韋存容　馬宏佳

摘要：為研究化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的可行性，運(yùn)用澳大利亞的ACELL系統(tǒng)，請(qǐng)26名在職教育碩士實(shí)做4例中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，并完成ASLE教師評(píng)價(jià)量表，從總體項(xiàng)、效果項(xiàng)、興趣項(xiàng)、管理項(xiàng)4方面評(píng)價(jià)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的可行性，并將所得數(shù)據(jù)與國(guó)際文獻(xiàn)值相對(duì)照。通過(guò)三角互證法等分析發(fā)現(xiàn)，所研究的4例數(shù)字化實(shí)驗(yàn)達(dá)到了ACELL的各項(xiàng)可行性指標(biāo)。本研究肯定了若干數(shù)字化學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的可行性，也為半定量研究中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了方法論借鑒。

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

文章編號(hào)：1008—0546（2017）11—0002—04 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008—0546.2017.11.001

一、問(wèn)題的提出

本研究中，“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”是指利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)（含配套軟件）進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)?！皩W(xué)生分組實(shí)驗(yàn)”是指全班學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里經(jīng)過(guò)教師指導(dǎo)而進(jìn)行的分組實(shí)驗(yàn)?！翱尚行浴笔侵笇?shí)驗(yàn)在真實(shí)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境中的可行性。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)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?shí)驗(yàn)活動(dòng)、糟糕的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、不充足的資源等會(huì)影響學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。此外，如果學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)于簡(jiǎn)單，也不能幫助學(xué)生進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)。如果實(shí)驗(yàn)過(guò)于困難，則會(huì)造成學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷超載。因此，學(xué)生實(shí)驗(yàn)推廣之前需要進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估。

化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的整合，目前已越來(lái)越多地引起了基礎(chǔ)化學(xué)教育研究者的關(guān)注。人們?cè)诶脭?shù)字化實(shí)驗(yàn)開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)、辨析學(xué)科問(wèn)題、開(kāi)設(shè)校本課程等方面做了大量研究，相對(duì)而言，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開(kāi)展全班性的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的研究尚很少。另外，如何有效地測(cè)量實(shí)驗(yàn)是否適合作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的研究在國(guó)內(nèi)幾乎是空白，而澳大利亞等國(guó)創(chuàng)立的ACELL（Advancing Chemistry by Enhancing Learning in the Laboratory）系統(tǒng)則已對(duì)此進(jìn)行了數(shù)十年的研究，并形成了相對(duì)系統(tǒng)的分析方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此，本研究選擇4例中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的可行性，本研究先選擇4例數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，并按照ACELL系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用ACELL評(píng)價(jià)方法，通過(guò)26位在職教育碩士對(duì)4例數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的實(shí)做和問(wèn)卷調(diào)查，用三角互證法對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行定量、半定量、定性分析，得出所測(cè)4例中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是否適合作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。

2.研究工具

在本研究中，教師對(duì)單個(gè)實(shí)驗(yàn)可行性的評(píng)價(jià)是通過(guò)ACELL系統(tǒng)中的Workshop ASLE（Workshop ACELL Student Learning Experience Survey）教師評(píng)價(jià)量表來(lái)獲得的。ACELL是由澳大利亞悉尼大學(xué)和科廷大學(xué)開(kāi)發(fā)（2000年）的、評(píng)估和測(cè)試高校本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)（ASELL）發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2010年到2011年期間有超過(guò)15000名學(xué)生參與到ASELL項(xiàng)目的學(xué)生實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)中；有超過(guò)100個(gè)已經(jīng)經(jīng)過(guò)ASELL測(cè)試的學(xué)生實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)發(fā)布在ASELL網(wǎng)站上。ACELL評(píng)價(jià)系統(tǒng)針對(duì)不同的測(cè)評(píng)人員開(kāi)發(fā)出5種不同的量表，包括ASLE學(xué)生評(píng)價(jià)量表、Workshop ASLE教師評(píng)價(jià)量表、Staff Survey專(zhuān)家評(píng)價(jià)量表、ALPE實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)量表，它用來(lái)測(cè)量教師完成實(shí)驗(yàn)后對(duì)單個(gè)實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)。ASLE教師評(píng)價(jià)量表包含14個(gè)李克特問(wèn)題和5個(gè)開(kāi)放式提問(wèn)（見(jiàn)表1）。李克特問(wèn)題在相應(yīng)選項(xiàng)下打鉤，開(kāi)放式問(wèn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中最為重要的是實(shí)驗(yàn)教育目標(biāo)分析，它既是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的依據(jù)。它將實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)分成四個(gè)方面，包括理論與概念知識(shí)、科學(xué)實(shí)踐技能、思維技能和通用技能。通過(guò)比較ACELL的四維實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)與國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的分類(lèi)，ACELL的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)分類(lèi)是與ASLE教師評(píng)價(jià)量表相統(tǒng)一的。

