基于FLOW MAP的“化學(xué)鍵”學(xué)習結(jié)果測查與多維評析

秦璐 陳曉娜 閆春更 周青

摘要： 采用FLOW MAP測查高中生有關(guān)“化學(xué)鍵”的認知結(jié)構(gòu)，基于SOLO分類理論對認知結(jié)構(gòu)水平進行評價，基于三重表征理論對認知結(jié)構(gòu)內(nèi)容進行質(zhì)性分析。發(fā)現(xiàn)學(xué)生紙筆測驗成績與其認知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、整合度呈顯著正相關(guān)，與其錯誤概念數(shù)呈顯著負相關(guān);多數(shù)學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)整體水平位于多元結(jié)構(gòu)水平（36.67%）或關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平（30.00%）;“宏觀”、“微觀”或“符號”維度參與的雙重或三重表征比例分別為86.67%、 70.00%、 56.67%。

關(guān)鍵詞： FLOW MAP; 化學(xué)鍵; 認知結(jié)構(gòu); SOLO分類理論; 三重表征

文章編號： 1005-6629（2019）2-0020-07??????????? 中圖分類號： G633.8??????????? 文獻標識碼： B

化學(xué)鍵是高中化學(xué)課程的重點內(nèi)容，不僅有助于豐富學(xué)生對物質(zhì)世界多樣性的認識，深化學(xué)生對物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的理解，更有助于學(xué)生形成從物質(zhì)結(jié)構(gòu)層面把握化學(xué)變化本質(zhì)的觀念，并為化學(xué)變化中物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系的理解奠定基礎(chǔ)?；瘜W(xué)鍵主題知識的特殊性，決定了學(xué)生對化學(xué)鍵的學(xué)習過程，需要教師引導(dǎo)學(xué)生合理運用定義、比較、情景推理與解釋等多種信息策略來表征相關(guān)認識，需要充分發(fā)揮“宏觀-微觀-符號”三重表征的認識工具價值來形成概念、建構(gòu)認識模型。

目前國內(nèi)對化學(xué)鍵的教學(xué)研究主要集中于化學(xué)鍵課程內(nèi)容分析、教學(xué)設(shè)計、教材分析、教學(xué)策略、學(xué)生的迷思概念等[1～7]。其中對學(xué)生“化學(xué)鍵”學(xué)習結(jié)果的科學(xué)測評研究尤為缺乏，僅有的個別研究中對學(xué)生學(xué)習結(jié)果的分析維度略顯單一，因而限制了研究結(jié)果的實踐應(yīng)用價值。本研究試圖以FLOW MAP為主要測評工具測查并表征學(xué)生有關(guān)“化學(xué)鍵”的認知結(jié)構(gòu)，依托“宏觀-微觀-符號”三重表征理論和SOLO分類理論對學(xué)生的學(xué)習結(jié)果進行多維評析，以全方位探索學(xué)生化學(xué)鍵學(xué)習的規(guī)律及其潛在問題，為教師教學(xué)尤其是開展“教、學(xué)、評”一體化的教學(xué)實踐提供基本參考。

1? 研究設(shè)計

研究整體思路如下： 首先，通過訪談錄音的方式獲取有關(guān)學(xué)生認知結(jié)構(gòu)的原始數(shù)據(jù)，按照FLOW MAP工具的要求對學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)進行圖形化表征（繪制認知結(jié)構(gòu)流程圖），在此基礎(chǔ)上開展認知結(jié)構(gòu)的量化和質(zhì)性評價;其次，設(shè)計紙筆書寫題目考察學(xué)生的“符號”表征情況;第三，基于SOLO分類理論對學(xué)生認知結(jié)構(gòu)流程圖進行整體分析和歸類，評定其認知結(jié)構(gòu)的水平;第四，基于三重表征理論對學(xué)生認知結(jié)構(gòu)流程圖和紙筆作答結(jié)果進行綜合分析，以統(tǒng)計宏觀、微觀、符號等各維度表征方式的應(yīng)用比例。

1.1? 學(xué)生選擇

從陜西省某重點高中由同一化學(xué)教師任教的兩個高一班級的學(xué)生中，按照紙筆測驗成績高、中、低各抽取10名學(xué)生作為被試，即10名學(xué)優(yōu)生、10名中等生、10名學(xué)困生。

