《Journal of Chemical Education》：CSI:Nottingham: A Context-Based Practical Skills Consolidation Activity in Chemistry
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摘要：培养化学实践信心需要巩固核心实验技能的机会，同时促进高阶思维。CSI:Nottingham是一项面向二年级本科生的情境化、游戏化活动，旨在支持学生从结构化实验向探究式研究过渡。活动以环境犯罪调查为框架，学生以团队形式合成金属salen配合物、解读光谱数据
摘要：培养化学实践信心需要巩固核心实验技能的机会，同时促进高阶思维。CSI:Nottingham是一项面向二年级本科生的情境化、游戏化活动，旨在支持学生从结构化实验向探究式研究过渡。活动以环境犯罪调查为框架，学生以团队形式合成金属salen配合物、解读光谱数据并进行定量紫外-可见（UV/vis）分析，在新情境中应用已有技术。该活动融入了元认知要素，包括评价性判断（evaluative judgment）与自我调节（self-regulation），并引入虚拟货币系统以促进策略性决策。活动前后调查（n ≈ 115）显示，学生在高级实践技能、数据解读和问题解决方面的自报信心显著提升，其中多项结果的效应量较大（秩双列相关 > 0.6）。这些发现表明，沉浸式、情境化的方法能够为学生提供有效环境，使其在进入更独立的实验室实践之前建立起应用技术技能的信心。
论文解读文章
研究背景与问题
在化学实验教学中，实验室技能的巩固对于学生能力与信心的培养至关重要。尽管结构化教学必不可少，但有效学习要求学习者主动参与过程。学习的自主权、对自身能力的认知以及对成长领域的识别，是技能习得的基础。其中，评价性判断（evaluative judgment）与自我调节（self-regulation）等元认知技能，使学生能够评估自身工作质量、反思学习进展并做出改进决策。因此，在实验课程中嵌入这些技能的练习与反思机会，对培养独立且具有反思能力的实践者具有重要意义。
为提供技能巩固的机会，课程设计必须支持关键技能的反复接触与强化。螺旋式课程模型（spiral curriculum model）正是体现这一理念的典型方法，它促进技能的渐进发展，同时通过引入充分的变异和情境相关性来避免因过度重复而导致的参与度下降。诺丁汉大学（University of Nottingham）本科实验课程改革的愿景强调实践性与可迁移技能、学生对学习成果的参与以及学习反思，并将各项活动与Seery实验室课程设计框架（Seery's Framework for Laboratory Course Design）中的学生进阶路径相对齐。此前，研究人员曾在一年级末引入化学密室逃脱活动“达·芬奇的诅咒”（da Vinci's Curse），作为从阶段1（发展实验技能与能力）向阶段2（探索模型与假设）过渡的技能巩固活动。在此基础上，研究人员设计了CSI:Nottingham活动，定位于二年级末，要求学生将实践、分析和光谱技术整合到情境化调查中，支持其通过更高的自主性、评价性判断和协作决策向阶段3进阶。
研究目的与活动设计
CSI:Nottingham以虚构的环境犯罪调查为情境：River Trent被有毒化学品污染。学生以团队形式扮演犯罪现场调查员，获得证据档案、实验室时间以及名为“Poliakoins”的虚拟货币预算，用以购买实验数据和咨询专家顾问。这一沉浸式游戏化方法旨在鼓励学生进行策略性决策并积极参与实验操作。该活动包含三个主要实验环节：合成（synthesis）、波谱分析（spectroscopy）和分析化学（analytical）实验。每个环节设计为4小时实验课，在诺丁汉的典型实施为两周内完成4天。自2025年起，该活动作为必修模块元素，占模块成绩的1%（名义分值），以参加所有活动并完成调查员报告为授予条件。
