运用ACELL系统研究化学数字化学生分组实验的可行性

运用ACELL系统研究化学数字化学生分组实验的可行性

韦存容1，2 马宏佳1

（1南京师范大学教师教育学院 江苏 南京 210097；2无锡市堰桥高级中学 江苏 无锡 214174）

摘要：为研究化学数字化实验作为学生分组实验的可行性，运用澳大利亚的ACELL系统，请26名在职教育硕士实做4例中学化学数字化实验，并完成ASLE教师评价量表，从总体项、效果项、兴趣项、管理项4方面评价数字化实验作为学生分组实验的可行性，并将所得数据与国际文献值相对照。通过三角互证法等分析发现，所研究的4例数字化实验达到了ACELL的各项可行性指标。本研究肯定了若干数字化学生分组实验的可行性，也为半定量研究中学化学实验提供了方法论借鉴。

关键词：化学；数字化实验；学生实验；可行性

一、问题的提出

本研究中，“数字化实验”是指利用传感器、数据采集器和计算机（含配套软件）进行的实验［1］。“学生分组实验”是指全班学生在实验室里经过教师指导而进行的分组实验［2］。“可行性”是指实验在真实的学生实验室实验教学情境中的可行性［3］。

学生实验是化学课程教学中不可缺少的部分，但是，有研究表明不恰当的实验活动、糟糕的实验设计、不充足的资源等会影响学生的深度学习。此外，如果学生实验过于简单，也不能帮助学生进行有意义的学习。如果实验过于困难，则会造成学生的认知负荷超载［4］。因此，学生实验推广之前需要进行科学的评估。

化学数字化实验作为信息技术与化学实验的整合，目前已越来越多地引起了基础化学教育研究者的关注［5］。人们在利用数字化实验开展研究性学习、设计演示实验、辨析学科问题、开设校本课程等方面做了大量研究，相对而言，利用数字化实验开展全班性的学生分组实验的研究尚很少。另外，如何有效地测量实验是否适合作为学生分组实验的研究在国内几乎是空白，而澳大利亚等国创立的ACELL（Advancing Chemistry by Enhancing Learning in the Laboratory）系统则已对此进行了数十年的研究，并形成了相对系统的分析方法和评价标准。因此，本研究选择4例中学化学数字化实验，应用ACELL系统进行分析。

二、研究思路与方法

1.研究思路

为研究中学化学数字化实验作为学生分组实验的可行性，本研究先选择4例数字化实验，并按照ACELL系统的设计要求进行实验设计，采用ACELL评价方法，通过26位在职教育硕士对4例数字化实验的实做和问卷调查，用三角互证法对调查结果进行定量、半定量、定性分析，得出所测4例中学化学数字化实验是否适合作为学生实验的结论。

2.研究工具

在本研究中，教师对单个实验可行性的评价是通过ACELL系统中的Workshop ASLE（Workshop ACELL Student Learning Experience Survey）教师评价量表来获得的。ACELL是由澳大利亚悉尼大学和科廷大学开发（2000年）的、评估和测试高校本科化学实验是否适合学生的系统，目前该系统已逐步向科学实验（ASELL）发展［6］。据统计，在2010年到2011年期间有超过15000名学生参与到ASELL项目的学生实验评价中；有超过100个已经经过ASELL测试的学生实验室实验发布在ASELL网站上［7］。ACELL评价系统针对不同的测评人员开发出5种不同的量表，包括ASLE学生评价量表、Workshop ASLE教师评价量表、Staff Survey专家评价量表、ALPE实验室评价量表、Workshop Evaluation量表［8］。由于受到研究条件的限制，本研究只使用Workshop ASLE教师评价量表，它用来测量教师完成实验后对单个实验的评价。ASLE教师评价量表包含14个李克特问题和5个开放式提问（见表1）。李克特问题在相应选项下打钩，开放式问题用文字作答。

表1 ASLE教师评价量表

序号非常同意 同意 中立 不同意 非常不同意1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 13 14 15 16 17 18 19项目该实验是可行、可操作的我认为完成该实验将会有效地提高学生的理论和概念知识我认为完成该实验将会有效地帮助学生提高科学技能和实践技能我认为完成该实验将有效地帮助学生发展思维能力（如批判性思维、问题解决、自我管理能力）我认为完成该实验将有效地帮助学生发展通用技能（如交流、领导、合作能力）我认为学生将会认为该实验是有趣的我认为实验设计、指导教师的引导以及其他资源，将会在学生学习时提供有效的帮助我认为该实验有明确的评价标准我认为该实验要求学生积极地参与我认为该实验所需要的知识和技能已经准确地描述出来我认为在实验介绍中已经提供了足够的资料、合适的标准我认为该实验为学生提供了为自己学习负责的机会学生完成实验的时间是总之，作为一个学习经验，我认为这个实验你认为该实验的优点有哪些？你认为该实验的缺点有哪些？你觉得你从该实验中学到了什么？你觉得该实验还有哪些方面需要改进的？你对该实验还有哪些建议？（15-19题为开放性问题，以文字作答）

