基于流程圖法測查高中生化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)

盧師煥+周青

摘要：運用流程圖法測查高二學(xué)生“醛”的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。定性和定量分析表明，學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)存在較大差異，學(xué)優(yōu)生較其他學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)完善；相關(guān)性數(shù)據(jù)顯示，學(xué)生的測試成績與認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量的廣度、豐富度密切相關(guān)，與整合度、錯誤描述和信息檢索率不相關(guān)，與信息處理策略的描述、比較對比、解釋密切相關(guān)，與定義和情境推理不相關(guān)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知結(jié)構(gòu)；流程圖；認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量；信息處理策略；醛

文章編號：1005–6629（2016）3–0023–06 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

認(rèn)知結(jié)構(gòu)是知識結(jié)構(gòu)內(nèi)化在學(xué)習(xí)者頭腦里所形成的觀念的內(nèi)容和組織[1]。國內(nèi)外學(xué)者提出了很多認(rèn)知結(jié)構(gòu)測量和表征方法，比較常用的有自由詞語聯(lián)想法、受控制詞語聯(lián)想法、樹狀圖法、概念圖法和流程圖法（Flow Map）。流程圖法[2]自Anderson和Demetrius首次提出后，已被很多研究者用于測查教師或?qū)W生認(rèn)知結(jié)構(gòu)。流程圖法能夠通過可視化圖形定性和認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量定量的方式表征學(xué)習(xí)者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果更加準(zhǔn)確[3]。如：對職前科學(xué)教師氧化還原的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)展進程的測查研究[4]；對小學(xué)生有關(guān)生物繁殖的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和信息處理策略的研究[5]；對高一學(xué)生乙酸認(rèn)知結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)困難的測查[6]等。

醛是有機化合物中一類重要的衍生物，正確理解醛的性質(zhì)，能更好掌握醇類、醛類和羧酸之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，建立良好的有機知識網(wǎng)絡(luò)。本研究采用流程圖法測查高中生“醛”的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從定性和定量角度對學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)進行分析，診斷其錯誤觀念與學(xué)習(xí)困難，進而對高中化學(xué)教師實際教學(xué)提供有意義的參考和啟示。

1 研究方法與過程

1.1 研究對象

本研究的被試選自某中學(xué)高二年級，根據(jù)考試成績，選擇某班級化學(xué)單科成績排名在前12名、中間12名和后12名的學(xué)生為研究對象。

1.2 研究過程

采用流程圖法對學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)進行測查，用SPSS21.0軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析。

第一步，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的引出。在被試完成醛的教學(xué)后1周，根據(jù)Anderson和Demetrius訪談方法[7]分別對36名被試進行錄音訪談，設(shè)置不含任何提示性語句的訪談問題：

（1）關(guān)于“醛”你認(rèn)為有哪些重要的知識點或概念？

（2）你能不能對以上所說的知識點或概念描述更詳細(xì)一些？

（3）你能告訴我以上所說的知識點之間有什么聯(lián)系嗎？

此外，向每位被試提供紙筆，以便被試補充因情緒緊張、難以描述等原因未能描述出的知識點。

第二步，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的表征。每幅流程圖中有兩種箭頭，一種是線性箭頭，表示學(xué)生知識表達的順序，稱為順序編碼；另一種是回歸箭頭，表示所敘述知識之間的邏輯關(guān)系，稱為邏輯編碼。流程圖繪制步驟如下：首先，研究者將每位被試的錄音轉(zhuǎn)化為文字，按敘述的知識點的順序用線性箭頭依次相連；其次，用回歸箭頭從后往前將后面敘述出現(xiàn)的與前面知識點有邏輯關(guān)系或重復(fù)的敘述相連；再次，標(biāo)注錯誤知識點和紙筆補充的內(nèi)容。最后，計算訪談所消耗的總時間，這部分時間僅包括被試組織并回答訪談問題所消耗的時間，單位為秒，需排除研究者提問所花費的間隔時間。流程圖的繪制遵循三條原則：（1）被試提到的每一句完整描述都要列入流程圖中；（2）若被試有復(fù)合描述，需將復(fù)合描述拆分為單一的知識點；（3）研究者繪制回歸箭頭時，需將回歸箭頭指向最早出現(xiàn)邏輯關(guān)系的知識點上。

