基于IMMEX—C問題解決思維過程的評價設計與分析

摘要： 在美國IMMEX理念和技術指導下，基于IMMEX-C （Interactive Multimedia Exercises-China）國內研發平臺，結合學校研發“有機燃料”化學問題集的教學與測試，就學生解決問題思維過程開展評價設計與評價分析的實證研究。通過“思維回路圖”評價量表中“步長”和“回路”變化情況的評價設計，將學生的解決問題思維過程劃分為： 思維混沌狀態、思維謹慎狀態、思維跳躍狀態、思維敏捷狀態，對學生解決化學問題思維過程的差異性、發展性做出過程性、真實性評價分析，為評價學生思維過程提供了新的視角。

關鍵詞： IMMEX； 思維過程； 教學評價； 有機燃料

文章編號： 1005-6629（2018）6-0019-09 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

IMMEX （Interactive Multimedia Exercises）即“多媒體互動測訓平臺”，通過創立一個激勵學習的環境，借助于先進的教育技術手段將學生隱含在腦海中的解決問題的思維過程，通過直觀的手段展現出來，并通過數學模型進行有效的量化來進行評估。

本課題在美國IMMEX理念和技術指導下，基于IMMEX-C （Interactive Multimedia Exercises-China）國內研發平臺，結合學校研發“有機燃料”IMMEX化學問題集的教學與測試，就高中學生化學問題解決思維過程開展評價設計與分析的實證研究。

1 問題提出

評價是教學活動的基本環節，對課堂教學、學生發展起著積極導向和促進作用。長期以來，化學教師教學中注重學業成績的終結性評價，而忽視對學生學習的過程性評價和學習能力的綜合性評價，如何對學生化學問題解決的思維過程進行有效檢測和科學評價是值得我們研究的問題。

1.1 研究問題解決思維過程的意義

1.1.1 真實記錄學生問題解決的思維過程

學生為解決問題而思維，思維也指向學生的問題解決。但學生頭腦中的思維“黑箱”教師并不了解，也無從認識。教師往往憑借經驗和推測試圖揭開學生解決問題的思維過程，但是，這種認識只是從感性層面來分析，不可能全面、真實反映學生問題解決的思維過程，存在主觀性和片面性問題。

IMMEX通過可視化的思維回路圖等，

真實呈現學生解決化學問題的思維過程，描繪出學生在問題信息項之間“游走”的足跡，這些都基于對學生解決問題思維過程的真實記錄，為教師洞察學生思維過程提供技術支持。

1.1.2 科學評價學生問題解決的思維過程

教育評價通過積累學生過程性學習證據，促進學生學習過程改進。但是，我們對學生的思維過程缺少必要的技術和方法，也沒有適切的量表來科學評價學生思維過程，更無法對學生解決問題的思維過程的優劣和特征做出正確判斷。IMMEX通過思維回路圖等信息項選擇和曲線走向，可以清晰再現學生解決問題的思維路徑，幫助教師更清晰學生在問題解決過程“怎樣思考分析”“選擇什么方法”“存在什么問題”“是否優化、穩定”等做出科學分析。

1.1.3 優化促進學生問題解決的思維過程

IMMEX從同一問題解決的多個變式的深化中分析學生的思維變化，思維過程的評價可比較不同學生解決同一問題的思維路徑和思維策略選擇，監測同一學生解決同一問題的不同變式的思維發展變化趨勢。同時也可以監測學生間、班級間問題解決的整體思維狀況。

發現、分析、研究學生化學問題解決的思維過程，能深入洞察學生在化學學習中存在的思維障礙和思維局限，對學生在解決問題中存在的主要問題也能更有針對性的把握，教師可以及時調整教學方法，向學生提供個性化的教學干預，不斷改進和優化學生的思維方式，促進學生思維向更優化、更科學方向發展。

1.2 IMMEX簡介

IMMEX系統由問題集資源庫、交互式練習系統、數據分析與評測中心和管理平臺多部分組成。問題集資源庫包含相關學科問題集，每個問題集都包含若干個同質異形的變式。交互式練習系統為學生提供了一個能夠充分展示其思維過程的問題空間，通過比較聯想和綜合運用已經掌握的知識來解決問題。數據分析與評測中心通過系統記錄呈現思維圖表和量表，便于教師了解學習和練習進程，對學生及班級問題完成和解決能力做出了量化的分析和評價。管理平臺可供教師管理班級學生密碼賬號、分配學習任務等。

