化學師范生概念理解的眼動研究*
——以“化學平衡”為例

史海媚 王宇潔 張瑞娟 薛 亮

（陜西師范大學化學化工學院 陜西西安 710000）

一、問題的提出

概念是一切知識的基石，人的所有思維活動都離不開概念作為基礎的支持，對概念的正確理解將有助于解決“是什么”的科學問題。在化學學習中，化學概念是將化學事實、化學原理等經(jīng)過比較、分析、歸納、綜合等方法，抽象而成的理性知識，它主要反映的是化學現(xiàn)象的本質屬性，是化學知識的重要組成部分。［1］也正是因為化學是一門起源于實驗又依賴于實驗的自然學科，并且目前眾多學者普遍認可由約翰斯頓教授提出的化學具有三重表征（宏觀水平、微觀水平、符號水平）的特點，而作為化學知識的一個分支，化學概念也同樣具有著三重表征的特點，這就導致學習者在學習化學概念時，尤其是初學化學概念時，由于微觀世界不可見、宏觀世界直觀易感知、化學學習經(jīng)驗少等一系列原因，常常出現(xiàn)在化學概念的三重表征之間存在轉換困難的問題。［2］因此在化學教學中，抽象繁雜的化學概念也被認為是最不好理解和掌握的地方?；瘜W平衡作為化學學科中一個重要的概念，目前在教育教學研究中已達成一個共識：化學平衡不僅是“變化觀念與平衡思想”培育的主要載體，而且該主題所包含的概念抽象且理解難度較大，在教學中，教師難以把握化學平衡的本質，導致學生學習這部分知識時迷思概念覆蓋面較廣。［3］

進一步分析發(fā)現(xiàn)，目前關于化學概念理解的測查主要是基于問卷調查法及訪談法實施，研究對象也主要以學生為主，鮮有研究聚焦于職前或職后教師。而不難看出，正處于教師培養(yǎng)關鍵階段的化學師范生作為未來一線化學教學的主力軍，肩負著培養(yǎng)年輕一代的責任，其專業(yè)知識水平直接影響著未來的教學質量。針對主觀研究手段的局限性，在教育領域，眼動追蹤技術是一個很有力的研究工具，它能打破傳統(tǒng)的研究方法，更真實地檢測被試者在學習、解決問題等過程中的諸如注意力、學習效果甚至是心理變化具體表現(xiàn)，可以更客觀、科學地分析被試者的眼動數(shù)據(jù)和真實感受，能夠精確定位到其所感興趣的區(qū)域。［4］

基于以上分析，本研究不拘于傳統(tǒng)研究的視角與范式，借助可以客觀分析學習認知過程的眼動追蹤技術，試圖解決以下問題：1.化學師范生的化學平衡概念理解現(xiàn)狀；2.不同概念理解水平的化學師范生在解決化學問題時存在哪些差異，認知過程的眼動注意模式有什么規(guī)律；3.基于概念理解的差異，如何提高師范生的化學概念學習水平。

二、實驗部分

1.實驗設計

采取量化研究與質性分析相結合的實驗方式。選取100名大三年級化學師范生進行化學平衡概念理解水平的測查，基于Rasch模型分析試題難度與被試能力之間的關系后，根據(jù)測試成績的相對高低分為高水平和低水平概念理解組；采用隨機分層抽樣方法在兩個概念理解水平的基礎上各選取8名被試參與眼動實驗，通過完成化學平衡相關測試題時的眼動注視模式來進一步分析不同概念理解水平的化學師范生在解決概念問題時存在的認知差異。

2.研究對象

調查對象為陜西某高校大三年級化學師范專業(yè)100名大學生，其中男生21人，女生79人，平均年齡22.26（SD=1.03），所有被試均已完成了化學基礎專業(yè)課程（無機化學，分析化學，有機化學，物理化學，結構化學）的學習，具備一定的學科知識。所有被試雙眼矯正視力或裸眼視力均在1.0以上，無散光等視力問題，具備順利進行眼動實驗的基本條件。

3.測試材料

（1）化學平衡概念理解水平量表：在李玲玉開發(fā)的化學平衡概念量表的基礎上進行修訂，［5］綜合兩名具有17年教學經(jīng)驗的一線中學化學教師與一名大學化學教學論教師的意見，最終確定15道化學平衡概念理解測試題，每題2分，總分30分，均為單項選擇題，考查知識點涉及化學平衡的定義、平衡常數(shù)、勒夏特例原理等。該量表小范圍初測結果經(jīng)Rasch模型分析得到被試的信度為0.81，項目信度為0.91，說明學生的能力分布較廣，量表可信度高，可進行正式實驗。

