韋存容　馬宏佳

摘要：為研究化學(xué)數(shù)字化實驗作為學(xué)生分組實驗的可行性，運用澳大利亞的ACELL系統(tǒng)，請26名在職教育碩士實做4例中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實驗，并完成ASLE教師評價量表，從總體項、效果項、興趣項、管理項4方面評價數(shù)字化實驗作為學(xué)生分組實驗的可行性，并將所得數(shù)據(jù)與國際文獻(xiàn)值相對照。通過三角互證法等分析發(fā)現(xiàn)，所研究的4例數(shù)字化實驗達(dá)到了ACELL的各項可行性指標(biāo)。本研究肯定了若干數(shù)字化學(xué)生分組實驗的可行性，也為半定量研究中學(xué)化學(xué)實驗提供了方法論借鑒。

關(guān)鍵詞：化學(xué)；數(shù)字化實驗；學(xué)生實驗；可行性

文章編號：1008—0546（2017）11—0002—04 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008—0546.2017.11.001

一、問題的提出

本研究中，“數(shù)字化實驗”是指利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機（含配套軟件）進(jìn)行的實驗?！皩W(xué)生分組實驗”是指全班學(xué)生在實驗室里經(jīng)過教師指導(dǎo)而進(jìn)行的分組實驗。“可行性”是指實驗在真實的學(xué)生實驗室實驗教學(xué)情境中的可行性。

學(xué)生實驗是化學(xué)課程教學(xué)中不可缺少的部分，但是，有研究表明不恰當(dāng)?shù)膶嶒灮顒?、糟糕的實驗設(shè)計、不充足的資源等會影響學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。此外，如果學(xué)生實驗過于簡單，也不能幫助學(xué)生進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)。如果實驗過于困難，則會造成學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷超載。因此，學(xué)生實驗推廣之前需要進(jìn)行科學(xué)的評估。

化學(xué)數(shù)字化實驗作為信息技術(shù)與化學(xué)實驗的整合，目前已越來越多地引起了基礎(chǔ)化學(xué)教育研究者的關(guān)注。人們在利用數(shù)字化實驗開展研究性學(xué)習(xí)、設(shè)計演示實驗、辨析學(xué)科問題、開設(shè)校本課程等方面做了大量研究，相對而言，利用數(shù)字化實驗開展全班性的學(xué)生分組實驗的研究尚很少。另外，如何有效地測量實驗是否適合作為學(xué)生分組實驗的研究在國內(nèi)幾乎是空白，而澳大利亞等國創(chuàng)立的ACELL（Advancing Chemistry by Enhancing Learning in the Laboratory）系統(tǒng)則已對此進(jìn)行了數(shù)十年的研究，并形成了相對系統(tǒng)的分析方法和評價標(biāo)準(zhǔn)。因此，本研究選擇4例中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實驗，應(yīng)用ACELL系統(tǒng)進(jìn)行分析。

二、研究思路與方法

1.研究思路

為研究中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實驗作為學(xué)生分組實驗的可行性，本研究先選擇4例數(shù)字化實驗，并按照ACELL系統(tǒng)的設(shè)計要求進(jìn)行實驗設(shè)計，采用ACELL評價方法，通過26位在職教育碩士對4例數(shù)字化實驗的實做和問卷調(diào)查，用三角互證法對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行定量、半定量、定性分析，得出所測4例中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實驗是否適合作為學(xué)生實驗的結(jié)論。

2.研究工具

在本研究中，教師對單個實驗可行性的評價是通過ACELL系統(tǒng)中的Workshop ASLE（Workshop ACELL Student Learning Experience Survey）教師評價量表來獲得的。ACELL是由澳大利亞悉尼大學(xué)和科廷大學(xué)開發(fā)（2000年）的、評估和測試高校本科化學(xué)實驗是否適合學(xué)生的系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已逐步向科學(xué)實驗（ASELL）發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，在2010年到2011年期間有超過15000名學(xué)生參與到ASELL項目的學(xué)生實驗評價中；有超過100個已經(jīng)經(jīng)過ASELL測試的學(xué)生實驗室實驗發(fā)布在ASELL網(wǎng)站上。ACELL評價系統(tǒng)針對不同的測評人員開發(fā)出5種不同的量表，包括ASLE學(xué)生評價量表、Workshop ASLE教師評價量表、Staff Survey專家評價量表、ALPE實驗室評價量表、Workshop Evaluation量表。由于受到研究條件的限制，本研究只使用Workshop ASLE教師評價量表，它用來測量教師完成實驗后對單個實驗的評價。ASLE教師評價量表包含14個李克特問題和5個開放式提問（見表1）。李克特問題在相應(yīng)選項下打鉤，開放式問題用文字作答。