2 研究設計與實施

2.1 問題集設計

IMMEX問題集編制是評價的基礎，通過交互式的、多變式的解決問題的情境，為學生提供探究、開放解決問題的思維空間。

“有機燃料”的問題描述是： 有機燃料是使用有機物經過一系列的化學反應過程而生成的可以燃燒的材料。如： 用動物糞便可發酵生成甲烷氣體，用植物種子發酵生成乙醇，農作物的桔稈可生產木煤，生活垃圾也可生產有機燃料等。有機燃料是社會發展的需要，也是目前所倡導的無污染的清潔能源。現在有一種有機燃料，我們只知其含C、 H、 O三種元素中的兩種或三種，讓此有機燃料在氧氣中充分燃燒，請你幫助我們一起通過對燃燒以后的產物進行定量分析，推測并確定該有機燃料的組成。

“有機燃料”的菜單及信息項設計如表1所示。

2.2 研究班級選擇

組織高三（4）、 （5）、 （6）班79名學生，結合高三“有機化學”專題，開展復習教學和測試，共耗時2節課，學生在課內共完成12個變式。

2.3 研究實施過程

本問題集變式共有14個，其中變式1、 3、 4、 7、 9為較低難度的，變式2、 6、 11為中等難度，變式5、 8、 10、 12為較高難度，變式13、 14為很高難度的，研究實施過程是：

第一課時： 給所有學生分配變式1相同的任務，發現學生思維過程的表現，就學生思維的差異有一定的認識。

在學生完成的基礎上，給學生再分配3、 4、 7、 9同等難度變式，觀察思維過程發展狀況。完成變式后教師可以組織學生按照思維表現分組，進行討論交流。

第二課時： 分配2、 6、 11等7個較高難度變式，逐漸增加變式難度，觀察變式的差異性、發展性、穩定性，教師可以對學生突出的問題表現進行分析和個性干預，也可以針對不同學生的思維狀況推送分配不同的變式。

課外練習： 課后回家布置變式13、 14，不做評價分析。

教師對教學測試以后的數據進行個案分析和統計分析，就不同學生、不同班級之間學生思維過程的差異性和發展性做出評價分析。

2.4 結果分析方法

思維回路圖（圖1），是利用圖形化形式描繪出學生在問題信息項之間“游走”的足跡，是真實、直觀反映學生問題解決的思維過程。其中并排的小圓圈代表了化學問題中的各信息選項，選項之間的連線則代表了學生對信息項選擇的路徑，連線的高度代表選項的先后順序。

為了更清晰、準確評價學生的思維過程，我們以思維回路圖的“步長”和“回路”為變量具體計數，通過“步長”和“回路”的組合將學生思維過程分為四種狀態，即： 思維混沌狀態、思維謹慎狀態、思維跳躍狀態、思維敏捷狀態（見表2），從學生解決問題所表現的思維狀態，就可以具體分析評價學生解決問題的思維過程的特點。

3 結果分析

通過對學生問題解決的思維過程“步長-回路”的監測和分析，一般解決“有機燃料”這個問題需10次左右步長，1～2次回路。結合學生個案和班級整體、結合思維回路和思維路徑來分析解讀學生解決化學問題的思維過程差異性、發展性。

3.1 個體特征分析

學生化學問題解決的思維過程存在很大差異，下面選取幾位學生思維過程表現做個案分析。

（1） 處于“思維混沌狀態”的學生步長一般在20以上，回路也在4次以上。圖2是W同學的在“有機燃料”問題中第12個變式的思維回路圖，從圖像中可直觀反映來回選擇很多很繁雜，圖像高度也很高，顏色也很多。在解決“有機燃料”問題的最后一個變式，其思維過程的步長數為68，回路數為13.5，說明該學生在解決此化學問題時還沒有理清思路，對信息選項無法做出判斷和選擇。

對W同學的“思維回路圖”中選項的具體分析發現，學生對關鍵信息“實驗測定裝置”、“有機燃料的質量”反復多次選擇，對干擾信息“H2O2的體積”、“CuO的質量變化”、“MnO2質量”等也多次選擇，在“實驗數據”的信息提取上存在明顯的不足，而對“圖書館”信息資源沒有充分利用，說明學生沒有建構起問題解決的規則，形成科學的解決問題的思維策略。

（2） 處于“思維謹慎狀態”的學生在解決問題時往往會比較小心謹慎，按部就班，很多信息選項都會逐一點擊，生怕遺漏重要信息。因此，表現出對信息項會選擇較多，每個選項點擊次數并不多，來回反復的過程較少。如，圖3是C同學在“有機燃料”問題中第1變式的思維回路圖，其步長數達31，回路數僅2.5。尤其我們可以看到在實驗數據的選擇上，在思維路徑圖中的后半段呈現直線上升。對后半段每個選項都逐一選擇。可以說其思維過程特點是謹慎有余、思考不足，花費了很長時間和代價，對干擾信息和關鍵數據沒有做出正確判斷，需要在此思維過程中改進、優化。