1.2? 任務(wù)設(shè)計

1.2.1? 訪談錄音

按照FLOW MAP工具的要求，對學(xué)生頭腦中的認知結(jié)構(gòu)進行提取，需要通過訪談錄音獲取原始數(shù)據(jù)。訪談問題設(shè)置如下：“關(guān)于化學(xué)鍵，你認為有哪些重要的概念（知識點）？”“你能具體地解釋一下這些概念（知識點）嗎？”“上述概念（知識點）之間存在什么樣的關(guān)系？”。在訪談中避免使用提示性語句，并將錄音轉(zhuǎn)化成文字描述。

1.2.2? 紙筆書寫

為考察學(xué)生在化學(xué)鍵學(xué)習過程中對“符號”表征方式的運用情況，設(shè)置電子式書寫題目：“舉例任意離子化合物的電子式”、“舉例任意共價化合物的電子式”、“舉例任意含有極性共價鍵物質(zhì)的電子式”、“舉例任意含有非極性共價鍵物質(zhì)的電子式”。要求被試獨立書寫，研究者收集所有紙質(zhì)材料。

1.3? 任務(wù)結(jié)果分析

1.3.1? 繪制認知結(jié)構(gòu)流程圖

本研究采用FLOW MAP（流程圖法[8]）測查并表征學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)： 對訪談錄音進行文本轉(zhuǎn)錄，將被試的獨立陳述語句確定為單位知識點，并按照陳述順序依次排列，用線性箭頭將各個知識點連接，用回歸箭頭表示知識點之間的邏輯關(guān)聯(lián)，同時需標注被試的錯誤描述，最終繪制出學(xué)習者的認知結(jié)構(gòu)流程圖。被試調(diào)取信息消耗的總時間僅包括學(xué)生組織語言和回答問題的時間（排除研究者提問消耗的時間），圖1展示了三名學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)流程圖。

針對學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)，可以從量化和質(zhì)性兩個方面進行分析和評價，本研究中的質(zhì)性分析突出了對認知結(jié)構(gòu)水平層次的劃分和三重表征屬性的分析。

1.3.2? 認知結(jié)構(gòu)的定量分析

根據(jù)繪圖結(jié)果可對被試的認知結(jié)構(gòu)進行定量分析，定量分析主要關(guān)注認知結(jié)構(gòu)變量（內(nèi)涵見表1）和認知建構(gòu)過程中的信息處理策略（內(nèi)涵見表2），采用SPSS軟件分別對認知結(jié)構(gòu)變量與成績、信息處理策略變量與成績進行相關(guān)性分析[9]。

1.3.3? 劃分認知結(jié)構(gòu)水平層次

本研究采用SOLO分類理論劃分學(xué)生化學(xué)鍵認知結(jié)構(gòu)的水平層次。SOLO（Structure of the Observed Learning Outcome）分類理論是一種以等級描述為基本特征的質(zhì)性評價方法[10]，基于被試對某一問題的反應(yīng)分析其思維水平，由低到高分為五個水平： （1）前結(jié)構(gòu)水平;（2）單一結(jié)構(gòu)水平;（3）多元結(jié)構(gòu)水平;（4）關(guān)聯(lián)水平;（5）拓展抽象水平。本研究據(jù)此制定出“化學(xué)鍵”認知結(jié)構(gòu)水平評判的具體標準（見表3），對兩位研究者的劃分結(jié)果利用SPSS軟件進行一致性分析，采用alpha系數(shù)輸出結(jié)果為0.727，證明此結(jié)果內(nèi)部一致性較高。

1.3.4? 學(xué)生認知的三重表征屬性分析

本研究基于三重表征理論探究學(xué)生對化學(xué)鍵概念的理解情況維度?；瘜W(xué)學(xué)習中三重表征的首倡者為蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)科學(xué)教育中心的約翰斯頓教授[11]，他將化學(xué)學(xué)科知識的表征劃分為三個維度： 宏觀表征、微觀表征、符號表征。在化學(xué)鍵知識群中，宏觀知識包括實驗宏觀現(xiàn)象（如金屬鈉與氯氣反應(yīng)有白煙生成）;微觀知識包括化學(xué)鍵和分子間作用力的異同、化學(xué)鍵的分類、離子化合物與共價化合物的本質(zhì)區(qū)別等;符號表征包括電子式的書寫，即用電子式將宏觀物質(zhì)的微觀特征用適當模型表征。結(jié)合流程圖表征的認知結(jié)構(gòu)、訪談記錄、學(xué)生獨立書寫的電子式，依據(jù)三重表征理論將學(xué)生對化學(xué)鍵概念的理解情況分為“宏觀維度”“微觀維度”“符號維度”“宏觀-微觀維度”“宏觀-符號維度”“微觀-符號維度”“宏觀-微觀-符號維度”。

