基于流程圖法測查高中生化學認知結構

盧師煥+周青

摘要：運用流程圖法測查高二學生“醛”的認知結構。定性和定量分析表明，學生的認知結構存在較大差異，學優生較其他學生認知結構完善；相關性數據顯示，學生的測試成績與認知結構變量的廣度、豐富度密切相關，與整合度、錯誤描述和信息檢索率不相關，與信息處理策略的描述、比較對比、解釋密切相關，與定義和情境推理不相關。

關鍵詞：認知結構；流程圖；認知結構變量；信息處理策略；醛

文章編號：1005–6629（2016）3–0023–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

認知結構是知識結構內化在學習者頭腦里所形成的觀念的內容和組織[1]。國內外學者提出了很多認知結構測量和表征方法，比較常用的有自由詞語聯想法、受控制詞語聯想法、樹狀圖法、概念圖法和流程圖法（Flow Map）。流程圖法[2]自Anderson和Demetrius首次提出后，已被很多研究者用于測查教師或學生認知結構。流程圖法能夠通過可視化圖形定性和認知結構變量定量的方式表征學習者的認知結構，得到的數據結果更加準確[3]。如：對職前科學教師氧化還原的認知結構發展進程的測查研究[4]；對小學生有關生物繁殖的認知結構和信息處理策略的研究[5]；對高一學生乙酸認知結構和學習困難的測查[6]等。

醛是有機化合物中一類重要的衍生物，正確理解醛的性質，能更好掌握醇類、醛類和羧酸之間的相互轉化關系，建立良好的有機知識網絡。本研究采用流程圖法測查高中生“醛”的認知結構，從定性和定量角度對學生的認知結構進行分析，診斷其錯誤觀念與學習困難，進而對高中化學教師實際教學提供有意義的參考和啟示。

1 研究方法與過程

1.1 研究對象

本研究的被試選自某中學高二年級，根據考試成績，選擇某班級化學單科成績排名在前12名、中間12名和后12名的學生為研究對象。

1.2 研究過程

采用流程圖法對學生的認知結構進行測查，用SPSS21.0軟件對數據進行相關分析。

第一步，認知結構的引出。在被試完成醛的教學后1周，根據Anderson和Demetrius訪談方法[7]分別對36名被試進行錄音訪談，設置不含任何提示性語句的訪談問題：

（1）關于“醛”你認為有哪些重要的知識點或概念？

（2）你能不能對以上所說的知識點或概念描述更詳細一些？

（3）你能告訴我以上所說的知識點之間有什么聯系嗎？

此外，向每位被試提供紙筆，以便被試補充因情緒緊張、難以描述等原因未能描述出的知識點。

第二步，認知結構的表征。每幅流程圖中有兩種箭頭，一種是線性箭頭，表示學生知識表達的順序，稱為順序編碼；另一種是回歸箭頭，表示所敘述知識之間的邏輯關系，稱為邏輯編碼。流程圖繪制步驟如下：首先，研究者將每位被試的錄音轉化為文字，按敘述的知識點的順序用線性箭頭依次相連；其次，用回歸箭頭從后往前將后面敘述出現的與前面知識點有邏輯關系或重復的敘述相連；再次，標注錯誤知識點和紙筆補充的內容。最后，計算訪談所消耗的總時間，這部分時間僅包括被試組織并回答訪談問題所消耗的時間，單位為秒，需排除研究者提問所花費的間隔時間。流程圖的繪制遵循三條原則：（1）被試提到的每一句完整描述都要列入流程圖中；（2）若被試有復合描述，需將復合描述拆分為單一的知識點；（3）研究者繪制回歸箭頭時，需將回歸箭頭指向最早出現邏輯關系的知識點上。

