高一學(xué)生“氧化還原反應(yīng)”觀念結(jié)構(gòu)的調(diào)查研究

吳微 鄧峰 伍春雨 王西宇

摘要： 基于化學(xué)基本觀念的內(nèi)涵層次發(fā)展了觀念結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)框架，以流程圖法獲取高一學(xué)生“氧化還原反應(yīng)”知識(shí)結(jié)構(gòu)為評(píng)價(jià)對(duì)象，重點(diǎn)探查了高一學(xué)生“氧化還原反應(yīng)”的觀念結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明： （1）學(xué)生頭腦中形成的化學(xué)基本觀念呈現(xiàn)單觀念與多觀念組合并存的特點(diǎn)，但各觀念尚處于淺層次，橫、縱向發(fā)展不均衡;（2）學(xué)生氧化還原反應(yīng)知識(shí)結(jié)構(gòu)變量與觀念結(jié)構(gòu)變量存在顯著相關(guān)，知識(shí)結(jié)構(gòu)的整體水平越高，越有利于觀念結(jié)構(gòu)的形成;（3）學(xué)生頭腦中已形成氧化還原反應(yīng)觀念結(jié)構(gòu)，各觀念是以“模型觀”為核心相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化。據(jù)此對(duì)高中氧化還原反應(yīng)的教學(xué)及其研究提出相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞： 學(xué)科基本觀念; 觀念結(jié)構(gòu); 氧化還原反應(yīng); 流程圖法

文章編號(hào)： 10056629（2020）05002907

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

化學(xué)反應(yīng)（包括氧化還原反應(yīng)）是高中化學(xué)六大核心概念之一。氧化還原反應(yīng)統(tǒng)整四大基本反應(yīng)、離子反應(yīng)、電化學(xué)、熱化學(xué)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算、無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物，其重要性是不言而喻的[1]。當(dāng)前的國(guó)內(nèi)外研究者大多是關(guān)注于氧化還原反應(yīng)的教學(xué)研究，借助教材分析與調(diào)查研究說(shuō)明： （1）該主題存在的概念數(shù)目較多，概念間常存在辯證統(tǒng)一的緊密聯(lián)系[2，3];（2）宏觀、微觀、定性、定量各維度不斷切換，對(duì)學(xué)生認(rèn)知產(chǎn)生挑戰(zhàn);（3）該主題蘊(yùn)含了較為豐富的學(xué)科基本觀念，適宜開(kāi)展“觀念為本”的教學(xué)[4]。但實(shí)際研究仍存在一些不足。首先，雖然理論研究已經(jīng)指出“變化觀”“微粒觀”“守恒觀”等化學(xué)基本觀念對(duì)于學(xué)生氧化還原反應(yīng)學(xué)習(xí)具有重要指導(dǎo)作用，但仍然缺乏實(shí)證研究支持;其次，當(dāng)前研究雖提倡“觀念為本”的教學(xué)卻仍主要采用紙筆測(cè)試的方式，依據(jù)學(xué)生對(duì)具體題目的回答情況評(píng)價(jià)對(duì)學(xué)生觀念水平進(jìn)行間接測(cè)查，未體現(xiàn)出與“知識(shí)為本”的教學(xué)評(píng)價(jià)方式在本質(zhì)上的差異。

蔡今中提出認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的測(cè)量和表征主要包括已經(jīng)獲得的知識(shí)以及知識(shí)之間的聯(lián)系并采用流程圖法獲取了學(xué)生關(guān)于科學(xué)學(xué)習(xí)的知識(shí)結(jié)構(gòu)特征[5]。相繼地，周青、黃元東等將流程圖法應(yīng)用于化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)測(cè)量中，揭示了學(xué)生關(guān)于某一化學(xué)主題的知識(shí)結(jié)構(gòu)特征[6]?；瘜W(xué)基本觀念與具體知識(shí)之間又存在緊密聯(lián)系，化學(xué)核心概念及其涵蓋的具體知識(shí)是形成化學(xué)基本觀念的基礎(chǔ)和源泉;同時(shí)化學(xué)基本觀念賦予具體知識(shí)一定的能動(dòng)性和靈活性，使化學(xué)知識(shí)能夠發(fā)生遷移和應(yīng)用[7]。因此，學(xué)生關(guān)于某個(gè)主題的知識(shí)結(jié)構(gòu)特征就可以作為判斷其觀念水平的基礎(chǔ)。

