基于手持技术的酸性中和滴的认知研究

基于手持技术的酸性中和滴的认知研究

在一些发达国家，已经使用了30多年的手动技术。在科学研究活动中，不同功能和功能的传感器检测逐渐得到开发和应用。手持技术的应用不但为学生提供了更大的自主探究空间,更为学生创造了思考问题的时间和机会。手持技术已经逐渐成为科学教学,尤其是实验教学的有力工具,是现代化信息技术与课堂教学融合的典型之一。近几年来,我国在手持技术的实验开发与应用研究方面取得了丰硕的成果,使手持技术作为实验教学和实验研究的辅助手段的功能得到了很大程度的发挥,但是在手持技术的教学应用研究领域尤其是利用手持技术作为认知工具,将其与学科教育中的概念认知学习相结合的研究甚少,与国外存在一定的差距。大量文献显示[6,7,8,9,10,11,12,13,14],国外手持技术的研究已进入学生学习认知的层面,并且以实证研究来深入考察手持技术在学生概念认知以及相关能力发展方面所起的作用,已经具备相当成熟的研究方法,具有多种可供借鉴的研究模式。基于此,本文提出利用手持技术来探索其对我国高中生化学复杂概念学习的认知影响,从教学方法和研究方法两个层面初步形成了可供当前研究借鉴的模式,从而进一步促进手持技术在我国学科教学中的应用。一、研究设计(一)中和反应反应滴定系统本研究选取“酸碱中和滴定”相关概念作为教学研究的核心内容。“酸碱中和滴定”不仅是高中化学学习阶段一个典型的实验系统,也是一个重要的概念系统,涉及中和反应、酸碱中和滴定原理、滴定曲线、滴定突跃、酸碱指示剂、指示剂变色范围、化学等当点、化学计量点、滴定终点等概念。教学研究显示,由于酸碱中和滴定概念系统的复杂性和抽象性,借助传统实验手段往往难以让学生理解,故本研究以此概念的学习为研究重点,展开基于手持技术的酸碱中和滴定概念学习研究的新尝试。(二)两组学生概念学习认知过程比较结果,两组学生概念学习认知过程比较,两本研究分两个研究内容。研究1为“高中生化学概念学习的认知差异比较”,设立实验组和控制组,在课堂讲授、分组训练、实施实验的基础上,通过测验与访谈探查并分析学生概念学习的认知过程,讨论并比较两组学生在概念学习方面的认知差异;研究2为“手持技术对高中生化学概念学习认知的影响研究”,依据“POE模式”(预测—观察—解释)设计学生实验工作单,以具有一定手持技术操作基础的学生为被试,选取认知层次更高的实验为活动内容,通过对实验工作单、实验过程的观察与记录分析来进一步探讨手持技术对学生概念学习造成的影响。二、研究过程(一)高中生概念学习的差异1.化学学习策略本研究选取上海某普通中学24名高中二年级学生为被试,以三次有代表性的化学测验的平均分为依据,将学生的化学学习水平分为三类:学优生、学中生和学困生。实验组(记为A组)由12名学生组成,其中三种类型学生的人数比为1∶2∶1。控制组(记为B组)由12名学生组成,比例与实验组同。2.测验卷的编制及信效度为定量考察酸碱中和滴定相关概念学习的认知特点,本研究自行设计并编制了《酸碱中和滴定测验卷》。测验卷总分50分,主要题型有选择题、填空题、简答题和计算题。测验卷的编制参考了大量学生习题,同时充分考虑了高二学生的认识水平、知识结构及思维特点,按教学要求将酸碱中和滴定相关概念、操作方法、绘图能力、化学计算等多项内容进行了合理的分布。对测验卷的信度和效度进行了检验,效果良好。为更深入探查学生对概念的认知情况,弥补纸笔测验的研究缺陷,本研究设计了访谈问卷,对不同学习水平及不同性别的学生进行了抽样访谈,辅助考察被试对重点概念的理解及认知差异。3.