促进“化学键”概念理解的建构式教学效果研究元分析_邓峰.pdf
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1、*广东省2 0 2 2年学位与研究生教育改革研究项目;广东省2 0 2 1年一流本科课程建设项目;华南师范大学2 0 2 0年一流在线开放课程建设项目;华南师范大学2 0 1 9年课程思政教学改革项目*通信联系人,E-m a i l:s o l o m o n.d e n g m.s c n u.e d u.c n国内外动态促进“化学键”概念理解的建构式教学效果研究元分析*邓 峰1*陈泳蓉1,2(1.华南师范大学化学学院 广东广州 5 1 0 0 0 6;2.东莞市第六高级中学 广东东莞 5 2 3 0 0 0)摘要 采用元分析方法对国内外2 5项“化学键”主题建构式教学研究的实验结果进行定量
2、、系统分析。结果表明与传统教学相比,促进“化学键”概念理解的建构式教学整体效果显著;班级规模、教学时长和地理位置都对“化学键”建构式教学效果有显著正向影响,长期使用建构式教学的中小规模班级,“化学键”主题教学效果愈明显。基于此提出促进“化学键”概念理解教学和研究的3点建议。关键词 化学键 教学效果 元分析 效应量D O I:1 0.1 3 8 8 4/j.1 0 0 3-3 8 0 7 h x j y.2 0 2 2 0 9 0 0 4 0 1 问题的提出“化学键”是中学化学的核心知识,在学生的学习和认识发展方面具有重要的教学功能和价值1。它可以解释原子形成分子或物质的过程,揭示化学反应的实质
3、2,是学生深入认识物质结构与性质关系的重要桥梁3,有利于学生形成宏微结合、变化守恒的学科思想。然而,化学键概念涉及微观粒子之间的作用,具有抽象性和复杂性4,学生在学习过程中容易产生各种迷思概念5-6。为攻克“化学键”主题教学难关,国内外教师和研究者探索并尝试各种教学理论和教学方法,其中建构主义是促进概念理解教学的重要理论。建构主义理论指导下的教学方法主要有以下几个特点7:强调以学生为中心;强调“情境”对意义建构的重要作用;强调“协作学习”对意义建构的关键作用;强调对学习环境的设计;强调利用各种信息资源来支持“学”;强调学习过程的最终目的是完成意义建构。通过文献检索发现,建构主义教学方法对促进“
4、化学键”概念理解的效果主要存在2种研究结论:(1)与传统教学相比,建构式教学能显著促进学生对“化学键”概念的理解8-1 0;(2)建构式教学对学生理解“化学键”概念不存在显著性影响1 1-1 2。基于上述讨论,建构式教学对促进“化学键”概念理解效果的影响尚未有定论,故本研究采用元分析方法进行定量、系统分析,尝试回答以下研究问题:(1)建构式教学是否比传统课堂更有利于促进学生对“化学键”的理解?(2)不同的调节变量(如地理位置、班级规模、教学时长等)对促进“化学键”概念理解的教学效果产生何种影响?最后借鉴国内外化学键教学的经验提出几点建议,以期对化学教师实践和化学教育研究者提供有益参考。2 研究
5、设计元分析(M e t a-a n a l y s i s)是对具有相同研究目的的多个独立研究结果进行系统、定量、综合分析的一种研究方法1 3。其通过合并多项研究结果计算平均效应量来辨析各研究之间的差异性,从而客观审视与评价整体研究情况1 4。元分析实施的基本流程包括1 5:(1)确定研究主题,收集相关研究文献;(2)对文献研究特征等信息进行编码;(3)计算每个研究结果的效应量大小;(4)调查研究特征对结果效应量大小的调节作用。2.1 文献检索与筛选本研究基于国外W e b o f S c i e n c e和E B S C O h o s t(包括A c a d e m i c S e a
6、r c h P r e m i e r、E R I C)与国内中国知网(C N K I)和万方数据等核心数据库,以化学键为关键词进行文献检索,检索时间截止至2 0 2 1年1 2月2 0日,文献检索与筛选流程见图1。由于化学键内涵丰富,本研究将使用与化学键及其分类有关的所有术语作为检索词。具体而言,对于外文文献,检索词是“+”前后每个单词7012 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)的组合:“c h e m i c a l/c o v a l e n t/i o n i c/m