本研究采用流程圖法揭示學(xué)生關(guān)于“氧化還原反應(yīng)”的知識(shí)結(jié)構(gòu)[8]，并重點(diǎn)依據(jù)化學(xué)基本觀念對(duì)具體知識(shí)學(xué)習(xí)的“指導(dǎo)性”和“統(tǒng)攝性”作用發(fā)展觀念結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)工具，“自上而下”分析學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)以得出其觀念結(jié)構(gòu)，為“觀念為本”的教學(xué)提供支撐，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行有意義學(xué)習(xí)。

2 研究對(duì)象和方法

2.1 研究對(duì)象

本研究采用方便取樣的方法，選取廣州市某普通高中高一年級(jí)學(xué)生（共30人）為研究對(duì)象。這些學(xué)生已經(jīng)基本完成必修1的學(xué)習(xí)，在第二章第三節(jié)“氧化還原反應(yīng)”中學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)知識(shí)，并通過(guò)金屬及其化合物、非金屬及其化合物的學(xué)習(xí)加深了對(duì)于氧化還原反應(yīng)的理解，因而關(guān)于這一主題的學(xué)習(xí)具有一定的時(shí)長(zhǎng)，具備一定的知識(shí)遷移與運(yùn)用能力，可以形成相應(yīng)的化學(xué)基本觀念。

2.2 研究方法

“流程圖法”可在近乎自然的狀態(tài)下同時(shí)獲得被試者的思維順序以及思維的組織結(jié)構(gòu)特征。采用流程圖法可以以最小外部干擾的方式引出學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，使結(jié)果更貼近學(xué)生的真實(shí)認(rèn)知，具體操作步驟如下。

第1步： 引出知識(shí)結(jié)構(gòu)。根據(jù)Anderson和Demetrius訪談法[9]，對(duì)30名被試進(jìn)行訪談。訪談問(wèn)題主要包括： 關(guān)于“氧化還原反應(yīng)”你能想到哪些重要的知識(shí)點(diǎn)或者概念？你能否將以上你所說(shuō)的知識(shí)敘述得再詳細(xì)一點(diǎn)？你能否說(shuō)出這些知識(shí)之間有什么聯(lián)系？

三個(gè)問(wèn)題在由訪談?wù)咛岢鰰r(shí)不要加任何提示性語(yǔ)句，同時(shí)采取錄音的方式對(duì)受訪者的敘述進(jìn)行記錄。在學(xué)生對(duì)這些問(wèn)題的回答被錄音后，要求他們立即聽(tīng)取錄音，并對(duì)錄音內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，這一過(guò)程稱為“后置聽(tīng)力階段”。后置聽(tīng)力階段同樣采取錄音的方式進(jìn)行記錄，前后兩段錄音作為知識(shí)結(jié)構(gòu)表征的依據(jù)。

第2步： 表征知識(shí)結(jié)構(gòu)。將每位被試者的語(yǔ)音轉(zhuǎn)錄為文字，按照知識(shí)的敘述順序依次用線性箭頭連接，同時(shí)用回歸箭頭連接前后敘述有邏輯關(guān)系的內(nèi)容，然后注明訪談所用的總時(shí)間（整個(gè)錄音期間排除研究者提問(wèn)，剩余的全部時(shí)間，單位為秒），最終得到每位學(xué)生關(guān)于“氧化還原反應(yīng)”認(rèn)知的流程圖[10]，見(jiàn)圖1知識(shí)結(jié)構(gòu)部分。