2? 結(jié)果分析

2.1? 認知結(jié)構(gòu)流程圖的整體分析結(jié)果

30名學(xué)生中學(xué)優(yōu)生1、中等生2、學(xué)困生3的認知結(jié)構(gòu)（認知流程圖）見圖1。比較3名學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)可見： 學(xué)優(yōu)生1的認知結(jié)構(gòu)中知識點的關(guān)聯(lián)性很強，不同知識點呈現(xiàn)有序、層次分明、條理清晰，先總體概述化學(xué)鍵有關(guān)知識點，再陳述離子鍵、共價鍵等的形成條件，舉例相關(guān)的代表物質(zhì)，描述電子式，最后比較幾種作用力之間的關(guān)系;中等生2的認知結(jié)構(gòu)中知識點覆蓋面較窄，不同知識點呈現(xiàn)順序所反映出的層次性、條理性較差，出現(xiàn)了一條錯誤陳述;學(xué)困生3的認知結(jié)構(gòu)中的知識點較為匱乏，只提及了離子鍵、共價鍵、極性鍵、非極性鍵等詞語，認知結(jié)構(gòu)松散，且出現(xiàn)了2條錯誤陳述。

2.2? 認知結(jié)構(gòu)的定量分析結(jié)果

認知結(jié)構(gòu)變量與成績、信息處理策略變量與成績的相關(guān)性分析結(jié)果分別見表4、表5。

從表4可見，關(guān)于“化學(xué)鍵”知識內(nèi)容，學(xué)生的紙筆測試成績與認知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、整合度分別呈顯著相關(guān)（**p<0.01， *p<0.05），與錯誤描述呈顯著負相關(guān)（*p<0.05）。可見，學(xué)生學(xué)業(yè)成績越高，化學(xué)鍵認知結(jié)構(gòu)中的知識點越多、知識之間的聯(lián)系越豐富、知識之間的整合程度越大;相反，學(xué)生學(xué)業(yè)成績越低，認知結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的錯誤越多，其認知建構(gòu)的效果較差。由表5可見，關(guān)于“化學(xué)鍵”知識內(nèi)容，學(xué)生的紙筆測試成績與其對“比較和對比”、“情景推理”、“解釋”等高水平信息處理策略的使用呈顯著相關(guān)（**p<0.01），表明紙筆測驗成績較高的學(xué)生在認知建構(gòu)過程中更傾向于使用較高級別的信息處理策略。

2.3? 認知結(jié)構(gòu)的水平分析結(jié)果

依據(jù)表3，分析學(xué)生的訪談記錄表述情況和認知結(jié)構(gòu)流程圖，對30位學(xué)生化學(xué)鍵認知結(jié)構(gòu)的層次進行評判，結(jié)果見表6。

處于前結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生有3人（占比10.00%），且均為學(xué)困生。如有的學(xué)生答“我不記概念，但是我會做題”、“離子鍵就是相反的電子”，這些描述符合表3中前結(jié)構(gòu)水平的基本特征，沒有弄清問題就作收斂，答案反復(fù)且糾結(jié)于細節(jié)，缺乏一致性。由表6可見，學(xué)優(yōu)生、中等生均在前結(jié)構(gòu)水平之上，僅有部分學(xué)困生處于此水平。

處于單一結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生有6人（占比20.00%），其中1名中等生，5名學(xué)困生。如有的學(xué)生答“化學(xué)鍵有離子鍵”，但未提及共價鍵;“共價鍵有極性鍵和非極性鍵”，但卻將極性鍵與非極性鍵的概念混淆，這些描述符合表3中單一結(jié)構(gòu)水平的基本特征，想到某一概念就迅速作答，未弄清其他概念就由單一概念得出結(jié)論，且結(jié)論非常不一致。由表6可見，學(xué)優(yōu)生均在單一結(jié)構(gòu)水平之上，少數(shù)中等生和部分學(xué)困生因僅識記概念而缺乏相關(guān)概念的辨析，只能達到單一結(jié)構(gòu)水平。

處于多元結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生有11人（占比36.67%），其中2名學(xué)優(yōu)生，8名中等生，1名學(xué)困生。如有的學(xué)生指出離子化合物和共價化合物并舉例，但無法說明其區(qū)別與聯(lián)系，這些描述符合表3中多元結(jié)構(gòu)水平的基本特征，整理知識不夠完整，未深入聯(lián)系孤立的概念素材，導(dǎo)致同一問題前后結(jié)論不一致。由表6可見，少數(shù)學(xué)優(yōu)生和多數(shù)中等生停留在多元結(jié)構(gòu)水平，僅有一名學(xué)困生達到此水平。

