高中生化學知識架構及其與問題解決關系研究

鄧峰 林穎 陳泳蓉 劉麗珍

摘要：使用概念圖法調(diào)查高二學生關于“電化學”主題的知識架構，結果表明內(nèi)容方面傾向于記憶實體知識，側重電化學的基本概念和統(tǒng)攝原理，而對于電化學的原理應用和表征不太敏感。組織結構方面多為多層發(fā)散型，表明高中生腦海中可以建立起相同知識內(nèi)容的縱向關聯(lián)，但不能形成高關聯(lián)程度的網(wǎng)絡結構。高中生的電化學知識架構水平與其解決電化學問題的能力存在正向相關關系，知識架構水平越高的學生更傾向于能夠解決電化學問題。

關鍵詞：電化學；知識架構；問題解決

知識架構（Knowledge Framing）是外界信息與個體經(jīng)主觀能動作用后，個體腦海中形成的知識經(jīng)驗結構，能反映個體掌握學科知識點、組織及表征的信息[1-2]。良好的知識架構有利于深化學生對學科知識的理解，重視知識關聯(lián)結構化有利于促進學生從學科知識向學科核心素養(yǎng)轉化[3]。

“電化學”是中學化學學科中知識體系的核心主題，也是理解化學學科、培養(yǎng)化學思維、形成化學觀念的主要載體之一，還與金屬活動順序、氧化還原反應、電解質電離、離子反應以及能量變化等知識交叉融合，是對多個學科知識點的綜合運用[4]，其知識內(nèi)涵的深廣度同時也決定了其知識架構的考察價值和核心地位。

目前，對于學生知識架構的測查研究已逐漸豐富，測查工具亦趨于成熟，研究者們通常使用概念圖、流程圖等工具來測查學生關于特定主題下的知識架構[5]，有研究指出有機化學主題的知識架構水平是影響其問題解決成績的關鍵因素，且在成績變化中占很大比例[6]。而就“電化學”主題而言，國外仍停留于對單個知識點的迷思概念的定性分析[7-12]，而國內(nèi)則注重電化學認識水平模型進階式定量分析[13-15]。

相對而言，國內(nèi)外研究者對“電化學”主題概念知識間結構關系的關注依舊不足，對其與問題解決關系的研究更是稀缺。因此，實施高中生的電化學知識架構水平及其與問題解決關系的探查研究具有重要意義?；诖?，本研究將致力于解決兩個研究問題：（1）高中生關于“電化學”的知識架構如何；（2）高中生的“電化學”知識架構與其問題解決關系如何。

1 研究設計

1.1 研究對象

基于方便取樣，選取廣州市某重點中學40名高二選考化學的學生為研究對象。該校為廣東省的重點學校之一，學生整體處于中等偏上水平。所有學生學習的教材均為2019年人教版教材，并已經(jīng)完成高中化學選擇性必修1第四章“電化學”主題相關概念的學習。學生按照自愿原則完成問卷，平均用時30～40min。

1.2 數(shù)據(jù)收集

本研究采用開放性問卷和紙筆測試為主要數(shù)據(jù)收集方法，并結合半結構化訪談為輔進行數(shù)據(jù)補充，具體步驟如下。

首先，編制并發(fā)放《高中生電化學知識架構調(diào)查問卷》，問卷包括兩個問題：“當聽到電化學時，你會想到什么”和“請列舉并解釋與電化學有關的內(nèi)容，并使用圖形與帶說明的箭頭表示這些內(nèi)容之間的關系?！笔褂迷撻_放性問卷有助于研究對象深入描述其腦海中知識的真實水平，以全面探查高中生“電化學”主題的知識架構組織情況。