第3步： 表征觀念結(jié)構(gòu)。由于觀念的內(nèi)隱性，學(xué)生觀念結(jié)構(gòu)的測(cè)查實(shí)施不易。借助于畢華林、盧巍[11]等人提出的化學(xué)基本觀念的內(nèi)涵層次、化學(xué)核心素養(yǎng)[12，13]中對(duì)于“變化觀念”“模型認(rèn)知”等觀念的水平要求建立起“氧化還原反應(yīng)”觀念結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)框架（見(jiàn)表1“觀念”及“水平”），據(jù)此框架分析每位學(xué)生關(guān)于“氧化還原反應(yīng)”的知識(shí)結(jié)構(gòu)得到其觀念結(jié)構(gòu)。例如，學(xué)生描述氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是“電子的轉(zhuǎn)移或偏移”時(shí)，可以體現(xiàn)其認(rèn)識(shí)到宏觀物質(zhì)是由微觀粒子構(gòu)成，并且從微觀粒子變化的角度揭示宏觀物質(zhì)變化的特征，符合“微粒觀”第1水平和“變化觀”第2水平的要求;當(dāng)學(xué)生能準(zhǔn)確描述“氧化還原反應(yīng)的特征是化合價(jià)升降”這種變化規(guī)律時(shí)，體現(xiàn)其能總結(jié)物質(zhì)變化的共性并將其以知識(shí)模型的形式儲(chǔ)存在大腦中，符合“變化觀”第1水平和“模型觀”第2水平的內(nèi)涵。因此，在學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)中如果存在“氧化還原反應(yīng)的標(biāo)志是化合價(jià)升降，本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移”就可以說(shuō)明其觀念結(jié)構(gòu)中“模型觀、變化觀、微粒觀”的形成。

為了確定互評(píng)信度，隨機(jī)抽取50%的樣本數(shù)據(jù)，由該領(lǐng)域的一名教育專家及本課題成員之一依據(jù)以上步驟對(duì)轉(zhuǎn)錄后的數(shù)據(jù)“自上而下”地進(jìn)行處理分析，并達(dá)到95%的一致性;其余不一致的部分由筆者進(jìn)一步討論直至達(dá)成共識(shí)，最終得到高一學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)知識(shí)結(jié)構(gòu)、觀念結(jié)構(gòu)流程圖（見(jiàn)圖1）。

3 結(jié)果與討論

3.1 “氧化還原反應(yīng)”觀念水平分析

以“高一學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)觀念結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)框架”為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)為評(píng)價(jià)對(duì)象，測(cè)查學(xué)生關(guān)于“氧化還原反應(yīng)”的觀念水平：

（1） 對(duì)于不同化學(xué)基本觀念，學(xué)生觀念結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)橫向發(fā)展不均，概念類基本觀念的體現(xiàn)優(yōu)于方法類基本觀念（見(jiàn)表1）。概念類基本觀念的體現(xiàn)與學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況密切相關(guān)[14]。因此，該結(jié)果說(shuō)明借助于教師的講解，絕大多數(shù)學(xué)生都能夠掌握氧化還原基礎(chǔ)知識(shí)并將其準(zhǔn)確表達(dá)出來(lái)，但對(duì)于氧化還原中的規(guī)律方法仍然是“死記硬背”，缺乏真實(shí)感悟和體會(huì)，因此記憶時(shí)間短，表述不準(zhǔn)確[15]。

對(duì)于概念類基本觀念，幾乎所有學(xué)生的觀念結(jié)構(gòu)中都有體現(xiàn)微粒觀（100%）、變化觀（100%）以及守恒觀（100%），但僅有2位學(xué)生能夠準(zhǔn)確地站在“元素”的角度對(duì)物質(zhì)及其變化進(jìn)行闡釋，這可能是由于高一學(xué)生對(duì)于“元素”“原子”“電子”“離子”等概念的理解不清晰導(dǎo)致的[16]，此外在訪談階段有部分學(xué)生用“離子”代替“電子”描述氧化還原反應(yīng)本質(zhì)，這一現(xiàn)象也可以說(shuō)明這一點(diǎn)。