（2）眼動實驗試題：共3道單選題，均改編自高中化學人教版必修2化學平衡課后習題與相應高考試題。依次考察化學平衡狀態(tài)的判定、化學平衡移動的影響因素、化學平衡概念的遷移應用。克隆巴赫系數(shù)α的值為0.85，試題信度較高。

4.實驗儀器

眼動追蹤技術所采用的儀器是Tobii Pro Nano眼動儀和Tobii Lab1.152.3002軟件來收集眼動數(shù)據(jù)，該眼動儀的準確度≤0.3°，精確度≤0.1°，采樣率≥60Hz.采用紅外遙感式設計，被試需要距離電腦屏幕約50 cm，無需固定被試的頭部就能準確收集閱讀軌跡等眼動數(shù)據(jù)，實驗過程中參與者只需確保視線不離開電腦屏幕即可。

5.實施過程

（1）化學平衡概念理解水平測試

安排100名被試分別在兩間安靜的會議室里，通過紙質版的形式進行化學平衡概念理解測試，答題時間為30分鐘，最少答題時長不得低于10分鐘，測試后收回有效試卷100份，試卷回收率100%。

（2）眼動實驗流程

實驗正式開始之前，首先向被試簡短介紹實驗過程及注意事項，在其完全放松的狀態(tài)下，引導其坐在眼動儀屏幕前進行眼動儀定標與校準，最后進行模擬測試與正式實驗。被試在作答過程中大聲說出解答思路與所選答案，主試在一旁進行記錄，完成測試后對被試進行簡短的口語訪談，了解被試解決問題時的主觀感受與信息加工過程。

6.數(shù)據(jù)分析

研究所用到的化學平衡概念理解水平量表與化學平衡相關測試題的質量分析主要在Winsteps軟件中操作完成，眼動數(shù)據(jù)由眼動儀自帶的Statistics功能將所有眼動數(shù)據(jù)以Excel形式輸出，最后使用SPSS17.0軟件進行處理分析。

三、實驗結果

1.化學師范生對化學平衡概念理解水平的問卷調查分析

為了全面了解化學師范生對化學平衡概念的理解水平，首先對100名被試的得分情況進行整體分析，將總體得分繪制成分布直方圖，如圖1所示。

圖1 化學平衡概念測試成績分布直方圖

經(jīng)過SPSS軟件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，本研究的所有被試的測試平均得分為23.7分（滿分30分），從整體來看，化學師范生在對平衡概念的總體把握上基本達到了要求，這對于職前教師來說是理所應當?shù)?。但出乎意料的是，其中仍然有少部分被試（得分率?0%）的化學平衡概念的理解水平差強人意。作為未來一線化學教師，其專業(yè)水平亟須進一步提高。

2.眼動數(shù)據(jù)分析

由于試題難度與被試能力分布相當，將得分在24分（80%）以上可認為是能夠熟練掌握概念含義，劃分為高理解組；得分在18分（60%）以下被視為平衡概念理解上存在較大障礙，劃分為低理解組。收集兩組各8名被試的眼動數(shù)據(jù)并分析。

（1）總注視時間

注視時間是指在注視狀態(tài)下，視線在刺激點上的持續(xù)注視所占用的時間，大多數(shù)認知過程和信息獲取都發(fā)生在注視期間。通過分析被試在認知過程的注視時間來判斷其注意力的分配情況，進而對其認知加工的困難程度進行深入分析。［6］從表1中的統(tǒng)計結果可以看出，雖然概念理解程度的不同并未引起總注視時間的顯著差異，但從整體上可以看出，高理解組作答所花費的時間少于低理解組，說明其信息加工速率高，所投入的認知努力較少，能夠排除干擾準確提取出關鍵信息從而成功解決問題。

表1 不同概念理解水平師范生總注視時間的對比分析結果

（2）熱點圖

與注視時間呼應，在眼動實驗中常以熱點圖來展示被試的視覺注意力分布情況，其中包含多種顏色：紅色表示被試最為感興趣的區(qū)域，該區(qū)域注視點最多、注視時間最長，黃色次之，綠色最少，其間有很多過渡層次。［7］選擇高理解組與低理解組被試在解決化學平衡概念狀態(tài)的判定（圖2）、平衡移動的影響因素（圖3）、化學平衡概念的遷移（圖4）這三類試題中的眼動熱點圖進行分析。

