創新融入化學教育— 參與上海化學教學與經驗交流之感想 / 汪 青、陳 寅、吳 敏

星期六 , 25, 四月 2015 Leave a comment

創新融入化學教育
參與上海化學教學與經驗交流之感想

  1、陳  2、吳  3, *

1, 3華東師範大學化學系
2上海市北郊高級中學
*mwu@chem.ecnu.edu.cn

n  前言

很高興去年(2014年)能與來自臺灣師範大學邱美虹教授以及臺灣高中化學學科中心的種子老師一行20人一起參與化學教學與經驗交流相關教學之分享活動。活動中令我們留下最為深刻的印象的是臺灣同行所展現的「創新性」,尤其是擴增實境在化學教學上的開發與應用。

在此分享筆者體認到來自臺灣團隊幾點的創新精神與想法,包括:化學教育理論與研究以及擴增實境工具對於化學教與學的影響,並嘗試通過文獻的梳理找出臺灣科學教育團隊創新的脈絡以供參考。

n  文獻探討與感想

一、創新之化學教育理論研究

這次活動中,邱美虹教授在上海師範大學進行題為《科學教育中模型與建模的理論與實踐》的報告,其中有關科學教育中模型的介紹非常深入。筆者認為我們不僅僅需要接受和學習邱教授在建模領域研究的結論,更重要的是學習邱教授在該領域研究所體現的創新精神。

這種創新在邱教授研究中隨處可見,限於篇幅,筆者單就拿至今還熟記於心的一段「化學學習表徵的演進」詳細說明。在報告中,邱教授系統地闡述了模型與化學學習的關聯,並梳理了化學學習徵的演進歷程。邱教授指出,在化學學習徵的演進歷程中,多位學者嘗試從巨觀macro-、符號symbolic、次微觀(submicro-)、中觀meso-、人的因素(human element)以及語言(language)等面向及其之間的關係做出解釋。其中Johnstone認為化學學習應該著重巨觀、表徵(representational)以及次微觀(註1:大陸學者常常稱為宏觀、微觀、符號三種面向之間關係的連結(邱美虹和鐘建坪,2014);Mahaffy認為化學教學需要從學生的生活情境與文化背景中去説明學生尋找學習化學的意涵,並且經由真實生活的經驗發掘化學知識中巨觀、符號以及分子層級(取代次微觀)間的關係,而唯有找出化學學習對於不同個體的學習價值,才能讓學生透過其餘面向進行有效的學習(邱美虹、鐘建坪,2014)。邱教授能夠基於前人的研究,認為化學學習除了巨觀、符號、次微觀以及人的因素之外,還需要考量不同文化特質的語言特徵對於學習化學的正反面影響。除此之外,邱教授認為次微觀的觀點宜以中觀(meso-)來說明教學或學習時所使用的表徵方式,它是介於巨觀與符號之間的表徵關係(Chiu, 2012)。因而邱教授提出金字塔型的解釋架構,而圖1說明模型的發展歷程。這種基於他人研究而逐步向前的創新精神值得我們認真學習。

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1:化學學習特徵的演進(引自邱美虹、鐘建坪,2014

二、擴增實境在化學教學上的開發與應用

擴增實境(Augmented reality,簡稱AR)輔助科學概念的學習已經在特定學科中使用,包括:數學、物理、生物、化學以及地球科學,並且在動機、態度以及學業成就表現上獲得顯著的成果(邱美虹、唐尉天,2014)。本次在參訪上海市金山中學時(見圖2),臺灣高中化學學科中心的陳怡宏老師和廖旭茂老師就「行動科技融入科學課程」的開發與實踐展示了他們的研究成果。筆者從中得知,臺灣的科技部「高瞻計畫」團隊和臺北市立萬芳高中的自然科教師已經研發多項擴增實境教具。筆者在此前並不瞭解擴增實境,因此在中國知網以主題詞「擴增實境」進行搜索,獲得相關文章共24篇;其中與教育相關1篇;與化學教育相關0篇。相較於大陸,臺灣這方面的相關研究比較深入,已經開發出化學教學中實用的AR案例,例如原子模型與分子結構、分子軌道、元素化合物、有機分子模型等。

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2:邱美虹教授團隊對擴增實境研究的成果展示

顯然,作為學習工具之一的擴增實境,在研發和使用上大陸與臺灣存在差距。因此,筆者查閱了相關文獻,希望對臺灣擴增實境的領先研發和使用作出解釋,借此大陸可以從中吸取經驗。因為在筆者看來,創新需要深厚的底蘊和積累,並不會憑空產生。通過對文獻的梳理,筆者大致梳理出其發展線索。

(一)早期的基礎性研究

20世紀90年代初期,臺灣化學教育領域開展了少數涉及到的化學學習、分子模型和空間能力相互關係之實證研究。在1993年,邱美虹和傅化文(1993)探討了分子模型在學生解決立體化學問題時所起的作用,以及學生解決問題時相應的心智模式和解題策略。通過分析研究結果,邱美虹等由此指出分子模型對低成就的學生有較大的幫助,教師應該鼓勵學生使用分子模型。隨後邱美虹和廖焜熙(1996)先後深入研究學生的三維視覺化技能和各種因素與有機立體化學的學業成就之關係,提出使用分子模型進行化學教學的必要性。

直至20世紀90年代末期,這種實證研究逐漸增多。臺灣多位研究者製作模擬分子結構及其運動特點的多媒體物件,同時亦報告多媒體物件對分子概念、粒子概念、蒸發等相變化過程的學習具備明顯的學習成效。例如,呂益准(2005)發現自行製作的雜化軌道(即混成軌域)多媒體教材「歐比托」,不僅能夠改善學生的迷思概念,而且能夠提高學生的符號表徵轉換能力和空間能力。