使用ACELL系统需要按照一定的教育模板进行实验设计，其中最为重要的是实验教育目标分析，它既是实验设计的依据，也是实验评价的依据。它将实验教学目标分成四个方面，包括理论与概念知识、科学实践技能、思维技能和通用技能。通过比较ACELL的四维实验教学目标与国内的实验三维目标，发现两者所包含的内容基本相同。本研究使用ACELL实验教学目标的分类，ACELL的实验目标分类是与ASLE教师评价量表相统一的。

3.研究对象

本研究测定4例化学数字化实验作为学生分组实验的可行性。包括实验1中和热的测定，实验2浓度、催化剂对过氧化氢分解速率的影响，实验3实验测定酸碱反应pH变化曲线，实验4温度、浓度、同离子效应对醋酸电离平衡的影响。这4例实验是已发表的数字化实验中出现频次较高的、较为成熟的数字化实验，且与教材中的学生实验相一致。

4.研究程序

对4例学生数字化实验进行测评的是南京师范大学2013、2014级在职教育硕士共26名，其中大多数教师在此之前没有接触过数字化实验。测评过程分为3部分。首先，指导教师对实验的内容、传感器的使用方法、教学目标等进行讲解；接着，参与测评的教师2人一组完成实验，并回答实验单中的问题；最后，测评教师完成评价问卷。

此次测评分为两天完成，实验1中和热的测定实验共发放26份问卷，回收26份问卷；实验2浓度、催化剂对过氧化氢分解速率的影响共发放26份问卷，回收26份问卷；由于课时安排比较紧张，实验3、实验4是分别让一半的测评教师完成的，实验3实验测定酸碱反应pH变化曲线共发放12份问卷，回收12份问卷；实验4温度、浓度、同离子效应对醋酸电离平衡的影响共发放14份问卷，回收11份问卷。

5.数据采集与分析

本研究的数据处理采用ACELL系统的处理办法，即三角互证法。三角互证法更好地反映出测评教师的实际经历，提供比其他方法更深刻的理解［9］。对表1中的14个李克特式问题采用赋分法，属于定量评价；对开放式问题15、16、17进行定性编码，属于半定量评价；对5个开放式问题进行逐字逐句的整理属于定性评价，由此构成互证的三角。

14个李克特问题采用赋分法进行数据处理。对于问题1-12，用从+2到-2（非常同意到非常不同意）进行赋分；问题13是关于时间的可行性问题，得分也从+2到-2分（剩余很多到时间不够），0分（正好）作为中间值和最佳答案。问题14是对整体的学习经验的看法，也被同样地划分为+2到-2（非常有价值到毫无价值），0（一般）作为中间分数，+2作为最佳的回应。

问题15-17根据评论的内容以及内容所表示的积极的、消极的、中立的态度对评价进行定性编码。编码采用Buntine［10］（2011）框架，将15-17题的回答根据内容分6项进行编码，包括化学的理解、实验室经验、实验有趣的部分、潜在的作用、小组的改进、其他。

三、研究结果与分析

表2为4例数字化实验的评价问卷中14个李克特问题项的平均得分汇总表。其中，文献均分是2006年澳大利亚ACELL项目测量的24个化学实验的平均得分［9］。表3为“中和热的测定”开放式问题编码统计表。

