2001年《基础教育课程改革纲要(试行)》^[1]提倡实验方法革新；2016年教育部关于印发《教育信息化“十三五”规划》^[2]提出深化信息技术与教育教学的融合发展，从服务教育教学拓展到服务育人全过程；2017年《普通高中化学课程标准》^[3]提出适当增加数字化实验. 随着时代发展，国家政策不断重视实验教学的水平与创新，而作为一种创新技术实验，“手持技术数字化实验”能有效解决实验创新教学难题.

“手持技术数字化实验”一词最早由钱扬义教授提出，又称“掌上技术”，由数据采集器、传感器和配套软件组成，是通过定量采集数据与计算机连接的数字化化学实验技术系统^[4]. 与传统实验相比，手持技术数字化实验具备便携、实时、准确、综合、直观等特点. 传统实验主要通过实验现象定性分析得出结论，而手持技术数字化实验主要通过采集数据、分析数据定量推理得出结论，有助于发展学生的定量思维以及证据推理能力.

自1998年钱扬义教授将手持技术引入国内进行数字化实验探索以来，国内中学化学教育领域研究者和实践者开始关注手持技术数字化化学实验案例的开发^[5]. 在信息技术与课程有机整合的驱动下，研究者的关注点延伸至手持技术数字化实验教学课例的研究^[6]、手持技术数字化实验校本课程的开发^[7]、手持技术支持下学习心理模型的研究^[8-9]和手持技术实验开发、实验教学以及应用推广系统理论的探索^[4]，将手持技术数字化实验推广应用至全国各地.

目前，师范院校的数字化实验教学现状不容乐观. 不少院校缺乏数字化实验室以及数字化实验教学技能实验室；教学资源陈旧，缺乏相应课程、教材及相关资源网；教学模式传统，没有根据数字化实验内容研发有效的教学模式；数字化实验研究少、案例少，应用模式面窄，缺乏影响力. 因此，师范院校如何有效建立手持技术数字化化学实验教学体系以及培养具有高水平数字化实验教学能力的师范生，成为需要尽快解决的教学难题.

1.   研究方法

为解决数字化实验教学体系建设目标设计问题，构建“七知识七能力”化学师范生能力培养框架. 以此为研究基础，采用“学术先行研究，教学转化应用”、“校内基础训练，校外能力实践”、“高校培育经验，成果服务社会”的技术路线(图 1)，从“一研”、“两网”、“三室”、“四模式”、“多实践平台”5个方面实施教学改革. 具体包括：为发展数字化实验基础理论，创立“一研”研发平台；为促进数字化实验教学资源的开发和数字化实验室的建设，创立“两网”交流平台与“三室”实验平台；为解决数字化教学模式、有效实施数字化教学的问题，形成适用课堂教学的“四模式”教学平台；为更好地在中学教学中应用数字化实验案例，建设推广数字化实验的“多实践平台”. 最终，创建“一研两网三室四模式多实践平台”手持技术数字化化学实验教学体系.

图  1  手持技术数字化化学实验教学体系技术路线

Figure  1.  The technical route of teaching system of handheld technology digital chemical experiments

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1.1   “七知识七能力”培养体系

立足于整合技术的学科教学知识(Technological Pedagogical Content Knowledge, TPACK)与“21世纪学习技能”两大前沿研究领域，通过与数字化有关的科技类课题、高等教育类和基础教育类课题的研究，制定了“七知识七能力”的培养框架(图 2). “七知识”包括技术知识(TK)、教学知识(PK)、学科知识(CK)、技术-教学知识(TPK)、技术-学科知识(TCK)、教学-学科知识(PCK)与技术-教学-学科知识(TPACK)；“七能力”则主要包括自主学习能力、合作学习能力、设计创新能力、批判思考能力、信息素养能力、问题解决能力与知识创造能力. “七知识七能力”的培养需要依托“一研两网三室四模式多实践平台”的教学资源体系，体系中的各个部分在对师范生各知识与能力的培养方面既有交叉综合性，又有独特侧重性.

