學生化學抽象概念認知發展研究

摘要：以電化學概念的表征和問題解決為主要研究內容，使用測驗、訪談的方法展開研究，探查不同年級學生在電化學核心概念表征中存在的差異，揭示不同年級學生在電化學問題解決中存在的問題。在研究的基礎上，為化學抽象概念的學習提出了可供借鑒的結論和建議。

關鍵詞：電化學；概念表征；抽象概念；測驗法

文章編號：1005-6629（2012）11-0036-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1、問題提出

化學教學在遵循思維發展規律的前提下，在學生概念的形成發展方面起了怎樣的作用，還有哪些問題和不足，如何加以改進？如何縮短這種發展進程，以及有效地提高學生化學學習的思維水平？這些都是概念研究中亟待解決的問題。鑒于我國在學生抽象概念學習尤其是電化學概念學習方面的研究較少，尤其是關于概念認知發展方面的研究甚少，本文將試圖圍繞以上問題，根據認知發展的有關理論，采用文獻法、實驗法、訪談法等，揭示學生在學習以電化學概念為代表的抽象概念時存在的心理認知因素以及學習特點，為電化學概念系統的教學提供可借鑒的建議。

2、研究思路

2.1 測驗編制

本研究主要使用自行編制的測驗卷“電化學基本概念測驗”。在測驗編制過程中，與化學教師、化學教育專家進行探討，對試題進行了詳細論證，保證了測驗卷的內容效度。經計算，測驗的內在一致性信度系數分別為0.765和0.805，基本符合探索性研究的需要。

本測驗選取被試200名，分別為：72名湖北省重點高中高三學生（男女比例約為2：1），他們在高三之前初步學習的是銅-鋅原電池和電解飽和食鹽水，但沒有深入分析和理解；88名某師范院校化學系本科一年級學生（男女比例約為3：5），他們已在銅-鋅原電池和電解飽和食鹽水的基礎上，經過了大量的練習理解相關概念；40名該師范院校化學系大四年級學生（男女比例約為3：5），他們已在高中的基礎上學習了多種原電池和電解池及應用，并從電勢的角度理解電池。測驗和訪談時間總共為45分鐘。

2.2 測驗數據處理

根據電化學概念在電化學知識系統中的作用，本研究將原電池、電解池、正極、負極、陰極、陽極界定為電化學基本概念。將“電化學基本概念測驗”中的基本概念分三組，分別為：原電池/電解池、正負極、陰陽極。基本概念評分標準如表1所示。學生以一種表征形式回答且正確給1允錯誤給0分，用兩種表征形式回答且表述正確給2分。數據統計采用SPSS統計處理。

3、研究內容及其結果分析

本研究對“電化學基本概念測驗”的總分進行了描述性統計和方差分析，具體結果如表2、表3所示。

由表2可知：整體上看，三個年級在三組基本概念測試中表征形式的數量差異不大，其中大一學生表征形式最多。數據顯示，每個學生每個概念的表征測試得分均不高，如“原電池/電解池”的表征中高三學生平均得分為2.31，大一學生為2.59，大四學生最低只有2.28。由表3可知：只有高三學生與大一學生在表征形式的數量上存在顯著差異；大一學生與大四學生、大四學生與高三學生之間表征形式數量不存在顯著差異。造成這種結果的可能原因是大一、大四學生雖然全面學習過電化學的相關知識，但是他們只是對與高中學過的知識更加理解了，并沒有利用大學學習的燃燒電池、電勢等知識提高認知水平。

為了進一步分析不同年級學生中存在的迷思概念及三組基本概念表征層次的差異，本研究按照學生理解程度，將學生電化學基本概念的表征分為淺、中、深三個層次。淺層次表征指對概念的外在特征進行的表征，它屬于例證性表征，如有學生認為“負極是Zn”；中等層次表征指通過部分例題總結出的規律性表征，如有學生認為“負極指活潑金屬”；深層次表征指對概念本質、內在特征的表征，如有學生認為“失去電子的電極是負極”。在此基礎上，探討不同年級學生表征形式的特點，并對電化學概念表征作更具體的統計分析。

3.1 “原電池”與“電解池”概念的表征

對學生原電池/電解池的表征進行了分類，將從電池的組成等方面描述的為淺層次表征，從電池的功能角度定義的為中等層次表征，從能量轉換的角度和能否發生自發的氧化還原反應等角度定義的為深層次表征，并對不同年級三種層次的表征進行了統計分析，結果如表4和表5所示。