臺灣大學化學系金必耀教授、靜宜大學應用化學系翁榮源教授分別建設了「3D分子資料庫」、「分子資料庫」。洪晉穎(2002)針對大學普通化學實驗課程和高中化學課程部分單元,使用Chime外掛程式和Spartan View軟體製作了分子視覺化網路輔助教材和分子庫光碟,供教師課堂教學和學生課後自學使用。王建今(2002)製作了基於Chime外掛程式、適合高二學生使用的有機分子結構學習網站。這些實證研究為擴增實境技術融入化學教育奠定了理論和實踐的基礎。

(二)機遇的到來

隨著擴增實境技術的發展,已經應用在不同領域並取得了一些成果。根據Info Trends2013年所做的媒體趨勢研究,41.5%的用戶在近幾年裡對擴增實境技術的應用是以往的25倍。擴增實境技術可以有效實現現實與虛擬的結合,實現三維、即時互動。這些特點恰好可以滿足為學生學習化學時呈現模型或3D立體結構的需求。俗語說「機會是留給有準備的人的」,正是由於前期的準備,當擴增實境的工具出現時,臺灣的研究者將其能夠快速應用到教學領域,並開發了一系列擴增實境教具著手關注化學教學中模型或3D立體結構對於教學的價值,並對此做了實證研究。當然,擴增實境技術的複雜程度遠不止是以3D圖像來表達的現實那麼簡單,該技術涵蓋面非常廣,包括硬體、軟體以及應用服務等,而這些都值得我們持續關注。

由此可見,臺灣在化學教育上的創新離不開臺灣教育界同仁多年來孜孜不倦的追尋和付出。而臺灣在此過程中的經驗都值得我們學習。

n  結語與建議

臺灣學者對教育理論研究的突破、擴增實境率先在化學教學上的開發與應用,這些經驗都值得我們借鑒。由此啟發,筆者對當前化學教學改革和研究有了以下一些思考:

(一)  化學教育研究者敢於突破、開展廣泛以及更加深入的研究

近期,上海市、浙江省開啟了新的高考綜合改革。在此輪改革的背景下,化學課程標準和教材也會做相應的調整。在做調整之前,需要開展一定規模的國際比較研究。比如,上海市化學特級教師陳寅領銜的「中學化學教材比較與教法研究團隊」開展了化學教材國際比較研究,團隊從內容編織線索等五個維度對國內外教材進行研究,並嘗試提出評價教材圖表與圖片品質的量化指標等。開展這類研究時,建立指標框架是重點,筆者認為我們應該參考邱美虹教授在研究時基於他人研究逐步向前的創新精神,用發展的眼光看待我們開展的研究與編寫工作。化學教育研究者適宜圍繞相關技術以開展研究。

(二)  化學教育研究者適宜圍繞相關技術以開展研究

《化學教學》雜誌3內年持續關注「化學實驗研究」、「作業研究」,並針對該課題開展專家培訓、研討會、約稿等活動。其中,「作業研究」也是上海市教委教研室近期的研究方向之一,並已經獲得了一些成果。比如201410月,上海市教委教研室在前期研究的基礎上出版了《透析作業基於30000份資料的研究》(王月芬、張新宇,2014)。但是針對化學學科的教育技術研究還有所欠缺在現代資訊技術有了迅速發展的情況下,這個問題就顯得格外重要。比如圍繞「擴增實境」即可開展一些創新的研究;大陸化學教育軟體發展人員適宜研發具有高效的「擴增實境」功能且支援中文介面的軟體;高師院校和有關單位建立適應中學化學教育實際需求的資源庫等等。上海的很多中學已經裝配了ipad教室,在ipad教室中基本可以滿足學生每人一台ipad。如果我們能夠把相關資訊工具使用得當,那將是一個很強有力的武器,有效地促進學生的學習。

最後不得不承認,雖然上海和臺灣兩地有著一脈相承的文化傳統,但兩地由於政治體制、社會價值等方面存在諸多不同,教育上也存在著差異。因此,在教育研究和實踐領域不斷交流和合作是非常有必要的,兩地在很多方面可以相互補充,相互學習。

n  參考文獻

王月芬、張新宇(2014)。透析作業:基於30000份資料的研究。上海市:華東師範大學出版社。

王建今(2002)。分子模型類比網站融入高中化學教學之成效研究。臺北市:國立臺灣師範大學化學研究所(未出版碩士論文)。

呂益准(2005)。以混成軌域之電腦多媒體教導學生判斷分子形狀。臺北市:國立臺灣師範大學化學研究所(未出版碩士論文)。

洪晉穎(2002)。以三度空間分子類比輔助化學教學。嘉義縣:國立中正大學化學研究所(未出版碩士論文)。

邱美虹、鐘建坪(2014)。模型觀點在化學教科書中的角色與對化學教學之啟示。化學教學,(1)3-6

邱美虹、唐尉天(2014)。行動科技與擴增實境在科學教育上的應用。臺灣化學教育,1(3)

邱美虹、傅化文(1993)。分子模型與立體化學的解題。科學教育學刊,1(2)161-188

廖焜熙、邱美虹(1996)。三維度視覺化技能在化學學習上的探討。科學教育月刊,18914-36

Chiu, M. H. (2012). Localization, regionalization, and globalization of chemistry education. The Australian Journal of Education in Chemistry, 72, 23-29.

 

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