中學化學實驗課堂環(huán)境對中學生學習投入的影響研究

曾艷　苗福利　張圣明

摘要： 以穆斯構(gòu)架理論和多元情境框架理論為基礎(chǔ)，采用問卷調(diào)查法探索中學化學實驗課堂環(huán)境對學生學習投入的影響。研究結(jié)果表明：中學化學實驗課堂環(huán)境對學習投入有顯著影響，其中實驗課堂環(huán)境的個人發(fā)展與系統(tǒng)支持這兩個要素對學習投入產(chǎn)生顯著正向影響，但關(guān)系支持要素對行為投入與認知投入會產(chǎn)生顯著負向影響；環(huán)境的二級變量中，實驗課堂氛圍、規(guī)則清晰度、學生凝聚力、整合性和開放性對學習投入有強的預(yù)測力，啟示教師在實驗教學中需要重點設(shè)計。

關(guān)鍵詞： 中學化學實驗； 課堂環(huán)境； 學習投入

文章編號： 10056629（2023）11002807 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 引言

《教育部關(guān)于加強和改進中小學實驗教學的意見》明確指出：“實驗教學是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑。［1］”中學化學實驗教學過程中師生交互多，學生學習活動豐富，探索實驗課堂環(huán)境與中學生學習投入的關(guān)系和作用機制對于新課程實驗教學改革有重要價值。

課堂環(huán)境研究始于勒溫（Lewin）提出的動力場理論［2］。課堂環(huán)境的結(jié)構(gòu)研究代表學者穆斯（Moos）提出重視學習環(huán)境中的人類交互作用，他認為課堂環(huán)境包括人際關(guān)系、個人發(fā)展、系統(tǒng)變更與維護三個維度［3］。目前，學界普遍認同課堂環(huán)境主要包括支持教學的物理環(huán)境、學生及教師所感知的社會心理環(huán)境。基于以上研究，筆者將中學化學實驗課堂環(huán)境界定為：在中學生獨立（分組）動手操作的化學實驗課上，學生所感知的物理環(huán)境和社會心理環(huán)境的總和。

弗雷澤（Fraser）對已有40項相關(guān)研究進行綜述，證實學生學習表現(xiàn)和課堂環(huán)境感知之間存在密切聯(lián)系［4］。周娟［5］等的研究顯示化學課堂環(huán)境對學生的學習態(tài)度具有正向預(yù)測力，中學生對不同類型化學課堂環(huán)境的感知存在顯著差異。

不過，鮮有研究聚焦化學實驗課堂環(huán)境與學生學習表現(xiàn)的聯(lián)系與作用機制。隨著課程改革的進行，實驗教室中物理環(huán)境的創(chuàng)設(shè)備受重視，但對于作為課堂主體的學生所感知的社會心理環(huán)境建設(shè)關(guān)注仍顯不足［6］。觀察中學化學實驗課堂發(fā)現(xiàn)，課堂氣氛活躍，教師調(diào)控課堂難度大。那么，學生在實驗課堂的實際投入是否和其外在表現(xiàn)一樣積極？師生或生生互動所構(gòu)建的社會心理環(huán)境與其學習投入的關(guān)系是怎樣的？本文旨在探索化學實驗課堂環(huán)境和實驗課堂學生學習投入的結(jié)構(gòu)要素，以及要素之間的影響關(guān)系，為提升實驗課堂效果提出教學建議。

2 研究設(shè)計與實施

2.1 研究理論框架

基于穆斯構(gòu)架理論以及富龍（Furlong）的多元情境框架理論［7］，構(gòu)建實驗課堂環(huán)境對學生學習投入影響的理論模型。富龍的多元情境框架闡明了學校環(huán)境、小組同伴環(huán)境和教室環(huán)境對學生的行為、認知和情感三維度的學習投入有正向預(yù)測作用。而弗雷德里克斯（Fredricks）等［8］提出社會投入是數(shù)學和科學課程中學生學習投入必不可少的一個維度，因此本研究將社會投入也作為學習投入的要素之一。此外，依據(jù)對實驗課堂的實際觀察，發(fā)現(xiàn)富龍的環(huán)境要素中學校環(huán)境在實際化學實驗課堂教學中的作用較弱，而前文所述的把課堂環(huán)境分為人際關(guān)系、個人和系統(tǒng)支持更為合理。據(jù)此，擬定本研究的理論模型，如圖1所示。