（2） 對(duì)于同一觀念，學(xué)生觀念結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)縱向發(fā)展不均，在“微粒觀”“變化觀”“分類觀”“模型觀”的不同水平上表現(xiàn)不同（見(jiàn)表1）。例如，對(duì)于微粒觀的第一水平（100%），絕大多數(shù)學(xué)生是借助于“氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移”這一知識(shí)點(diǎn)得以體現(xiàn)，但對(duì)于微粒觀的第二水平： 能用原子結(jié)構(gòu)示意圖揭示電子轉(zhuǎn)移本質(zhì)、用單線橋或雙線橋表示電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的學(xué)生僅有8%;對(duì)于模型觀的第一水平（86%），絕大多數(shù)學(xué)生是借助于“升失氧還、降得還氧”總結(jié)性的口訣得以體現(xiàn)，但是對(duì)于模型觀的第二、三水平涉及到： 利用觀念對(duì)知識(shí)進(jìn)行遷移運(yùn)用、補(bǔ)充完善模型等要求時(shí)，學(xué)生幾乎無(wú)法完成。學(xué)生這種觀念結(jié)構(gòu)在不同水平呈現(xiàn)出的“斷崖式”變化可以說(shuō)明： 學(xué)生此時(shí)形成的是淺層次的，不能脫離具體知識(shí)的初級(jí)化學(xué)基本觀念。

3.2 “氧化還原反應(yīng)”觀念結(jié)構(gòu)分析

首先，對(duì)每位學(xué)生觀念結(jié)構(gòu)中單觀念數(shù)、多觀念數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并用SPSS24.0計(jì)算其均值（見(jiàn)表2），結(jié)果表明： 學(xué)生頭腦中基本觀念以單觀念、多觀念組合等形式存在，但單觀念數(shù)與多觀念組合數(shù)差異不大。

其次，對(duì)不同種類的多觀念組合進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見(jiàn)表3），結(jié)果表明： 學(xué)生關(guān)于“氧化還原反應(yīng)”的觀念結(jié)構(gòu)中，概念類基本觀念[17]相互作用，形成微粒觀守恒觀（7次）、元素觀變化觀（3次）;同時(shí)，兩種方法類基本觀念[18]（模型觀分類觀）組合的形式在學(xué)生觀念結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)得更為明顯。這說(shuō)明，學(xué)生頭腦中的化學(xué)基本觀念開(kāi)始出現(xiàn)聯(lián)系與整合，有結(jié)構(gòu)化的趨勢(shì);除此之外，微粒觀模型觀、變化觀模型觀、微粒觀變化觀模型觀、微粒觀守恒觀模型觀等知識(shí)類觀念與方法類觀念整合出現(xiàn)的多觀念組合也可以證實(shí)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化使得思維方法也形成網(wǎng)絡(luò)，且兩者之間存在密切聯(lián)系[19]。

最后，依據(jù)表3繪制高一學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)的觀念結(jié)構(gòu)圖（如圖2所示，其中箭頭的粗細(xì)程度用來(lái)代表箭頭連接的各觀念間聯(lián)系的緊密程度），結(jié)果表明： 學(xué)生所形成的“氧化還原反應(yīng)觀念結(jié)構(gòu)”是以“模型觀”為核心建立起來(lái)的，這說(shuō)明學(xué)生在氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)過(guò)后，模型觀指導(dǎo)了學(xué)生對(duì)于絕大部分知識(shí)的回憶，也從側(cè)面證實(shí)了學(xué)生觀念橫向發(fā)展不均的結(jié)論。

3.3 知識(shí)結(jié)構(gòu)變量對(duì)觀念結(jié)構(gòu)變量影響分析

依據(jù)以下維度（見(jiàn)表4）對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)、觀念結(jié)構(gòu)各變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用SPSS24.0對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)中的廣度、豐富度、整合度、靈活度、信息檢索率、單觀念數(shù)、多觀念數(shù)等變量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表5所示。