教学对象本研究中,实验组、控制组各接受3个课时(共180分钟)的酸碱中和滴定教学。以下是实验组、控制组的教学内容与教学方式对应表(见表1)。第1课时,由教师采用相同的教学方法,分别对实验组、控制组进行酸碱中和滴定的基本概念和理论的讲授;第2课时,通过演示实验,在教师的指导下,实验组使用手持技术仪器进行中和滴定基本操作的练习,控制组使用传统实验仪器进行中和滴定基本操作的练习;第3课时,实验组使用手持技术仪器进行学生实验并完成实验小结,控制组学生使用传统实验仪器进行学生实验并完成实验小结。教学结束后,对学生施测并访谈。4.不同学习水平的学生测评得分情况本研究采用SPSS16.0对测试分数进行统计。由数据分析可知,实验组学生测验的平均得分为36.75分,且男女生得分差异较小,女生略高于男生,不同学习水平的学生得分差异较大;控制组的平均得分为29.50分,明显低于实验组平均得分,具体见表2。(1)两组生活质量、评分由图1可知,实验组平均分明显高于控制组,且实验组最低分和最高分也相应的高于控制组。实验组最高分比控制组最高分多出2分,差异并不明显。实验组最低分则比控制组最低分多出6分,差异较大。可见,手持技术的使用对学习水平中等或中等偏下学生的概念学习产生了较大的影响,而对学习水平中上的学生则影响较小。(2)各提出率的平均成绩、最低分之差由表2和图2可知,无论是男生还是女生成绩,实验组均高于控制组。在实验组和控制组中,女生的平均成绩均高于男生的平均成绩。实验组、控制组女生的平均成绩之差,大于实验组、控制组男生的平均成绩之差;实验组、控制组女生的最低分之差,大于实验组、控制组男生的最低分之差;实验组、控制组男生的最高分之差,小于实验组、控制组男生的最高分之差。也就是说,研究表明,手持技术对于女生概念学习的影响较男生更为明显,尤其是对女性学困生、学中生的影响较为显著,对于女性学优生的影响较小;就男生而言,手持技术对学优生、学中生、学困生的影响较为平均,缩小了实验组男、女生最高分之间的差距,这也证实了上述手持技术对学中生、学困生影响更为显著的观点。(3)不同大小学生成绩的比较对实验组和控制组三类学生(学优生、学中生、学困生)成绩进行描述性统计(见上页表2),可以看出两组三类学生之间的明显差异。由图3也可知,实验组三类学生最低分、最高分、平均分皆高于控制组学生,其中实验组学优生的成绩虽然整体上高于控制组学优生,但差别并不明显,同时各组学优生之间的标准差相同,相对学中生、学困生的平均成绩而言更加接近。即手持技术的使用对学中生、学困生概念学习的影响更为明显,而使用传统仪器进行实验学习的控制组学生,在概念的认知水平上不及使用手持技术学习的实验组学生。5.能更准确地理解指示剂选择时的整体关系访谈进一步发现,对于概念的理解和表述,实验组学生表达更为清晰、具体和准确。如实验组比控制组学生能更好地理解指示剂选择时,变色范围、突跃范围等概念之间的内在关联;控制组学生往往容易对滴定终点和化学等当点两个概念产生混淆等。(二)概念学习的认知情况本研究在比较手持技术和传统实验手段对学生概念学习认知差异的基础上,进一步分析学生使用手持技术时概念学习的认知情况。本研究选取实验组为独立样本,使用POE模式实验工作单,运用课堂实验观察、视音频记录、学生计算机数据分析、手写笔记、课后访谈等方法,从更为微观的层面上分析学生的概念学习认知特点,探查手持技术对实验组学生概念学习认知的影响。1.e模式的数据学习首先,在教师的指导下学生完成1节×60分钟的手持技术实验操作练习,同时熟悉POE模式以及根据该模式设计的学生实验工作单。