其中，關(guān)系支持維度評估師生、生生之間關(guān)系的質(zhì)量，其特征是他們愿意互相幫助以及他們給予彼此的支持量［9］。個人發(fā)展維度關(guān)注教師在教授實驗課時用的方法，特別是化學實驗活動的開放性、實驗方法的多樣性，以及教師是否將實驗室活動與非實驗室的活動和理論相整合。系統(tǒng)支持主要評估學生在實驗室遵守規(guī)則的能力以及設(shè)備和材料的可用性和充分性。本研究將關(guān)系支持、個人發(fā)展和系統(tǒng)支持設(shè)置為自變量，行為投入、情感投入、認知投入和社會投入設(shè)置為因變量，提出研究假設(shè)為：中學化學實驗課堂環(huán)境要素對中學生化學實驗學習投入各要素具有顯著的正向影響，不同類別的中學生在各潛變量上存在顯著差異。

2.2 研究對象

本研究以湖北省W市的化學選考生為研究樣本。由于高三年級的學生不開展化學實驗課，故而只選擇了初三、高一和高二年級的學生作為研究樣本。為了盡可能地使選樣具有一定代表性，本次調(diào)查采用分層整班取樣，在省、市級示范性學校及普通中學共計12個班級展開調(diào)查。共發(fā)放問卷506份，回收有效問卷427份，回收率84.4%。其中性別分布為：男生227人，女生200人；年級分布為：初三136人，高一145人，高二146人。

2.3 研究工具

研究工具一為“中學化學實驗課堂環(huán)境調(diào)查問卷”，一級維度為關(guān)系支持、個人發(fā)展和系統(tǒng)支持。對W市某高中化學實驗課堂進行觀察，根據(jù)霍普金斯（Hopkins）設(shè)計的學生非投入行為記錄表［10］觀察評估學生投入度，據(jù)此對學生進行高、中、低分組，然后選取不同投入度組別的典型學生展開半結(jié)構(gòu)化訪談，根據(jù)質(zhì)性材料提取中學化學實驗課堂環(huán)境二級維度的具體特征，見表1所示。具體題項的設(shè)計主要參考了弗雷澤等人［11］設(shè)計的經(jīng)典“科學實驗室環(huán)境清單”、醋燕妮［12］設(shè)計的“中學物理課堂實驗量表”，包含七個潛變量對應(yīng)的25個題項，有3個反向題項。

研究工具二為“中學生化學實驗學習投入調(diào)查問卷”，問卷結(jié)構(gòu)及具體特征基于弗雷德里克斯［13］開發(fā)的社會投入評價項目和陳茜［14］的學習投入指標體系確立，如表2所示。具體題項設(shè)計主要參考了弗雷德里克斯［15］設(shè)計的“數(shù)學和科學學習投入量表”和醋燕妮［16］的“中學物理實驗教學學生參與問卷”，包含四個潛變量對應(yīng)的28個題項，其中包括3個反向題目。題項按照5分制的Likert量表設(shè)置（1=完全不同意，5=完全同意）。

正式施測前進行小規(guī)模試測，對試測結(jié)果采用Cronbachs α系數(shù)和修正后的項與總計相關(guān)性（CITC）分析［17］，根據(jù)試測數(shù)據(jù)刪除三個題項，對刪改后的問卷進行效度分析，效度良好。據(jù)此形成正式問卷，共計50個題項。

經(jīng)檢驗，“中學化學實驗課堂環(huán)境調(diào)查問卷”總體及各維度內(nèi)部一致性信度（α系數(shù)）均在0.8以上，信度較好。“中學生化學實驗學習投入調(diào)查問卷”中四個潛變量α系數(shù)均大于0.85，整體α系數(shù)0.971，各潛變量之間的內(nèi)部一致性水平極高。

對“中學化學實驗課堂環(huán)境調(diào)查問卷”進行結(jié)構(gòu)方程模型外在質(zhì)量檢驗，判別指標CFI（0.975）、 IFI（0.975）、 TLI（0.970）、 NFI（0.954）均大于0.95，質(zhì)量很好。進行結(jié)構(gòu)方程模型內(nèi)在質(zhì)量檢驗，其中七個潛變量的AVE均大于0.6，CR均大于0.8，表明問卷收斂效度很好，內(nèi)部一致性信度高。七個潛變量的AVE算術(shù)平方根大于潛變量之間相關(guān)系數(shù)絕對值，所有潛變量之間有顯著區(qū)別，判別效度很好。

對“中學生化學實驗學習投入調(diào)查問卷”進行結(jié)構(gòu)方程模型外在質(zhì)量檢驗，判別指標CFI（0.975）、 IFI（0.975）、 TLI（0.970）、 NFI（0.903）均符合標準。進行結(jié)構(gòu)方程模型內(nèi)在質(zhì)量檢驗，其中四個潛變量的AVE均大于0.6，CR均大于0.8，表明問卷收斂效度很好，內(nèi)部一致性信度高。四個潛變量的AVE算術(shù)平方根大于潛變量之間相關(guān)系數(shù)絕對值，判別效度很好。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究主要采用SPSS和Amos等工具對數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計分析。首先根據(jù)理論基礎(chǔ)和研究假設(shè)，建立結(jié)構(gòu)方程模型，再運用Amos 22.0對其進行驗證性因素分析和路徑分析，探明中學化學實驗課堂環(huán)境對中學生化學實驗學習投入的影響關(guān)系。

