使用反應圖評價高師學生有機物轉化知識結構

麥裕華 李景寧

(1華南師范大學化學與環境學院 廣東廣州510006;2廣州市協和中學 廣東廣州510160)

1 問題的提出

在人的長期記憶中，學科知識的各種概念和命題能夠根據一定的關系形成相互聯系的知識結構。人的頭腦中知識結構的內容、組織形式和組織水平、信息被提取的難易程度，對學習知識和解決問題起重要的作用。各種官能團和各類有機物的結構和化學性質、各種典型的有機反應機理均屬于陳述性知識，是大學有機化學課程的重要學習內容。這些陳述性知識與有機合成路線設計等程序性知識共同成為解決有機合成問題的重要知識基礎。通過大學有機化學課程的系統學習，學生會對各種官能團和各類有機物的化學性質，尤其是它們的轉化規律有宏觀、整體的認識，這種認識是一種復雜、體系化的知識結構，本文稱之為有機物轉化知識結構。學生在大學有機化學課程的學習中，應該識記有機化學教科書要求的大量有機反應，形成良好的有機物轉化知識結構，了解一定的有機合成路線設計原則和方法，具備一定的有機合成問題解決能力。

大學有機化學課程紙筆測驗有選擇題、填空題、論述題和有機合成題等形式。這些試題在大多數情況下只能考查學生對有機物化學性質的識記和理解，不易判斷學生的有機物轉化知識結構。換言之，常見的紙筆測驗評價的是學生的有機物化學性質知識的內容和數量，而非有機物轉化知識結構的內容、組織形式和組織水平，這對于了解學生的有機化學學習狀態顯然是不夠的。由于缺少評價學生有機物轉化知識結構的方法，發展合適的有機物轉化知識結構評價工具有重要的意義。

2 知識結構的評價方法

心理學家Goldsmith等［1］提出知識結構評價的3個步驟:引出知識(knowledge elicitation)、表征知識(konwledge representation)和評價知識結構(assessing knowledge representation)。這3個步驟的含義是:(1)“引出知識”是指教師通過一定的方法，使學生表現出對某一學科某些主題知識結構的理解;該步驟注重的是教師選擇哪一種合適的知識結構評價方法和對測試題目、實施環節進行適當的設計。(2)“表征知識”是指學生在教師設計的測試環節中按照既定程序表現出自己的知識結構。(3)“評價知識結構”是指教師根據一定的評價標準對學生外化的知識結構進行科學、合理的評價。

筆者認為，適宜、良好的學生知識結構評價方法應該具備以下3個功能:(1)定量評價學生知識結構中信息的正誤、數量和連結情況;(2)定量區分不同學業水平學生群體的知識結構;(3)定量比較學生與教師知識結構的相似程度。

概念圖是一種常用的知識結構評價工具。概念圖的提出者Novak［2］認為概念圖能夠清晰地呈現人們掌握的各種概念和命題，以及由此組織的知識結構。在概念圖的評價方法上，常用的方法可以歸類為“根據概念圖的成分評分”和“與標準概念圖作比較”兩大類。在第一類中，Novak等人提出的評價方法是最經典的評價方法;他們對命題、層次、橫向聯系和舉例這4個成分分別進行評分，所得結果簡稱N-G分數。在第二類中，Goldsmith等人提出的相似指數(closeness index，簡稱C值)是較著名的評價方法，C值是利用數學的集合理論比較兩個概念圖，從而計算出它們的相似程度。

3 反應圖與反應圖的評價

受概念圖［2］和相關研究［3-4］的啟發，筆者結合有機物使用連線表示相互轉化關系的書寫習慣，提出用反應圖評價學生有機物轉化知識結構的構想。筆者［5］認為反應圖(reaction map)是通過合理排列有機物，利用帶有箭頭的連線連結，呈現有機物相互轉化關系的網絡示意圖，制作反應圖的過程稱為反應構圖(reaction mapping)。學生制作的各類有機物的反應圖可表現出有機物轉化規律的知識在個人的頭腦中的結構化程度。