然后,让学生先后完成2节×60分钟基于手持技术的拓展性实验活动,教师进行实验辅助指导。期间,采用摄像机和录音机等记录设备对2组学生进行重点录像和录音。每个活动结束后,教师对所选择的小组进行访谈并记录。2.探究碱滴定醋酸学生实验活动包括2个主题:“食用白醋中总酸含量的测定”和“纯碱溶液物质的量浓度的测定”。需要注意的是,研究2中的实验活动1是用氢氧化钠滴定醋酸,实验活动2是盐酸滴定碳酸钠,实验活动1与实验活动2都是研究1中“盐酸滴定氢氧化钠”实验的延伸与拓展。其中,实验活动1考查氢氧化钠滴定稀醋酸,让学生使用手持技术中的pH传感器和光电门传感器,测定并计算某品牌白醋的总酸含量。实验活动2“纯碱溶液物质的量浓度的测定”,则是在实验活动1基础上的进一步拓展,该实验滴定过程中会出现双突跃,因此具有一定的认知难度。3.结果和考察本研究对基于POE模式设计的学生实验工作单进行了详细的分析,并且通过重点视频和全程音频记录的方式对学生实验活动进行了考察,具体分析结果如下。(1)实验2:碱中和反应类型的相互作用本研究所用的主要研究材料是依据POE模式设计的学生实验工作单,该实验单由“实验活动内容”“注意事项”“任务一:实验方案设计”“任务二:预测、观察和比较”“任务三:分析与计算”五部分组成。对实验工作单中的记录分析发现,学生对标准液、待测液的选择和判断存在较少的认知偏差,大多数学生能够准确判断。而部分学中生与学困生不能用离子方程式准确说明酸碱中和滴定的实验原理,从类似的表达中,也可以发现这些学生对实验1、实验2所涉及的实验原理未能透彻理解,对酸碱中和反应的理解仅仅停留在H+离子与OH-离子的相互作用,未能对酸碱中和反应类型加以区分。如在纯碱溶液物质的量浓度的测定实验中,学生对Na2CO3溶于水先发生水解,溶液显碱性再与酸进行中和生成相应的盐并放出二氧化碳的原理存在认知偏差,在后续的图像预测中,就反映了这些问题。三类学生在作实验预测时,都知道建立坐标轴来绘制滴定曲线,认识到随着标准液NaOH的不断滴入,混合溶液的pH会随之增大,同时还都绘制出滴定突跃,并根据强碱滴定弱酸的中和反应类型,相应地标出化学等当点。但是,不同类别学生绘制的化学等当点的位置、滴定突跃范围的大小以及滴定曲线的走向等方面尚存差异。其次,三类学生在做观察记录时,均在认真观察的基础上对预测图像中存在的不足加以修正,例如化学等当点位置的标注、化学等当点对应的标准液消耗的体积、滴定曲线起始阶段的状态。可知,学生对相关概念的理解与认识也随实验的进行发生了改变。各类学生在“纯碱溶液物质的量浓度的测定”预测记录与观察记录之间存在差别。学中生与学困生并未形成盐酸滴定Na2CO3的反应原理的正确认识,因此,学优生能够准确地判断出双突跃现象,而学中生仅仅按照定向思维画出一个滴定突跃,学困生则根本没有意识到将有滴定突跃的产生。然而,观察记录显示不同类别学生在实验过程中均认真观察并记录了实验现象,绘制出了较为精确的滴定曲线图像。(2)学中常生与学困生的实验差异研究发现,手持技术的图像展示功能、处理数据功能、数据保存功能对概念的认知发展起到支持与促进作用。虽然在研究1的教学中,学生已经学习了酸碱中和滴定的相关理论知识,可是在学生实验前的对话与讨论中却发现,学生对有些概念的理解仍然相当模糊,即使是学优生也无法准确地进行概念界定与实验预测。随着实验的进行,数据以图像的形式不断输出,学生对于概念的理解才更进一步。尤其是以小组合作的教学形式,通过讨论、对话、观察、反思、对图像进行求导等活动,准确地获取了相关概念的信息。同时,从音频、视频记录中不难发现,学优生在小组活动中起着主动作用,学优生的语言、操作、表情等直接或间接地影响着其他学生的概念认知变化。