接著，進行半結構化訪談。由于“電化學”是對原電池、電解池等知識的綜合性概括主題，在高中階段的教科書和實際教學中并未存在該詞。為避免出現(xiàn)參與者對問卷題目理解出錯或不透徹的情況，依照40位學生繪制的概念圖內(nèi)容，引導學生對其繪制的概念圖進行解釋，實現(xiàn)相互驗證，以獲取真實而有效的數(shù)據(jù)。訪談主要從以下問題延伸展開：“你所理解的‘電化學’是怎樣的”“能不能解釋一下你畫的概念圖”“對于概念圖的內(nèi)容你還有什么要補充的嗎”“你覺得你畫的概念圖中最核心的概念是哪個”和“你在考試解題中有無使用這些內(nèi)容”，在訪談過程中依據(jù)被訪談者的回答進行延伸、拓展或轉換。另外，通過對其觀點進一步追問，能完善某些學生可能無從下筆、無法準確表征腦海里“電化學”主題相關知識等情況以減少數(shù)據(jù)遺失。

最后，基于已有研究設計對應的紙筆測試對研究對象進行測查。編制高中生“電化學”主題紙筆測試卷，以測查診斷對象在該主題下的問題解決能力水平。其設計題型包括選擇題和填空題，各題考察內(nèi)容則分別側重于不同種知識組分或針對不同種組分間聯(lián)系的理解與運用。后續(xù)通過對比不同對象間知識架構水平與其紙筆測得分情況，從而探查兩者間關系如何。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2019和SPSS 25.0軟件對問卷數(shù)據(jù)進行分析，包含以下2個方面：（1）從知識架構的內(nèi)容與結構兩個角度出發(fā)，通過分析詞語聯(lián)想內(nèi)容及其繪制的概念圖，對比標準參照圖來評估學生對“電化學”概念知識內(nèi)容的具體內(nèi)涵豐富程度，其組織結構水平則通過概念圖分析法進行評價，基于結構評分法分別統(tǒng)計并賦分概念圖中涵蓋的有效節(jié)點、命題和層次，以此診斷學生頭腦里知識間關聯(lián)整合的結構層次。（2）通過卡方檢驗與Pearson相關分析探查知識架構與問題解決的關系，尤其關注學生知識架構水平與紙筆測試得分之間的相關性，以及兩者之間準確性是否存在顯著性差異。

2 結果與討論

2.1關于“電化學”知識架構的分析結果

2.1.1知識架構的架構內(nèi)容分析結果

高中生關于“電化學”主題聯(lián)想的知識架構主要由“原電池”“電解池”“金屬的腐蝕”“金屬的防護”“電極反應式的書寫”和“氧化還原反應”六部分組成。據(jù)統(tǒng)計，43%的學生問卷都能完整涵蓋六種主要知識組分（見圖1），可見高中生在電化學知識的寬廣度層面表現(xiàn)得較為突出，知識覆蓋延展度高。

為更直觀呈現(xiàn)頻次的高低，將其繪制成柱狀圖見圖2。六種知識組分中頻次最高的為“原電池”。其中，92.5%的學生都提及到“化學電源是原電池的應用之一”，這是從生活應用視角認識原電池，表明儲存于高中生頭腦中的知識與課程標準的內(nèi)容要求相契合[2]，即認識化學能與電能相互轉化的實際意義與重要應用。然而提及工作原理的頻次不多，涉及定義內(nèi)涵和構成條件的學生僅有一半左右，闡述“雙液原電池需要鹽橋”等裝置類型類的詞句則是更少。相似地，就“電解池”而言，87.5%的學生都能提及電鍍、電解精煉銅和電冶金等生活應用知識，認識電解在實現(xiàn)物質轉化和儲存能量中的具體應用。然而僅一半的學生對電解池的工作原理熟悉，且僅有27.5%的學生提及電解反應背后蘊含的本質?？梢?，學生對電化學兩大內(nèi)涵的認識更側重于應用價值，而較易忽視其實質原理。

圖2高中生“電化學”主題的聯(lián)想內(nèi)容統(tǒng)計

在應用層面，有40%的學生能夠正確將“金屬的腐蝕”類型分為化學腐蝕與電化學腐蝕，且有65%的學生能進一步將電化學腐蝕分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕，這說明高中生從分類觀角度學習的金屬腐蝕知識更具邏輯性。相比而言，學生較少提及兩種腐蝕方式的不同適用條件及其對應的微觀原理，這很大程度上是微觀現(xiàn)象的不可見性導致的。與之相似的是，大多數(shù)學生能將“金屬的防護”的方法分為物理方法和化學方法，進而將化學方法分為犧牲陽極法和外加電流法。但僅有37.5%的學生能夠標注清楚電化學防護方法背后蘊含的本質原理，并與已掌握的原電池和電解池模型知識相聯(lián)系，實現(xiàn)化學知識結構化、系統(tǒng)化。

