中学化学实验课堂环境对中学生学习投入的影响研究

曾艳　苗福利　张圣明

摘要： 以穆斯构架理论和多元情境框架理论为基础，采用问卷调查法探索中学化学实验课堂环境对学生学习投入的影响。研究结果表明：中学化学实验课堂环境对学习投入有显著影响，其中实验课堂环境的个人发展与系统支持这两个要素对学习投入产生显著正向影响，但关系支持要素对行为投入与认知投入会产生显著负向影响；环境的二级变量中，实验课堂氛围、规则清晰度、学生凝聚力、整合性和开放性对学习投入有强的预测力，启示教师在实验教学中需要重点设计。

關键词： 中学化学实验； 课堂环境； 学习投入

文章编号： 10056629（2023）11002807 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 引言

《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》明确指出：“实验教学是培养创新人才的重要途径。［1］”中学化学实验教学过程中师生交互多，学生学习活动丰富，探索实验课堂环境与中学生学习投入的关系和作用机制对于新课程实验教学改革有重要价值。

课堂环境研究始于勒温（Lewin）提出的动力场理论［2］。课堂环境的结构研究代表学者穆斯（Moos）提出重视学习环境中的人类交互作用，他认为课堂环境包括人际关系、个人发展、系统变更与维护三个维度［3］。目前，学界普遍认同课堂环境主要包括支持教学的物理环境、学生及教师所感知的社会心理环境。基于以上研究，笔者将中学化学实验课堂环境界定为：在中学生独立（分组）动手操作的化学实验课上，学生所感知的物理环境和社会心理环境的总和。

弗雷泽（Fraser）对已有40项相关研究进行综述，证实学生学习表现和课堂环境感知之间存在密切联系［4］。周娟［5］等的研究显示化学课堂环境对学生的学习态度具有正向预测力，中学生对不同类型化学课堂环境的感知存在显著差异。

不过，鲜有研究聚焦化学实验课堂环境与学生学习表现的联系与作用机制。随着课程改革的进行，实验教室中物理环境的创设备受重视，但对于作为课堂主体的学生所感知的社会心理环境建设关注仍显不足［6］。观察中学化学实验课堂发现，课堂气氛活跃，教师调控课堂难度大。那么，学生在实验课堂的实际投入是否和其外在表现一样积极？师生或生生互动所构建的社会心理环境与其学习投入的关系是怎样的？本文旨在探索化学实验课堂环境和实验课堂学生学习投入的结构要素，以及要素之间的影响关系，为提升实验课堂效果提出教学建议。

2 研究设计与实施

2.1 研究理论框架

基于穆斯构架理论以及富龙（Furlong）的多元情境框架理论［7］，构建实验课堂环境对学生学习投入影响的理论模型。富龙的多元情境框架阐明了学校环境、小组同伴环境和教室环境对学生的行为、认知和情感三维度的学习投入有正向预测作用。而弗雷德里克斯（Fredricks）等［8］提出社会投入是数学和科学课程中学生学习投入必不可少的一个维度，因此本研究将社会投入也作为学习投入的要素之一。此外，依据对实验课堂的实际观察，发现富龙的环境要素中学校环境在实际化学实验课堂教学中的作用较弱，而前文所述的把课堂环境分为人际关系、个人和系统支持更为合理。据此，拟定本研究的理论模型，如图1所示。

其中，关系支持维度评估师生、生生之间关系的质量，其特征是他们愿意互相帮助以及他们给予彼此的支持量［9］。个人发展维度关注教师在教授实验课时用的方法，特别是化学实验活动的开放性、实验方法的多样性，以及教师是否将实验室活动与非实验室的活动和理论相整合。系统支持主要评估学生在实验室遵守规则的能力以及设备和材料的可用性和充分性。本研究将关系支持、个人发展和系统支持设置为自变量，行为投入、情感投入、认知投入和社会投入设置为因变量，提出研究假设为：中学化学实验课堂环境要素对中学生化学实验学习投入各要素具有显著的正向影响，不同类别的中学生在各潜变量上存在显著差异。

