基于MAS 問題編碼的化學(xué)知識多重表征研究

1、基于mas問題編碼的化學(xué)知識多重表征研究張怡納 王祖浩（華東師范大學(xué)化學(xué)系，上海200062）摘要:本研究主要借鑒mas問題編碼的方法，對化學(xué)中宏觀表征、微觀表征、符號表征兩兩之間的轉(zhuǎn)換以及三重表征間的轉(zhuǎn)換問題，以測試的形式，就學(xué)生在單維轉(zhuǎn)換中表現(xiàn)出的差異進(jìn)行了因素分析，并對某一轉(zhuǎn)換水平在單維、多維轉(zhuǎn)換中的轉(zhuǎn)換能力作了比較，以期為提高學(xué)生三重表征思維提供有益的啟示關(guān)鍵詞:宏觀表征;微觀表征;符號表征;mas問題編碼文章編號：10056629（2008）03001104中圖分類號：g633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：b1問題的提出化學(xué)是一門在分子、原子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)。物

2、質(zhì)的性質(zhì)體現(xiàn)在宏觀變化上，物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)等微觀知識則是理解性質(zhì)，把握變化本質(zhì)的基礎(chǔ)。而化學(xué)符號作為聯(lián)系宏觀與微觀的橋梁，是化學(xué)學(xué)習(xí)的重要工具。因此，對化學(xué)知識進(jìn)行宏觀表征、微觀表征和符號表征，并在三者間實(shí)現(xiàn)有機(jī)的聯(lián)系，即進(jìn)行三重表征，可以說是化學(xué)學(xué)習(xí)的精髓所在。mas，即多維分析系統(tǒng)(multidimensional analysis system)，它最初被設(shè)計(jì)用于確定與摩爾相關(guān)的化學(xué)定量問題的難度。mas系統(tǒng)分析了解決某類問題所需的幾種知識維度，并對每一種維度的難度要求從低到高進(jìn)行賦值，然后再依據(jù)問題涉及的知識維度和難度水平對問題進(jìn)行編碼，從而實(shí)現(xiàn)對該類問題的難度分類1。例如對于“摩爾”

3、這一知識點(diǎn)的問題解決，mas系統(tǒng)的維度設(shè)置包括三個(gè)轉(zhuǎn)換水平：宏觀符號、微觀符號、符號過程，難度分類值為0、1、2、3，其問題分類具體規(guī)則如下：表1 摩爾問題的mas問題編碼規(guī)則難度百位符號過程十位微觀符號個(gè)位宏觀符號0沒有化學(xué)反應(yīng)過程沒有微粒沒有質(zhì)量1有化學(xué)反應(yīng)過程，有化學(xué)方程式摩爾微粒以“克”為單位的質(zhì)量2有化學(xué)反應(yīng)過程，沒有反應(yīng)方程式摩爾微粒和阿伏加德羅常數(shù)各種單位制的質(zhì)量3有化學(xué)反應(yīng)過程，限定參與反應(yīng)的物質(zhì)微粒的比較質(zhì)量的比較、分子式根據(jù)上述分類規(guī)則，對于不同的摩爾問題可分別進(jìn)行編碼，例如no2的摩爾質(zhì)量是多少？根據(jù)上述問題編碼規(guī)則，該題的mas問題編碼確定為001。本研究借用了mas系

4、統(tǒng)的方法，對化學(xué)問題分別進(jìn)行編碼，研究學(xué)生對化學(xué)中三種知識表征間的轉(zhuǎn)換能力。根據(jù)問題涉及的知識表征，本研究設(shè)置了三種維度的知識表征間的轉(zhuǎn)換水平：宏觀微觀、微觀符號、宏觀符號。其中單維度指的是僅包含一種上述轉(zhuǎn)換水平，多維度指的是包含一種以上上述轉(zhuǎn)換水平。根據(jù)解決問題所需的不同表征間的轉(zhuǎn)換方向分為0、1、2三類，具體的mas問題編碼規(guī)則如下所示：表2 本研究mas問題編碼規(guī)則 水平方向百位宏觀微觀十位微觀符號個(gè)位宏觀符號0不含宏觀與微觀轉(zhuǎn)換不含微觀與符號轉(zhuǎn)換不含宏觀與符號轉(zhuǎn)換1微觀宏觀微觀符號符號宏觀2宏觀微觀符號微觀宏觀符號2研究設(shè)計(jì)2.1 研究目的本研究旨在考查高中學(xué)生化學(xué)宏觀表征、微觀表征、