表2 李克特问题平均得分表

序号1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 13 14项目内容该实验是可行、可操作的我认为完成该实验将会有效地提高学生的理论和概念知识我认为完成该实验将会有效地帮助学生提高科学技能和实践技能我认为完成该实验将有效地帮助学生发展思维能力（如批判性思维、问题解决、自我管理能力）我认为完成该实验将有效地帮助学生发展通用技能（如交流、领导、合作能力）我认为学生将会认为该实验是有趣的我认为实验设计、指导教师的引导以及其他资源，将会在学生学习时提供有效的帮助我认为该实验有明确的评价标准我认为该实验要求学生积极地参与我认为该实验所需要的知识和技能已经准确地描述出来我认为在实验介绍中已经提供了足够的资料、合适的标准我认为该实验为学生提供了为自己学习负责的机会学生完成实验的时间是总之，作为一个学习经验，我认为这个实验实验1平均分1.46 1.12 1.62 1.27 1.42 0.85 1.58 1.08 1.65 1.69 1.00 1.19-0.08 1.35实验2平均分1.54 1.38 1.50 1.23 1.35 1.35 1.54 1.08 1.69 1.23 0.92 1.31-0.31 1.35实验3平均分1.58 1.25 1.67 1.17 1.33 0.75 1.50 1.17 1.58 1.25 1.25 1.33-0.08 1.25实验4平均分1.18 0.91 1.09 1.09 1.18 1.00 1.09 0.73 1.18 1.09 1.00 1.00-0.18 1.18文献均分1.41 1.20 1.19 1.11 0.93 1.06 1.07 0.42 1.10 1.03 1.06 1.13 0.13 0.65

ASLE教师评价量表中的14个李克特问题可以细分为总体价值、教学效果、实验管理、兴趣4个方面，这4方面又与开放式问题的编码、回答相对应，进一步说明教学上是否可行。以实验1中和热的测定为例，从上述4方面对该实验的可行性进行分析。

1.总体项分析

第1项（该实验是可行、可操作的）、第14项（该实验是有价值的）是对实验的总体评价，分别得分1.46和1.35分；在实验室经验项目的定性编码中，教师对该实验的积极评价数目为78条，占评价总数的60.9%；一些教师对中和热测定实验是这样评价的：“运用对温度变化的连续测量，极有说服力地将‘中和反应放热’的事实体现出来，温度变化的曲线与学生的预期相符合，对学生来说是一种明显的成功体验；实验相比传统方法更为客观、准确、说服力强；新鲜、有趣、吸引人，体现了现代化。”“通过数字化实验真实体会到中和反应放热；通过精密的温度传感器变化感受到化学的严谨性；让学生感受像科学家科学探究的过程，培养科学探究的能力。”

从1和14项李克特问题均分、定性编码与教师具体回答这三个角度来看，教师普遍认为该实验在总体上是可行的、有价值的。

2.效果项分析

李克特问题2、3、4、5是针对实验教育目标设定的，主要反映了教师所认为的该实验设计中教学目标的达成情况。问题2关于理论与概念知识（平均得分1.12），问题3关于科学实践技能（平均得分1.62），问题4关于思维技能（平均得分1.27分），问题5关于通用技能（平均得分1.42分）。从这4项的平均得分不难看出，中和热测定实验所需要达到的教育目标达成度高。其中科学实践技能教育目标达成情况最好。

表3 “中和热的测定”开放式问题编码统计表

项目总评价数化学的理解12实验室经验128实验有趣的部分57潜在的改进56小组的作用3子项目理论与概念知识（6）思维能力（6）积极评价（78）消极评价（50）直观（13）数据简单、便于分析（7）现代化、先进（2）真实、客观（5）操作简便、易完成、有可操作性（15）精确（11）体会科学探究过程、很好的科学体验（3）新鲜、吸引人（1）装置、实验用品（38）实验设计、实验步骤（16）评价标准（0）知识与技能描述是否准确（1）资料、帮助是否足够（0）时间（1）价值（0）其他评论39传感器的使用（27）数据分析软件的使用（10）做研究的方法与态度（1）实验设计与评价应有的环节（1）

同样的结论也体现在对开放式提问回答的定性编码中。子项目“理论与概念知识”对应的是问题2（理论与概念知识技能项），相关评价数目为6；子项目“传感器的使用”和“数据分析软件的使用”对应的是问题3（科学技能与实践技能项），共计37条评价；子项目思维能力对应的是问题4（思维能力项），有6条相关评论；项目“小组的作用”对应的是问题5（通用技能项），有3条评论。从各项的评论数目不难发现有关科学技能与实践技能的评论数目是最多的，这表明该实验的科学与实践技能教学目标达成程度最好。大多数教师在谈及实验的优点时，经常会涉及以下几点：“操作简便、数据和图像清晰直观”，而这些都是数字化实验的特点，说明在该实验过程中，给教师留下最深印象的是数字化实验的实时、直观、准确的特点，而这些均属于实践技能范畴，因此教师认为科学实践教学目标达成度最高。

3.管理项分析

李克特式问题7、8、10、11、13是评价实践活动的组织情况的，即实验的管理项。在这些管理项中首先需要考虑的是项目13（时间是否适合，平均得分-0.08分。时间合适赋分为0分），说明教师认为在一节课中完成该实验时间上基本适合。而在定性“潜在改进”项目中，56条关于实验改进的意见中只有1条意见是认为时间不够的，它是这样写的：“该实验作为学生实验，一节课的时间可能比较紧张，可以简化步骤。”这说明，大部分教师认为完成该实验所需要的时间应该是恰当的。