高一學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)知識(shí)結(jié)構(gòu)中，廣度與豐富度、整合度、靈活度之間顯著相關(guān)（p<0.01），說(shuō)明學(xué)生頭腦中關(guān)于氧化還原反應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)越多，知識(shí)之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系就越豐富，概念結(jié)構(gòu)的整體性與系統(tǒng)性越強(qiáng)，在一定的環(huán)境刺激下越容易回憶起更多的知識(shí)，這也與周青[21]等對(duì)于高一學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)知識(shí)結(jié)構(gòu)變量的相關(guān)分析結(jié)果一致。同時(shí)廣度、豐富度以及整合度也與觀念數(shù)之間顯著相關(guān)（p<0.01， p<0.05），學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的整體水平越高，相應(yīng)的對(duì)知識(shí)點(diǎn)的描述所能體現(xiàn)的觀念數(shù)目就越多，這也符合畢華林等提出的具體知識(shí)與基本觀念之間存在緊密聯(lián)系[22]。

4 結(jié)論與思考

通過(guò)調(diào)查30名高一學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，本研究發(fā)現(xiàn)以下三個(gè)主要的結(jié)論： （1）學(xué)生頭腦中形成的化學(xué)基本觀念呈現(xiàn)單觀念與多觀念組合并存的特點(diǎn)，但各觀念尚處于淺層次，橫、縱向發(fā)展不均衡;（2）學(xué)生氧化還原反應(yīng)知識(shí)結(jié)構(gòu)變量與觀念結(jié)構(gòu)變量存在顯著相關(guān)，知識(shí)結(jié)構(gòu)的整體水平越高，越有利于觀念結(jié)構(gòu)的形成;（3）學(xué)生頭腦中已形成氧化還原反應(yīng)觀念結(jié)構(gòu)，各觀念是以“模型觀”為核心相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的。筆者對(duì)認(rèn)知結(jié)構(gòu)相關(guān)研究提出以下建議：

在理論研究方面，研究者可能考慮賦予認(rèn)知結(jié)構(gòu)測(cè)查新的內(nèi)涵，即認(rèn)知結(jié)構(gòu)測(cè)查可以包括知識(shí)結(jié)構(gòu)與觀念結(jié)構(gòu)的同時(shí)測(cè)查。受Hammer與Elby[23]關(guān)于“認(rèn)識(shí)論架構(gòu)（Epistemic framing）”研究的啟發(fā)，筆者相應(yīng)地提出“概念架構(gòu)（Conceptual framing）”用以描述這一新內(nèi)涵，具體可以理解為個(gè)體對(duì)化學(xué)概念（或原理）及其承載的學(xué)科基本觀念的一種框架性、結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)，主要原因如下： （1）依據(jù)畢華林、萬(wàn)延嵐等學(xué)者對(duì)于知識(shí)與觀念間關(guān)系的論證，學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)的過(guò)程中會(huì)以概念為基礎(chǔ)不斷建構(gòu)，最終形成對(duì)學(xué)科知識(shí)、學(xué)科觀念以及二者之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)[24]。（2）本研究也提供了實(shí)證支持——高一學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)知識(shí)結(jié)構(gòu)中知識(shí)、觀念以及二者之間的關(guān)系均呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)化特征。（3）胡玉華等學(xué)者[25]提出哲學(xué)思想、學(xué)科觀念、核心概念以及基礎(chǔ)知識(shí)之間的關(guān)系呈現(xiàn)為“金字塔”架構(gòu)，其中學(xué)科觀念是對(duì)核心概念和基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行概括、提煉、升華而形成的，即個(gè)體頭腦中學(xué)科觀念、核心概念以及基礎(chǔ)知識(shí)的關(guān)系也呈現(xiàn)框架性。

需要說(shuō)明的是，本研究亦存在如下局限性。一方面，基于方便取樣，本研究選取廣州普通高中高一某班級(jí)學(xué)生進(jìn)行測(cè)查研究，樣本不夠具有代表性。另一方面，本研究為定性與定量相結(jié)合的研究，由于樣本數(shù)相對(duì)較少，可能不能涵蓋所有觀點(diǎn)。因此，后續(xù)研究可考慮擴(kuò)大范圍進(jìn)行分析，使研究結(jié)果與結(jié)論更具有可遷移性與概括性。

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