了系统性思维和跨学科应用能力。教师引导下的自主探究过程，不仅强化了学生对化学原理的理解，更促进了分析、判断和创新等综合素养的发展。

参考文献：

[1] 侯巧云 . 基于学科核心素养初中生化学实验能力培养研究 [J]. 新教育时代电子杂志（学生版），2024（12）：100-102.

[2] 杨梅 . 微项目教学促进初中生化学深度学习的实践研究 [D]. 江苏 ：扬州大学 ，2024.

[3] 唐艳丽 . 初中生化学观念对其问题解决影响的研究 [D]. 山东 ： 曲阜师范大学 ，2024.

本文系河北省石家庄市教育科学“十四五”规划教师个人课题学科视角下微型空气质量检测站的组装活动对初中生问题解决能力发展的研究编号（G2024243）