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

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

一、問題的提出化學(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試的方式，依據(jù)學(xué)生對具體題目的回答情況評價(jià)對學(xué)生觀念水平進(jìn)行間接測查，未體現(xiàn)出與“知識為本”的教學(xué)評價(jià)方式在本質(zhì)上的差異。蔡今中提出認(rèn)識結(jié)構(gòu)的測量和表征主要包括已經(jīng)獲得的知識以及知識之間的聯(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)測量中，揭示了學(xué)生關(guān)于某一化學(xué)主題的知識結(jié)構(gòu)特征[6]。化學(xué)基本觀念與具體知識之間又存在緊密聯(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一定的能動性和靈活性，使化學(xué)知識能夠發(fā)生遷移和應(yīng)用[7]。因此，學(xué)生關(guān)于某個主題的知識結(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)”的知識結(jié)構(gòu)[8]，并重點(diǎn)依據(jù)化學(xué)基本觀念對具體知識學(xué)習(xí)的“指導(dǎo)性”和“統(tǒng)攝性”作用發(fā)展觀念結(jié)構(gòu)評價(jià)工具，“自上而下”分析學(xué)生的知識結(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)。二、研究對象和方法（一）研究對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學(xué)生（共30人）為研究對象。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，并通過金屬及其化合物、非金屬及其化合物的學(xué)習(xí)加深了對于氧化還原反應(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，具備一定的知識遷移與運(yùn)用能力，可以形成相應(yīng)的化學(xué)基本觀念。（二）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：引出知識結(jié)構(gòu)。根據(jù)Anderson和Demetrius訪談法[9]，對30名被試進(jìn)行訪談。訪談問題主要包括：關(guān)于“氧化還原反應(yīng)”你能想到哪些重要的知識點(diǎn)或者概念？你能否將以上你所說的知識敘述得再詳細(xì)一點(diǎn)？你能否說出這些知識之間有什么聯(lián)系？三個問題在由訪談?wù)咛岢鰰r(shí)不要加任何提示性語句，同時(shí)采取錄音的方式對受訪者的敘述進(jìn)行記錄。在學(xué)生對這些問題的回答被錄音后，要求他們立即聽取錄音，并對錄音內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，這一過程稱為“后置聽力階段”。后置聽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結(jié)構(gòu)表征的依據(jù)。第2步：表征知識結(jié)構(gòu)。將每位被試者的語音轉(zhuǎn)錄為文字，按照知識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（整個錄音期間排除研究者提問，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]，見圖1知識結(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)評價(jià)框架（見表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模型的形式儲存在大腦中，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，最終得到高一學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)知識結(jié)構(gòu)、觀念結(jié)構(gòu)流程圖（見圖1）。三、結(jié)果與討論（一）“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)評價(jià)框架”為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)的知識結(jié)構(gòu)為評價(jià)對象，測查學(xué)生關(guān)于“氧化還原反應(yīng)”的觀念水平：（1）對于不同化學(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（見表1）。概念類基本觀念的體現(xiàn)與學(xué)生基礎(chǔ)知識的掌握情況密切相關(guān)[14]。因此，該結(jié)果說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)知識并將其準(zhǔn)確表達(dá)出來，但對于氧化還原中的規(guī)律方法仍然是“死記硬背”，缺乏真實(shí)感悟和體會，因此記憶時(shí)間短，表述不準(zhǔn)確[15]。對于概念類基本觀念，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”的角度對物質(zhì)及其變化進(jìn)行闡釋，這可能是由于高一學(xué)生對于“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)象也可以說明這一點(diǎn)。（2）對于同一觀念，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（見表1）。例如，對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”這一知識點(diǎn)得以體現(xiàn)，但對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)移過程的學(xué)生僅有8%；對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)，但是對于模型觀的第二、三水平涉及：利用觀念對知識進(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”變化可以說明：學(xué)生此時(shí)形成的是淺層次的，不能脫離具體知識的初級化學(xué)基本觀念。（二）“氧化還原反應(yīng)”觀念結(jié)構(gòu)分析首先，對每位學(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，對不同種類的多觀念組合進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見下頁表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。這說明，學(xué)生頭腦中的化學(xué)基本觀念開始出現(xiàn)聯(lián)系與整合，有結(jié)構(gòu)化的趨勢；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（如下頁圖2所示，其中箭頭的粗細(xì)程度用來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”為核心建立起來的，這說明學(xué)生在氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)過后，模型觀指導(dǎo)了學(xué)生對于絕大部分知識的回憶，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。（三）知識結(jié)構(gòu)變量對觀念結(jié)構(gòu)變量影響分析依據(jù)以下維度（見表4）對知識結(jié)構(gòu)、觀念結(jié)構(gòu)各變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用SPSS24.0對知識結(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），說明學(xué)生頭腦中關(guān)于氧化還原反應(yīng)的知識點(diǎn)越多，知識之間的網(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，這也與周青[21]等對于高一學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)知識結(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)生知識結(jié)構(gòu)的整體水平越高，相應(yīng)的對知識點(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與基本觀念之間存在緊密聯(lián)系[22]。四、結(jié)論與思考通過調(diào)查30名高一學(xué)生關(guān)于氧化還原反應(yīng)的知識結(jié)構(gòu)，本研究發(fā)現(xiàn)以下三個主要的結(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)知識結(jié)構(gòu)變量與觀念結(jié)構(gòu)變量存在顯著相關(guān)，知識結(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)測查新的內(nèi)涵，即認(rèn)知結(jié)構(gòu)測查可以包括知識結(jié)構(gòu)與觀念結(jié)構(gòu)的同時(shí)測查。受Hammer與Elby[23]關(guān)于“認(rèn)識論架構(gòu)（Epistemicframing）”研究的啟發(fā)，筆者相應(yīng)地提出“概念架構(gòu)（Conceptualframing）”用以描述這一新內(nèi)涵，具體可以理解為個體對化學(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，主要原因如下：（1）依據(jù)畢華林、萬延嵐等學(xué)者對于知識與觀念間關(guān)系的論證，學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)的過程中會以概念為基礎(chǔ)不斷建構(gòu)，最終形成對學(xué)科知識、學(xué)科觀念以及二者之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識[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)知識結(jié)構(gòu)中知識、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)知識之間