3.研究對(duì)象

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

4.研究程序

對(duì)4例學(xué)生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)評(píng)的是南京師范大學(xué)2013、2014級(jí)在職教育碩士共26名，其中大多數(shù)教師在此之前沒(méi)有接觸過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。測(cè)評(píng)過(guò)程分為3部分。首先，指導(dǎo)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)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(cè)評(píng)的教師2人一組完成實(shí)驗(yàn)，并回答實(shí)驗(yàn)單中的問(wèn)題；最后，測(cè)評(píng)教師完成評(píng)價(jià)問(wèn)卷。

此次測(cè)評(píng)分為兩天完成，實(shí)驗(yàn)1中和熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)共發(fā)放26份問(wèn)卷，回收26份問(wèn)卷；實(shí)驗(yàn)2濃度、催化劑對(duì)過(guò)氧化氫分解速率的影響共發(fā)放26份問(wèn)卷，回收26份問(wèn)卷；由于課時(shí)安排比較緊張，實(shí)驗(yàn)3、實(shí)驗(yàn)4是分別讓一半的測(cè)評(píng)教師完成的，實(shí)驗(yàn)3實(shí)驗(yàn)測(cè)定酸堿反應(yīng)pH變化曲線共發(fā)放12份問(wèn)卷，回收12份問(wèn)卷；實(shí)驗(yàn)4溫度、濃度、同離子效應(yīng)對(duì)醋酸電離平衡的影響共發(fā)放14份問(wèn)卷，回收11份問(wèn)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(cè)評(píng)教師的實(shí)際經(jīng)歷，提供比其他方法更深刻的理解。對(duì)表1中的14個(gè)李克特式問(wèn)題采用賦分法，屬于定量評(píng)價(jià)；對(duì)開(kāi)放式問(wèn)題15、16、17進(jìn)行定性編碼，屬于半定量評(píng)價(jià)；對(duì)5個(gè)開(kāi)放式問(wèn)題進(jìn)行逐字逐句的整理屬于定性評(píng)價(jià)，由此構(gòu)成互證的三角。endprint

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

問(wèn)題15-17根據(jù)評(píng)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(duì)評(píng)價(jià)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(xiàng)進(jìn)行編碼，包括化學(xué)的理解、實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)問(wèn)卷中14個(gè)李克特問(wèn)題項(xiàng)的平均得分匯總表。其中，文獻(xiàn)均分是2006年澳大利ACELL項(xiàng)目測(cè)量的24個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的平均得分。表3為“中和熱的測(cè)定”開(kāi)放式問(wèn)題編碼統(tǒng)計(jì)表。

ASLE教師評(píng)價(jià)量表中的14個(gè)李克特問(wèn)題可以細(xì)分為總體價(jià)值、教學(xué)效果、實(shí)驗(yàn)管理、興趣4個(gè)方面，這4方面又與開(kāi)放式問(wèn)題的編碼、回答相對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步說(shuō)明教學(xué)上是否可行。以實(shí)驗(yàn)1中和熱的測(cè)定為例，從上述4方面對(duì)該實(shí)驗(yàn)的可行I生進(jìn)行分析。