教师对其他4项实验管理的评价都是较高的，这说明教师认为在一堂课中组织数字化中和热测定实验具有可行性。

4.兴趣项分析

李克特问题6、9、12是关于实验的兴趣性的。在这3个问题中，问题9的得分最高，这说明该实验需要学生主动地、积极地参与学习。问题12均分1.19分，说明教师认为数字化中和热测定实验在培养自主学习者方面有非常重要的作用。

问题12的得分不高（均分0.85），小于文献均分1.06分，也远小于前12项的李克特问题得分，但这与开放式问题的定性编码反映的情况不一致。教师在开放式问题中关于实验有趣的部分的评价较多（57条）：直观、数据简单、便于分析、先进、现代化、是很好的科学体验、很吸引人。这说明虽然相比于其他趣味性的化学实验，数字化中和热测定实验可能不那么有趣，这可能与数字化实验着重培养学生的理性思维有关。此外教师由于比较熟悉中和热的测定实验，故不太感兴趣，但对于学生而言，实验本身就是乐趣的所在。正如某位教师写道：“实验本身看来，虽没有明显吸引眼球的现象，但可以调动学生学习化学的兴趣。”

四、研究结论

本研究运用ACELL系统的ASLE教师评价量表对4例数字化学生分组实验进行评价研究，从总体项、效果项、兴趣项、管理项4方面评价数字化实验作为学生分组实验的可行性。通过与国际文献值对比和三角互证法等分析发现，所研究的4例数字化实验达到了ACELL的各项可行性指标：（1）这些实验具有可操作性，并且在化学学习中具有价值；（2）这些实验具有显著的教学效果，学生完成实验后，基本上能够达到预定的教学目标；（3）这些实验的实验单中实验目标清晰、操作步骤明确、实验介绍充分、评价标准明确，能够满足学生做实验时的要求；（4）在一节实验课中完成一例学生数字化实验的时间是合适的。

本研究肯定了这4例数字化学生分组实验的可行性，也为定量和半定量研究中学化学实验提供了方法论借鉴。

受笔者知识的局限和研究条件等的限制，本研究中还存在一些不足。比如ACELL系统对实验的可行性评价是通过教师、学生、专家三者的测评实现的，而受到研究条件的限制，本研究只进行了教师评价。尽管如此，我们还是得出了不少有意义的结果。目前，本研究团队已经着手进行这4例实验的学生测评研究，希望进一步运用ACELL系统将学生实验测评引向深入。

参考文献

［1］ 魏巍.数字化实验室与中学化学实验［J］.化学教育，2006(11)：50-53

［2］ 刘知新主编.化学教学论［M］.北京：高等教育出版社，2009：207

［3］ 韦存容.中学化学学生数字化实验的可行性研究［D］.南京：南京师范大学硕士学位论文，2016

［4］ Mark A.Buntine，Justin R.Read，et al.Advancing Chemistry by Enhancing Learning in the Laboratory(ACELL)：A Model for Providing Professional and Per⁃sonal Development and Facilitating Improved Student Laboratory Learning Outcomes.Chemistry Education Research and Practice，2007，8(2)：232-254

［5］ 张倩，方舟，钱扬义，李玉莹.手持技术在国内化学教学中的应用研究进展［J］.化学教育,2011(10)：5-8

［6］ Samuel J.Priest，Simon M.Pyke，Natalie M.Williamson.Student Perceptions of Chemistry Experiments with Dif⁃ferent Technological Interfaces：A Comparative Study.Journal of Chemical Education，2014，91：1787-1795

［7］ http：//www.asell.org/

［8］ Scott H.Kable，Mark A.Buntine，et al.Advancing Science by Enhancing Learning in the Laboratory(ASELL)Final Re⁃port 2012，Australian Learning and Teaching Council：Sydney，Australia，2012

［9］ Justin R.Read，Mark A.Buntine.The ACELL project：Student participation,professional development,and im⁃proving laboratory learning.UniServe Science Assess⁃ment Symposium Proceedings，2006：113-119

［10］ Michael G.Crisp，Scott H.Kable，et al.A disconnect be⁃tween staff and student perceptions of learning：an ACELL educational analysis of the first year undergrad⁃uate chemistry experiment‘investigating sugar using a home made polarimeter.Chemistry Education Research and Practice，2011，11：469-477

文章编号：1008-0546（2017）11-0002-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.11.001