筆者仿效Novak等人提出的N-G分數，提出反應圖的評價方法，定量評價學生個人和不同有機化學學業水平的學生群體的有機物轉化知識結構。反應圖上出現的每一個有機物各計1分，“有機物分”是反應圖上所有有機物的總數目。根據兩個有機物間的連線和箭頭，判斷有連線的兩個有機物是否存在著轉化關系。如果連線合理(有機物存在轉化關系、箭頭方向正確)且反應條件書寫正確，記為1分，“正確反應數”是正確連線的數目。如果連線不合理(有機物不存在轉化關系、箭頭方向錯誤)或反應條件存在科學性錯誤，記為0分，“錯誤反應數”是錯誤連線的數目。如果連線合理，但是反應條件缺少部分內容，記為0.5分，“錯誤條件數”是這類連線的數目。“反應分”是反應圖上所有連線可以獲得的總分數，定義為“正確反應數+0.5×錯誤條件數”。由于已經對反應圖上每一個節點(有機物)和每一條連線(有機反應)進行評分，加和所得到的總分即為反應圖的評價結果，即:反應圖總分=有機物分+反應分。反應圖6個評分項目可以從內容和結構的角度對學生的有機物轉化知識結構進行定量評價。

評卷教師需要制作一幅包括各類有機物多種轉化關系的反應圖作為標準反應圖。在對學生的反應圖進行評分時，如果發現學生的反應圖呈現的有機物轉化思路跳躍性太大，學生沒有書寫一些應該出現的中間產物和轉化步驟，評卷教師應該默認學生已了解這些內容，并且將缺少的這部分內容補充計算在該學生反應圖各評分項目的得分中。

4 研究方法

為了解反應圖能否成為一種有效的學生有機物轉化知識結構評價工具，筆者在大學本科有機化學課程進行試探性的教學實踐和實證研究。研究對象是華南師范大學化學專業大學二年級2個班共95名學生。

研究工具包括筆者自編的半開放式反應構圖測試題和有機化學課程期中考試試卷，例見圖1。學生需要盡可能多地尋找出圖1中7個有機物之間存在的各種轉化關系，并且將這些轉化關系制作成反應圖。學生可以在作答時添加其他有機物作為原料或中間產物。有機化學課程期中考試試卷以醛和酮、羧酸、羧酸衍生物［6］為命題范圍，其中的填空題有24題(共24分)，要求學生填上列舉的化學方程式中缺少的反應物或生成物，以便完成化學方程式;有機合成題有4題(共30分)，要求學生按照指定的主要原料合成指定的產物。期中考試試卷符合有機化學課程教學重點和難點的要求，全卷的總難度是0.74，填空題和有機合成題的難度均是0.67，難度設置適中。

圖1 半開放式反應構圖測試題中的有機物

本研究分2個階段進行。在第一學期，本文第二作者向參與本研究的學生介紹反應圖的基本內容，學生經歷一個學期的反應構圖訓練，熟悉反應圖的設計與制作步驟。在第二學期，學生系統學習醛和酮、羧酸、羧酸衍生物的課程知識。筆者在有機化學課程期中考試前對學生進行反應構圖測試，了解學生的醛和酮、羧酸、羧酸衍生物轉化知識結構。反應構圖測試時間是30分鐘。筆者使用前面定義的反應圖評分方法對學生制作的反應圖逐一評分，并通過學生的有機化學課程期中考試成績了解學生的有機化學學業水平。所有研究數據均使用SPSS 10.0軟件進行統計和處理。

5 結果與討論

5.1 不同組別學生的得分情況

筆者將95名學生的有機化學課程期中考試成績從高至低依次排序，劃分為高分組(名次在全體學生的前27%，共26人)、中間組(共43人)和低分組(名次在全體學生的后27%，共26人)。3個組別的反應圖得分和期中考試成績如表2所示。