1.總體項(xiàng)分析

第1項(xiàng)（該實(shí)驗(yàn)是可行、可操作的）、第14項(xiàng)（該實(shí)驗(yàn)是有價(jià)值的）是對(duì)實(shí)驗(yàn)的總體評(píng)價(jià)，分別得分1.46和1.35分；在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)項(xiàng)目的定性編碼中，教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)的積極評(píng)價(jià)數(shù)目為78條，占評(píng)價(jià)總數(shù)的60.9%；一些教師對(duì)中和熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)是這樣評(píng)價(jià)的：“運(yùn)用對(duì)溫度變化的連續(xù)測(cè)量，極有說(shuō)服力地將‘中和反應(yīng)放熱的事實(shí)體現(xiàn)出來(lái)，溫度變化的曲線與學(xué)生的預(yù)期相符合，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一種明顯的成功體驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)相比傳統(tǒng)方法更為客觀、準(zhǔn)確、說(shuō)服力強(qiáng)；新鮮、有趣、吸引人，體現(xiàn)了現(xiàn)代化?！薄巴ㄟ^(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)真實(shí)體會(huì)到中和反應(yīng)放熱；通過(guò)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(guò)程，培養(yǎng)科學(xué)探究的能力?！?/p>

從1和14項(xiàng)李克特問(wèn)題均分、定性編碼與教師具體回答這三個(gè)角度來(lái)看，教師普遍認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)在總體上是可行的、有價(jià)值的。

2.效果項(xiàng)分析

李克特問(wèn)題2、3、4、5是針對(duì)實(shí)驗(yàn)教育目標(biāo)設(shè)定的，主要反映了教師所認(rèn)為的該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況。問(wèn)題2關(guān)于理論與概念知識(shí)（平均得分1.12），問(wèn)題3關(guān)于科學(xué)實(shí)踐技能（平均得分1.62），問(wèn)題4關(guān)于思維技能（平均得分1.27分），問(wèn)題5關(guān)于通用技能（平均得分1.42分）。從這4項(xiàng)的平均得分不難看出，中和熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)所需要達(dá)到的教育目標(biāo)達(dá)成度高。其中科學(xué)實(shí)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(duì)開(kāi)放式提問(wèn)回答的定性編碼中。子項(xiàng)目“理論與概念知識(shí)”對(duì)應(yīng)的是問(wèn)題2（理論與概念知識(shí)技能項(xiàng)），相關(guān)評(píng)價(jià)數(shù)目為6；子項(xiàng)目“傳感器的使用”和“數(shù)據(jù)分析軟件的使用”對(duì)應(yīng)的是問(wèn)題3（科學(xué)技能與實(shí)踐技能項(xiàng)），共計(jì)37條評(píng)價(jià)；子項(xiàng)目思維能力對(duì)應(yīng)的是問(wèn)題4（思維能力項(xiàng)），有6條相關(guān)評(píng)論；項(xiàng)目“小組的作用”對(duì)應(yīng)的是問(wèn)題5（通用技能項(xiàng)），有3條評(píng)論。從各項(xiàng)的評(píng)論數(shù)目不難發(fā)現(xiàn)有關(guān)科學(xué)技能與實(shí)踐技能的評(píng)論數(shù)目是最多的，這表明該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)與實(shí)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(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)涉及以下幾點(diǎn)：“操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)和圖像清晰直觀”，而這些都是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，說(shuō)明在該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，給教師留下最深印象的是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)、直觀、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，而這些均屬于實(shí)踐技能范疇，因此教師認(rèn)為科學(xué)實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度最高。