處于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生有9人（占比30.00%），其中7名學(xué)優(yōu)生，2名中等生。如有的學(xué)生指出極性鍵和非極性鍵間的本質(zhì)區(qū)別是有無共用電子對的偏移、離子化合物中可能有共價鍵而共價化合物中不可能有離子鍵，這些描述符合表3中關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平的基本特征，對核心概念理解到位并進行歸納概括，但僅僅能在此概念系統(tǒng)中進行問題解決，而不能推廣到其他問題系統(tǒng)中去。由表6可見，多數(shù)學(xué)優(yōu)生和少數(shù)中等生可達到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平，而學(xué)困生均未達到此水平。

處于拓展抽象結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生有1人（占比3.33%），該生為學(xué)優(yōu)生，中等生和學(xué)困生均未能達到此水平。如學(xué)生答“化學(xué)鍵是一種分子內(nèi)作用力，它或許是八隅律存在的原因之一”，該描述符合表3中拓展抽象結(jié)構(gòu)水平的基本特征，根據(jù)知識規(guī)律探索解答其他系統(tǒng)問題的路徑，對拓展性問題進行概括，結(jié)論具有一致性。

綜上所述，學(xué)困生多集中在單一結(jié)構(gòu)水平，中等生多集中在多元結(jié)構(gòu)水平，學(xué)優(yōu)生多集中在關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平，處在SOLO分類水平的更高層次的學(xué)生更易取得較高紙筆測驗成績。

2.4? 學(xué)生認知的三重表征分析結(jié)果

基于對30名學(xué)生的訪談轉(zhuǎn)錄文本和紙筆書寫材料分析，得出學(xué)生對三重表征的概念理解維度情況及比例，如表7所示。

僅停留在“宏觀”維度即宏觀描述正確，微觀性質(zhì)表述和電子式書寫均錯誤的學(xué)生有4人（占比13.33%），且均為學(xué)困生。他們對物質(zhì)缺乏微觀理解，無法上升至符號層面，如： ①將離子化合物和共價化合物的微觀特征和符號表征雜糅;②由于微觀理解偏差導(dǎo)致符號表征錯誤。由表7可見，部分學(xué)困生停留在宏觀層面，缺乏想象和模型建構(gòu)能力，易將錯誤概念與正確符號相聯(lián)系，或?qū)㈠e誤符號與正確概念相聯(lián)系。這說明學(xué)困生從宏觀至微觀維度遞進時，比學(xué)優(yōu)生和中等生更困難。

達到“宏觀-微觀”維度即宏觀描述、微觀性質(zhì)均正確但電子式書寫錯誤的學(xué)生有9人（占比30.00%），其中2名學(xué)優(yōu)生，4名中等生，3名學(xué)困生。他們可聯(lián)系宏觀現(xiàn)象與微觀特征，但無法正確聯(lián)系微觀特征與化學(xué)符號（電子式）。如： 電子式表示不準確、離子化合物電子式中括號書寫有誤、離子鍵與共價鍵的電子式書寫方法混淆等。由表7可見，少數(shù)學(xué)優(yōu)生、部分中等生和部分學(xué)困生停留在“宏觀-微觀”維度，他們對物質(zhì)的微觀想象過于淺顯，未能統(tǒng)一宏觀現(xiàn)象、微觀特征與其化學(xué)符號。這說明中等生和學(xué)困生從微觀至符號維度遞進時較為困難，易停滯在微觀水平，因此需通過模型、類比等方式加強宏微觀表征與符號表征的聯(lián)系。

達到“宏觀-符號”維度，即宏觀描述和電子式書寫正確，但微觀性質(zhì)理解有誤學(xué)生有5人（占比16.67%），其中2名中等生，3名學(xué)困生。他們對符號理解欠佳，僅限于識記水平。如對正確電子式產(chǎn)生錯誤理解，導(dǎo)致微觀表征偏差（如學(xué)生認為離子化合物中可能存在共價鍵，共價化合物也可能存在離子鍵，即使正確寫出氯化鈣的電子式，卻認為氯化鈣是共價化合物）。由表7可見，少數(shù)中等生和部分學(xué)困生處于此維度，他們書寫電子式時未對物質(zhì)的微觀特征作深入分析，表征出現(xiàn)斷層。這說明中等生和學(xué)困生存在微觀探析缺乏的情況，“宏觀-符號”的直接聯(lián)系不穩(wěn)固、不深入，因此需重視發(fā)揮微觀表征的橋梁作用。