3 研究結(jié)果

3.1 中學化學實驗課堂環(huán)境的整體感知水平

中學生對化學實驗課堂環(huán)境的總體感知水平如圖2所示，除了“開放性”變量，其他變量均值都大于3，但均低于4，說明整體感知水平一般。均分較高的前三項為教師支持、整合性、規(guī)則清晰度，都和教師對化學實驗課的調(diào)控有關(guān)。而課堂氛圍、學生凝聚力、物理環(huán)境這三個主變量均分處于中等偏上水平。開放性感知水平均分最低，僅為2.84。

3.2 中學化學學習投入的整體感知水平

由圖3可知，情感投入維度的均分為3.43，這表明學生在化學實驗課堂上對于學習任務(wù)、自身能力和課堂參與者的情感反應(yīng)較好。認知投入維度的均分為3.30，這反映了中學生為了促進學習內(nèi)容的深化，采取學習策略的主動性較強，注重知識建構(gòu)和反思。行為投入維度的均分為3.29，而社會投入維度的均分為3.27，這反映了學生在化學實驗課上花費的時間、注意強度和行為習慣規(guī)范表現(xiàn)一般，學生在化學實驗課上的社交程度一般。

3.3 中學化學實驗課堂環(huán)境感知與學習投入的差異分析

為探明不同性別中學生在化學實驗課堂環(huán)境感知和學習投入上的差異，采用性別獨立樣本T檢驗，研究發(fā)現(xiàn)男生和女生在開放性、規(guī)則清晰度及認知投入上存在顯著性差異，男生顯著優(yōu)于女生。

對不同年級的差異性分析可知：中學生對于化學實驗課堂的感知情況和學習投入均存在年級差異（見圖4、圖5），初三年級整體情況最好，進一步的差異性檢驗顯示初三年級各變量顯著高于高一年級，而高一和高二年級無顯著差異。這說明，初三化學實驗課的設(shè)置更能夠滿足學生的學習需求，而學生在剛進入高中階段的時候，對化學實驗課堂環(huán)境有較大的落差感，進入高二年級以后，逐漸學會了自我調(diào)節(jié)而適應(yīng)化學實驗課的設(shè)置情況。個別訪談表明學生做過許多的實驗探究題，開始重新重視對于化學實驗的深入學習。

3.4 中學化學實驗課堂環(huán)境對學習投入的影響關(guān)系

為深入分析中學化學實驗課堂環(huán)境對學習投入的影響關(guān)系，本研究建立了以關(guān)系支持、個人發(fā)展和系統(tǒng)支持為自變量，行為投入、情感投入、認知投入和社會投入為因變量的假設(shè)模型，然后對其進行驗證性因素分析及路徑分析。對初始模型適配度進行評估，發(fā)現(xiàn)模型的NFI、RFI（NFI=0.873， RFI=0.862）不符合大于0.9的標準，其他指標均達到理想水平。為提高初始模型適配性，參考初始模型運行后的修正系數(shù)（MI值）對模型進行修正。修正后的模型擬合指數(shù)為：χ2/df=2.231， RMR=0.038， RMSEA=0.055， CFI=0.932， IFI=0.933， TLI=0.926， NFI=0.887， RFI=0.877， PNFI=0.813， PCFI=0.855，根據(jù)模型適配性評估結(jié)果可知，修正后的NFI值和RFI值接近理想水平，其他指標亦達到理想水平。根據(jù)極大似然法估計各路徑系數(shù)值，具體數(shù)值見表3。

根據(jù)表3的路徑系數(shù)分析結(jié)果，可以繪制出如圖6所示的結(jié)構(gòu)方程路徑系數(shù)圖。

根據(jù)路徑系數(shù)分析結(jié)果可以看出，個人發(fā)展與系統(tǒng)支持均能對學習投入產(chǎn)生非常顯著的正向影響。尤其是系統(tǒng)支持對于學習投入的任何一個子維度都能產(chǎn)生極強的預(yù)測作用。這意味著在中學化學實驗課堂中，教室的設(shè)施環(huán)境、安全及操作規(guī)則的清晰度以及課堂有序、良好合作與恰當競爭的氛圍對學習投入有強影響。關(guān)系支持對情感投入的影響不顯著，對行為投入能產(chǎn)生較為顯著的負向影響，對認知投入能產(chǎn)生非常顯著的負向影響。這說明實驗課堂上過于親密的生生關(guān)系、師生關(guān)系可能會影響中學生在化學實驗課上的專注力、抗干擾能力。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論與分析