3.管理項(xiàng)分析

李克特式問(wèn)題7、8、10、11、13是評(píng)價(jià)實(shí)踐活動(dòng)的組織情況的，即實(shí)驗(yàn)的管理項(xiàng)。在這些管理項(xiàng)中首先需要考慮的是項(xiàng)目13（時(shí)間是否適合，平均得分-0.08分。時(shí)間合適賦分為0分），說(shuō)明教師認(rèn)為在一節(jié)課中完成該實(shí)驗(yàn)時(shí)間上基本適合。而在定性“潛在改進(jìn)”項(xiàng)目中，56條關(guān)于實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的意見(jiàn)中只有1條意見(jiàn)是認(rèn)為時(shí)間不夠的，它是這樣寫(xiě)的：“該實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，一節(jié)課的時(shí)間可能比較緊張，可以簡(jiǎn)化步驟?！边@說(shuō)明，大部分教師認(rèn)為完成該實(shí)驗(yàn)所需要的時(shí)間應(yīng)該是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

教師對(duì)其他4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)管理的評(píng)價(jià)都是較高的，這說(shuō)明教師認(rèn)為在一堂課中組織數(shù)字化中和熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)具有可行性。

4.興趣項(xiàng)分析

李克特問(wèn)題6、9、12是關(guān)于實(shí)驗(yàn)的興趣性的。在這3個(gè)問(wèn)題中，問(wèn)題9的得分最高，這說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生主動(dòng)地、積極地參與學(xué)習(xí)。問(wèn)題12均分1.19分，說(shuō)明教師認(rèn)為數(shù)字化中和熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)者方面有非常重要的作用。

問(wèn)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(xiàng)的李克特問(wèn)題得分，但這與開(kāi)放式問(wèn)題的定性編碼反映的情況不一致。教師在開(kāi)放式問(wèn)題中關(guān)于實(shí)驗(yàn)有趣的部分的評(píng)價(jià)較多（57條）：直觀、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單、便于分析、先進(jìn)、現(xiàn)代化、是很好的科學(xué)體驗(yàn)、很吸引人。這說(shuō)明雖然相比于其他趣味性的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化中和熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)可能不那么有趣，這可能與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(cè)定實(shí)驗(yàn)，故不太感興趣，但對(duì)于學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)本身就是樂(lè)趣的所在。正如某位教師寫(xiě)道：“實(shí)驗(yàn)本身看來(lái)，雖沒(méi)有明顯吸引眼球的現(xiàn)象，但可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣?！?/p>

四、研究結(jié)論

本研究運(yùn)用ACELL系統(tǒng)的ASLE教師評(píng)價(jià)量表對(duì)4例數(shù)字化學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，從總體項(xiàng)、效果項(xiàng)、興趣項(xiàng)、管理項(xiàng)4方面評(píng)價(jià)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的可行性。通過(guò)與國(guó)際文獻(xiàn)值對(duì)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(shí)驗(yàn)達(dá)到了ACELL的各項(xiàng)可行性指標(biāo)：（1）這些實(shí)驗(yàn)具有可操作性，并且在化學(xué)學(xué)習(xí)中具有價(jià)值；（2）這些實(shí)驗(yàn)具有顯著的教學(xué)效果，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，基本上能夠達(dá)到預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)；（3）這些實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)單中實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)清晰、操作步驟明確、實(shí)驗(yàn)介紹充分、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)明確，能夠滿足學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)的要求；（4）在一節(jié)實(shí)驗(yàn)課中完成一例學(xué)生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的時(shí)間是合適的。

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

受筆者知識(shí)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(duì)實(shí)驗(yàn)的可行性評(píng)價(jià)是通過(guò)教師、學(xué)生、專(zhuān)家三者的測(cè)評(píng)實(shí)現(xiàn)的，而受到研究條件的限制，本研究只進(jìn)行了教師評(píng)價(jià)。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(tuán)隊(duì)已經(jīng)著手進(jìn)行這4例實(shí)驗(yàn)的學(xué)生測(cè)評(píng)研究，希望進(jìn)一步運(yùn)用ACELL系統(tǒng)將學(xué)生實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)引向深入。endprint