圖2 高理解組（a）與低理解組（b）解決平衡狀態(tài)判斷試題的熱點圖（電子版為彩圖）

圖3 高理解組（a）與低理解組（b）解決平衡移動試題的熱點圖（電子版為彩圖）

圖4 高理解組（a）與低理解組（b）解決化學平衡遷移試題的熱點圖（電子版為彩圖）

在化學平衡狀態(tài)的判斷上（圖2），兩組被試的注意力分布大致相同，均關注到解題的關鍵信息，即“正逆反應速率相等”，這也是化學反應達到平衡狀態(tài)的內在特征。值得關注的是，高理解組的視線加工區(qū)主要落在正確答案B選項中，對題干中的其它信息關注較少，所用的作答時間較少，說明高理解組的學生能夠快速提取有效信息，不被無關信息干擾；而相比之下，低理解組在選擇正確選項之后，還會注意到題干中的其它信息，即“恒溫恒容”，認為反應達到平衡的標志還需要考慮具體的條件，并非簡單地以速率作為評判依據(jù)，作答過程花費時間較多，對于關鍵信息的提取存在猶豫不決的現(xiàn)象，容易受到干擾，這也說明了對概念的理解不全面將會直接影響問題的解決。

在解答化學平衡移動試題時（圖3），兩組被試的信息加工模式有明顯的不同。在整體上，兩組的信息加工區(qū)相似，主要集中在“化學方程式”“數(shù)字”“影響平衡的措施”等解題關鍵部分，說明在日常的學習中，被試已經(jīng)基本掌握了解題的規(guī)律，知道哪些因素或條件將會影響化學平衡的移動。具體來看，高理解組的注視區(qū)域集中并且范圍大，而低理解組的注視區(qū)較少且零散，表明對平衡移動的掌握程度會影響被試信息加工的注意力投入，在定位有效解題信息后，高理解組會進一步進行深層次加工，進而選出正確答案；低理解組由于對化學平衡移動的影響因素理解得比較片面，過于依賴勒夏特列原理作為判斷平衡移動的依據(jù)，因此在剛注意到“濃度”“壓強”等字眼時，便快速作出判斷，并未真正綜合考慮整個反應體系因改變某個條件而引起的其它變化。這也側面說明了若學生對概念的理解不透徹將會導致其不能在多變的問題情境中順利地解決化學問題。

綜合運用化學平衡原理解決問題，考察的是學生對概念的遷移能力。從熱點圖（圖4）可以看出，高理解組的視覺分布主要集中在選項區(qū)，題干中的信息主要關注的是化學方程式，文字性描述信息關注度不高，能直接從解題突破口入手，具有比較高的三重表征轉換能力，說明對概念的理解程度高會加快信息加工的速度；低理解組則傾向于從文字信息尋找解題信息，甚至借助圖像來輔助作答，加工時間長，所關注的信息比較廣泛，無法在第一時間知道自己需要什么信息或者什么樣的信息能幫助自己成功解決問題。

（3）軌跡圖

眼動軌跡圖是注視和掃視的空間和時間序列，能夠清晰、真實記錄被試的整個認知加工過程，直觀反映眼動的時空特征及學習者的視覺瀏覽過程，一定程度上可以反映被試的心理和思維活動。［8］對比兩組被試作答時的眼動軌跡圖可以直觀看出，高理解組（圖5）的眼動軌跡少于低理解組（圖6），低理解組會反復觀看題干與選項之間的信息，從信息加工策略角度來看，高理解組的信息加工過程清晰、干脆，能夠在短時間內作出判斷，即使在復雜的問題情境中，高理解組的學生也能利用日常學習時所形成的解題范式進行分析，重點關注解題的關鍵信息；而低理解組的學生由于對概念的掌握不夠透徹，因而會搜索更多的信息來幫助自己作出判斷，并且反復在正確選項與其他選項之間反復進行加工，信息加工效率低。