表1 3個組別的反應圖得分和期中考試成績

由表1可知，高分組在反應構圖測試和期中考試中均表現最好。高分組的反應圖平均總分是25.52分，中間組、低分組的平均總分分別是22.23分、16.96分，高分組與低分組相差8.6分。高分組與低分組在有機物分、正確反應數的平均分分別相差約3分、5.5分，這表示2個組別的反應圖平均相差3個有機物和5.5個有機反應;這2個因素綜合在一起，使得2組的反應圖平均總分有較大的差距。除了錯誤反應數和錯誤條件數，表1內各評分項目的平均分均存在如下關系:高分組＞中間組＞低分組。3個組別在錯誤反應數、錯誤條件數的平均分均較小，表明學生對有關的課程知識均存在一定的錯誤記憶。另外，3個組別的期中考試成績有明顯差異，高分組與中間組、低分組的平均總分分別相差10.6分、27.5分;其中高分組與低分組的填空題相差6.8分，有機合成題相差11.6分。

分析表1的數據，可知3個組別在反應構圖測試中有不同水平的表現，而這種表現的變化趨勢與學生在期中考試中的表現的變化趨勢一致。筆者認為學生制作的反應圖應該與個人的有機化學學業水平、有機物轉化知識結構相互對應。如果學生具有較高的有機化學學業水平和良好的有機物轉化知識結構，在解決有機物化學性質問題時應該有良好的表現，制作的反應圖應該是完整、緊密和復雜的;如果學生具有較低的有機化學學業水平和欠佳的有機物轉化知識結構，在解決有機物化學性質問題時應該有不佳的表現，制作的反應圖可能是缺漏、松散和簡單的。換言之，一定有機化學學業水平的學生具有一定的有機物轉化知識結構，制作出具有一定內容、組織形式和組織水平的反應圖，反應圖能夠反映學生的有機物轉化知識結構。因此，我們能夠通過反應圖定量評價學生的有機物轉化知識結構。

5.2 不同組別學生得分的差異情況

使用方差分析了解3個組別在反應圖得分和期中考試成績的差異是否具有統計學意義，得到表2。表2中的數據顯示，3個組別在有機物分存在顯著差異(p＜0.01)，在正確反應數、反應分和反應圖總分這3個評分項目存在顯著差異(p＜0.001)，在錯誤反應數和錯誤條件數的差異不顯著。3個組別在有機物分、正確反應數的顯著差異是造成3個組別在反應圖總分出現顯著差異的主因。其次，3個組別在期中考試的填空題、有機合成題的得分和期中考試總分存在顯著差異(p＜0.001)。

表2 3個組別在反應圖得分和期中考試成績的方差分析

為進一步考察3個組別在具有顯著差異的評分項目上的實際表現，使用Scheffe法對3個組別在這些評分項目的得分進行事后多重比較(表3)。除了有機物分的差異不顯著外，高分組和中間組在正確反應數、反應分、反應圖總分這3個評分項目均存在顯著差異(p＜0.05)。中間組與低分組在反應構圖測試的4個評分項目中均存在顯著差異(p＜0.01)，高分組與低分組則均存在顯著差異(p＜0.001)。此外，3個組別之間在期中考試的填空題、有機合成題的得分和期中考試總分均存在顯著差異(p＜0.001)。在2個測試中，中間組與低分組的平均分差均大于高分組和中間組的平均分差，低分組的整體表現欠佳。

表3 3個組別在各評分項目得分的事后多重比較

歸納3個組別制作的反應圖的特征可以發現:高分組的反應圖出現較多有機物和雙向連線，也有一些交叉連線，反應圖大多呈現較緊密的網絡結構;中間組的反應圖出現的有機物略少于高分組，較少雙向連線和交叉連線，反應圖大多呈現次序順延的直鏈結構;低分組的反應圖出現的有機物基本上是半開放式反應構圖測試題要求出現的，容易發現一些連線由于錯誤的反應條件而中斷。由此可見，不同有機化學學業水平的學生群體制作的反應圖在內容、組織形式和組織水平上存在顯著差異，從而可以推斷不同的學生群體的有機物轉化知識結構也存在顯著差異。因此，我們能夠通過反應圖定量區分不同有機化學學業水平的學生群體的有機物轉化知識結構。