5、符號表征兩兩之間的轉(zhuǎn)換能力。通過學(xué)生間轉(zhuǎn)換能力的差異比較以及某一轉(zhuǎn)換水平在不同維度下轉(zhuǎn)換情況的分析，旨在為提高學(xué)生進(jìn)行三重表征的能力提供有益的借鑒。2.2 研究對象本研究選取上海市兩所高級中學(xué)高三學(xué)生為被試，按照化學(xué)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的好壞，對被試進(jìn)行分組。將學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較好的學(xué)生歸為一組(以下簡稱a組被試)，將學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相對較差的學(xué)生歸為另一組(以下簡稱b組被試)。其中，a組被試共90人，b組被試共50人。2.3測試材料根據(jù)研究目的，將進(jìn)行兩次測試，測試中涉及到的化學(xué)知識均為學(xué)生在高一高二中已學(xué)的，測試一和測試二將分別反映學(xué)生單維度轉(zhuǎn)換的情況和多維度轉(zhuǎn)換的情況。測試一與測試二的mas問題編碼如下：mas n

6、o.測試一：單維度轉(zhuǎn)換001、002、010、020、100、200測試二：多維度轉(zhuǎn)換021、102、012、202、211、221本研究測試所選試題涵蓋了高中階段所學(xué)的化學(xué)基礎(chǔ)知識，所涉及的章節(jié)內(nèi)容較廣。為確保測試結(jié)果與研究結(jié)論具有一定的信度與效度，在試題的選擇上，對于同一轉(zhuǎn)換水平同一轉(zhuǎn)換方向的試題，在難度上應(yīng)盡量保證一致。2.4研究方法本研究采用對比分析的研究方法，其中測試一在a組被試和b組被試間進(jìn)行，考察兩組被試在單維度轉(zhuǎn)換能力上的差異，并揭示了造成這種差異的可能的原因；測試二在a組被試內(nèi)進(jìn)行，測試結(jié)果將與測試一的結(jié)果共同形成某一轉(zhuǎn)換水平在不同維度下的轉(zhuǎn)換情況，并作比較分析。3結(jié)果與分析

7、3.1 單維度轉(zhuǎn)換結(jié)果處理與分析對兩組被試在測試一中的回答情況進(jìn)行了結(jié)果處理，其單水平轉(zhuǎn)換的正確率分別見表3及表4所示。表3 a組被試單維度轉(zhuǎn)換正確率統(tǒng)計(jì)結(jié)果宏觀微觀微觀符號宏觀符號轉(zhuǎn)換mas no.正確率 %mas no.正確率 %mas no.正確率 %110041.7%01096.8%00193.7%220026.3%02071.1%00248.9%表4 b組被試單維度轉(zhuǎn)換正確率統(tǒng)計(jì)結(jié)果宏觀微觀微觀符號宏觀符號轉(zhuǎn)換mas no.正確率 %mas no.正確率 %mas no.正確率 %110016.7%01060.4%00166.7%22006.2%02020.4%0028.3%由以上兩

8、表可見，在單維度轉(zhuǎn)換中，a組被試的總體正確率普遍高于b組被試，兩組被試間的差異較為顯著。從測試一中兩組被試的回答情況來看，化學(xué)基礎(chǔ)較好的a組被試由于本身具備了比較全面系統(tǒng)的宏觀表征、微觀表征、符號表征的知識，能更為順利地進(jìn)行不同表征間的單維度轉(zhuǎn)換，下面將通過兩個(gè)問題實(shí)例具體加以說明。問題一(mas no. 100)：下圖是金剛石熔融狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)，請解釋為什么金剛石在室溫下是固體？分析：該題需要學(xué)生提取題干中的有效宏觀表征信息金剛石的高熔點(diǎn)，和微觀表征信息金剛石中碳原子共價(jià)鍵結(jié)合的方式，來建立由微觀到宏觀的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，答對的學(xué)生往往會注意到問題中這些“有效信息”，層層推進(jìn)地把問題解釋清