2.2 研究对象

本研究以湖北省W市的化学选考生为研究样本。由于高三年级的学生不开展化学实验课，故而只选择了初三、高一和高二年级的学生作为研究样本。为了尽可能地使选样具有一定代表性，本次调查采用分层整班取样，在省、市级示范性学校及普通中学共计12个班级展开调查。共发放问卷506份，回收有效问卷427份，回收率84.4%。其中性别分布为：男生227人，女生200人；年级分布为：初三136人，高一145人，高二146人。

2.3 研究工具

研究工具一为“中学化学实验课堂环境调查问卷”，一级维度为关系支持、个人发展和系统支持。对W市某高中化学实验课堂进行观察，根据霍普金斯（Hopkins）设计的学生非投入行为记录表［10］观察评估学生投入度，据此对学生进行高、中、低分组，然后选取不同投入度组别的典型学生展开半结构化访谈，根据质性材料提取中学化学实验课堂环境二级维度的具体特征，见表1所示。具体题项的设计主要参考了弗雷泽等人［11］设计的经典“科学实验室环境清单”、醋燕妮［12］设计的“中学物理课堂实验量表”，包含七个潜变量对应的25个题项，有3个反向题项。

研究工具二为“中学生化学实验学习投入调查问卷”，问卷结构及具体特征基于弗雷德里克斯［13］开发的社会投入评价项目和陈茜［14］的学习投入指标体系确立，如表2所示。具体题项设计主要参考了弗雷德里克斯［15］设计的“数学和科学学习投入量表”和醋燕妮［16］的“中学物理实验教学学生参与问卷”，包含四个潜变量对应的28个题项，其中包括3个反向题目。题项按照5分制的Likert量表设置（1=完全不同意，5=完全同意）。

正式施测前进行小规模试测，对试测结果采用Cronbachs α系数和修正后的项与总计相关性（CITC）分析［17］，根据试测数据删除三个题项，对删改后的问卷进行效度分析，效度良好。据此形成正式问卷，共计50个题项。

经检验，“中学化学实验课堂环境调查问卷”总体及各维度内部一致性信度（α系数）均在0.8以上，信度较好。“中学生化学实验学习投入调查问卷”中四个潜变量α系数均大于0.85，整体α系数0.971，各潜变量之间的内部一致性水平极高。

对“中学化学实验课堂环境调查问卷”进行结构方程模型外在质量检验，判别指标CFI（0.975）、 IFI（0.975）、 TLI（0.970）、 NFI（0.954）均大于0.95，质量很好。进行结构方程模型内在质量检验，其中七个潜变量的AVE均大于0.6，CR均大于0.8，表明问卷收敛效度很好，内部一致性信度高。七个潜变量的AVE算术平方根大于潜变量之间相关系数绝对值，所有潜变量之间有显著区别，判别效度很好。

对“中学生化学实验学习投入调查问卷”进行结构方程模型外在质量检验，判别指标CFI（0.975）、 IFI（0.975）、 TLI（0.970）、 NFI（0.903）均符合标准。进行结构方程模型内在质量检验，其中四个潜变量的AVE均大于0.6，CR均大于0.8，表明问卷收敛效度很好，内部一致性信度高。四个潜变量的AVE算术平方根大于潜变量之间相关系数绝对值，判别效度很好。

2.4 数据处理与分析

本研究主要采用SPSS和Amos等工具对数据进行处理和统计分析。首先根据理论基础和研究假设，建立结构方程模型，再运用Amos 22.0对其进行验证性因素分析和路径分析，探明中学化学实验课堂环境对中学生化学实验学习投入的影响关系。