7、 e t a l l i c”+“b o n d*”,其中在W e b o f S c i e n c e数据库以主题词检索 并 限 定 于“E d u c a t i o n&E d u c a t i o n a l R e-s e a r c h”类别,得到3 9 0 2篇文献,在E B S C O h o s t数据库以标题词检索得到1 8 9 7篇文献;对于中文文献,分别以主题词“化学键”“共价键”“离子键”“金属键”并含“高中化学”“教学”在中国知网和万方数据库中检索,分别得到文献2 1 3 8和1 0 4 5 篇。根据研究问题确定本研究的排除和纳入标准为:(1)发表日期截止至2
8、0 2 1年1 2月2 0日;(2)以中文或英文为写作语言的期刊论文、硕博士论文和会议论文;(3)属于教学效果的实验研究或准实验研究,双组实验需包含实验组和对照组,单组实验需包含前测和后测,排除只进行测查和理论性综述的文献;(4)研究主题包含“化学键”或其子主题“共价键”“离子键”和“金属键”;(5)有明确的建构式教学干预方法或策略;(6)有明确的教学效果评价工具且评价内容仅含有“化学键”;(7)研究结果资料完整,能提供计算效应量的充足数据,如样本数、平均分、标准差、t值等,排除数据不全或不符合的文献。经过层层筛选,剔除重复和不符合标准的文献,最终得到有效文献2 5篇。F i g.1 F l
9、o w d i a g r a m o f l i t e r a t u r e s c r e e n i n g图1 文献筛选流程图2.2 文献编码对纳入元分析的文献使用同一套特征值编码系统,包括文献作者、出版年份、样本信息(含样本国别、样本容量及年级水平)、干预信息(含干预时长、干预内容及干预策略)、评价工具和实验结果等。研究编码是以干预结果为单位,一个干预结果即为一个研究单元,2 5篇有效文献共得到2 5个研究,分别用A 1-A 2 5表示。其中有2篇文献涉及重复测量设计,不仅测试了教学干预后的即时效果,也测试了干预结束一段时间后的延迟效果。研究使用“”进行分注,如A 1 1 1表示
10、即时测试的短期效应量,A 1 1 2表示延后测试的长期效应量,2 5个研究有2 5个短期效应量和2个长期效应量,如表1所示。表1 文献部分特征编码T a b l e 1 P a r t i a l f e a t u r e c o d e s o f t h e l i t e r a t u r e作者,年份文献编码实验组/对照组人数干预策略A c a r,2 0 0 8A 12 8/2 9合作学习B a o,2 0 1 6A 27 0/7 0信息技术(多媒体动画)、合作学习E y m u r,2 0 1 7A 33 5/3 7概念转变、合作学习L i u,2 0 1 9A 44 5/4
11、5先行组织者策略、多媒体动画、合作学习L i u,2 0 2 1A 54 6/3 7网络课堂、虚拟实验室、分子工作台L u,2 0 1 8A 65 0/5 1T P A C KN i,2 0 1 4A 71 1 2/1 1 2认知冲突、类比法、概念图法O mw i r h i r e n,2 0 1 6A 85 0/5 0演示法(论证)OS u l l i v a n,2 0 1 3A 91 7/3 1w i k i 合作学习法 z m e n,2 0 0 8A 1 02 5/2 5计算机辅助教学 z m e n,2 0 0 9A 1 1 12 8/3 0概念转变文本、计算机动画 z m e
12、n,2 0 0 9A 1 1 22 8/3 0概念转变文本、计算机动画P a n,2 0 1 9A 1 24 9/4 8模型、多媒体(软件)等 l t a y,2 0 1 5A 1 32 1/2 4卡通W a n g,2 0 1 7A 1 43 7/4 0动画Z h a n g,2 0 1 7A 1 55 2/5 3概念转变、动画模拟、探究等Z h a n g,2 0 2 0A 1 65 7/5 6多媒体课件Z h a o,2 0 0 7A 1 74 3/4 3多媒体动画、概念同化、问题解决等A v i a n t i,2 0 1 8A 1 83 0/3 0C O R E学习模型H i l t
13、 o n,2 0 1 1A 1 94 9/4 9多重表征显性教学(动画、模拟)I b r a h i m,2 0 1 4A 2 01 5/1 5C O R E学习模型、探究S a i d i n,2 0 1 9A 2 11 6/1 6移动现实增强技术801化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期续表1作者,年份文献编码实验组/对照组人数干预策略Z o h a r,2 0 2 1A 2 24 8/4 8计算机模拟L i,2 0 1 9A 2 35 3/5 3动画M o l v i