研究顯示，隨著年級的增長，學生對原電池和電解池的深層次表征所占的比例越高，淺層次表征所占的比例越低。大四學生低、中等層次表征明顯減少；高三和大一學生的三種表征層次的人數差異不大。這說明低年級學生對原電池與電解池的表征層次比較分散，沒有形成穩定的概念認知結構，而高年級對概念的理解相對較為深刻。

3.2 “正極’與“負極”概念的表征

通過測驗分析，對學生正極/負極的表征層次進行定義和分類，將根據外部特征的描述定義為淺層次表征，從金屬電極活潑性的角度來進行描述的定義為中等層次表征，從電極反應類型和電子得失角度描述的定義為深層次表征。對不同年級三種層次的表征進行了統計分析，具體結果如表6所示。

可見，經過高三復習之后的大一學生和學習了電化學的大四學生對正負極的表征相對較為深刻。高三學生剛剛學習電化學，他們表征知識主要以形象生動的圖形和記憶概念為主；經過系統復習后的大一和大四學生以抽象的深層次表征為主。

3.3 “陰極”與“陽極”概念的表征

為了深入地了解不同學生對陰陽極概念的認知特點和認知差異，將從外部特征描述的定義為淺層次表征，如電極與外部電源的連接方式；從金屬電極活潑性變化角度描述的定義為中等層次表征；從電極反應類型和電子得失角度描述的定義為深層次表征。對不同年級三種層次的表征進行了統計分析，結果見表7。

可見，隨著年級升高，學生淺層次表征所占的比例越來越大；三個年級的中等層次表征都比較低，高三和大一學生規律性表征的人數比大四學生多；深層次表征沒有表現出隨年級升高所占比例越高的現象。不同年級學生對陰、陽極概念的表征程度不一樣，低年級學生較多地從與外部電源的連接方式、電極的活潑性等角度表征，而高年級學生較多地從電子得失的角度進行表征。從數據上看大四學生從電子得失的角度去表征也比較少，針對這一現象，對部分學生進行了補充訪談，發現他們因為修習了學科教學論課程，因而傾向于選擇教材上最沒有爭議的表征形式。

4、結論與啟示

4.1 結論

根據以上測試結果以及訪談分析，可以得出如下結論：

（1）不同年級在同一概念的表征層次上存在差異。隨著年級的升高，經過了_一個發展變化的積累和量變時期，學生對電化學基本概念的認知結構發生了變化。這種變化具有一定的穩定性，表現在不同年級學生概念表征層次出現一定的差異，其中低年級學生缺少對概念本質特征的表征。

（2）微觀過程的認知有助于促進學生對概念本質的表征。對電化學微觀過程沒有深刻認識的學生，其注意力分散在問題的表面特征上，不能深入到問題的本質，其表征也不完善。

（3）在不同階段的基本概念學習中，大一學生經過高考前的復習，他們對概念的理解相對豐富，此時是改善和鞏固學生理解概念的重要時期；而對于剛剛學習基本概念的學生，他們對概念的理解相對單一，基本靠死記硬背，或是記下口訣。

4.2 啟示

第一，在概念教學中，在學習概念的初期應重視基本概念的建立，以避免學生產生錯誤概念。教師不僅要把概念看作重要的基礎性知識，而且要視概念教學為一種手段，用于促進學生對關鍵性概念和概念性思想的更深層次的理解。教師要能夠識別從具體主題中產生的核心概念、深層內容和原則，需要不斷地、反復地對核心概念的教學進行實踐。

第二，為加強學生對電化學微觀過程的本質理解，應在進行化學實驗并觀察宏觀現象的基礎上，通過對宏觀現象的分析逐步邁入微觀世界；另外用形象的圖片、模型、動畫等形式對微觀過程進行模擬，以直觀的形式反映微觀世界。

第三，在教學過程中，師生應克服只從外部特征理解電化學概念的形式。教師提供合理、恰當的變式，對于學生靈活、準確地掌握化學概念本質特征是非常必要的，有助于學生完善概念認知結構。

綜上所述，在教學過程中，教師必須從學生實際出發，研究學生學習化學概念的心理特點，優化教學思路和具體策略，引導學生正確建立化學概念和使用化學概念，從而培養學生分析問題和解決問題的能力，全面提高化學教學質量。