在表征方面，電極方程式可用于衡量高中生使用化學術語表征電極反應事實的能力，一定程度上能夠反映高中生的微觀探析和模型建構能力。結果表明學生對“電極反應式的書寫”的普遍掌握程度較低，無論是涉及“電子守恒、質量守恒、電荷守恒”的守恒觀，還是書寫方程式時考慮到的環(huán)境思維或電極放電順序，統(tǒng)計結果均不超過50%。而已有研究顯示[12]，學生在電極反應方程式書寫上存在的問題最大，在書寫時容易割裂地看待問題，難以在綜合考慮環(huán)境思維的同時系統(tǒng)運用三大守恒和放電順序等知識，可見其本身綜合性之強和難度之高。通過深度訪談，將其具體歸因于學生難以判斷是哪種物質真正參與了電極反應，以及產(chǎn)生了何種電極反應產(chǎn)物。因此，教師在教學過程中應著重注意引導學生書寫電極反應式的過程，建構反應物和生成物推導模型，梳理其遵循的配平規(guī)律，將書寫步驟程序化、模型化。

在本質方面，經(jīng)過初三和高一對“氧化還原反應”的學習，高中生已經(jīng)能夠從多個知識維度對其進行認識。92.5%的學生能從反應類型的視角來認識電化學反應，95%的學生可以從微觀本質視角定義電極反應的區(qū)別，實現(xiàn)了從元素認識水平過渡到微粒認識水平的進階。不過，能意識到“氧化還原反應實則為電化學知識背后的統(tǒng)攝性原理，具有理論性指導地位”這一水平的學生極少，這意味著其僅能從宏觀、微觀兩個維度建立起對電化學的認識，而未能拔高對已學知識的認識，從整體維度綜合完善地認識電化學知識。

2.1.2知識架構的結構分析結果

高中生電化學知識架構中知識之間的組織關聯(lián)情況可以反映其知識架構的結構化水平，因此本研究對每張概念圖的類型、數(shù)目及百分比進行分析和統(tǒng)計，得出高中生繪制的電化學概念圖類型大致分為以下四種類型：散點型、單層發(fā)散型、多層發(fā)散型和多層聚類型，統(tǒng)計結果如表1所示。

具體而言，水平較低的散點型概念圖缺乏使用連線來表示兩者之間關系，圖中的每個知識內(nèi)容各自散開分布，因此這類概念圖呈現(xiàn)無序化，較為零散雜亂。如上表中例圖所示，該學生無法建立原電池、電解池等概念及其應用之間的聯(lián)系。統(tǒng)計結果顯示，僅有三位高中生繪制的概念圖為散點型，這與他們難以將“電化學”主題內(nèi)容結構化，導致腦海里的知識呈孤立性記憶有關。

第二類為單層發(fā)散型概念圖，其有效知識節(jié)點數(shù)一般大于三個，但結構上僅為單層層次。簡而言之，這類概念圖常以一個核心概念為中心點，其他知識內(nèi)容圍繞此中心點發(fā)散，呈現(xiàn)單層網(wǎng)狀結構。繪制這類概念圖的高中生對電化學的知識內(nèi)容掌握較豐富，但其各概念間的邏輯聯(lián)系和層次結構較單薄，缺乏橫向或縱向維度的邏輯聯(lián)系。