9、楚、全面。而在答錯(cuò)的學(xué)生中，有相當(dāng)一部分學(xué)生提到了“金剛石是原子晶體”，即而說明它在常溫下是固體，這明顯是犯了“本末倒置”的錯(cuò)誤。問題二(mas no. 010)：如下圖所示的分子結(jié)構(gòu)中，黑球代表原子序數(shù)小于10的元素的原子實(shí)(原子除去價(jià)電子后剩余部分)，黑點(diǎn)表示未成鍵電子，短線表示共價(jià)鍵。請寫出相應(yīng)的化學(xué)式。分析：有96.8%的a組被試正確寫出了尿素(該小題答案)的結(jié)構(gòu)式，而b組被試中的正確率僅為60.4%。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，a組被試和b組被試中答對該小題的學(xué)生中大多能正確回憶出1-10號元素原子的外層電子排布，并能將題干中的橫線與單、雙鍵對應(yīng)；黑點(diǎn)與原子外層的孤對電子對應(yīng)。顯然，在他們的頭腦中已具

10、備了原子核外電子排布及化學(xué)鍵這些微觀表征的知識，并且能在書寫化學(xué)式的過程中考慮核外電子排布及孤對電子對成鍵的影響，說明其已能正確建立起微觀表征與符號表征間的聯(lián)系，有效地實(shí)現(xiàn)兩者之間的轉(zhuǎn)換。綜上，影響學(xué)生在單維度轉(zhuǎn)換問題解決上差異的因素有：(1)對某一知識表征本身的掌握程度。倘若缺乏對宏觀、微觀、符號表征中任一表征的相關(guān)知識或能力，都將影響到學(xué)生進(jìn)行兩兩表征之間的轉(zhuǎn)換以及三重表征之間的轉(zhuǎn)換。(2)建立不同表征之間內(nèi)在的聯(lián)系。具備了宏觀、微觀、符號表征的知識，還要建立不同表征間某些內(nèi)在的對應(yīng)關(guān)系，這與對知識的熟悉程度等有關(guān)，屬于能力范疇。(3)對問題表征的深度。對問題本身包含的信息進(jìn)行深入的加工，

11、提取其中有效的部分，將有助于提高不同表征間的轉(zhuǎn)換。3.2 不同維度下轉(zhuǎn)換結(jié)果的處理與分析為考察不同維度對轉(zhuǎn)換能力的影響，研究對a組被試還進(jìn)行了多維度轉(zhuǎn)換的測試，并結(jié)合a組被試在測試一單維度轉(zhuǎn)換中的表現(xiàn)情況，得到了其在不同維度下某一轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)弱變化的趨勢，結(jié)果如下表所示(見表5、6、7)。3.2.1不同維度下轉(zhuǎn)換結(jié)果在多維度轉(zhuǎn)換的問題中，包含宏觀微觀轉(zhuǎn)換水平的問題有102、202、211、221四題，其中221因適合進(jìn)行定性分析，暫不作定量統(tǒng)計(jì)。根據(jù)轉(zhuǎn)換的方向，將宏觀微觀轉(zhuǎn)換問題分為100、102和200、202、211兩組。同理，微觀符號轉(zhuǎn)換問題分為010、012、211和020、021；宏觀

12、符號轉(zhuǎn)換問題分為001、021、211和002、102、012、202。表5 不同維度下微觀宏觀與宏觀微觀的轉(zhuǎn)換比較mas no.正確率%mas no.正確率%10041.7%20026.3%10251.1%20243.3%21150.0%注：問題102的正確率指的是“1”，即微觀宏觀這一方向轉(zhuǎn)換的正確率；問題202、211的正確率指的是“2”，即宏觀微觀這一方向轉(zhuǎn)換的正確率，下同。表6不同維度下微觀符號與符號微觀的轉(zhuǎn)換比較mas no.正確率%mas no.正確率%01096.8%02071.1%01248.0%02156.8%21160.0%表7不同維度下宏觀符號與符號宏觀的轉(zhuǎn)換比較mas

