在虚拟物理混合学习环境在虚拟物理混合学习环境中利用Arduino实验进行化学教学外文翻译资料

在虚拟物理混合学习环境在虚拟物理混合学习环境中利用Arduino实验进行化学教学

原文作者：Papadimitropoulos1，K.Dalacosta1，E. A. Pavlatou1

摘要：本研究以希腊K-9学生为研究对象，探讨Arduino实验在中学化学教学中对陈述性知识获取的影响。数字应用程序(DA)融合了Arduino传感器实验和数字教育材料的使用，包括虚拟实验室(VLs)，从零开始构建，通过交互板(IB)作为学习工具，由三个不同的学生群体(N = 154)使用。在学习过程的第一阶段，所有组只使用DA的数字材料。在第二阶段，三组使用不同的DA学习工具。通过IB，第一组使用Arduino实验，第二组使用vl，第三组只使用静态可视化。测试前至测试后的统计分析表明，前两组在陈述性知识测试方面的成绩相当，水平高于第三组。因此，可以得出这样的结论:在虚拟-物理混合环境中进行Arduino实验，与通过IB使用VL实验获得的陈述性知识的学习效果相当。

关键词：Arduino； 虚拟实验室； 交互板；中学教育

一、引入

将信息和通信技术(ICT)纳入中等教育似乎是欧洲国家战略中的一个重要因素，因为这似乎可以确保其教育系统的有效性(Conrads等人，2017年)和其经济的竞争力(欧洲委员会，2018年)。新的信息和通信技术工具正在不断开发，可以在此基础上设计各种学习环境。然而，衡量学生成绩不仅对发展良好的最佳教学做法很重要，而且对学校财务管理也很重要，因为对新的ICT工具的投资应该得到适当的证明。

一个最先进的学习工具是微控制器技术，其中Arduino是最流行的，因为它适合对电子知识知之甚少的人(Urban, 2014)。它可以与各种低成本传感器结合使用，以产生高度精确和可靠的测量(Alo等人，2020;Pino等人，2019)。因此，它被认为是实施化学教学实验工作的一个有价值的工具(Kubiacute;novaacute; amp; Scaron;leacute;gr, 2015;Grinias等人，2016)。通过将Arduino添加到学校的基础设施中，教师有机会使用它作为一种实验手段，作为共同教学实践的支持。例如，在希腊的化学中学教育中，一些常见的做法包括不进行实验或通过演示进行实验(Tountoulidis, 2011)，甚至在互动板(IB)上使用虚拟实验室(VLs)、视频等(Vagelatos amp; Angelopoulos, 2017)。

如果经验数据能够支持Arduino实验的加入至少可以提供与当前实践同等的学习结果，考虑到它们的许多其他启示，就可以论证它们作为对当前实践的支持而被接受(Brinson, 2015)。因此，本研究旨在通过Arduino实验代替VL实验，在虚拟物理混合学习环境中，评估K-9学生化学知识获取的学习效果。

二、理论框架

（一）RLabs和VLabs

实验可以发展与科学内容、解决问题的技能、科学过程技能、理解科学的本质、学生的自信和高阶认知技能相关的理解(乌拉尔，2016;《wahyi amp; Analita》，2017年;Tsaparlis amp; Gorezi, 2005)。

然而，在希腊初中，根据希腊国家课程的指导，化学教学主要是基于事实知识，数学基础有限。此外，虽然实际实验工作是理解化学课程不可缺少的要素，但各种限制因素，如实验基础设施不足、班级人数过多、教师缺乏自信、以及需要过多的时间和精力来进行精确的实验结果，需要通过演示和在许多情况下没有实验来使用实验(达文波特，2018;Tatli amp; Ayas, 2013年;库尔班奥卢和阿基姆，2010年;Tountoulidis, 2011)。

因此，化学教师往往把重点放在传统的白板上，用教科书的静态可视化来呈现教科书理论。要求学生掌握的主要是陈述性的化学知识，应用考试的重点是测试这类知识的掌握情况。陈述性知识是特定领域的知识，包括事实、理论、名称、关系和代表概念之间有意义的联系的链接，而程序性知识包括技能和策略的有效实施(Hong, 2018;史蒂文森,1998;Sariscsany amp; Pettigrew 1997;安德森,1983)。陈述性知识的主要学习过程是对知识的理解和记忆，而程序性知识的学习过程是先知道它是关联的陈述性知识，然后通过实践来实施技能(Hong 2018)。