使用ACELL系統(tǒng)需要按照一定的教育模板進(jìn)行實驗設(shè)計，其中最為重要的是實驗教育目標(biāo)分析，它既是實驗設(shè)計的依據(jù)，也是實驗評價的依據(jù)。它將實驗教學(xué)目標(biāo)分成四個方面，包括理論與概念知識、科學(xué)實踐技能、思維技能和通用技能。通過比較ACELL的四維實驗教學(xué)目標(biāo)與國內(nèi)的實驗三維目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)兩者所包含的內(nèi)容基本相同。本研究使用ACELL實驗教學(xué)目標(biāo)的分類，ACELL的實驗?zāi)繕?biāo)分類是與ASLE教師評價量表相統(tǒng)一的。

3.研究對象

本研究測定4例化學(xué)數(shù)字化實驗作為學(xué)生分組實驗的可行性。包括實驗1中和熱的測定，實驗2濃度、催化劑對過氧化氫分解速率的影響，實驗3實驗測定酸堿反應(yīng)pH變化曲線，實驗4溫度、濃度、同離子效應(yīng)對醋酸電離平衡的影響。這4例實驗是已發(fā)表的數(shù)字化實驗中出現(xiàn)頻次較高的、較為成熟的數(shù)字化實驗，且與教材中的學(xué)生實驗相一致。

4.研究程序

對4例學(xué)生數(shù)字化實驗進(jìn)行測評的是南京師范大學(xué)2013、2014級在職教育碩士共26名，其中大多數(shù)教師在此之前沒有接觸過數(shù)字化實驗。測評過程分為3部分。首先，指導(dǎo)教師對實驗的內(nèi)容、傳感器的使用方法、教學(xué)目標(biāo)等進(jìn)行講解；接著，參與測評的教師2人一組完成實驗，并回答實驗單中的問題；最后，測評教師完成評價問卷。

此次測評分為兩天完成，實驗1中和熱的測定實驗共發(fā)放26份問卷，回收26份問卷；實驗2濃度、催化劑對過氧化氫分解速率的影響共發(fā)放26份問卷，回收26份問卷；由于課時安排比較緊張，實驗3、實驗4是分別讓一半的測評教師完成的，實驗3實驗測定酸堿反應(yīng)pH變化曲線共發(fā)放12份問卷，回收12份問卷；實驗4溫度、濃度、同離子效應(yīng)對醋酸電離平衡的影響共發(fā)放14份問卷，回收11份問卷。

5.數(shù)據(jù)采集與分析

本研究的數(shù)據(jù)處理采用ACELL系統(tǒng)的處理辦法，即三角互證法。三角互證法更好地反映出測評教師的實際經(jīng)歷，提供比其他方法更深刻的理解。對表1中的14個李克特式問題采用賦分法，屬于定量評價；對開放式問題15、16、17進(jìn)行定性編碼，屬于半定量評價；對5個開放式問題進(jìn)行逐字逐句的整理屬于定性評價，由此構(gòu)成互證的三角。endprint

14個李克特問題采用賦分法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對于問題1-12，用從+2到-2（非常同意到非常不同意）進(jìn)行賦分；問題13是關(guān)于時間的可行性問題，得分也從+2到-2分（剩余很多到時間不夠），0分（正好）作為中間值和最佳答案。問題14是對整體的學(xué)習(xí)經(jīng)驗的看法，也被同樣地劃分為+2到-2（非常有價值到毫無價值），0（一般）作為中間分?jǐn)?shù)，+2作為最佳的回應(yīng)。