而與單層發(fā)散型相比，多層發(fā)散型概念圖更像是在其基礎上發(fā)展與延伸，增添了上下層的縱向關系結構，彌補了縱向維度的發(fā)展聯(lián)系。這種概念圖內(nèi)的電化學有效節(jié)點數(shù)一般大于5個，且層次為2層以上的概念圖。但此類概念圖仍缺乏橫向維度的邏輯聯(lián)系，因此這類概念圖以核心概念為中心點發(fā)散后延伸開來，呈現(xiàn)多層網(wǎng)狀結構。統(tǒng)計結果可看出，大部分高中生均繪制出多層發(fā)散型的概念圖結構，這證明儲存于高中生頭腦中關于電化學主題的知識內(nèi)容較多，且能較好地組織知識層次關系，表現(xiàn)為水平較高的知識層次結構，但不同知識類目下的知識內(nèi)容間無法建立起橫向的邏輯聯(lián)系。

多層聚類型則是高級知識層次的概念圖，其不僅涵蓋的知識內(nèi)容數(shù)目豐富、而且各個層次結構完善，關系緊密。該結構層級的聚類性不僅體現(xiàn)于其存在的縱向發(fā)展聯(lián)系，也體現(xiàn)在不同概念類目下知識內(nèi)容建立的橫向聯(lián)系。

整體而言，接近一半的學生關于“電化學”主題的概念圖傾向于多層發(fā)散型（45.0%），其次分別為多層聚類型（32.5%）和單層發(fā)散型（15.0%），而結構化水平低的散點型占比最低（7.5%）。這表明高中生在有限時間內(nèi)，關聯(lián)知識的有效節(jié)點較多，并且層次結構豐富，腦海中可以建立起相同知識內(nèi)容的縱向關聯(lián)，但結構層次主要體現(xiàn)為發(fā)散性網(wǎng)絡狀，不同知識點之間水平連接的能力較低，不能形成高度相關的網(wǎng)絡結構。

為形成高中生電化學知識架構圖，筆者通過概念圖分析法詳細統(tǒng)計高中生繪制的電化學概念圖各知識組分間的橫向聯(lián)系情況，統(tǒng)計結果如表2所示。據(jù)此可知，“氧化還原反應”“原電池”和“電解池”三種成分的聯(lián)系次數(shù)最多，高達88%，這主要是氧化還原反應對原電池和電解池知識具有統(tǒng)攝性的指導作用，而原電池和電解池之間在能量維度、物質轉換維度和電極方面都具有關聯(lián)，因此三者較易建立起聯(lián)系。此外，“電解池”與“電極反應式的書寫”、“金屬的腐蝕”與“金屬的防護”的聯(lián)系均達到20次以上，同時學生也能夠建立起“原電池”“電解池”與“金屬的防護”的聯(lián)系（共達10次），可見他們腦海中能夠梳理出電化學防護方法背后支持的本質原理，從而實現(xiàn)知識間的聯(lián)系。

為直觀地展示高中生在“電化學”主題的知識架構情況，將表2的統(tǒng)計結果繪制成圖3的知識架構圖形式呈現(xiàn)。其中，雙向箭頭“?”用來代表兩種知識組分間的聯(lián)系組合，并通過線條粗細和顏色深淺程度來表示兩個知識組分的聯(lián)系頻率均值，而三角形“?”則可代表三種知識組分間的聯(lián)系組合。

從整體上看，高中生電化學知識架構圖包含6個知識組分，呈現(xiàn)金字塔形狀。而“原電池”和“電解池”作為該知識架構的核心點，其他4個知識組分以其為中心進行發(fā)散與延伸。因此，“原電池”和“電解池”也是知識結構的認知固定點，與其他大部分知識組分均存在著或多或少的聯(lián)系，譬如在表征層面與“電極反應式的書寫”有關，在應用層面體現(xiàn)著“金屬的腐蝕”和“金屬的防護”的本質原理。這也反映出這三個知識組分也屬于認知固定點，同時在一定程度上反映了“電化學”主題下知識內(nèi)容的繁雜性和有序性，以及知識之間橫向和縱向關聯(lián)的深入性。與之不同的是，“氧化還原反應”則為兩大認知固定點背后的原理，故與其他三種電化學知識組分并不存在關聯(lián)組合關系。

