化學(xué)語境下高中生化學(xué)元建模知識的測評研究

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》闡述“模型認(rèn)知”時(shí)，既從認(rèn)知層面要求學(xué)生需充分理解模型的本質(zhì)、模型的目的、模型的檢驗(yàn)和修改以及模型的多樣性；又從實(shí)踐層面強(qiáng)調(diào)學(xué)生需具備建立和使用模型的能力［1，2］。Schwarz（2009）認(rèn)為元建模知識（Meta-modelingKnowledge，MK）是對科學(xué)如何工作和如何創(chuàng)造的本質(zhì)反映，包括模型的本質(zhì)、模型的目的以及評估和修改模型的標(biāo)準(zhǔn)［3］。Belzen（2010）等整合已有的理論框架，在此基礎(chǔ)上增加了模型的多樣性維度［4］，受到廣泛認(rèn)可。Schwarz提出，科學(xué)需要元建模知識來開發(fā)準(zhǔn)確的認(rèn)知論，并通過實(shí)證研究證實(shí)元建模知識是建模實(shí)踐所必需的知識［5］。因此，了解學(xué)生化學(xué)元建模知識的水平并促進(jìn)其發(fā)展是培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。以測評工具為切入點(diǎn)對已有研究進(jìn)行梳理可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究大都利用科學(xué)模型本質(zhì)觀調(diào)查問卷對學(xué)生元建模知識展開測評［6］。科學(xué)模型本質(zhì)觀問卷所得到的調(diào)查結(jié)果具有普遍性，但也有明顯缺點(diǎn)?！澳Ｐ汀币辉~對中學(xué)生而言較為抽象，自評量表有效性會受到影響。美國《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》指出，建模實(shí)際上是一種在真實(shí)學(xué)科情境中的科學(xué)認(rèn)知實(shí)踐。Clough和Driver（1986）［7］等國外學(xué)者和王磊等［8］國內(nèi)學(xué)者也都提到，個體對給定任務(wù)的解釋不能脫離有關(guān)任務(wù)語境，需要關(guān)注具體任務(wù)情境在學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜關(guān)系知識中的作用?！罢Z境”一詞在科學(xué)教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，一般存在兩種不同含義：一是指測量題干中的任務(wù)特征［9］；二是指學(xué)習(xí)情境［10］。本研究中“化學(xué)語境”為測量題干中的化學(xué)任務(wù)特征。信息只有在具體情境中被使用，才能被組織成有意義的、相互聯(lián)系的事實(shí)和概括化的內(nèi)容，才成為知識。因此，在具體的任務(wù)語境中去測評學(xué)生的化學(xué)元建模知識，能夠在一定程度上回應(yīng)傳統(tǒng)模型本質(zhì)觀問卷所忽視的語境問題，測量學(xué)生頭腦中的元建模知識而非他們所記憶的信息，為教學(xué)中促進(jìn)元建模知識的理解提供具體指引。2研究設(shè)計(jì)與實(shí)施2.1元建模知識測評理論框架研究采用Belzen等（2010）提出的元建模知識理論框架。該框架從模型的認(rèn)知成分出發(fā)，將元建模知識劃分為模型的本質(zhì)、模型的多樣性、模型的目的、檢驗(yàn)和修改模型五個方面［11］。該框架受到研究綜述的認(rèn)可［12］，比較經(jīng)典。其中，模型的本質(zhì)和模型的多樣性反映的是學(xué)生對模型的理解；模型的目的、檢驗(yàn)和修改模型則是建模過程的重要組成部分，反映的是學(xué)生對建模的理解。借鑒Belzen等（2010）的水平劃分［13，14］，將每個維度劃分為三個水平，以進(jìn)一步反映模型作為產(chǎn)品以及科學(xué)方法的認(rèn)識論觀點(diǎn)。如表1所示，水平1關(guān)注模型的表征；水平2則將模型視為某物的媒介，并專注于創(chuàng)建過程；水平3是理解模型在科學(xué)中用于得出和檢驗(yàn)關(guān)于原型的理論假設(shè)。水平1和2都指向“模型的描述性”，水平3則指向“模型的預(yù)測性”。2.2測評工具設(shè)計(jì)與質(zhì)量檢驗(yàn)2.2.1測評工具設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)“化學(xué)元建模知識測評問卷”，共25個題項(xiàng)。五個維度各設(shè)計(jì)5個題項(xiàng)，一個非語境任務(wù)和三個語境任務(wù)，還有一個開放式題目，用于解釋前面語境任務(wù)題項(xiàng)選擇的原因?