图  2  “七知识七能力”培养体系框架

Figure  2.  The framework of "Seven knowledge and seven abilities" training system

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1.2   实验教学体系

“一研两网三室四模式多实践平台”手持技术数字化化学实验教学体系的形成与完善经历了4个阶段：研究及平台建设阶段(2000—2003年)、体系扩充及完善阶段(2004—2008年)、体系丰富及平稳发展阶段(2009—2012年)、深入应用及推广阶段(2013—至今)，21年来利用该平台资源开展一系列多领域、多维度、多层次学习、研究与教学应用，培养化学师范生的“七知识七能力”.

1.2.1   “一研”建构理论成果

从学术研究出发，申请研究课题，发表学术论文和学术专著，建构理论研究成果. 在开创中国本土化教学与研究案例(如手持技术实验教学案例、远程化学实验案例)的过程中，不断尝试借鉴国外TPACK的研究成果，着重设计与开发课程，以提升化学师范生的“七知识七能力”.

1.2.2   “两网”促进平台建设

将理论研究成果转化为教学应用，建立手持技术网、远程实验网两个网站. “手持技术网”提供了手持技术仪器介绍、手持技术与中学化学实验的整合应用、手持技术与中学研究性学习的相关案例分析，促进化学教学向数字化、定量化、探究性方向发展；“远程实验室网”实现了化学实验网络教学，整合了实验预习、实验指南、实验预约、实验室入口等功能，以便提前了解实验操作程序并进行远程实验，培养师范生“七知识”中的技术知识(TK)、学科知识(CK)、技术-学科知识(TCK)等知识，以及“七能力”中的自主学习能力、信息素养能力等能力.

1.2.3   “三室”促进平台建设

建立培养师范生实验探究能力与教学实践能力的系列实验室，包括手持技术探究实验室、520远程化学实验室和数字化微格实验室，开发具有“四化”(即“数字化”、“微型化”、“可视化”、“实时化”)特色的系列数字化手持技术实验案例和520远程实验案例. 师范生利用手持技术实验室中的先进仪器设计相关实验、进行自主探究并应用到具体教学中，实现“七知识”的有效运用，同时提升“七能力”中的设计创新能力、问题解决能力、知识创造能力等. 在远程实验室中，师范生能够有效掌握技术知识(TK)、学科知识(CK)、技术-学科知识(TCK)，增强自主学习能力、合作学习能力、问题解决能力、知识创造能力等. 在数字化微格实验室中进行探讨合作、设计教学案例、实施授课训练，促进师范生更好地理解和掌握教学知识(PK)、学科知识(CK)、教学-学科知识(PCK)，锻炼和提升合作学习能力、设计创新能力、批判思考能力等.

1.2.4   “四模式”指导实践应用

基于数字化、现代化实验技术与环境方面结合的研究成果与实践经验，结合先进教学理念和实际教学内容，提炼出培养师范生创新能力的四种教学模式，包括：手持技术教学模式、远程实验教学模式、数字化微格教学训练模式和四重表征教学模式.

手持技术教学模式主要包括：课内实验探究(6S)模式和课外课题探究(10C)模式^[10]，其中6S模式主要适用于以“教师-引导”为主的探究式教学，而10C模式适用于“学生-合作”的自主探究学习.

远程实验教学模式包括：用户注册与实验预约、实验预习与过关测试、远程登录与实验操作、实验分析与在线测试以及实验互动与退出登录等5个环节. 该模式有助于解决实验资源短缺与学生人数过多的矛盾和促进城乡教育公平化发展，同时有利于学生设计创新、批判思考、信息素养、问题解决等多方面能力的培养.

数字化微格教学训练模式主要包括：集中授课与分散训练环节，师范生通过理论讲解及案例分析、多方位录像、多元化反馈提高化学教学技能和促进对教学设计与实践的有效反思.

四重表征教学模式由钱扬义教授于2009年首次提出，该模式主要结合手持技术实验曲线的动态性与化学学科的独特性，尤其帮助学习者在宏观(化学性质与变化现象)、微观(微观粒子的运动与相互作用)、符号(微粒符号与方程式)与曲线(变化的物理量与时间的关系)等4种认知表征之间顺利转换.