（3） 在解決問題過程中“思維跳躍狀態”的學生，表現為思維活躍，信息項的選擇數明顯較少，但選項的前后反復選擇次數較多，回路數明顯增多。就圖4 Y同學在“有機燃料”問題中第12個變式的思維回路圖來看，步長數14，回路數4.5，圖像的回路、顏色、高度都較多。

從思維回路圖和思維路徑圖的具體分析來看，Y同學第一個選項就選擇了解決此化學問題至關重要的信息“實驗測定裝置”，該學生思維產生較多回路的是在實驗裝置和實驗數據的選擇上來回反復，從“實驗裝置——反應后氯化鈣質量——實驗裝置——澄清石灰水生成沉淀的質量——有機燃料的質量——相對密度——氣體體積——消耗氧氣的體積——澄清石灰水生成沉淀的質量——反應后氯化鈣質量”，對實驗數據的分析理解上產生了一定困惑，思維過程還有待優化，思考的嚴密、完整性還有待完善。

（4） “思維敏捷狀態”的學生一般能善于抓住問題的核心，迅速找到解決問題的關鍵信息，篩選有用信息、去除無用信息、排除干擾信息，這類學生解決問題的思維過程非常簡潔、清晰，一般解決問題的準確率也很高。如圖5是H同學解決“有機燃料”問題中第3個變式的思維過程表現，步長數6，回路數0.5，解決問題過程非常簡潔，思路清晰。他的思維路徑為：“問題描述——有機燃料質量——有機燃料密度——實驗裝置——澄清石灰水產生的沉淀質量”，如此敏捷的思維過程快速、正確地抓住了問題本質，剔除了干擾和無關信息，尋找到了解決該問題的科學方法。

以上四位同學，他們的思維起點是相同的，所提供的思維信息也都是相同的，學生的思維終點也都是解答“正確”的，但是，我們卻看到他們截然不同的思維加工過程。

3.2 個體發展性分析

IMMEX變式的練習可以洞察學生在化學問題解決思維過程的變化和發展趨勢。往往剛開始學生對于新的化學問題、新的問題情境，還在嘗試、摸索階段，思維過程往往比較混沌或謹慎，隨著學生對化學問題理解的深入和規則的掌握，學生能綜合運用化學知識和技能，尋找到問題解決的一般思維過程，并不斷自我反思和優化，隨著對問題理解的深入，多數學生會優化其思維過程，步長和回路都會減少，思維逐漸活躍、敏捷起來，思維過程就能向著思維嚴謹、思維跳躍、思維敏捷的方向發展。但也有不少學生不能跨越問題障礙，找不到自身解決問題思維過程中存在的問題，思維過程的發展遲鈍或緩慢，甚至有學生還始終停留在思維混沌階段。

從W同學的12個變式的步長和回路來看，步長最長的多達89次，回路最多的達13.5次，他在“有機燃料”的問題解決從第1變式到最后的變式過程中一直屬于“步長”和“回路”都非常多，對信息項的選擇非常盲目，始終沒有篩選出關鍵信息，沒有理清解決問題的思路，更沒有建構起問題解決的思維路徑，從該同學解決12個變式發展性來看，處于混沌狀態的有9次，占75%，可以判斷該學生思維過程的發展性不夠好，對問題的解決還沒有尋找到可行的思維路徑，也表現出，他對自我解決問題的“元認知能力”自我控制有待提高（圖6）。

對比Y同學在“有機燃料”12個變式的思維過程情況，對問題解決的思維過程呈現進步的發展趨勢，從第1變式的思維混沌狀態到思維跳躍狀態的發展，處于思維過程跳躍狀態的占了58.3%，總體來說，該學生思維過程發展良好，思維活躍，但對問題思考的層次性、嚴密性有待改進，今后應向著思維敏捷繼續發展（圖7）。

G同學在“有機燃料”問題的12個變式中，總體從“思維混沌狀態”向著“思維敏捷狀態”發展，雖然中間出現了反復和改變，有跳躍、有混沌、有嚴謹，但看得出該學生在解決化學問題的思維過程是在不斷調整和優化，最終形成了較為簡捷的解決問題的思路，思維過程的發展狀態值得肯定（圖8）。

從以上三位學生個案分析說明，基于IMMEX-C對學生解決化學問題的思維過程評價能較好反映出學生思維過程的發展趨勢，可以讓化學教師及時掌握和動態分析學生解決問題的思維變化。但是需要指出的是，分析學生的思維過程不能僅關注第1個變式和最后一個變式的變化，而是更應關注在每個變式中的發展趨勢。由于過程中變式難度的改變、方法的改變等因素，學生思維過程發展也會出現一定的波動性，這就需要教師結合問題具體分析了。

3.3 班級發展性評價

對于不同班級在解決化學問題中的思維過程，也可以結合班級在不同化學問題中的表現來分析。下面，就結合學生在“有機燃料”案例中從第1個變式到最后一個變式高三3個班級思維過程的總體狀況來分析說明。