問題15-17根據(jù)評論的內(nèi)容以及內(nèi)容所表示的積極的、消極的、中立的態(tài)度對評價進(jìn)行定性編碼。編碼采用Buntine（2011）框架，將15-17題的回答根據(jù)內(nèi)容分6項進(jìn)行編碼，包括化學(xué)的理解、實驗室經(jīng)驗、實驗有趣的部分、潛在的作用、小組的改進(jìn)、其他。

三、研究結(jié)果與分析

表2為4例數(shù)字化實驗的評價問卷中14個李克特問題項的平均得分匯總表。其中，文獻(xiàn)均分是2006年澳大利ACELL項目測量的24個化學(xué)實驗的平均得分。表3為“中和熱的測定”開放式問題編碼統(tǒng)計表。

ASLE教師評價量表中的14個李克特問題可以細(xì)分為總體價值、教學(xué)效果、實驗管理、興趣4個方面，這4方面又與開放式問題的編碼、回答相對應(yīng)，進(jìn)一步說明教學(xué)上是否可行。以實驗1中和熱的測定為例，從上述4方面對該實驗的可行I生進(jìn)行分析。

1.總體項分析

第1項（該實驗是可行、可操作的）、第14項（該實驗是有價值的）是對實驗的總體評價，分別得分1.46和1.35分；在實驗室經(jīng)驗項目的定性編碼中，教師對該實驗的積極評價數(shù)目為78條，占評價總數(shù)的60.9%；一些教師對中和熱測定實驗是這樣評價的：“運用對溫度變化的連續(xù)測量，極有說服力地將‘中和反應(yīng)放熱的事實體現(xiàn)出來，溫度變化的曲線與學(xué)生的預(yù)期相符合，對學(xué)生來說是一種明顯的成功體驗；實驗相比傳統(tǒng)方法更為客觀、準(zhǔn)確、說服力強；新鮮、有趣、吸引人，體現(xiàn)了現(xiàn)代化。”“通過數(shù)字化實驗真實體會到中和反應(yīng)放熱；通過精密的溫度傳感器變化感受到化學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性；讓學(xué)生感受像科學(xué)家科學(xué)探究的過程，培養(yǎng)科學(xué)探究的能力?！?/p>

從1和14項李克特問題均分、定性編碼與教師具體回答這三個角度來看，教師普遍認(rèn)為該實驗在總體上是可行的、有價值的。

2.效果項分析

李克特問題2、3、4、5是針對實驗教育目標(biāo)設(shè)定的，主要反映了教師所認(rèn)為的該實驗設(shè)計中教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況。問題2關(guān)于理論與概念知識（平均得分1.12），問題3關(guān)于科學(xué)實踐技能（平均得分1.62），問題4關(guān)于思維技能（平均得分1.27分），問題5關(guān)于通用技能（平均得分1.42分）。從這4項的平均得分不難看出，中和熱測定實驗所需要達(dá)到的教育目標(biāo)達(dá)成度高。其中科學(xué)實踐技能教育目標(biāo)達(dá)成情況最好。

同樣的結(jié)論也體現(xiàn)在對開放式提問回答的定性編碼中。子項目“理論與概念知識”對應(yīng)的是問題2（理論與概念知識技能項），相關(guān)評價數(shù)目為6；子項目“傳感器的使用”和“數(shù)據(jù)分析軟件的使用”對應(yīng)的是問題3（科學(xué)技能與實踐技能項），共計37條評價；子項目思維能力對應(yīng)的是問題4（思維能力項），有6條相關(guān)評論；項目“小組的作用”對應(yīng)的是問題5（通用技能項），有3條評論。從各項的評論數(shù)目不難發(fā)現(xiàn)有關(guān)科學(xué)技能與實踐技能的評論數(shù)目是最多的，這表明該實驗的科學(xué)與實踐技能教學(xué)目標(biāo)達(dá)成程度最好。大多數(shù)教師在談及實驗的優(yōu)點時，經(jīng)常會涉及以下幾點：“操作簡便、數(shù)據(jù)和圖像清晰直觀”，而這些都是數(shù)字化實驗的特點，說明在該實驗過程中，給教師留下最深印象的是數(shù)字化實驗的實時、直觀、準(zhǔn)確的特點，而這些均屬于實踐技能范疇，因此教師認(rèn)為科學(xué)實踐教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度最高。