；瘜W(xué)語境是指任務(wù)題干中所提供的化學(xué)模型的說明和解釋，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮如下因素：首先，經(jīng)過專家咨詢保證化學(xué)模型任務(wù)具備檢測到水平3的能力，不是只能區(qū)分低層次的理解。其次，為保證化學(xué)語境的多樣性，參考Harrison（2000）［15］、Kruger（2018）［16］等人的研究，從模型的表征形式、模型的功能以及模型的內(nèi)容主題對化學(xué)模型進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。最后，考慮到中學(xué)生的認(rèn)知水平，從中學(xué)化學(xué)教材不同的主題內(nèi)容中對模型進(jìn)行篩選。最終每個維度的三個語境任務(wù)對應(yīng)三類不同的化學(xué)模型（如表2所示）。以“模型本質(zhì)”維度兩個試題示例如下：非語境任務(wù)試題：你認(rèn)為模型和它的原型的關(guān)系是什么？A.展示原型的樣子B.適當(dāng)?shù)卣故玖嗽偷闹匾矫鍯.展示了對原型的假設(shè)語境任務(wù)試題：原子核外電子的排布可用下圖的電子層模型來表示，你認(rèn)為該模型和真實(shí)的電子排布有什么關(guān)系？A.展示了原子核外面的空間結(jié)構(gòu)B.展示了原子核外電子在能量不同的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動C.是科學(xué)家根據(jù)研究對原子核外電子的排布做出的理論假設(shè)為避免對學(xué)生的語境任務(wù)作答起到暗示的作用，將5個非語境題項(xiàng)集中放到問卷的最前面。2.2.2效度分析為了保證學(xué)生對任務(wù)反應(yīng)過程的有效性，研究選取了3位高校專家和4位中學(xué)教師對量表內(nèi)容進(jìn)行效度評價(jià)。專家組成員根據(jù)每個條目及研究概念的相關(guān)性從低到高分別進(jìn)行1至4分的評分，評定者間一致性為0.85。用評分為3或4的專家數(shù)除以專家總數(shù)得到條目水平的內(nèi)容效度指數(shù)，得到問卷的SCVI為0.979，內(nèi)容效度良好。根據(jù)專家意見對內(nèi)容效度較低的測試項(xiàng)目進(jìn)行修訂。2.2.3信度分析為檢驗(yàn)問卷信度，第一輪試測在省一級示范性普通高中M中學(xué)高二年級某班隨機(jī)抽取30人，發(fā)放30份問卷，回收有效問卷29份。統(tǒng)計(jì)得到元建模知識五個維度的四個任務(wù)的Cronbachalpha值分別為0.523、0.518、0.534、0.468和0.498，整體不夠理想。但Leach（2000）等人指出，學(xué)生回答的高度情境化有可能會降低Cronbachalpha值［17］，因此這樣的結(jié)果仍然在可接受范圍內(nèi)。2.3測試對象正式測試在M中學(xué)高二年級中隨機(jī)抽取了六個平行班，共發(fā)放問卷300份，回收問卷283份，剔除無效問卷21份，得到有效問卷262份。從性別上看，男生有效作答人數(shù)為137人，女生有效作答人數(shù)為125人。2.4數(shù)據(jù)處理首先，對學(xué)生正式測試的選擇題答案計(jì)分，選水平1、水平2、水平3答案的學(xué)生計(jì)分分別為1至3分，將數(shù)據(jù)輸入量化分析軟件SPSS24進(jìn)行處理。分別分析學(xué)生的元建模知識整體理解水平以及五個維度上語境對其理解水平的影響。為了揭示學(xué)生在不同語境中選擇選項(xiàng)的原因，按照學(xué)生提交問卷的序號對學(xué)生進(jìn)行編碼，對被試的每個維度的開放式問題的回答作定性分析。3分析與結(jié)論3.1學(xué)生化學(xué)元建模知識的整體理解處于描述性水平在參與調(diào)查的262份有效樣本中，學(xué)生所表現(xiàn)出的元建模知識整體理解水平分布見圖1所示，均值為2.28，標(biāo)準(zhǔn)差為0.194，表明學(xué)生的元建模知識整體理解水平大體位于水平2，學(xué)生在認(rèn)識化學(xué)模型時(shí)，主要是對模型“描述性”的認(rèn)識，將模型視為某物的媒介?！澳Ｐ偷念A(yù)測性”側(cè)重于模型在科學(xué)中用于得出和檢驗(yàn)關(guān)于原型的理論假設(shè)，而結(jié)合學(xué)生在開放題中的回答以及王祖浩等人的研究［18］可以看出，我國化學(xué)教師在化學(xué)教學(xué)中更傾向于直接提供模型，而不是鼓勵學(xué)生建立模型，即使有建模實(shí)踐，也往往停留在模型構(gòu)建和模型應(yīng)用階段，缺乏對于模型的批判性評價(jià)與修正。