運用ACELL系統(tǒng)研究化學數(shù)字化學生分組實驗的可行性

韋存容　馬宏佳

摘要：為研究化學數(shù)字化實驗作為學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例中學化學數(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)字化實驗作為學生分組實驗的可行性，并將所得數(shù)據(jù)與國際文獻值相對照。通過三角互證法等分析發(fā)現(xiàn)，所研究的4例數(shù)字化實驗達到了ACELL的各項可行性指標。本研究肯定了若干數(shù)字化學生分組實驗的可行性，也為半定量研究中學化學實驗提供了方法論借鑒。

關鍵詞：化學；數(shù)字化實驗；學生實驗；可行性

文章編號：1008—0546（2017）11—0002—04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：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）進行的實驗。“學生分組實驗”是指全班學生在實驗室里經過教師指導而進行的分組實驗?！翱尚行浴笔侵笇嶒炘谡鎸嵉膶W生實驗室實驗教學情境中的可行性。

學生實驗是化學課程教學中不可缺少的部分，但是，有研究表明不恰當?shù)膶嶒灮顒印⒃愀獾膶嶒炘O計、不充足的資源等會影響學生的深度學習。此外，如果學生實驗過于簡單，也不能幫助學生進行有意義的學習。如果實驗過于困難，則會造成學生的認知負荷超載。因此，學生實驗推廣之前需要進行科學的評估。

化學數(shù)字化實驗作為信息技術與化學實驗的整合，目前已越來越多地引起了基礎化學教育研究者的關注。人們在利用數(shù)字化實驗開展研究性學習、設計演示實驗、辨析學科問題、開設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生分組實驗的研究在國內幾乎是空白，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準。因此，本研究選擇4例中學化學數(shù)字化實驗，應用ACELL系統(tǒng)進行分析。

二、研究思路與方法

1.研究思路

為研究中學化學數(shù)字化實驗作為學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)的設計要求進行實驗設計，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查，用三角互證法對調查結果進行定量、半定量、定性分析，得出所測4例中學化學數(shù)字化實驗是否適合作為學生實驗的結論。

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和科廷大學開發(fā)（2000年）的、評估和測試高校本科化學實驗是否適合學生的系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已逐步向科學實驗（ASELL）發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，在2010年到2011年期間有超過15000名學生參與到ASELL項目的學生實驗評價中；有超過100個已經經過ASELL測試的學生實驗室實驗發(fā)布在ASELL網站上。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行實驗設計，其中最為重要的是實驗教育目標分析，它既是實驗設計的依據(jù)，也是實驗評價的依據(jù)。它將實驗教學目標分成四個方面，包括理論與概念知識、科學實踐技能、思維技能和通用技能。通過比較ACELL的四維實驗教學目標與國內的實驗三維目標，發(fā)現(xiàn)兩者所包含的內容基本相同。本研究使用ACELL實驗教學目標的分類，ACELL的實驗目標分類是與ASLE教師評價量表相統(tǒng)一的。

3.研究對象

本研究測定4例化學數(shù)字化實驗作為學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pH變化曲線，實驗4溫度、濃度、同離子效應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，且與教材中的學生實驗相一致。

4.研究程序

對4例學生數(shù)字化實驗進行測評的是南京師范大學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，指導教師對實驗的內容、傳感器的使用方法、教學目標等進行講解；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進行定性編碼，屬于半定量評價；對5個開放式問題進行逐字逐句的整理屬于定性評價，由此構成互證的三角。endprint

14個李克特問題采用賦分法進行數(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）進行賦分；問題13是關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是對整體的學習經驗的看法，也被同樣地劃分為+2到-2（非常有價值到毫無價值），0（一般）作為中間分數(shù)，+2作為最佳的回應。

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

三、研究結果與分析

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，文獻均分是2006年澳大利ACELL項目測量的24個化學實驗的平均得分。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分為總體價值、教學效果、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，進一步說明教學上是否可行。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‘中和反應放熱的事實體現(xiàn)出來，溫度變化的曲線與學生的預期相符合，對學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放熱；通過精密的溫度傳感器變化感受到化學的嚴謹性；讓學生感受像科學家科學探究的過程，培養(yǎng)科學探究的能力。”

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設定的，主要反映了教師所認為的該實驗設計中教學目標的達成情況。問題2關于理論與概念知識（平均得分1.12），問題3關于科學實踐技能（平均得分1.62），問題4關于思維技能（平均得分1.27分），問題5關于通用技能（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到的教育目標達成度高。其中科學實踐技能教育目標達成情況最好。

同樣的結論也體現(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”對應的是問題2（理論與概念知識技能項），相關評價數(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”對應的是問題3（科學技能與實踐技能項），共計37條評價；子項目思維能力對應的是問題4（思維能力項），有6條相關評論；項目“小組的作用”對應的是問題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)有關科學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與實踐技能教學目標達成程度最好。大多數(shù)教師在談及實驗的優(yōu)點時，經常會涉及以下幾點：“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、準確的特點，而這些均屬于實踐技能范疇，因此教師認為科學實踐教學目標達成度最高。

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”項目中，56條關于實驗改進的意見中只有1條意見是認為時間不夠的，它是這樣寫的：“該實驗作為學生實驗，一節(jié)課的時間可能比較緊張，可以簡化步驟?！边@說明，大部分教師認為完成該實驗所需要的時間應該是恰當?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生主動地、積極地參與學習。問題12均分1.19分，說明教師認為數(shù)字化中和熱測定實驗在培養(yǎng)自主學習者方面有非常重要的作用。

問題12的得分不高（均分0.85），小于文獻均分1.06分，也遠小于前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、現(xiàn)代化、是很好的科學體驗、很吸引人。這說明雖然相比于其他趣味性的化學實驗，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)學生的理性思維有關。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，但可以調動學生學習化學的興趣?！?/p>

四、研究結論

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

本研究肯定了這4例數(shù)字化學生分組實驗的可行性，也為定量和半定量研究中學化學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，本研究只進行了教師評價。盡管如此，我們還是得出了不少有意義的結果。目前，本研究團隊已經著手進行這4例實驗的學生測評研究，希望進一步運用ACELL系統(tǒng)將學生實驗測評引向深入。endprint