圖5 高理解組眼動軌跡圖（電子版為彩圖）

圖6 低理解組眼動軌跡圖（電子版為彩圖）

四、綜合分析與討論

在學習化學概念的過程中，我們不僅需要準確地描述各種化學概念的實質特征，還要在概念的應用中總結一般規(guī)律，并能夠熟練地在各種情境中實現(xiàn)概念的遷移。對此，以往的研究將對化學平衡狀態(tài)的辨識歸納為描述水平，即只需理解平衡特征的字面意義即可解答；將外部條件變化對化學平衡移動產(chǎn)生影響的理解層次總結為規(guī)律水平，也就是能利用一般規(guī)律解釋平衡移動的特點；在概念理解的基礎上，學生能夠實現(xiàn)將所學的知識遷移到陌生情境中則劃分為概念的遷移水平層次。［9］

本研究的眼動結果表明，在描述水平上，兩組被試在分析問題與解決問題上花費的時間與認知投入相當，很大的原因是因為化學平衡狀態(tài)的判斷涉及的只是簡單的閱讀理解過程，這是一個自發(fā)的、快速的決策過程，學生平時的經(jīng)驗積累已經(jīng)形成了良好的思維定勢，因而概念理解的差異并不會顯著影響被試解決簡單的平衡概念問題。在規(guī)律水平的測查上，高理解組在綜合分析各種因素對平衡移動的影響上比低理解組有更大的優(yōu)勢，其對概念的整體性有著更全面的認識，在壓強、濃度、溫度等單一條件發(fā)生變化促使平衡移動的基礎上，高理解組還會關注到這些條件的改變是否會引起其它變化，例如將容積擴大兩倍后，壓強減小的同時物質的濃度也相應地減少到一半，根據(jù)對比平衡后的物質濃度從而推斷出平衡移動的方向。結合被試的口述報告，我們還對比出，低理解組在探究平衡移動的方向時，過多地依賴勒夏特列原理進行判斷，但在這過程中忽視了適用條件，這也反映出低理解組的學生在平時的學習中，學習化學概念的方式主要以識記為主，不能自主地對概念進行深層次的理解與外延，在眼動熱點圖與軌跡圖中也能看出低理解組在文字性信息上的關注多于高理解組。因而在信息的獲取中，低理解組的被試表現(xiàn)出較為混亂的加工過程，不斷地在題干與選項中尋找能解決問題的關鍵信息。由于在平衡概念的辨識與規(guī)律的應用中，相比之下，高理解組有著更好的測試表現(xiàn)，這將有利于其在復雜多變、綜合性較強的陌生情境中將化學平衡的相關知識點應用自如。

值得關注的是，雖然整體上概念理解水平較高的職前化學教師在不同維度的平衡問題中有著較好的測試成績，但對正確和錯誤觀念對應的選項有著同等程度的關注，這意味著即使職前教師接受了更高層次的化學專業(yè)知識并且有著高程度的概念理解水平，但那些錯誤的觀念仍然根深蒂固并吸引著他們的注意，他們的錯誤觀念仍可能與正確作答競爭，在特定的問題情境下也會使他們做出錯誤的判斷。

五、研究結論與啟示

1.研究結論

本研究在利用問卷調查與訪談的方法調查職前教師化學平衡主題概念的理解現(xiàn)狀后，借助眼動追蹤技術客觀分析了概念理解的差異對問題解決的影響，得出以下結論：

（1）職前化學教師對化學平衡的概念理解大部分都達到了優(yōu)秀及以上水平，基本符合新課程改革對教師專業(yè)知識水平的要求。雖然大部分職前化學教師取得了不錯的測試成績，但仍有少數(shù)職前教師對部分化學平衡的相關概念，如平衡狀態(tài)的判斷、勒夏特列原理等，在潛意識中仍存在著一定的錯誤觀念。

（2）眼動指標表明，兩組被試在某些錯誤觀念的選項上的關注度仍然很高，在信息搜索上，高理解組能有效提取解題關鍵信息并進行加工，更加能全面分析問題中的所有變量對化學平衡的影響；低理解組則在抽象的符號、圖像中提取信息困難，因而更多依賴文字信息來幫助作答。

2.啟示

師范生需正視自身的概念理解水平，加強不同階段化學重要概念的學習。通過訪談得知，師范生在解決中學化學問題時，仍習慣以中學生視角去看待問題，并沒有熟練地將大學期間所學的知識與中學化學很好地聯(lián)系起來，所擁有的知識儲備在問題解決上并未表現(xiàn)出優(yōu)勢。因此，化學師范生要有意識地培養(yǎng)并提高自己的高階思維能力，注重概念的遷移與應用，借此糾正自己的迷思概念。