14、n g e r,2 0 2 0A 2 4 13 5/3 4游戏教学法M o l v i n g e r,2 0 2 0A 2 4 22 4/5 8游戏教学法S a l y a n i,2 0 2 0A 2 59 0/9 05 E教学模型2.3 统计分析本研 究 运 用C o m p r e h e n s i v e M e t a A n a l y s i s(C MA)V e r s i o n 3.0元分析工具对文献结果进行效应量计算、异质性检验和发表偏倚检验。2.3.1 效应量计算效应量(E f f e c t S i z e,简写为E S)又称效果量,可以用于反映研究干预效果或变量
15、间关系强度。在心理学中常使用的效应量有标准平均差(s t a n d a r d i z e d m e a n d i f f e r e n c e,d)和相关系数(c o r r e l a t i o n,r)2种1 6。本研究的目的在于明确“化学键”建构式教学的干预效果,因此采用标准平均差作为效应量。样本数小于2 0时会使得d有所偏倚1 7,故本研究最终采用H e d g e s g表示效应量,2 5个研究共得到2 7个效应量。在整合分析之前,本研究还利用S P S S 2 5.0绘制箱图剔除极端值,见图2。图中A 1 8,A 2 0两个研究的效应量超过+3 E S范围应剔除1 8,
16、剔除后对剩下2 5个效应量再次绘制箱图(见图3),没有新的极端值存在。因此在整合分析时保留2 5个效应量,被试人数共2 0 3 9人(包含实验组和对照组)。F i g.2 B o x p l o t o f t h e e f f e c t s i z e图2 效应量箱图(N=2 7)2.3.2 异质性检验由于每项独立研究存在干预策略、样本容量、测量结果等差异,需要根据异质性检验结果判断元分析采用的模型。异质性检验又称一致性检验,其目的是检验各个独立研究结果是否具有可合并F i g.3 B o x p l o t o f t h e e f f e c t s i z e w i t h o
17、 u t o u t l i e r s图3 剔除极端值后效应量箱图(N=2 5)性1 3。异质性检验的计量统计方法主要有Q检验和I2检验。其中,Q检验是基于总变异的检验,假设效应量服从卡方分布,若p 0.1或0.0 5,表明存在显著异质性1 9;I2表示在观测效应量估计值中,真实异质性与总方差的比值,因此不受样本数量的影响2 0。由于I2与Q统计量之间存在以下关系I2=Q-d fQ()1 0 0%,I2统计量比Q统计量敏感2 1,且I2取值范围是01 0 0%,比值越大,异质性越大。H i g g i n s等人建议将2 5%,5 0%,7 5%分别表示低度、中度和高度异质性的判断标准2 2
18、。若各研究间无显著异质性差异可以采用固定效果模型整合所有效应量,否则需要进一步分析异质性来源,采用随机效果模型进行元分析。2.3.3 发表偏倚检验由于研究者、审稿者以及编辑在选择论文发表时,依赖研究结果的方向与强度所产生的偏差1 3,即具有负面或不显著影响的研究不太可能发表导致元分析结果产生偏差2 3。发表偏倚常用的评定方法有2类:直接观察法和统计法。直接观察法常用漏斗图法(f u n n e l p l o t),漏斗图是元分析中单个研究效应量大小的估计值相对于标准误差研究精度的散点图2 4。其理论依据是样本量越大,对效应量估计也越准确。如果漏斗图中散点是对称分布在平均效应量周围的中上部,说
19、明发表偏倚较小,反之,则发表偏倚较大2 0。漏斗图直观方便,易于操作,但只能提供定性的结论2 5,有研究者针对这些缺点提出了统计的方法,包括F a i l-s a f e N、E g g e r回归系数、T r i m a n d F i l l等。为保证研究结果的可靠性,本研究先分别通过漏斗图法和F a i l-s a f e N法对本元分析存在的发表偏倚情况进行定性和定量检验,最后通过T r i m a n d F i l l法对效应量9012 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.