3 研究结果

3.1 中学化学实验课堂环境的整体感知水平

中学生对化学实验课堂环境的总体感知水平如图2所示，除了“开放性”变量，其他变量均值都大于3，但均低于4，说明整体感知水平一般。均分较高的前三项为教师支持、整合性、规则清晰度，都和教师对化学实验课的调控有关。而课堂氛围、学生凝聚力、物理环境这三个主变量均分处于中等偏上水平。开放性感知水平均分最低，仅为2.84。

3.2 中学化学学习投入的整体感知水平

由图3可知，情感投入维度的均分为3.43，这表明学生在化学实验课堂上对于学习任务、自身能力和课堂参与者的情感反应较好。认知投入维度的均分为3.30，这反映了中学生为了促进学习内容的深化，采取学习策略的主动性较强，注重知识建构和反思。行为投入维度的均分为3.29，而社会投入维度的均分为3.27，这反映了学生在化学实验课上花费的时间、注意强度和行为习惯规范表现一般，学生在化学实验课上的社交程度一般。

3.3 中学化学实验课堂环境感知与学习投入的差异分析

为探明不同性别中学生在化学实验课堂环境感知和学习投入上的差异，采用性别独立样本T检验，研究发现男生和女生在开放性、规则清晰度及认知投入上存在显著性差异，男生显著优于女生。

对不同年级的差异性分析可知：中学生对于化学实验课堂的感知情况和学习投入均存在年级差异（见图4、图5），初三年级整体情况最好，进一步的差异性检验显示初三年级各变量显著高于高一年级，而高一和高二年级无显著差异。这说明，初三化学实验课的设置更能够满足学生的学习需求，而学生在刚进入高中阶段的时候，对化学实验课堂环境有较大的落差感，进入高二年级以后，逐渐学会了自我调节而适应化学实验课的设置情况。个别访谈表明学生做过许多的实验探究题，开始重新重视对于化学实验的深入学习。

3.4 中学化学实验课堂环境对学习投入的影响关系

为深入分析中学化学实验课堂环境对学习投入的影响关系，本研究建立了以关系支持、个人发展和系统支持为自变量，行为投入、情感投入、认知投入和社会投入为因变量的假设模型，然后对其进行验证性因素分析及路径分析。对初始模型适配度进行评估，发现模型的NFI、RFI（NFI=0.873， RFI=0.862）不符合大于0.9的标准，其他指标均达到理想水平。为提高初始模型适配性，参考初始模型运行后的修正系数（MI值）对模型进行修正。修正后的模型拟合指数为：χ2/df=2.231， RMR=0.038， RMSEA=0.055， CFI=0.932， IFI=0.933， TLI=0.926， NFI=0.887， RFI=0.877， PNFI=0.813， PCFI=0.855，根據模型适配性评估结果可知，修正后的NFI值和RFI值接近理想水平，其他指标亦达到理想水平。根据极大似然法估计各路径系数值，具体数值见表3。

根据表3的路径系数分析结果，可以绘制出如图6所示的结构方程路径系数图。

根据路径系数分析结果可以看出，个人发展与系统支持均能对学习投入产生非常显著的正向影响。尤其是系统支持对于学习投入的任何一个子维度都能产生极强的预测作用。这意味着在中学化学实验课堂中，教室的设施环境、安全及操作规则的清晰度以及课堂有序、良好合作与恰当竞争的氛围对学习投入有强影响。关系支持对情感投入的影响不显著，对行为投入能产生较为显著的负向影响，对认知投入能产生非常显著的负向影响。这说明实验课堂上过于亲密的生生关系、师生关系可能会影响中学生在化学实验课上的专注力、抗干扰能力。