13、 no.正確率%mas no.正確率%00193.7%00248.9%02187.4%10242.2%21172.2%01228.3%20227.2%3.2.2不同維度下轉(zhuǎn)換結(jié)果分析由上述結(jié)果顯示，宏觀微觀的轉(zhuǎn)換因有符號的介入，使的該轉(zhuǎn)換變得更容易實(shí)現(xiàn)。我們知道，宏觀領(lǐng)域主要關(guān)注物質(zhì)及其性質(zhì)、科學(xué)過程及現(xiàn)象，而微觀領(lǐng)域則主要關(guān)注微粒模型，如分子、原子和離子等，而符號在連接宏觀與微觀之間，起到重要的橋梁的作用2。有學(xué)者將宏觀、微觀、符號三個(gè)界面的關(guān)系表示如下：宏觀領(lǐng)域(物質(zhì)、現(xiàn)象等) 符號表征 (分子式、化學(xué)方程式等) 微觀領(lǐng)域(分子、原子等)宏觀微觀符號界面由上圖可以發(fā)現(xiàn)，宏觀領(lǐng)域與微觀領(lǐng)域是

14、可見的物質(zhì)世界與不可見的粒子運(yùn)動這樣兩個(gè)沒有交叉的領(lǐng)域，從一杯水要獲知水的分子組成，結(jié)構(gòu)式確實(shí)非常困難，然而這也正是化學(xué)的奧秘之處?；瘜W(xué)符號不僅是中學(xué)化學(xué)知識的重要組成部分，而且是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識或化學(xué)事實(shí)的重要表征形式之一，具有知識性和工具性的高度統(tǒng)一。學(xué)生解決化學(xué)問題必然在很大程度上要運(yùn)用化學(xué)符號提取化學(xué)知識、轉(zhuǎn)換化學(xué)信息，甚至進(jìn)行化學(xué)符號組合或轉(zhuǎn)換等一系列思維活動3。下面我們?nèi)砸詼y試中的一道實(shí)例加以說明。問題三(mas no. 202)：kclo3和nahso3在溶液中能發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其反應(yīng)速率與時(shí)間的關(guān)系如下圖所示。已知該反應(yīng)的速率隨h+濃度的增大而增大，試回答：(1)寫出反應(yīng)的離

15、子方程式。(2)請解釋反應(yīng)剛開始階段反應(yīng)速率逐漸增大以及反應(yīng)后期速率逐漸減慢的原因。分析：問題202首先要求寫出某氧化還原反應(yīng)的離子方程式，這是宏觀符號的轉(zhuǎn)換。根據(jù)物質(zhì)的氧化性和還原性，有一部分學(xué)生能正確書寫離子方程式，而影響反應(yīng)速率的h+是生成物之一，可解釋該反應(yīng)由快到慢這一宏觀現(xiàn)象背后的微觀機(jī)理，提高了宏觀表征到微觀表征的轉(zhuǎn)換。另外，對于微觀符號、宏觀符號的轉(zhuǎn)換，增加問題的維度，只是單純的增加轉(zhuǎn)換的次數(shù)，提高問題的難度，對學(xué)生三重表征之間轉(zhuǎn)換水平的要求也更高。從轉(zhuǎn)換的方向上來看，宏觀微觀、符號微觀、符號宏觀的轉(zhuǎn)換也要略難于微觀宏觀、微觀符號、宏觀符號的轉(zhuǎn)換。這可能是因?yàn)榉柋碚鞅旧砭桶?/p>

16、很多信息，它是宏觀現(xiàn)象和微觀機(jī)理的高度濃縮，因此根據(jù)給出的符號信息來推知宏觀性質(zhì)與微觀本質(zhì)就會比較容易進(jìn)行。參考文獻(xiàn)1 yehudit j.dori, mira hameiri. multidimensional analysis system for quantitative chemistry problem: symbol,macro,micro,and process aspects. journal of research in science teaching, 20032 onno de jong, jan van driel. prospective teachers conc

17、erns about teaching chemistry topics at a macro-micro-symbolic interface. speeches/meeting reports,19993 付勇. 化學(xué)符號在中學(xué)生化學(xué)問題解決中的作用研究j.化學(xué)教育，2007，4我的大學(xué)愛情觀1、什么是大學(xué)愛情：大學(xué)是一個(gè)相對寬松，時(shí)間自由，自己支配的環(huán)境，也正因?yàn)檫@樣，培植愛情之花最肥沃的土地。大學(xué)生戀愛一直是大學(xué)校園的熱門話題，戀愛和學(xué)業(yè)也就自然成為了大學(xué)生在校期間面對的兩個(gè)主要問題。戀愛關(guān)系處理得好、正確，健康，可以成為學(xué)習(xí)和事業(yè)的催化劑，使人學(xué)習(xí)努力、成績上升；戀愛關(guān)系處理的不當(dāng)，

