基于ＭＡＳ問題編碼的化學知識多重表征研究

摘要：主要借鑒MAS問題編碼的方法，對化學中宏觀表征、微觀表征、符號表征兩兩之間的轉換以及三重表征間的轉換問題，以測試的形式，就學生在單維轉換中表現出的差異進行了因素分析，并對某一轉換水平在單維、多維轉換中的轉換能力作了比較，以期為提高學生三重表征思維提供有益的啟示。

關鍵詞：宏觀表征；微觀表征；符號表征；MAS問題編碼

文章編號：1005－6629(2008)03－0011－04中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

化學是一門在分子、原子水平上研究物質的組成、結構、性質及其變化規律的科學。物質的性質體現在宏觀變化上，而物質的組成、結構等微觀知識則是理解性質，把握變化本質的基礎。而化學符號作為聯系宏觀與徽觀的橋梁，是化學學習的重要工具。因此，對化學知識進行宏觀表征、微觀表征和符號表征，并在三者間實現有機的聯系，即進行三重表征，可以說是化學學習的精髓所在。

MAS，即多維分析系統(multidimensional analysis system)，它最初被設計用于確定與摩爾相關的化學定量問題的難度。MAS系統分析解決某類問題所需的幾種知識維度，并對每一種維度的難度要求從低到高進行賦值，然后再依據問題涉及的知識維度和難度水平對問題進行編碼，從而實現對該類問題的難度分類[1]。例如對于“摩爾”這一知識點的問題解決，MAS系統的維度設置包括三個轉換水平：宏觀→符號、微觀→符號、符號→過程，難度分類值為0、1、2、3，其問題分類具體規則如下：

表1 摩爾問題的MAS問題編碼規則

根據上述分類規則，對于不同的摩爾問題可分別進行編碼，例如NO₂的摩爾質量是多少？根據上述問題編碼規則，該題的MAS問題編碼為001。

本研究借用了MAS系統的方法，對化學問題分別進行編碼，研究學生對化學中三種知識表征間的轉換能力。根據問題涉及的知識表征，本研究設置了三種維度的知識表征間的轉換水平：宏觀←→微觀、微觀←→符號、宏觀←→符號。其中單維度指的是僅包含一種上述轉換水平，多維度指的是包含一種以上上述轉換水平。根據解決問題所需的不同表征間的轉換方向為0、1、2三類，具體的MAS問題編碼規則如下所示：

表2 本研究MAS問題編碼規則

2 研究設計

2.1 研究目的

本研究旨在考查高中學生化學宏觀表征、微觀表征、符號表征兩兩之間的轉換能力。通過學生間轉換能力的差異比較以及某一轉換水平在不同維度下轉換情況的分析，為提高學生進行三重表征的能力提供有益的借鑒。

2.2 研究對象

本研究選取上海市兩所高級中學高三學生為被試，按照化學學習基礎的好壞，對被試進行分組。將學習基礎較好的學生歸為一組成(以下簡稱A組被試)，將學習基礎相對較差的學生歸為另一組(以下簡稱B組被試)。其中，A組被試共90人，B組被試共50人。

2.3測試材料

根據研究目的，將進行兩次測試，測試中涉及到的化學知識均為學生在高一高二中已學的，測試一和測試二將分別反映學生單維度轉換的情況和多維度轉換的情況。測試一與測試二的MAS問題編碼如下：

本研究測試所選試題涵蓋了高中階段所學的化學基礎知識，所涉及的章節內容較廣。為確保測試結果與研究結論具有一定的信度與效度，對于同一轉換水平同一轉換方向的試題，在試題難度上應盡量保證一致。

2.4 研究方法

本研究采用對比分析的研究方法，其中測試一在A組被試和B組被試間進行，考察兩組被試在單維度轉換能力上的差異，并揭示了造成這種差異的可能的原因；測試二在A組被試內進行，測試結果將與測試一的結果共同形成某一轉換水平在不同維度下的轉換情況，并作比較分析。

3 結果與分析

3.1 單維度轉換結果處理與分析

對兩組被試在測試一中的回答情況進行了結果處理，其單水平轉換的正確率分別見表3及表4所示。

表3 A組被試單維度轉換正確率統計結果

由以上兩表可見，在單維度轉換中，A組被試的總體正確率普遍高于B組被試，兩組被試間的差異較為顯著。從測試一中兩組被試的回答情況來看，化學基礎較好的A組被試由于本身具備了比較全面系統的宏觀表征、微觀表征、符號表征的知識，能更為順利地進行不同表征間的單維度轉換，下面將通過兩個問題實例具體加以說明。

問題1(MAS No.100)：下圖是金剛石熔融狀態下的微觀結構，請解釋為什么金剛石在室溫下是固體？

分析：該題需要學生提取題干中的有效宏觀表征信息——金剛石的高熔點，和微觀表征信息——金剛石中碳原子共價鍵結合的方式，來建立由微觀到宏觀的轉換——結構決定性質，答對的學生往往會注意到問題中這些“有效信息”，層層推進地把問題解釋清楚、全面。而在答錯的學生中，有相當一部分學生只提到了“金剛石是原子晶體”，即而說明它在常溫下是固體，而這僅僅停留在了規律層面上，未能揭示出其微觀本質。