以學(xué)生2為例對流程圖的繪制過程進行說明（見圖1）。（1）順序箭頭的繪制：根據(jù)錄音將學(xué)生所描述的完整知識點按照順序逐一編碼1-11，并依次繪制順序箭頭（其中2、3、4是復(fù)合語句拆分的知識點）；（2）回歸箭頭的繪制：分析知識內(nèi)容看到知識點1描述了醛的結(jié)構(gòu)是有一個醛基，知識點6、7、11分別提到了多元醛有多個醛基的結(jié)構(gòu)、甲醛的特殊結(jié)構(gòu)以及醛基的還原性，這些都與醛基有邏輯關(guān)系，所以分別從知識點6、7、11繪制回歸箭頭到知識點1，知識點8、9、10分別是對知識點2、3、4的舉例說明或解釋，所以將知識點8、9、10分別繪制回歸箭頭到知識點2、3、4；（3）錯誤描述和紙筆補充的標(biāo)記：考察所有知識內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)知識點8的生成物遺漏了水，標(biāo)注為錯誤描述，學(xué)生2不存在紙筆補充的內(nèi)容；（4）訪談時間的計算：整個訪談用時176秒，扣除訪談提問消耗的30秒，用時146秒，記錄在最底部，由此可得學(xué)生2的可視化流程圖。

第三步，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的量化分析。流程圖法能夠定量地表征認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已經(jīng)獲得的知識、概念和知識之間的聯(lián)系以及學(xué)生的信息處理策略三個方面。蔡今中研究了多種測量認(rèn)知結(jié)構(gòu)的方法，發(fā)現(xiàn)流程圖法是唯一可以同時表征廣度、整合度、正確度、信息檢索率和信息處理策略5個變量的方法[8]，并根據(jù)Smith和Meux的信息處理策略模型[9]，按照邏輯水平由低到高將信息處理策略分為定義、描述、比較對比、情景推理和解釋五個層次。為了更全面、準(zhǔn)確地測查學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，本研究將認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量和信息處理策略（見表1）相結(jié)合對學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)進行定量分析研究。

以學(xué)生2為例對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的過程進行說明（見圖1）。（1）認(rèn)知結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：結(jié)合表1的說明，計算出流程圖中知識點共11個，回歸箭頭6個，錯誤描述1個，即廣度=11，豐富度=6，錯誤描述=1，計算整合度=6/（11+6）=0.35，信息檢索率= 11/146=0.08。（2）信息處理策略數(shù)據(jù)：根據(jù)表1判斷各知識點所運用的信息處理策略，可以看出除了知識點10是對加成反應(yīng)過程的解釋以外，其余知識點都運用描述來組織知識。因此解釋數(shù)目=1，描述數(shù)目=10，其余個數(shù)均為0。endprint

第四步，特定知識結(jié)構(gòu)內(nèi)容分析。通過對學(xué)生流程圖中回憶的知識點進行統(tǒng)計分析，研究學(xué)習(xí)者對知識的掌握情況和學(xué)習(xí)者頭腦中容易出現(xiàn)的錯誤概念，為教師的教學(xué)和學(xué)生概念轉(zhuǎn)變提供參考和建議。

1.3 研究方法的信度

流程圖法的信度分為順序編碼信度和邏輯編碼信度，通過二位經(jīng)過訓(xùn)練的獨立研究者進行驗證。以學(xué)生2為例進行說明：研究者A、B所繪流程圖知識點數(shù)分別為11和12，回歸箭頭數(shù)分別為6和7，其中兩張流程圖相同的知識點數(shù)為11，回歸箭頭數(shù)為6，則順序編碼的信度=（11+11）/（11+12）=0.96，回歸編碼的信度=（6+6）/（6+7）=0.92。本研究中，流程圖順序編碼的信度為0.95，回歸編碼的信度為0.90，由此表明用流程圖法測查認(rèn)知結(jié)構(gòu)是可靠的。

2 結(jié)果與討論

對三組學(xué)生成績進行獨立樣本t檢驗，1、2組學(xué)生p12=0.009；2、3組學(xué)生p23=0.008；1、3組學(xué)生p13=0.002（置信區(qū)間為95%）。數(shù)據(jù)的p值均小于0.01，表明三組學(xué)生成績具有顯著性差異，可以代表成績高、中、低三類學(xué)生，編碼為第1組、第2組、第3組進行深入分析研究。

2.1 學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的定量分析

對學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)整體結(jié)果進行分析，三組學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量和信息處理策略數(shù)據(jù)的平均值見表2。