3.管理項分析

李克特式問題7、8、10、11、13是評價實踐活動的組織情況的，即實驗的管理項。在這些管理項中首先需要考慮的是項目13（時間是否適合，平均得分-0.08分。時間合適賦分為0分），說明教師認(rèn)為在一節(jié)課中完成該實驗時間上基本適合。而在定性“潛在改進(jìn)”項目中，56條關(guān)于實驗改進(jìn)的意見中只有1條意見是認(rèn)為時間不夠的，它是這樣寫的：“該實驗作為學(xué)生實驗，一節(jié)課的時間可能比較緊張，可以簡化步驟。”這說明，大部分教師認(rèn)為完成該實驗所需要的時間應(yīng)該是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

教師對其他4項實驗管理的評價都是較高的，這說明教師認(rèn)為在一堂課中組織數(shù)字化中和熱測定實驗具有可行性。

4.興趣項分析

李克特問題6、9、12是關(guān)于實驗的興趣性的。在這3個問題中，問題9的得分最高，這說明該實驗需要學(xué)生主動地、積極地參與學(xué)習(xí)。問題12均分1.19分，說明教師認(rèn)為數(shù)字化中和熱測定實驗在培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)者方面有非常重要的作用。

問題12的得分不高（均分0.85），小于文獻(xiàn)均分1.06分，也遠(yuǎn)小于前12項的李克特問題得分，但這與開放式問題的定性編碼反映的情況不一致。教師在開放式問題中關(guān)于實驗有趣的部分的評價較多（57條）：直觀、數(shù)據(jù)簡單、便于分析、先進(jìn)、現(xiàn)代化、是很好的科學(xué)體驗、很吸引人。這說明雖然相比于其他趣味性的化學(xué)實驗，數(shù)字化中和熱測定實驗可能不那么有趣，這可能與數(shù)字化實驗著重培養(yǎng)學(xué)生的理性思維有關(guān)。此外教師由于比較熟悉中和熱的測定實驗，故不太感興趣，但對于學(xué)生而言，實驗本身就是樂趣的所在。正如某位教師寫道：“實驗本身看來，雖沒有明顯吸引眼球的現(xiàn)象，但可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣?！?/p>

四、研究結(jié)論

本研究運用ACELL系統(tǒng)的ASLE教師評價量表對4例數(shù)字化學(xué)生分組實驗進(jìn)行評價研究，從總體項、效果項、興趣項、管理項4方面評價數(shù)字化實驗作為學(xué)生分組實驗的可行性。通過與國際文獻(xiàn)值對比和三角互證法等分析發(fā)現(xiàn)，所研究的4例數(shù)字化實驗達(dá)到了ACELL的各項可行性指標(biāo)：（1）這些實驗具有可操作性，并且在化學(xué)學(xué)習(xí)中具有價值；（2）這些實驗具有顯著的教學(xué)效果，學(xué)生完成實驗后，基本上能夠達(dá)到預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)；（3）這些實驗的實驗單中實驗?zāi)繕?biāo)清晰、操作步驟明確、實驗介紹充分、評價標(biāo)準(zhǔn)明確，能夠滿足學(xué)生做實驗時的要求；（4）在一節(jié)實驗課中完成一例學(xué)生數(shù)字化實驗的時間是合適的。

本研究肯定了這4例數(shù)字化學(xué)生分組實驗的可行性，也為定量和半定量研究中學(xué)化學(xué)實驗提供了方法論借鑒。

受筆者知識的局限和研究條件等的限制，本研究中還存在一些不足。比如ACELL系統(tǒng)對實驗的可行性評價是通過教師、學(xué)生、專家三者的測評實現(xiàn)的，而受到研究條件的限制，本研究只進(jìn)行了教師評價。盡管如此，我們還是得出了不少有意義的結(jié)果。目前，本研究團隊已經(jīng)著手進(jìn)行這4例實驗的學(xué)生測評研究，希望進(jìn)一步運用ACELL系統(tǒng)將學(xué)生實驗測評引向深入。endprint