以學生2為例對流程圖的繪制過程進行說明（見圖1）。（1）順序箭頭的繪制：根據錄音將學生所描述的完整知識點按照順序逐一編碼1-11，并依次繪制順序箭頭（其中2、3、4是復合語句拆分的知識點）；（2）回歸箭頭的繪制：分析知識內容看到知識點1描述了醛的結構是有一個醛基，知識點6、7、11分別提到了多元醛有多個醛基的結構、甲醛的特殊結構以及醛基的還原性，這些都與醛基有邏輯關系，所以分別從知識點6、7、11繪制回歸箭頭到知識點1，知識點8、9、10分別是對知識點2、3、4的舉例說明或解釋，所以將知識點8、9、10分別繪制回歸箭頭到知識點2、3、4；（3）錯誤描述和紙筆補充的標記：考察所有知識內容，發現知識點8的生成物遺漏了水，標注為錯誤描述，學生2不存在紙筆補充的內容；（4）訪談時間的計算：整個訪談用時176秒，扣除訪談提問消耗的30秒，用時146秒，記錄在最底部，由此可得學生2的可視化流程圖。

第三步，認知結構的量化分析。流程圖法能夠定量地表征認知結構中已經獲得的知識、概念和知識之間的聯系以及學生的信息處理策略三個方面。蔡今中研究了多種測量認知結構的方法，發現流程圖法是唯一可以同時表征廣度、整合度、正確度、信息檢索率和信息處理策略5個變量的方法[8]，并根據Smith和Meux的信息處理策略模型[9]，按照邏輯水平由低到高將信息處理策略分為定義、描述、比較對比、情景推理和解釋五個層次。為了更全面、準確地測查學生的認知結構，本研究將認知結構變量和信息處理策略（見表1）相結合對學生認知結構進行定量分析研究。

以學生2為例對數據產生的過程進行說明（見圖1）。（1）認知結構數據：結合表1的說明，計算出流程圖中知識點共11個，回歸箭頭6個，錯誤描述1個，即廣度=11，豐富度=6，錯誤描述=1，計算整合度=6/（11+6）=0.35，信息檢索率= 11/146=0.08。（2）信息處理策略數據：根據表1判斷各知識點所運用的信息處理策略，可以看出除了知識點10是對加成反應過程的解釋以外，其余知識點都運用描述來組織知識。因此解釋數目=1，描述數目=10，其余個數均為0。endprint

第四步，特定知識結構內容分析。通過對學生流程圖中回憶的知識點進行統計分析，研究學習者對知識的掌握情況和學習者頭腦中容易出現的錯誤概念，為教師的教學和學生概念轉變提供參考和建議。

1.3 研究方法的信度

流程圖法的信度分為順序編碼信度和邏輯編碼信度，通過二位經過訓練的獨立研究者進行驗證。以學生2為例進行說明：研究者A、B所繪流程圖知識點數分別為11和12，回歸箭頭數分別為6和7，其中兩張流程圖相同的知識點數為11，回歸箭頭數為6，則順序編碼的信度=（11+11）/（11+12）=0.96，回歸編碼的信度=（6+6）/（6+7）=0.92。本研究中，流程圖順序編碼的信度為0.95，回歸編碼的信度為0.90，由此表明用流程圖法測查認知結構是可靠的。

2 結果與討論

對三組學生成績進行獨立樣本t檢驗，1、2組學生p12=0.009；2、3組學生p23=0.008；1、3組學生p13=0.002（置信區間為95%）。數據的p值均小于0.01，表明三組學生成績具有顯著性差異，可以代表成績高、中、低三類學生，編碼為第1組、第2組、第3組進行深入分析研究。

2.1 學生認知結構的定量分析

對學生認知結構整體結果進行分析，三組學生認知結構變量和信息處理策略數據的平均值見表2。

由表2可以看出，有關“醛”的認知結構變量，第1組學生明顯優于第2組和第3組的學生。第1組學生知識點廣度、豐富度、整合度、信息檢索率大，錯誤描述少；第2組學生各認知結構變量次之，錯誤描述較少；相比之下，第3組學生的認知結構不僅錯誤概念較多，各變量值都比較低，可以反映出第3組學生對于“醛”的認知水平比較低，在一定的環境刺激下，不能有效回憶和組織知識，認知結構需要進一步完善和優化。有關“醛”的信息處理策略，明顯可以看出三組學生都傾向于使用“描述”的策略，但相對于第2組和第3組學生，第1組學生較多使用了比較對比、情景推理和解釋策略，反映出成績高的學生傾向于使用高水平的信息處理策略來組織知識。