另外,手持技术与传统实验工具一样,在操作不当等人为因素或其他外界因素干扰的情况下会出现实验失败,分析学生“盐酸滴定碳酸钠”实验失败时的对话片段可知,学优生对实验过程的分析与判断并没有受到实验图像的影响,对酸碱滴定反应类型、滴定突跃、水解过程有清晰的认识。而学中生与学困生则对图像的不规则性十分敏感,影响了他们对滴定原理的分析与判断。值得注意的是,学生们对实验失败的图像持有客观的认识,希望通过新一次的操作来完成对实验的理解,并积极保持现有的实验数据。综上所述,学生实验前后的概念认知发生着积极的转变,尤其是手持技术的图像生成功能,为学生的理解提供了直观、动态、数据准确等方面的技术支持,加速了这种认知转变的过程。然而,这种转变在不同类型学生身上表现不同,手持技术的辅助作用对学优生的影响较弱,对学中生、学困生的影响相对较强。而学优生借助手持技术在深入分析与思考、准确判断图像的特点,在提出问题的过程中,表现出来的惊讶与好奇程度更为明显;在实验操作过程中表现得更为主动,操作的条理性更强。而学中生与学困生在解释实验预测与结论的因果关系上表现得较为平淡,甚至部分学困生无法对观察进行解释或者整个实验过程没有特别的活动,需要借助教师或其他同学的指导才能明白实验操作与图像的生成原理。需要指出的是,手持技术操作是影响学困生认真观察、准确记录、深入分析的重要因素,学困生以及部分学中生同时表示,手持技术的操作过程繁琐、操作程序复杂,有时候为了测定一个数据需重复操作,降低了他们活动的积极性,从而寄希望于从他人的操作与表达中直接获得对概念的理解与认识。三、缺乏相关的人才培养手持技术作为一种现代化定量分析实验工具,目前在国内化学教学中的应用尚未得以未普及,只是在某些发达地区、经济条件较好的学校有少许的应用。因此,无论是手持技术相关教学方法理论研究、教材的开发,还是师资的培训以及研发技术的更新等均与国外存在一定差距。虽然本研究使用的手持技术仪器及其软件系统中传感器种类与性能均已达到国内领先水平,但在教学实验的过程中,还是存在不少因仪器的灵敏度、软件的运行障碍引发的问题,这均需要手持技术研发工作的进一步改进。同时国内缺乏手持技术师资培训的相关资源,尤其是兼具手持技术与教学实验开发及研究能力的人才匮乏,造成手持技术教学推广进度缓慢。由于手持技术实验设备及其相关仪器操作与使用给动手能力相对较弱的学生造成了一定的障碍,在本研究中此类学生花了更多的时间用于手持技术的使用和训练,而且该类学生在实验过程中表现出的积极性和兴趣程度不及动手能力强的学生,所以手持技术的操作能力也进一步影响到学生对实验的兴趣和态度,进而影响到他们对于概念的学习。此外,由于实验条件的限制,本研究采用小样本的实证研究也进一步影响了实验数据的精确度,因此,本论文采用多种方法对数据进行综合采集,以加强研究的有效性。四、关于研究的期待和澄清(一)动手技术促进化学教育本研究是基于手持技术的高中生化学概念学习认知研究,主要探讨学生利用手持技术学习化学概念的特点与规律。本研究以“酸碱中和滴定”教学为例,主要集中研究了与“酸碱中和滴定”相关的概念体系。而这些概念仅仅是高中生化学概念学习的一个代表、一个部分,在高中化学概念范围内,还有大量的值得用手持技术去探讨的概念与原理,同时由于手持技术拥有多种传感器探头和相应的分析与计算功能,可以满足概念学习认知研究的需要。因此,在后续的研究中可以陆续选择其他概念并设计相应的实验活动,最终形成对高中阶段化学概念体系的研究总结,揭示基于手持技术的高中生化学概念认知的普遍规律,为化