此外，希腊教师可以申请的使用vl、视频等的IB活动可以促进陈述性知识的获取(Hong, 2018;韦伯斯特,2016;Sariscsany amp; Pettigrew, 1997)。vl是被认为是rl的替代品的教育环境(Wu等人，2019;Zacharia amp; Anderson, 2003;Dalgarno等人，2009)。在这些课程中，学生可以在学习过程中操纵化学、仪器和物质等虚拟物品。研究人员强调了vl的教育用途对学习的贡献(Zacharia等人，2019年;奥林匹欧和扎卡里亚，2012;Zacharia amp; olympou, 2011;Zacharia amp; Anderson, 2003;Zacharia, 2007)，并认为它们可能与实际动手操作具有互补的功能支持(Kapici等人，2019)。

然而,一些教育工作者在暴露学生只VLs至关重要,是获得良好的实验室技能的唯一途径是通过实际动手经验(Potkonjak et al ., 2016)和国家应仔细考虑有关问题如果六世将最好的教学工具(Crandall et al ., 2015)。物理动手实验吸引了学生(Flick, 1993)，并提供了真实的环境，提供了丰富的感官运动体验，让学生将新的经验与之前的经验联系起来(GoldStone amp; Son, 2005)。此外，一些研究人员发现，ICT的使用可能对学术成果的影响相对较小(Cristia et al.， 2017;Ma et al. 2020)。这可以归因于这样一个事实，即知识获取的影响取决于教师将信息通信技术融入其教学过程的方式(Comi等人，2017年)，以及如果利用信息通信技术实践技能和程序，可能会产生负面影响(Falck等人，2018年)。因此，一些学者声称，ICT的使用，特别是虚拟表征，而不是物理操作，剥夺了学生的实践经验，导致学习的负面影响(Scheckler, 2003;克拉克,1994年)。相反，他们强调通过学习实践活动学习的重要性(Falck等人，2018;Wang amp; Tseng, 2018;Zacharia等人，2008年;Zendler amp; Greiner, 2020)。因此，很大一部分科学教育者认为vl的使用是RLs的替代(Zacharia, 2007)。

虽然研究表明,物理和虚拟表示优势互补(Olympiou amp;查利亚2012),是否物理、虚拟的,或混合模式是最有效的,它可能不仅取决于模式本身也在学习内容和表示的具体设计(劳,2020)。选择物理操作而不是虚拟操作，反之亦然，需要知道哪种条件更有利于其中一种，而明确这一点的唯一方法是通过进一步的研究(Zacharia等人，2019)。由于我们远不能预测物理模式或虚拟模式何时以及为何有效(Rau, 2020)，开发和评估混合学习环境的学习效果是很有趣的，在这种环境中，可以使用Arduino微控制器将虚拟操作和物理操作结合起来。

（二）单片机技术

由于其低成本，开源微电子技术在化学中越来越有用(Urban, 2015)。微控制器是一种紧凑的集成电路，旨在控制特定的过程，接收来自各种传感器的信号，并与激活器交互(Enciso等人，2018年)。微控制器技术已经在许多研究中被用于创建物理环境的接口，551科学教育和技术杂志(2021)30:550-566虚拟的一个(Edwards等人，2019;Kuan等人，2016;Suwondo amp; Sulisworo, 2017年;Fatani等人，2018年;Papadopoulos amp; Jannakoudakis, 2016年;Spikol等人，2018)。使用Arduino传感器在物理系统中进行的测量可以通过USB电缆或无线传输(Mavridis amp; Tsiatsos, 2017)，例如通过HC-06蓝牙模块，到PC、智能手机或平板电脑。采集到的数据可以通过适当的软件以数字形式进行处理(El Hammoumi et al.， 2018;尼克尔斯,2017;Grinias等人，2016)，并直接在屏幕上实时显示(Urban, 2014)。

Arduino和其他类似的微控制器已经在各种教育化学应用中得到了应用，因为可以使用的传感器种类繁多，价格低廉，测量精度高且可靠(Pino等人，2019年)。Arduino技术已被用于建造廉价的化学测量设备，如pH计和温度计(Kubiacute;novaacute;和Scaron;leacute;gr, 2015)，甚至可以用于有视力障碍的学生(Costa和Fernandes, 2019年;宋等，2018)。教师可以使用这些设备，利用投影仪、IB (Walkowiak amp; Nehring, 2016)或液晶显示器(Pető， 2020)来监测测量。