1.2.5   “多实践平台”扩大辐射范围  建立小学、中学、高校等多个应用基地，扩大数字化实验理论和实践成果的影响范围

“多实践平台”的梯级搭建主要体现为：(1)小学、中学基地的建立  由师范生前往中小学向教师讲解与展示手持技术仪器的使用方法，协助开发相关的手持技术教学案例并运用到课堂教学实践中; (2)高校基地的建立  向国内院校分享与推广“一研两网三室四模式”的实践经验，并对化学教育类专业师范生课程的优化提供建议; (3)“国培”基地的建立  通过对教育部国家骨干教师培训学员进行每年一次的集中理论学习，促进其对国内外前沿的教育教学理论的掌握与内化，从而提升其职业素养.

2.   教学效果与讨论

2.1   教学成果应用与效果

2.1.1   教学成果应用广泛、应用程度深入

在师资培养方面，本教学成果面向化学教育类专业，历年来共培养本科生3 000余人、函授生500余人、研究生50余人，向全国各地输送大量具有“基于信息技术进行化学创新教学”能力的师资队伍. “一研两网三室四模式多实践平台”手持技术数字化化学实验教学体系有效提升了师范生的“七知识七能力”，毕业生综合素质高，得到用人单位好评与青睐.

在教师培训方面，“数字化手持技术实验讲座和实验演示”已成为近年来华南师范大学“国培计划-示范性集中培训项目”的固定培训内容. 据统计，参加国家级培训的骨干教师共计6批次近300人、省级培训共计16批次2 000多人. 国培教师均认可手持技术在化学教学中的作用. 同时，本团队积极面向国内外科学教育研究专家、兄弟院校教师和师范生、中学教师展示讲解手持技术数字化化学实验教学体系，展示具有特色的科研项目，学习交流相关经验，得到了社会的关注与认可. 目前，全国各省市和特别行政区的60余所学校与本团队联合建立多间数字化化学实验校外实践基地. 基地的建立有助于有效共享研究经验与资源，促进学校开发具有其自身特色的教学研究课题，协助完善部分兄弟院校师范生的专业培养方案等.

2.1.2   教学成果实施效果好、实施评价高

本教学成果培养了一大批适应基础教育改革发展和教育信息化建设需要的高水平中小学信息技术化学教学的师资. 例如，在教学竞赛方面，本团队培养了一批优秀的师范生，协助其打造相关授课课题，在国家级、省级师范技能竞赛中表现出色. 2013—2019年，本团队培养师范生获国家级、省级奖项共计25人次，其中6人次获教育部东芝杯7项大奖(含最高奖“创新奖”、一等奖)并发表相关教学论文^[11]、13人次在省级教学比赛中获一等奖、5人次在省级教学比赛中获二等奖、1人次在省级教学比赛中获三等奖. 在科研实践方面，师范生参与手持技术实验探究案例的开发，这些案例在中学课堂与探究性教学中的实施应用取得了较好的教学效果，同时在CSSCI等级别刊物发表手持技术相关论文40余篇，人大复印资料全文转载论文16篇，相关研究生学位论文10篇，共计被引用200余次. 此外，师范生积极参与中小学基地数字化化学实验的指导工作及课题研究，指导学生参加青少年科技创新大赛，注重提高学生的化学学习兴趣与实验探究技能，增强其元认知能力和迁移思维能力等，并取得优异的成绩.

手持技术数字化化学实验的教学价值获得一线教师的普遍认可. 不少一线教师能自主利用手持技术数字化化学实验教学资源，引导学生开展基于手持技术数字化化学实验的科学探究活动，并将其运用于课堂教学实践中，与本团队共同开发行之有效的创新教学案例. 部分一线教师已在国内学术刊物上发表教学论文数篇，研究领域涉及理论探讨、教学方法研讨、教学评价探析等.