3.2學(xué)生元建模知識不同維度下的理解水平存在差異在比較學(xué)生元建模知識不同維度下的理解水平時(shí)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不符合正態(tài)分布，因此簡單的維度均分未必能客觀地反映學(xué)生的表現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)處理均采用非參數(shù)檢驗(yàn)方法。以各維度得分中位數(shù)為因變量，4個題項(xiàng)作為預(yù)測變量，分別進(jìn)行多元回歸分析，決定系數(shù)R2分別為0.873、0.798、0.862、0.996和0.841，均大于0.80，說明回歸模型均能解釋因變量80%以上的變異量，后續(xù)分析合理。將每個學(xué)生各題項(xiàng)的原始得分代入各自的回歸方程，可以計(jì)算每個學(xué)生在“元建模知識各維度”的預(yù)測值，以此來表示學(xué)生元建模知識各個維度的真實(shí)理解水平，最終計(jì)算結(jié)果如圖2所示。可以看出，學(xué)生元建模知識各個維度的理解水平位于水平2和3之間。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ头矫娴木底罡撸Ｐ湍康姆矫婢底畹?。為進(jìn)一步探尋元建模知識各維度的預(yù)測值的差異性，進(jìn)行成對分析，如表3所示。學(xué)生在元建模知識不同維度下的理解水平的確存在顯著性差異，在檢驗(yàn)?zāi)Ｐ头矫娴睦斫馑斤@著高于其他四個維度，在模型目的維度的理解水平顯著低于其他三個維度。這表明學(xué)生元建模知識在不同維度上的獲得過程的不一致性，可能并不是一個整體性的過程。同時(shí)，這與江奇芹［19］等學(xué)者利用模型本質(zhì)觀問卷調(diào)查得到的結(jié)果存在差異性，顯示元建模知識的語境依賴性。3.3有無語境下元建模知識理解的差異分析對有無語境的任務(wù)整體得分均值進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示整體不存在顯著性差異。但基于前一節(jié)數(shù)據(jù)分析可知，學(xué)生在元建模知識的不同維度的理解水平顯示出顯著差異，僅僅比較整體差異可能會掩蓋不同維度下學(xué)生的心理加工過程的細(xì)節(jié)，為了進(jìn)一步探索這一現(xiàn)象，對于各維度學(xué)生的作答情況及選擇原因進(jìn)行分析。無語境任務(wù)中的高水平作答能顯示學(xué)生對于元建模靜態(tài)知識的水平，而語境任務(wù)的高水平作答才能顯示出學(xué)生動態(tài)的理解，教學(xué)的理想目標(biāo)應(yīng)該是語境任務(wù)的作答情況優(yōu)于非語境任務(wù)。如圖3所示，“模型本質(zhì)”“模型目的”和“模型多樣性”三個維度的語境任務(wù)得分均值均高于非語境任務(wù)，說明學(xué)生結(jié)合具體化學(xué)語境對這些維度的動態(tài)理解更加深入。而“檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀焙汀靶薷哪Ｐ汀彪m然整體得分更高，但語境任務(wù)得分卻低于非語境任務(wù)，這反映出當(dāng)前中學(xué)化學(xué)教學(xué)中教師強(qiáng)調(diào)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃托薷哪Ｐ偷谋匾?，學(xué)生印象深刻，但是將其轉(zhuǎn)化為有意義情境中的元建模知識還存在一些困難?！澳Ｐ捅举|(zhì)”理解的語境任務(wù)作答水平分布表明，在理論模型電子層語境中，學(xué)生選擇3水平最多，結(jié)合開放題作答發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在面對理論模型時(shí)，可能更容易意識到科學(xué)知識的不確定性，從而理解“模型的本質(zhì)是對原型的理論重建，是一種推測或假設(shè)”。例如，學(xué)生對于電子層模型語境選擇水平3選項(xiàng)的解釋為：“原子和電子屬于微觀粒子，人們無法了解到其真實(shí)的狀態(tài)，所以電子層模型只能是作出一種假設(shè)?！倍鴮W(xué)生對于氮的循環(huán)語境選擇水平1的解釋為：“現(xiàn)階段的理論是較為完善的，模型展示的是我們看到的既定事實(shí)，不屬于假設(shè)?！边@說明某些學(xué)生認(rèn)為科學(xué)對于宏觀世界的發(fā)現(xiàn)確定性程度大于微觀世界，而在一定程度上忽略了科學(xué)知識固有的試探性?！澳Ｐ湍康摹崩斫獾恼Z境任務(wù)作答水平分布顯示，在數(shù)學(xué)模型化學(xué)平衡常數(shù)語境中，選擇水平3選項(xiàng)的人數(shù)最多，數(shù)學(xué)模型更為抽象、精確，能通過計(jì)算發(fā)揮預(yù)測功能，學(xué)生認(rèn)識較好。