研究方法概述
研究采用前后测配对调查设计，使用基于Likert量表的技能信心问卷。问卷依据英国皇家化学会认证文件中的基本实践技能清单以及英国国家技能清单编制而成。学生被分配随机唯一编号以实现匿名配对分析，在活动开始前和结束后分别完成纸质问卷。研究在诺丁汉大学研究伦理规范下进行，参与自愿且不影响课程成绩。通过Wilcoxon符号秩检验分析匹配数据，效应量采用优势概率和匹配对秩双列相关（rank-biserial correlation, r
rb）报告，|r
rb| ≥ 0.5视为大效应。
研究结果
实践方法与技术：信心增长集中在需要更高自主性和决策能力的技术上，如惰性气氛操作、溶液配制、体积分析方法和光谱数据采集。对于常规技能如回流和减压过滤，学生活动前已有较高信心，未观察到显著变化，这可能与天花板效应及活动的巩固性定位有关。这表明CSI:Nottingham在增强需要学生更多自主性的技术信心方面尤为有效。
数据分析与报告：大多数分析技能的信心显著提升，尤其是有机波谱解析和实验数据质量评价。相比之下，绘图和曲线拟合方面学生原先信心较高，未见显著变化。最大信心增长出现在数据解读和评价性判断，而非常规数据处理任务。这与先前研究中学生在陌生情境中应用已有知识从而获得提升的模式一致。
安全：学生在核心安全实践方面已有较高信心，因此常规安全操作和COSHH评估方面的变化不大。但在化学品废弃物处置和良好化学实验规范方面观察到显著提升，说明活动强化了日常实验课中较少强调的安全方面。
可迁移技能：问题解决、科学结果解读和团队合作方面的提升最为显著。这些增长与CSI:Nottingham的探究式和协作式设计一致——学生需要评价证据、做出决策并围绕共同目标集体工作。定性反馈也印证了这些技能的发展。
定性反馈综合分析
活动前问卷（n = 206）中，学生期望获得的关键主题为技能巩固（48%）、光谱分析（39%）、团队合作（35%）、问题解决（16%）、实验时间（11%）和合成（2%）。活动后问卷（n = 180）中，实际报告获得技能的主题为团队合作（48%）、光谱分析（36%）、技能巩固（24%）、问题解决（11%）和合成（10%）。学生报告的发展领域与其活动前期望高度一致。80%的学生表示喜欢该活动，89%的学生喜欢团队工作，79%的学生愿意向其他学生推荐。低风险环境被认为有利于尝试和深度学习。
教师观察：Poliakoin虚拟货币系统揭示了学生的决策模式。部分团队倾向于积累货币而非策略性消费，甚至当消费有助于推进调查时仍选择节省，说明学生可能将课程货币视为成功的象征。少数团队在购买额外光谱信息前未充分考虑其价值；红外光谱是最常购买的支援，而DEPT谱购买频率最低，这可能反映学生对红外光谱比NMR技术更熟悉。活动中观察到充分的同伴学习证据，团队在购买信息前常先汇集集体知识。教师还注意到，团队间的实时货币排行榜可能有助于更合理的策略决策，这一改进将在未来实施中探索。
跨校适应性验证：为评估可迁移性，圣安德鲁斯大学试点了一个修改版活动（CSI:St. Andrews），采用海洋污染情境但保留核心要素。尽管数据量有限无法进行稳健统计分析，学生反馈和观察结果与诺丁汉类似，显示出积极的学生感知和强烈的调查形式参与度，表明该方法可成功适用于不同机构背景。
研究结论
CSI:Nottingham旨在支持学生从结构化实验课向探究式实验工作过渡。配对调查结果显示，学生在多项实践和分析技能上的信心显著提高，尤其是在涉及更高自主性和数据解读的方面。定性反馈表明，学生重视该活动的协作性和调查性质。尽管未直接测量学习收获，学生报告的信心增强以及对更独立实验工作的感知准备度均有所提升。该研究的重要意义在于，沉浸式、情境化的学习方法为学生在更高阶独立实验室实践之前巩固技术技能提供了有效环境，并为化学实验课程设计提供了一个可借鉴的游戏化技能巩固模型。论文发表在《Journal of Chemical Education》。