20、c n)进行修正,得到考虑发表偏倚情况下的合并效应量结果。3 研究结果与讨论3.1 效应量结果与讨论图4是2 5项独立研究的效应量与研究基本特征(作者、出版年份、效应量、标准误差、方差、置信区间、Z值和p值)的森林图。森林图中实心方块表示每项研究中效应量大小的点估计值,而横穿方块的水平线表示对应点估计值的置信区间。森林图上部和底部的实心菱形表示合并研究后的平均效果大小及其置信区间,其中2个蓝色实心菱形分别表示合并长期研究和短期研究的结果,红色实心菱形表示合并2 5项研究的结果。由图4可知,2 5项研究的平均效应量(g=0.8 4)有力地支持“建构式教学是更利于促进学生对 化学键 概念理解”这一
21、结果。其中2 3个短期平均效应量和2个长期平均效应量分别为0.8 8和0.5 3,均超过大效应水平且具有统计学意义。根据C o h e n效应量统计理论,对2 5个效应量结果进一步分析,当E S=0.2时,干预效果较小;当E S=0.5时,干预效果中等;当E S=0.8时,干预效果较大2 6。可见,其中效应量在0.5以上且达到统计显著水平(p0.0 5)的有1 6个,效应量处于0.20.5的有6个,其中有4项达到统计显著水平,而效应量小于0.2的仅有3个且均未达到显著水平。各项研究的基本特征结果显示,建构式教学对促进学生“化学键”概念理解的效果显著。F i g.4 F o r e s t p
22、l o t o f e f f e c t s i z e图4 效应量森林图3.2 异质性检验结果与讨论为检验所有文献的效应量是否来自同一整体,本研究进行异质性检验,结果见表2。Q统计量值为1 7 5.5 9,p0.0 1,达到高显著水平,表明2 5项研究结果的效应量同质性较小。此外,I2=8 6.3 3%也说明各研究间存在高度异质性,可能存在显著的调节变量,因此采用随机效果模型进行分析。由表2可知,2 5项研究的合并效应量E S=0.8 5,超过大效应水平,且9 5%置信区间和Z检验均说明具有统计学意义。可见,与传统教学相比,建构式教学对促进学生对“化学键”的理解具有非常积极的效果。尽管如此
23、,异质性检验结果表明还有其他因素影响其总体效应量,本研究将进一步探究班级规模、地理位置、教学时长、教学策略类型对学生“化学键”概念理解的调节作用,结果见表3。(1)班级规模为探究班级规模对“化学键”建构式教学效果的影响,本研究确定以5 0人作为划分大小班级规模的标准,其中实验组班级规模 5 0人的有9项,班级规模 5 0人的有1 6项。结果表明,班级规模011化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期表2 总效应量与异质性检验T a b l e 2 T h e o v e r a
24、l l e f f e c t s i z e a n d h e t e r o g e n e i t y模型研究数量效应量标准误差方差9 5%置信区间下限上限Z值异质性检验Qd f(Q)pI2固定效果模型2 50.7 20.0 40.0 0 20.6 30.8 11 6.2 4*随机效果模型2 50.8 50.1 20.0 1 50.6 11.0 96.9 3*1 7 5.5 92 40.0 0 08 6.3 3 注:*表示p 0.0 0 1。对“化学键”建构式教学效果具有显著影响(Q=5.7 6,p1周)”或“连续教学3课时以上(3课时)”编码为长期教学,反之则编码为短期教学。需要说明
25、的是,研究A 1未明确说明教学时长将不纳入讨论范围。检验结果表明,长期教学(N=1 1,g=1.0 6)对“化学键”建构式教学效果具有高度积极影响;1 3项短期教学的效应量为0.6 2,说明对教学效果同样具有中等偏上的积极影响。从Q检验结果看,Q=3 2.8 0且p0.0 0 1,即教学时长会显著影响“化学键”建构式教学效果,且教学时间越长,教学效果越好。这似乎与常见的建构式化学教学元分析的结果2 1,3 0-3 1不一致(不显著),这可能是由于本研究具有主题专属性,侧重于对“化学键”主题的教学效果分析,且建构式教学策略多样,这与单一建构式教学模式的元分析结果差异性较大。此外,不同研究对于教学
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