同时，研究团队在全国各地进行与“手持技术数字化化学实验”有关巡回讲座30余场，受到了高校师范教育同行和高中化学教师的强烈反响和一致欢迎. 国内外同行对本成果的理论创新和实践效果给予了高度评价，例如：瑞典哥德堡大学兼IPCC国际教育评价项目负责人Ilan Chabay教授称赞手持技术气象站的相关科研项目贴近生活，具有很好的应用价值.

2.1.3   教学成果基础扎实、技术先进

本教学成果适应国家对化学师范生培养的政策标准需求，把握化学实验现代化、数字化的发展趋向，聚焦TPACK与“21世纪学习技能”的国际热点课题，以践行创新实践为基础，逐步创建“一研两网三室四模式多实践平台”手持技术数字化化学实验教学体系. 同时，研究团队在教学方面的成果突出，基础扎实，相关研究多次获得省级校级教学成果奖. 2001年团队“新世纪高师学生化学实验教学能力培养模式的改革与实践”课题获得广东省教学成果奖二等奖. 2015年“创建一研两网三室四模式多基地数字化化学实验教学体系，培养高师生创新能力的15年研究与实践”获得华南师范大学教学成果奖一等奖. 同年，本团队参与的“骨干专家型教师‘五位一体’培养模式的研究与实践”获得华南师范大学教学成果奖一等奖. 国外学界专家对研究团队的成果给予高度肯定. 例如，新加坡南洋理工大学国立教育学院的吕赐杰教授高度认可本团队在实验室建设与教学信息技术的先进性与前沿性.

2.2   教学成果创新点

2.2.1   开展“手持技术数字化化学实验”教学研究为国内同类专业首创并持续走在全国前列

本团队最先引进“手持技术”，在国内研究起步最早，研究时间最长，成果丰硕，最早提出相关新概念、新思想，首次在《电化教育研究》公开发表论文并使用“手持技术”这一术语，随后在4本著作^{[4, 8, 12-13]}中逐渐发展. 此外，本团队研发的具有“可视化”、“微型化”、“远程化”特色的系列数字化实验案例最多，应用广泛.

2.2.2   创建“一研两网三室四模式多实践平台”手持技术数字化化学实验教学体系，为国内同类专业首创

“一研两网三室四模式多实践平台”手持技术数字化化学实验教学体系解决传统实验“只定性、难定量、难创新”的问题. “两网”的建设实现了资源共享，使高校研究成果惠及中小学，为中学教学改革做出重大贡献. “三室”中的520远程实验室为国内首创，并已获得“自主知识产权”^[14]. 本团队最早开发建设“三类创新实验室”，最早提出数字化化学实验室装备标准. 基于“两网”与“三室”平台建设所开拓的“四模式”有利于指导学生进行课内外实验与课题探究、切实提升师范生的教学知识与能力水平.

2.2.3   开创中国本土化的化学师范生TPACK与21世纪学习技能的研究尝试，有望弥补国际研究的不足

立足TPACK与“21世纪学习技能”两大前沿研究领域，结合“一研两网三室四模式多实践平台”手持技术数字化化学实验教学体系，开拓“七知识七能力”的中国化学师范生培养框架并积极开展实证研究，致力于弥补国际研究的空缺. 实践表明：“七知识七能力”的培养框架确实取得预期的教学成效，师范生发表了多篇高水平研究论文.

3.   结论

本研究基于师范院校建立数字化实验教学体系的现状，在TPACK与“21世纪学习技能”两大前沿研究领域制定了“七知识七能力”的化学师范生能力培养框架，创建了“一研两网三室四模式多实践平台”手持技术数字化化学实验教学体系. 该体系经多年的实践检验，显著提高了师范生的教学技能、科研水平与教学实践能力，为全国各地输送了能基于信息技术进行创新化学教学的师资队伍；通过“国培计划”等平台中在全国范围内广泛推广，获得学界、社会的高度认可. 在全国各省市60余所学校建立多间数字化化学实验校外实践基地，进行广泛应用. 本研究为同类高等教育师范院校数字化实验教学体系的建设提供了理论指导和实践参考，对高等教育师范创新人才培养方面具有一定的指导和示范作用.