例如，Kubiacute;novaacute;和Scaron;leacute;gr(2015)提出了一种基于Arduino技术的廉价仪器，作为在中学教育中测量pH值和温度的教育工具。该实验装置可与足够大的显示屏结合使用，便于学生进行演示和实验时，从教室的每一个点都能读懂。

Arduino集成开发环境(IDE)是最常用的编程和通过USB连接到PC显示数据的环境(Urban, 2014)。此外，研究人员开发了用Python编写的开源软件，可以从Arduino轻松、廉价地获取数据，并与PC或Mac兼容(Grinias et al.， 2016)。

这些技术能力指出Arduino适合在混合虚拟物理学习环境中集成物理仪器和物质的测量能力。这种学习环境应该具有适应性，可以用于学生进行的演示或实验，Arduino技术已经被证明是合适的(Kubiacute;novaacute; amp; Scaron;leacute;gr, 2015)。此外，在希腊，大多数学校中可供演示的大屏幕都是IBs，因此，虚拟-物理混合学习环境应该能够与这些工具进行交互。

三、研究目的

可以使用Arduino传感器，通过物理仪器和物质的演示进行实验，采集的数据可以在IB上进行处理和显示，还可以利用IB通过vl进行活动应用。通过合理的设计，将Arduino仪表与IB相结合，可以实现虚拟物理混合学习环境。因此，基于以上的学习材料、仪器和技术，我们设定了三个研究问题:

1.通过使用IB，在虚拟-物理混合环境和VL教学中陈述性知识习得有区别吗?

1. 通过使用IB，在虚拟-物理混合环境和完全没有实验的教学中，陈述性知识的获取有区别吗?
2. 在IB教学中，使用虚拟教学与不使用实验教学在陈述性知识习得方面有什么不同吗?

为了回答这些问题，我们构建了一个包含文本、图像、视频、数字概念图和vl的数字应用程序(DA)，目的是通过IB来使用。此外，我们还添加了一个接口，通过该接口可以控制、校准和监控Arduino传感器。

四、研究设计和工具

（一）DA的建构

Alpha; DA是从零开始构建的，它涉及“酸和碱”的主题单元。本单元是希腊初中第三班的课程，是K-9学生就读的课程。课程目标是在对学校教科书进行全面分析后确定的，并考虑到希腊教育政策研究所给出的说明和文献中报告的常见学生误解(Demircioglu等人，2005;霍顿,2007)。通过15名在职化学教师、4名学校化学辅导员和1名学术性化学教师对目标进行评价。然后，与6位学校教师一起，制作了涉及教学内容的概念图手稿，并进行了讨论。

我们从头开始构建了12个vl的模拟(图1)。所有的vl，加上额外的数字对象，如数字概念地图、动画和照片，都被用于DA的生产(图2)。Mayer和Moreno(2002)规则被考虑在内，为了构建所有必要的数字材料，并努力参考现实生活情况(如黄蜂咬伤、胃不适、日常材料)，以便新知识对学生有意义(Herranen等人，2019年;Childs等人，2015年;Broman等人，2018;Bulte等人，2006)。

图1.本文件中的一个指示性屏幕一个VL

所开发的DA有一个预先确定的学习路径，该路径被划分为连续的子区域。根据Predict-ObserveExplain (POE)模型，每一小节都有三个步骤(Zacharia et al.， 2008)。例如，在“研究设计和工具”中，有VL活动，其中第一步是预测添加另一种溶液对溶液的pH值或颜色的影响。在下一步中，教师使用适当的虚拟仪器和物质来执行这个过程，而学生则以全体形式观察结果。在最后一步，学生两个人一组进行咨询，以得出结论，理性化预测和结果之间的潜在差异，并得出一个不使用数学形式主义的一般规则，因为这不是课程的一部分。在DA建设过程中遵循了这些步骤，因为许多希腊科学教师对这些步骤很熟悉，因为他们参加了近年来ICT教育工作者的高级学习(Nikolopoulou amp; Gialamas, 2016)

图2.其中一个VLs嵌入- 在DA内

内容表和详细的菜单被纳入DA的任何部分(图3)。根据De Jong(2019)，在教育技术中应该有适应性的指导形式。因此,添加了一个菜单在某些VLs

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