2.2 相關性分析

2.2.1 認知結構變量與成績的相關性分析

本研究對學生的認知結構變量與紙筆測試成績進行了相關性分析，結果見表3。

由表3可以看出，關于“醛”的知識內容，學生的紙筆測試成績與認知結構的廣度、豐富度密切相關（**p<0.01），學優生在訪談中，描述的知識點多，知識之間的聯系大；認知結構廣度與豐富度、整合度、信息檢索率都呈正相關（**p<0.01，*p<0.05）；豐富度和整合度、信息檢索率密切相關（**p<0.01，*p<0.05）；有意思的是，錯誤描述與信息檢索率呈負相關（*p<0.05），說明學生認知結構中錯誤概念越多，越難有效提取信息。此外，學生的紙筆測試成績與整合度、錯誤描述和信息檢索率相關不明顯，這種結果可能與訪談時學生語速的影響有關。

**p<0.01，*p<0.05

由表4可以看出，關于“醛”的知識內容，學生的紙筆測試成績與描述、比較對比、解釋密切相關（*p<0.05，**p<0.01），這與“醛”的知識內容特點有關，有機知識要求學生掌握有機物的組成結構、物理性質、化學性質及其應用，絕大多數學生會“描述”醛的分子式、結構、物理性質、化學性質和應用，還有部分學生會“比較對比”甲醛、乙醛中醛基的個數和反應的系數，少數學生會“解釋”性質與結構的關系，即隨著知識深度增加，需要使用的信息處理水平相應變高，能夠完整正確表征知識的學生也越少，這充分說明了學優生在組織知識時善于使用邏輯水平較高的信息處理策略。數據還顯示紙筆測試成績與定義和情景推理無關，主要原因可能是學生在組織知識時很少使用這兩種策略，統計數據表明，36名學生中，“定義”這一策略只使用了4次，“情景推理”策略的使用更少，只有2次。

對學生紙筆測試成績與信息處理策略之間的相關性研究分析，可以幫助教師了解學生在學習知識時所采用的信息處理方式。研究表明學優生傾向于用描述、比較對比、解釋來表述“醛”的知識點，而對于烴的含氧衍生物“乙酸”，學優生傾向于用情景推理和解釋表述知識點[10]。因此，不同主題知識學習過程中，學生所采用的信息處理策略會稍有不同。

2.2.3 認知結構變量與信息處理策略的相關性分析

本研究對學生的認知結構變量與信息處理策略進行了相關性分析，結果見表5：

由表5可得，學生的信息處理策略不僅與學生的紙筆測試成績有關，還與學生的認知結構變量密切相關。關于“醛”的知識內容，學生認知結構的廣度、豐富度均與定義、描述、解釋策略顯著相關（**p<0.01，*p<0.05）；認知結構的整合度與描述密切相關（*p<0.05），信息檢索率與描述呈負相關（**p<0.01），也就是說學生運用描述策略組織知識越多，從頭腦中提取知識越慢。從表5還可以看出，比較對比、情景推理與5種認知結構變量，錯誤描述與5類信息處理策略均沒有相關性。

**p<0.01，*p<0.05

2.3 學生“醛”的學習情況分析

高中化學“醛”的學習內容主要包括醛的組成和結構、物理性質、化學性質以及應用。本研究對36名學生醛的流程圖的主要知識點進行了總結，現將學生存在的兩大困難點，即醛與銀氨溶液和新制氫氧化銅兩個特征反應的知識點歸納列出，見表6。endprint