從圖表中能明顯看到，三個班級都是表現為： 處于思維混沌狀態的學生比率減小，而處于思維敏捷狀態的學生比率在增加的發展趨勢，整體呈現良好的思維發展態勢。隨著對化學問題理解的深入和方法的探求，學生整體表現對思維過程不斷進行優化，較多的學生能尋求可行的思維路徑，找到解決問題的方法。

從圖像中的具體數據來看，高三（4）班整體發展最好，處于思維混沌狀態學生從54.8%遞減到12.9%，在3個班中人數最少，而最后處于思維敏捷狀態的學生也是最多，占58.1%。也直接反映出班級特點有所不同，因高三（4）是化學提高班，高三（5）和高三（6）是化學平行班，高三（4）班思維跳躍狀態的學生人數最多，高三（5）和高三（6）處于思維謹慎狀態的學生發展為多，分別從12.5%、 16.7%發展為33.3%、 29.2%，也體現了這兩個班學生認真的態度，但思維過程還可以再進一步優化。

從以上班級整體狀況來分析，我們可以看到，隨著問題的深入和變式的深化，班級整體學生思維過程的表現也呈現發展態勢，都在向思維優化的方向而發展。但是，我們也看到，不同班級的發展狀況是不同的，有的班級發展、優化的學生人數更多、表現更好，而有的班級思維過程的優化并不顯著，還有相當數量的學生思維過程還不夠敏捷，需要教師關注不同班級的思維特點，進行有針對性的教學干預。

4 研究啟示

IMMEX可以幫助教師了解、分析學生解決問題的思維路徑，找出學生化學問題解決思維過程的主要癥結，在實施過程中，我們建議：

4.1 把握學生解決問題思維過程的個性特點

學生解決問題的思維過程表現不盡相同。一般在化學復習教學和測試中，教師可以先給學生一個相同變式，且難度為較低為宜，不能給予任何提示和指導，讓學生獨立運用所學習的化學知識進行問題解決。從第1個變式后，教師可以分析思維回路圖等評價報告，并對學生的思維過程特點做出初步判斷。

隨后，教師可以設計給學生多個變式且難度相當，可以發現學生是否改善其思維過程或穩定其思維過程。在此基礎上做深入的過程性、發展性評價分析，對學生解決這一化學問題做出科學評價，把握學生思維過程的基本特點。

一般來說，思維敏捷狀態的學生解決問題的思維過程清晰、正確，思維混沌狀態的學生思維過程復雜、混亂，但對思維嚴謹和思維跳躍并無好壞之分，也并不是一定非追求思維敏捷，關鍵還是發現學生思維的差異特征，教師因勢利導、因材施教。

4.2 發現學生解決問題思維過程的主要問題

教師可以分析學生問題解決中存在的主要問題。如： 圖10是Y同學的“有機燃料”的思維回路，看似過程簡單、思路清晰，但最終卻是兩次解答都“錯誤”。究其原因，就是在對“實驗測定裝置”這一隱含條件上沒有正確選擇，使其在實驗數據的選擇上產生偏差，最終沒有解決這個問題。

圖10 Y同學在“有機燃料”問題中第2個變式的思維回路圖

方法的缺失是直接影響學生化學問題解決的關鍵因素。如，對于學生無法根據問題條件和數據構建模型，無法重新形成完整思路，不能形成完整的圖式，教師要引導學生進行雙向推理，利用已知條件進行順向推理，運用未知條件引導思維方向，幫助學生理清解決問題的內在邏輯關系；對于學生不能用不同的思路來解決問題，存在思維定勢，教師引導學生尋求多種解題思路，培養擴展性思維，引導學生對不同思維策略的比較與評價，尋求最優策略。

4.3 促進學生解決問題思維過程的優化穩定

對產生問題的原因進行分析、分類，尤其是針對思維混亂、知識缺失或方法偏差等不同學生或不同班級特點，制定集體教學計劃或個別干預計劃，及時而有效地采取干預和引導，提高教學針對性、科學性、有效性。教師可以根據學生的學習進程，分配不同難度的變式，讓學生在已掌握的解決方法的基礎上向更高難度的問題去挑戰。同時，教師也要引導學生轉換思考角度、尋求多種方法，促進學生思維的靈活性。

IMMEX將評價理念和過程貫穿于教學始終，超越了日常化學復習方式，以過程性評價有效促進學生化學知識的理解和應用，促進學生化學思維過程的優化和思維能力的提高。

總之，基于IMMEX能直觀地呈現學生腦海中不為人所知的解決問題的思維過程，能有效、科學地診斷分析學生在化學問題解決中的思維過程的差異性、發展性，為評價學生思維過程提供了新的視角。

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