4 结论与建议

4.1 结论与分析

4.1.1 中学生感知的化学实验课堂环境及学习投入水平整体一般，不同要素存在差异

中学生感知的教师支持、整合性、规则清晰度较好，说明中学化学教师比较重视实验室操作规范，同时注意引导学生借助实验去解决理论课所学习的问题。课堂氛围、学生凝聚力和物理环境这三个主变量均分也处于中等偏上水平，说明中学生对于化学实验课上同学之间关系、课堂上的氛围感以及化学实验室的自然环境、材料充分程度等都基本满意，有待进一步提升。学生认为化学实验的开放性较差，对实验的决定权较少、实验主题较为单一。

中学生化学实验学习的情感投入较高，行为投入和社会投入一般，而认知投入较差。男生在课堂环境的开放性、规则清晰度及认知投入上显著优于女生。而课堂观察发现男生更愿意利用现有器材去探索一些“特别”的实验现象，这可能导致男生在化学实验课上的认知投入更高一些。

4.1.2 中学化学实验课堂环境对学习投入有显著影响，关系支持和系统支持要素需重点关注

中学化学实验课堂环境对中学生化学实验学习投入的影响模型解释力良好。个人发展、系统支持均对学习投入各要素产生正向影响，但关系支持对行为和认知投入产生负向影响。

4.2 启示与建议

4.2.1 营造良好课堂氛围，提升规则清晰度

研究结果表明，实验课堂环境因素中课堂氛围对学习投入正向预测作用最强，而对课堂氛围的感知水平高一年级学生反常地低于其他两个年级，教师在高一年级可以采用创设真实情境问题驱动学生竞争性完成有一定综合性实验的策略提升实验课堂氛围。

规则清晰度对于学生在化学实验课堂上的认知投入预测力最强，这也就意味着，学生在化学实验课上对于基本的实验操作要点以及安全准则是否清楚对其学习投入有着显著影响。但是结合课堂观察发现教师在实验课前告知学生实验规则效果并不佳，需要在平时的常态课中经常结合演示实验进行规则说明，还可以在实验课后段或实验课后集中点评学生在实验中因无法领悟实验要点而造成的失误，从而提升学生的认知投入。

4.2.2 设计小组合作策略，调控关系支持

关系支持会对学生的行为投入和情感投入产生显著的负向影响，这启示实验课堂教师应该重点设计对学习小组关系的调控，与常规课堂不同的是，生生互动比师生互动更加重要。课堂观察显示，实验课上学生的自由度要显著高于常规课，中学生往往由于缺乏自觉性而较容易出现学习无关行为。教师应掌握实验分组技巧，尤其防止同组同学关系过于亲密，根据学生的认知风格、思维习惯、实验操作能力等因素形成组内异质，并明晰实验活动时的个人责任。性别差异的数据结果也提示教师在分组时可以考虑组内一定的性别异质，引导男生发挥对女生的开放性和规则感知的正向影响作用。

4.2.3 重视实验和理论课堂整合，促进关键能力发展

测查数据显示实际的化学实验课堂环境中这两者水平较低。重视实验开放度已经得到化学实验教学实践层面的长期关注，而对于实验教学与理论课堂的整合还重视不足，在实验教学中教师需要充分发挥理论对于实验的预测解释及实验对于理論的评估论证，才有利于促进学生关键能力的发展，凸显化学学科实验教学的育人价值。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部. 教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见［EB/OL］. （20191122）［20220501］. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html.

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［10］［英］戴维·霍普金斯著. 杨晓琼译. 教师课堂研究指南（第3版）［M］. 上海： 华东师范大学出版社， 2009： 84～87.

［11］Fraser B J， Giddings G J， McRobbie C J. Evolution and validation of a personal form of an instrument for assessing science laboratory classroom environments［J］. Journal of Research in Science Teaching， 1995， （32）： 399～422.

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［17］林蒿. 结构方程模型原理及AMOS应用［M］. 武汉： 华中师范大学出版社， 2008： 68.

*2022年华中师范大学教学研究项目“职前教师教育实践能力表现性评价系统构建与实践教学质量改进研究”；华中师范大学中央高校基本科研业务费（教师教育专项）课题（CCNUTEI 202209）。