而學(xué)生在圖表模型價(jià)類二維圖語境中的理解多分布于水平2，學(xué)生的解釋是“圖表中有很多箭頭，很清晰地表示出了物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系”，表明學(xué)生在此類語境中容易將模型的目的理解為展示或解釋原型各部分的關(guān)系，從而忽視模型的預(yù)測功能?！澳Ｐ投鄻有浴崩斫獾恼Z境任務(wù)作答水平分布顯示，在理論模型共價(jià)鍵語境中，學(xué)生對于模型多樣性的認(rèn)識水平3最多。當(dāng)一種原型對應(yīng)多種理論模型時(shí)，學(xué)生會將模型的多樣性理解為是對原型作了不同的假設(shè)，理解水平最高。例如，學(xué)生在解釋共價(jià)鍵理論模型時(shí)提到：“第一種是從成鍵的角度去思考的，第二種是從分子結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行更加嚴(yán)謹(jǐn)、更加清晰的解釋?！薄靶薷哪Ｐ汀崩斫獾恼Z境任務(wù)作答中，學(xué)生對微觀結(jié)構(gòu)的模型發(fā)生修改變化的實(shí)質(zhì)原因理解不夠清晰。比如，學(xué)生認(rèn)為苯的結(jié)構(gòu)式模型發(fā)生改變的原因僅僅是研究者習(xí)慣用的符號表征方式發(fā)生了改變；有的學(xué)生在解釋原子結(jié)構(gòu)模型變化時(shí)回答道：“因?yàn)殡S著科學(xué)家對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入研究，越來越多新的發(fā)現(xiàn)被添加至模型中。”學(xué)生并不能清楚地將“把新信息添加到舊的模型中來建立新模型”和“推翻舊模型所基于的假設(shè)來建立新模型”區(qū)分開來。4教學(xué)建議4.1關(guān)注模型的認(rèn)知功能，提升學(xué)生模型預(yù)測性認(rèn)知研究結(jié)果表明，學(xué)生對于模型“預(yù)測性”的認(rèn)識不夠。在具體語境中，學(xué)生在數(shù)學(xué)模型和理論模型語境中對模型預(yù)測功能的理解較好，一定程度反映了化學(xué)反應(yīng)原理的教學(xué)中教師對學(xué)生模型預(yù)測性的認(rèn)知引導(dǎo)充分［20］，效果明顯，而對于圖像圖表模型、概念過程模型的預(yù)測性認(rèn)知，教學(xué)中還需加強(qiáng)。例如，教師可以利用元素在自然界循環(huán)的圖像圖表模型預(yù)測元素及其化合物在自然界中轉(zhuǎn)化的過程及核心化學(xué)反應(yīng)，以及自然條件對反應(yīng)的綜合影響，形成系統(tǒng)思維。在化學(xué)工藝流程的學(xué)習(xí)中，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)符合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求的物質(zhì)制備、分離和提純的一般性過程模型，積極調(diào)動學(xué)生多次使用模型預(yù)測流程中的產(chǎn)品及生產(chǎn)條件，尋求證據(jù)驗(yàn)證觀點(diǎn)，解決實(shí)際問題，促進(jìn)元建模知識向高層次發(fā)展。4.2重視建模實(shí)踐，以反思促進(jìn)學(xué)生模型檢驗(yàn)和修改知識的發(fā)展研究結(jié)果表明，學(xué)生對化學(xué)元建模知識各維度的理解在有無語境任務(wù)表現(xiàn)上是存在差異的。學(xué)生在檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃托薷哪Ｐ偷睦斫庵?，語境任務(wù)表現(xiàn)更差，啟示教師教學(xué)時(shí)除了強(qiáng)調(diào)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃托薷哪Ｐ偷闹匾?，還需要結(jié)合有意義情境讓學(xué)生深入理解模型修改的本質(zhì)原因。比如，教師在教學(xué)中首先可以利用化學(xué)史素材，分析不同時(shí)代化學(xué)家提出的某類模型為什么會發(fā)生變化？改變的依據(jù)是什么？然后讓他們在具體的建模過程中主動參與檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃托薷哪Ｐ偷膶?shí)踐活動，并在這種實(shí)踐活動中及時(shí)進(jìn)行反思，自己檢驗(yàn)和修改模型的依據(jù)是什么，觀察分析和實(shí)踐反思活動是促進(jìn)元建模知識理解的重要方式。