4.1.1 中學生感知的化學實驗課堂環(huán)境及學習投入水平整體一般，不同要素存在差異

中學生感知的教師支持、整合性、規(guī)則清晰度較好，說明中學化學教師比較重視實驗室操作規(guī)范，同時注意引導(dǎo)學生借助實驗去解決理論課所學習的問題。課堂氛圍、學生凝聚力和物理環(huán)境這三個主變量均分也處于中等偏上水平，說明中學生對于化學實驗課上同學之間關(guān)系、課堂上的氛圍感以及化學實驗室的自然環(huán)境、材料充分程度等都基本滿意，有待進一步提升。學生認為化學實驗的開放性較差，對實驗的決定權(quán)較少、實驗主題較為單一。

中學生化學實驗學習的情感投入較高，行為投入和社會投入一般，而認知投入較差。男生在課堂環(huán)境的開放性、規(guī)則清晰度及認知投入上顯著優(yōu)于女生。而課堂觀察發(fā)現(xiàn)男生更愿意利用現(xiàn)有器材去探索一些“特別”的實驗現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致男生在化學實驗課上的認知投入更高一些。

4.1.2 中學化學實驗課堂環(huán)境對學習投入有顯著影響，關(guān)系支持和系統(tǒng)支持要素需重點關(guān)注

中學化學實驗課堂環(huán)境對中學生化學實驗學習投入的影響模型解釋力良好。個人發(fā)展、系統(tǒng)支持均對學習投入各要素產(chǎn)生正向影響，但關(guān)系支持對行為和認知投入產(chǎn)生負向影響。

4.2 啟示與建議

4.2.1 營造良好課堂氛圍，提升規(guī)則清晰度

研究結(jié)果表明，實驗課堂環(huán)境因素中課堂氛圍對學習投入正向預(yù)測作用最強，而對課堂氛圍的感知水平高一年級學生反常地低于其他兩個年級，教師在高一年級可以采用創(chuàng)設(shè)真實情境問題驅(qū)動學生競爭性完成有一定綜合性實驗的策略提升實驗課堂氛圍。

規(guī)則清晰度對于學生在化學實驗課堂上的認知投入預(yù)測力最強，這也就意味著，學生在化學實驗課上對于基本的實驗操作要點以及安全準則是否清楚對其學習投入有著顯著影響。但是結(jié)合課堂觀察發(fā)現(xiàn)教師在實驗課前告知學生實驗規(guī)則效果并不佳，需要在平時的常態(tài)課中經(jīng)常結(jié)合演示實驗進行規(guī)則說明，還可以在實驗課后段或?qū)嶒炚n后集中點評學生在實驗中因無法領(lǐng)悟?qū)嶒炓c而造成的失誤，從而提升學生的認知投入。

4.2.2 設(shè)計小組合作策略，調(diào)控關(guān)系支持

關(guān)系支持會對學生的行為投入和情感投入產(chǎn)生顯著的負向影響，這啟示實驗課堂教師應(yīng)該重點設(shè)計對學習小組關(guān)系的調(diào)控，與常規(guī)課堂不同的是，生生互動比師生互動更加重要。課堂觀察顯示，實驗課上學生的自由度要顯著高于常規(guī)課，中學生往往由于缺乏自覺性而較容易出現(xiàn)學習無關(guān)行為。教師應(yīng)掌握實驗分組技巧，尤其防止同組同學關(guān)系過于親密，根據(jù)學生的認知風格、思維習慣、實驗操作能力等因素形成組內(nèi)異質(zhì)，并明晰實驗活動時的個人責任。性別差異的數(shù)據(jù)結(jié)果也提示教師在分組時可以考慮組內(nèi)一定的性別異質(zhì)，引導(dǎo)男生發(fā)揮對女生的開放性和規(guī)則感知的正向影響作用。

4.2.3 重視實驗和理論課堂整合，促進關(guān)鍵能力發(fā)展

測查數(shù)據(jù)顯示實際的化學實驗課堂環(huán)境中這兩者水平較低。重視實驗開放度已經(jīng)得到化學實驗教學實踐層面的長期關(guān)注，而對于實驗教學與理論課堂的整合還重視不足，在實驗教學中教師需要充分發(fā)揮理論對于實驗的預(yù)測解釋及實驗對于理論的評估論證，才有利于促進學生關(guān)鍵能力的發(fā)展，凸顯化學學科實驗教學的育人價值。

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*2022年華中師范大學教學研究項目“職前教師教育實踐能力表現(xiàn)性評價系統(tǒng)構(gòu)建與實踐教學質(zhì)量改進研究”；華中師范大學中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（教師教育專項）課題（CCNUTEI 202209）。