2.2 高中生的電化學知識架構與其問題解決關系

為進一步探查知識架構與問題解決能力的關系，筆者借助電化學測試題目對學生問題解決能力進行賦分，并分別統(tǒng)整每道題所考察的具體知識組分種類及其之間聯(lián)系的總數(shù)作為該題對應的知識架構總分，在此基礎上對每位學生知識架構中是否包含該題考察知識及聯(lián)系與其解題錯對情況進行卡方檢驗。由結果可知，3道選擇題和5道填空題的顯著性p值均小于0.05，即不同知識架構水平的高中生解決電化學問題的能力在統(tǒng)計學上存在顯著性差異，由此得到“知識架構水平與問題解決這兩種變量間存在關系”的結論。

另外，將每位學生的紙筆測試總分與整個知識架構總分進行Pearson相關分析，結果表明相關系數(shù)r=0.350且p=0.027，亦表明兩者存在著正向中度相關，電化學知識架構水平越高的學生更傾向于能夠解決電化學問題。

3 研究結論與建議

通過調(diào)查40名高二學生關于“電化學”主題的知識架構，本研究得出以下兩個主要結論：（1）高中生關于電化學的知識架構在內(nèi)容上傾向于記憶實體知識，側重電化學的基本概念和統(tǒng)攝原理，而對于電化學的原理應用和表征不太敏感，尤其對“金屬的腐蝕”和“電極反應式的書寫”知識組分的理解相對不足。而在組織結構上，學生所繪制的概念圖傾向于多層發(fā)散型，這表明高中生關聯(lián)知識的有效節(jié)點較多，且層次結構豐富，腦海中可以建立起相同知識內(nèi)容的縱向關聯(lián)。但不同知識點之間橫向連接的能力較低，不能形成高度相關的網(wǎng)絡結構；（2）高中生的電化學知識架構的水平與其解決電化學問題的能力存在正向相關關系，不同概念圖水平的高中生解決電化學問題的能力存在顯著性差異。據(jù)此，筆者對電化學和概念架構的相關研究和教學提出以下三點建議：

（1）在研究層面，“電化學”主題知識內(nèi)涵的深廣度決定了其承載著的觀念豐富，蘊含守恒觀、微粒觀、變化觀、元素觀、模型觀、分類觀、能量觀、辯證觀及化學價值觀等化學基本觀念，后續(xù)研究可基于“電化學”主題選擇具體要測查的某種或多種學科觀念，明確所選擇觀念的具體定義內(nèi)涵，形成基本理解并劃分水平進階，詳細界定不同層次水平的具體表現(xiàn)后進行數(shù)據(jù)收集，完善高中生觀念水平及組織架構的測查[16]。另外，當前研究主要集中于化學學科各大核心概念的架構，但仍然缺乏對其影響因素或具體影響機理的研究，因此可在已有研究的基礎上，嘗試研究不同教學策略對學生概念架構水平的影響，提煉具有普適性的結論與策略，以期對學生的學習困難對癥下藥。

（2）在方法層面，由于概念圖的構成要素包含節(jié)點、命題、層次及實例等，其繪制過程中能促使學生知識結構外顯化和可視化，故本研究利用有效診斷學生頭腦里知識間關聯(lián)整合關系的概念圖法測查并評價高中生知識的組織結構，進一步梳理圖中每種知識類型的頻次及其之間的連接關系。但本研究更多僅限于關注其橫向聯(lián)系方面的統(tǒng)計，對于縱向延伸程度或進階水平的關注不夠深入，其相關結構和層次結構的賦分規(guī)則仍有待更多的實證研究進行檢驗和完善。

（3）在教學層面，大部分學生能從應用、核心、表征三個層面認識電化學，但對于從本質層面認識電化學仍存在一定的學習困難，而背靠氧化還原反應這一統(tǒng)攝性原理可以從反應類型、微觀本質上幫助理解電極反應，可見學生鮮少主動將舊知與新知建立聯(lián)系。因此在教學中教師可基于概念映射方法的價值，采取概念圖式教學，顯化電化學與相關知識的關聯(lián)互對性，引導學生進行知識遷移與關聯(lián)化，以此完善認知網(wǎng)絡，這也不失為一種可采取的教學策略與評價方式。

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