由表2可以看出，有關(guān)“醛”的認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量，第1組學(xué)生明顯優(yōu)于第2組和第3組的學(xué)生。第1組學(xué)生知識點廣度、豐富度、整合度、信息檢索率大，錯誤描述少；第2組學(xué)生各認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量次之，錯誤描述較少；相比之下，第3組學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)不僅錯誤概念較多，各變量值都比較低，可以反映出第3組學(xué)生對于“醛”的認(rèn)知水平比較低，在一定的環(huán)境刺激下，不能有效回憶和組織知識，認(rèn)知結(jié)構(gòu)需要進一步完善和優(yōu)化。有關(guān)“醛”的信息處理策略，明顯可以看出三組學(xué)生都傾向于使用“描述”的策略，但相對于第2組和第3組學(xué)生，第1組學(xué)生較多使用了比較對比、情景推理和解釋策略，反映出成績高的學(xué)生傾向于使用高水平的信息處理策略來組織知識。

2.2 相關(guān)性分析

2.2.1 認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量與成績的相關(guān)性分析

本研究對學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量與紙筆測試成績進行了相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，關(guān)于“醛”的知識內(nèi)容，學(xué)生的紙筆測試成績與認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度密切相關(guān)（**p<0.01），學(xué)優(yōu)生在訪談中，描述的知識點多，知識之間的聯(lián)系大；認(rèn)知結(jié)構(gòu)廣度與豐富度、整合度、信息檢索率都呈正相關(guān)（**p<0.01，*p<0.05）；豐富度和整合度、信息檢索率密切相關(guān)（**p<0.01，*p<0.05）；有意思的是，錯誤描述與信息檢索率呈負(fù)相關(guān)（*p<0.05），說明學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中錯誤概念越多，越難有效提取信息。此外，學(xué)生的紙筆測試成績與整合度、錯誤描述和信息檢索率相關(guān)不明顯，這種結(jié)果可能與訪談時學(xué)生語速的影響有關(guān)。

**p<0.01，*p<0.05

由表4可以看出，關(guān)于“醛”的知識內(nèi)容，學(xué)生的紙筆測試成績與描述、比較對比、解釋密切相關(guān)（*p<0.05，**p<0.01），這與“醛”的知識內(nèi)容特點有關(guān)，有機知識要求學(xué)生掌握有機物的組成結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用，絕大多數(shù)學(xué)生會“描述”醛的分子式、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用，還有部分學(xué)生會“比較對比”甲醛、乙醛中醛基的個數(shù)和反應(yīng)的系數(shù)，少數(shù)學(xué)生會“解釋”性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，即隨著知識深度增加，需要使用的信息處理水平相應(yīng)變高，能夠完整正確表征知識的學(xué)生也越少，這充分說明了學(xué)優(yōu)生在組織知識時善于使用邏輯水平較高的信息處理策略。數(shù)據(jù)還顯示紙筆測試成績與定義和情景推理無關(guān)，主要原因可能是學(xué)生在組織知識時很少使用這兩種策略，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，36名學(xué)生中，“定義”這一策略只使用了4次，“情景推理”策略的使用更少，只有2次。

對學(xué)生紙筆測試成績與信息處理策略之間的相關(guān)性研究分析，可以幫助教師了解學(xué)生在學(xué)習(xí)知識時所采用的信息處理方式。研究表明學(xué)優(yōu)生傾向于用描述、比較對比、解釋來表述“醛”的知識點，而對于烴的含氧衍生物“乙酸”，學(xué)優(yōu)生傾向于用情景推理和解釋表述知識點[10]。因此，不同主題知識學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生所采用的信息處理策略會稍有不同。

2.2.3 認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量與信息處理策略的相關(guān)性分析

本研究對學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量與信息處理策略進行了相關(guān)性分析，結(jié)果見表5：

由表5可得，學(xué)生的信息處理策略不僅與學(xué)生的紙筆測試成績有關(guān)，還與學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量密切相關(guān)。關(guān)于“醛”的知識內(nèi)容，學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度均與定義、描述、解釋策略顯著相關(guān)（**p<0.01，*p<0.05）；認(rèn)知結(jié)構(gòu)的整合度與描述密切相關(guān)（*p<0.05），信息檢索率與描述呈負(fù)相關(guān)（**p<0.01），也就是說學(xué)生運用描述策略組織知識越多，從頭腦中提取知識越慢。從表5還可以看出，比較對比、情景推理與5種認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量，錯誤描述與5類信息處理策略均沒有相關(guān)性。

**p<0.01，*p<0.05

2.3 學(xué)生“醛”的學(xué)習(xí)情況分析

高中化學(xué)“醛”的學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括醛的組成和結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及應(yīng)用。本研究對36名學(xué)生醛的流程圖的主要知識點進行了總結(jié)，現(xiàn)將學(xué)生存在的兩大困難點，即醛與銀氨溶液和新制氫氧化銅兩個特征反應(yīng)的知識點歸納列出，見表6。endprint