5.3 反應圖總分與期中考試成績的相關分析

將學生的反應圖總分與期中考試的填空題、有機合成題的得分和期中考試總分分別進行相關分析，具體結果見表4。表4中的數據顯示，學生的反應圖總分與期中考試的3項得分分別有顯著的弱相關。一方面，反應構圖測試關注學生對有機物轉化規律的認識，評價學生的有機物轉化知識結構，而且該測試要求學生尋找出在各種有機物轉化過程中必需的中間產物來完成反應圖，試題綜合性較強，具有一定難度。期中考試的填空題和有機合成題均評價學生識記和靈活運用多個重要、典型的有機物轉化規律的能力，每個小題的命題內容都是獨立、分散的知識點，考查面廣、量大。筆者事后分析研究結果，雖然半開放式反應構圖測試題和期中考試試卷均以相同教科書的相同章節作為命題范圍，但是兩個測試的意圖和考查內容的差異可能是造成學生的反應圖總分與兩道期中考試試題得分的相關系數較低的原因。另一方面，期中考試還包括對有機物的命名、有機物結構簡式的書寫、有機物的鑒別以及從光譜推斷有機物等內容的考查，這些考查內容占將近總分一半的分數;因此，反應圖總分與期中考試總分有顯著的弱相關。綜上所述，學生的反應圖總分可以也應該作為表現學生有機化學學業水平的一個參考。

表4 反應圖總分與期中考試成績的相關分析

6 結論和展望

本文提出了使用反應圖評價學生有機物轉化知識結構的方法，通過對高師本科化學專業學生的教學實踐和實證研究，獲得以下結論:(1)學生制作的反應圖能夠定量反映學生的有機物轉化知識結構;(2)不同有機化學學業水平的學生群體的反應圖以及有機物轉化知識結構存在差異;(3)學生的反應圖總分與期中考試成績有顯著的弱相關?？傮w而言，反應圖能夠成為一種有效的學生有機物轉化知識結構評價工具。

隨著后續課程的深入學習，學生的有機物轉化知識結構會不斷發展，并能設計出不同的反應圖。這里需要說明的是，反應圖僅能反映學生對有機物轉化規律的宏觀、整體認識，而無法反映學生對各種有機反應機理、有機合成路線設計的認識。另外，反應圖呈現的是學生對各類有機物的轉化規律經過一定思考后的靜態結果，不能反映學生在制作反應圖時的各種動態的思維活動。但是，只要比較同一學生在不同的學習階段制作的反應圖，仍然能夠尋找出不同反應圖的差異，繼而推斷出學生有機物轉化知識結構的發展，為教師了解學生的有機化學學習狀態和提高課堂教學質量提供參考。

本文只是對學生的有機物轉化知識結構評價這一主題進行初步探討，許多問題尚待深入探討。譬如，在半開放式反應構圖測試題中出現的有機物種類和數量會對學生的作答產生一定的影響，進而影響到對學生有機物轉化知識結構的評價，怎樣命題才能讓反應構圖測試具有較好的信度和效度?其次，本文方法需對每位學生的反應圖逐一評分，評改速度較慢，應該使用怎樣的方法來有效提高評改反應圖的效率?這些問題都需要進行更深入的研究。

［1］Goldsmith T E，Johnson P J，Acton W H.J Educ Psychol，1991，83(1):88

［2］約瑟夫·D·諾瓦克，D·鮑勃·高溫.學會學習.方展畫譯.武漢:湖北教育出版社，1989

［3］Nash J G，Liotta L J，Bravaco R J.J Chem Educ，2000，77(3):333

［4］Murov S.J Chem Educ，2007，84(7):1224

［5］李景寧，麥裕華.大學化學，2010，25(1):35

［6］曾昭瓊.有機化學.第4版.北京:高等教育出版社，2004