達到“宏觀-微觀-符號”維度即宏觀描述、微觀性質(zhì)及電子式書寫均正確的學(xué)生有12人（占比40.00%），其中8名學(xué)優(yōu)生，4名中等生。他們從“宏觀-微觀-符號”三個維度建構(gòu)概念，概念表述層次分明（如認同水和食鹽普遍存在，再說明水是共價化合物、氯化鈉是離子化合物，后說明水分子含有共價鍵、氯化鈉含有離子鍵，并解釋離子鍵和共價鍵的形成條件，最后正確書寫兩物質(zhì)的電子式）。由表7可見，多數(shù)學(xué)優(yōu)生和部分中等生在此維度，其概念建構(gòu)層次遞進，表征架構(gòu)完整，而學(xué)困生均未運用此維度。這說明學(xué)困生缺乏完整的三重表征架構(gòu)的意識或能力，存在認知斷層或缺陷。

3? 結(jié)論與啟示

3.1? 加強知識建構(gòu)與思維訓(xùn)練，增強學(xué)生元認知能力

學(xué)生認知結(jié)構(gòu)的量化分析與質(zhì)性評價結(jié)果表明，成績較高的學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中的知識點較為豐富、知識點之間的關(guān)聯(lián)性較強，知識組織的層序性、條理性較好，錯誤概念較少;成績較高的學(xué)生認知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、整合度均較大，且更傾向于使用情景推理、解釋等高級信息處理策略。因此，在教學(xué)中建議多調(diào)動學(xué)生的思維參與問題分析過程，尤其是加強對比較、推理、解釋等信息處理策略的訓(xùn)練;在教學(xué)中可通過概念圖、思維導(dǎo)圖的知識結(jié)構(gòu)表征方式引導(dǎo)學(xué)生對自身的認知結(jié)構(gòu)進行評價和分析，以增強知識建構(gòu)的自我反思水平。

3.2? 從“多元”到“關(guān)聯(lián)”，促進認知水平整體進階

學(xué)生認知結(jié)構(gòu)的水平分析結(jié)果顯示，大部分學(xué)生處于多元結(jié)構(gòu)水平（占比36.67%）和關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平（占比30.00%），處于拓展抽象結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生很少，且學(xué)優(yōu)生較多分布于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)及其以上水平，學(xué)困生則集中于多元結(jié)構(gòu)以下水平。這一主題教學(xué)改革的重點應(yīng)在于促進學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)由多元結(jié)構(gòu)水平到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平的轉(zhuǎn)化，可以通過開展概念圖繪制、提供更加豐富的認識素材、組織小型知識辯論等方式，激發(fā)學(xué)生對不同概念之間關(guān)系的認識和把握，提高認知結(jié)構(gòu)的整體化、系統(tǒng)化水平。如在實際教學(xué)中應(yīng)注重學(xué)生理解程度的反饋情況，鼓勵學(xué)生依據(jù)已學(xué)知識，從多個角度出發(fā)對化學(xué)鍵下定義，并與教材定義比較，深入體會“歸納”過程，使教學(xué)落腳于學(xué)生對概念的理解與遷移。

3.3? 強化多維系統(tǒng)表征，保障知識的建構(gòu)與表征互促發(fā)展

學(xué)生認知結(jié)構(gòu)的三重表征分析結(jié)果表明，學(xué)優(yōu)生傾向于從宏觀、微觀、符號相聯(lián)合的三重表征維度建構(gòu)化學(xué)鍵知識;中等生受限于雙重表征，在上升為三重表征維度時略顯困難;學(xué)困生停滯在用單一或雙重表征維度建構(gòu)化學(xué)鍵知識。學(xué)生聯(lián)系“宏觀”維度的雙重或三重表征比例達86.67%，聯(lián)系“微觀”維度的雙重或三重表征比例為70.00%，聯(lián)系“符號”維度的雙重或三重表征比例僅為56.67%。學(xué)生認知的宏觀表征與微觀表征之間的聯(lián)系較強，而微觀表征和符號表征之間的聯(lián)系較弱。因此，在教學(xué)中應(yīng)適當加強對學(xué)生微觀表征思維的訓(xùn)練和培養(yǎng)，多開展繪圖或?qū)嵨锬Ｐ痛罱ǖ榷喾N教學(xué)方式，針對不同水平的學(xué)生鍛煉其突破維度的能力，引導(dǎo)學(xué)生將對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認識通過不同的“符號”形式進行呈現(xiàn)，同時促進其想象思維與表達能力的提升。

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