問題2 (MAS No.010)：如下圖所示的分子結構中，黑球代表原子序數小于10的元素的原子實(原子除去價電子后剩余部分)，黑點表示未成鍵電子，短線表示共價鍵。請寫出相應的化學式。

分析：有96.8%的A組被試正確寫出了尿素(該小題答案)的結構式，而B組被試中的正確率僅為60.4%。調查發現，A組被試和B組被試中答對該小題的學生中大多能正確回憶出1-10號元素原子的外層電子排布，并能將題干中的橫線與單、雙鍵對應；黑點與原子外層的孤對電子對應。顯然，在他們的頭腦中已具備了原子核外電子排布及化學鍵這些微觀表征的知識，并且能在書寫化學式的過程中考慮核外電子排布及孤對電子對成鍵的影響，說明其已能正確建立起微觀表征與符號有意義的聯系，有效地實現兩者之間的轉換。

綜上，影響學生在單維度轉換問題解決上差異的因素有：(1)對某一知識表征本身的掌握程度。倘若缺乏對宏觀、微觀、符號表征中任一表征的相關知識或能力，都將影響到學生進行兩兩表征之間的轉換以及三重表征之間的轉換。(2)建立不同表征間某些內在的對應關系，這與對知識的熟悉程度等有關，屬于能力范疇。(3)對問題表征的深度的不同。對問題本身包含的信息進行深入的加工，提取其中有效的部分，將有助于提高不同表征間的轉換。

3.2不同維度下轉換結果的處理與分析

為考察不同維度對轉換能力的影響，研究對A組被試還進行了多維度轉換的測試，并結合A組被試在測試一單維度轉換中的表現情況，得到了其在不同維度下某一轉換能力強弱變化的趨勢，結果如下表所示(見表5、6、7)。

3.2.1 不同維度下轉換結果

在多維度轉換的問題中，包含宏觀→微觀轉換水平的問題有102、202、211、221四題，其中221因適合進行定性分析，暫不作定量統計。根據轉換的方向，將宏觀→微觀轉換問題分為100、102和200、202、211兩組。同理，微觀→符號021、211和002、102、012、202。

表5 不同維度下微觀→宏觀與宏觀→微觀的轉換比較

注：問題102的正確率指的是“1”，即微觀→宏觀這一方向轉換的正確率；問題202、211的正確率指的是“2”，即宏觀→微觀這一方向轉換的正確率，下同。

表6 不同維度下微觀→符號與符號→微觀的轉換比較

3.2.2 不同維度下轉換結果分析

由上述結果顯示，宏觀→微觀的轉換因有符號的介入，使的該轉換變得更容易實現。我們知道，宏觀領域主要關注物質及其性質、科學過程及現象，而微觀領域則主要關注微粒模型，如分子、原子和離子等，而符號在連接宏觀與微觀之間，起到重要的橋梁的作用[2]。有學者將宏觀、微觀、符號三個界面的關系表示如下：

由上圖可以發現，宏觀領域與微觀領域是可見的物質世界與不可見的粒子運動這樣兩個沒有交叉的領域，從一杯水要獲知水的分子組成、結構式確實非常困難，這也正是化學的奧秘之處。化學符號不僅是中學化學知識的重要組成部分，而且是學生學習化學知識或化學事實的重要表征形式之一，具有知識性和工具性的高度統一。學生解決化學問題必然在很大程度上要運用化學符號提取化學知識、轉換化學信息，甚至進行化學符號組合或轉換等一系列思維活動[3]。下面我們仍以測試中的一道實例加以說明。

問題3(MAS No.202)：KClO₃和NaHSO₃在溶液中能發生氧化還原反應，其反應速率與時間的關系如下圖所示。已知該反應的速率隨H+濃度的增大而增大，試回答：

(1)寫出反應的離子方程式：

(2)請解釋反應剛開始階段反應速率逐漸增大以及反應后期速率逐漸減慢的原因。

分析：問題202首先要求寫出某氧化還原反應的離子方程式，這是宏觀→符號的轉換。根據物質的氧化性和還原性，有一部分學生能正確書寫離子方程式，而影響反應速率的H+是生成物之一，可解釋該反應由快到慢這一宏觀現象背后的微觀機理，提高了宏觀表征到微觀表征的轉換。

另外，對于微觀→符號、宏觀→符號的轉換，增加問題的維度，只是單純的增加轉換的次數，提高問題的難度，對學生三重表征之間轉換水平的要求也更高。從轉換的方向上來看，宏觀→微觀、符號→宏觀的轉換也要略難于微觀→宏觀、微觀→符號、宏觀→符號的轉換。這可能是因為符號表征本身就包含了很多信息，它是宏觀現象和微觀機理的高度濃縮，因此根據給出的符號信息來推知宏觀性質與微觀本質就會比較容易進行。

參考文獻：

[1]Yehudit J.Dori， mira Hameiri. Multidimensional Analysis Sy stem for Quantitative Chemistry Problem: Symbol， Macro， micro and Process Aspects[J]. Journal of research in science teachning， 2003.

[2]Onno de Jong， Jan van Driel. Prospective teachers' concerns about teaching chemistry topics at a macro-micro-symbolic interface [C]. Speeches/meeting reports， 1999.

[3]付勇.化學符號在中學生化學問題解決中的作用研究[J].化學教育，2007，4.