18、不健康，可能分散精力、浪費(fèi)時(shí)間、情緒波動、成績下降。因此，大學(xué)生的戀愛觀必須樹立在健康之上，并且樹立正確的戀愛觀是十分有必要的。因此我從下面幾方面談?wù)勛约旱膶Υ髮W(xué)愛情觀。2、什么是健康的愛情：1) 尊重對方，不顯示對愛情的占有欲，不把愛情放第一位，不癡情過分；2) 理解對方，互相關(guān)心，互相支持，互相鼓勵(lì)，并以對方的幸福為自己的滿足; 3) 是彼此獨(dú)立的前提下結(jié)合；3、什么是不健康的愛情：1)盲目的約會，忽視了學(xué)業(yè);2)過于癡情，一味地要求對方表露愛的情懷，這種愛情常有病態(tài)的夸張;3)缺乏體貼憐愛之心，只表現(xiàn)自己強(qiáng)烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大學(xué)生處理兩人的在愛情觀需要三思：1. 不影

19、響學(xué)習(xí)：大學(xué)戀愛可以說是一種必要的經(jīng)歷，學(xué)習(xí)是大學(xué)的基本和主要任務(wù)，這兩者之間有錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，有的學(xué)生因?yàn)閻矍?，過分的忽視了學(xué)習(xí)，把感情放在第一位；學(xué)習(xí)的時(shí)候就認(rèn)真的去學(xué)，不要去想愛情中的事，談戀愛的時(shí)候用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)，互相鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。2. 有足夠的精力：大學(xué)生活，說忙也會很忙，但說輕松也是相對會輕松的！大學(xué)生戀愛必須合理安排自身的精力，忙于學(xué)習(xí)的同時(shí)不能因?yàn)楦星榈氖虑榉中模荒茉趯W(xué)習(xí)期間，放棄學(xué)習(xí)而去談感情，把握合理的精力，分配好學(xué)習(xí)和感情。3、 有合理的時(shí)間；大學(xué)時(shí)間可以分為學(xué)習(xí)和生活時(shí)間，合理把握好學(xué)習(xí)時(shí)間和生活時(shí)間的“度”很重要；學(xué)習(xí)的時(shí)候，不能分配學(xué)習(xí)時(shí)間去安排兩人

20、的在一起的事情，應(yīng)該以學(xué)習(xí)為第一；生活時(shí)間，兩人可以相互談?wù)剳賽?，用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)，互相鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。5、大學(xué)生對愛情需要認(rèn)識與理解，主要涉及到以下幾個(gè)方面：（1） 明確學(xué)生的主要任務(wù)“放棄時(shí)間的人，時(shí)間也會放棄他?！贝髮W(xué)時(shí)代是吸納知識、增長才干的時(shí)期。作為當(dāng)代大學(xué)生，要認(rèn)識到現(xiàn)在的任務(wù)是學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)做人、學(xué)習(xí)知識、學(xué)習(xí)為人民服務(wù)的本領(lǐng)。在校大學(xué)生要集中精力，投入到學(xué)習(xí)和社會實(shí)踐中，而不是因把過多的精力、時(shí)間用于談情說愛浪費(fèi)寶貴的青春年華。因此，明確自己的目標(biāo)，規(guī)劃自己的學(xué)習(xí)道路，合理分配好學(xué)習(xí)和戀愛的地位。（2） 樹林正確的戀愛觀提倡志同道合、有默契、相互喜歡的愛情：在戀人的選擇上最重要的條件應(yīng)該是志同道合，思想品德、事業(yè)理想和生活情趣等大體一致。擺正愛情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系：大學(xué)生應(yīng)該把學(xué)習(xí)、事業(yè)放在首位，擺正愛情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系，不能把寶貴的大學(xué)時(shí)間，鍛煉自身的時(shí)間都用于談情說有愛而放松了學(xué)習(xí)。 相互理解、相互信任，是一份責(zé)任和奉獻(xiàn)。愛情是奉獻(xiàn)而不時(shí)索取，是擁有而不是占有。身邊的人與事時(shí)刻為我們敲響警鐘，不再讓悲劇重演。生命只有一次，不會重來，大學(xué)生一定要樹立正確的愛情觀。（3） 發(fā)展健康的戀愛行為 在當(dāng)今大學(xué)校園，情侶成雙入對已司空見慣。抑制大學(xué)生戀愛是不實(shí)際的