中學生氧化還原反應學習心理的實證研究與反思：大陸和臺灣經驗

麥裕華

摘要：對2004至2016年間我國大陸和臺灣地區研究中學生氧化還原反應知識學習心理的22篇實證研究文獻進行綜述。研究者從新課學習、問題解決、階段發展這3個研究角度開展研究。對各研究角度的研究內容和研究方法進行總結和評論，對日后研究提出相應建議。

關鍵詞：氧化還原反應；概念學習；概念發展；問題解決；綜述

文章編號：1005–6629（2017）6–0007–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

氧化還原反應是化學重要的基本理論，也是中學化學課程的學習重點和難點。氧化還原反應包括以“得失氧元素”、“元素化合價變化”、“電子轉移”為標志的3個學習階段，涉及反應物和產物類型、反應類型、反應特征和本質、反應進程等內容及其相互關系，擁有龐大而復雜的學習內容。許多教師圍繞氧化還原反應的教學，探討了大量有助于突破教學重難點的方法，設計了大量優秀教學案例，在課堂教學實踐層面取得了豐富成果。

學生對不同類型知識的學習，要滿足不同的學習條件，經歷不同的學習階段。學生對氧化還原反應知識的學習，必須滿足概念和原理知識的學習條件，經歷概念發展的學習階段。深入認識學生在氧化還原反應知識學習過程中的認知狀態及其變化機制、階段發展等學習心理范疇內容，更有助于研究者和教師設計適合學生的課程和教學內容，選擇相應的教學方法。因此，有必要系統地總結研究者對于中學生氧化還原反應知識學習心理的實證研究成果。值得考慮的是，我國大陸和臺灣地區同是華人社會，兩岸中學生在課程內容和社會文化等因素的影響下，在語言和概念學習、學習心理發展等方面容易存在較大的相似性。因此，也有必要系統地總結兩岸研究者在該研究主題上的研究成果，促進化學學習心理研究的發展。

2 研究方法

通過中國知網查詢大陸學術文獻，通過臺灣科學教育期刊文獻數據庫、碩博士論文數據庫查詢臺灣學術文獻。文獻類型包括期刊論文、會議論文、碩博士學位論文等形式。通讀論文的主要內容，篩選出偏重研究中學生氧化還原反應知識學習心理的實證研究文獻，最后共得文獻22篇。其中，期刊論文7篇，會議論文1篇、碩博士學位論文14篇；大陸文獻17篇，占77.3%，臺灣文獻5篇，占22.7%。根據不同的研究內容，將這些文獻歸類為新課學習、問題解決、階段發展這3個研究角度。部分文獻涉及多個研究角度，新課學習研究角度有4篇次，占18.2%，問題解決研究角度有10篇次，占45.5%，階段發展研究角度有11篇次，占50%。

3 研究進展

3.1 新課學習的研究

新課學習研究角度關注學生正式學習氧化還原反應知識時，如何形成和建立相關概念的定義，認識概念系統的內部關系。研究文獻較少，包括3篇大陸文獻和1篇臺灣文獻。

對外部信息進行各種加工，并且形成個人長時記憶的表征形式，是信息加工的重要過程。丁偉[1]提出氧化還原反應概念的內部表征形式，具有命題符號表征、知覺符號表征和綜合表征這3種表征類別，共10種表征形式。研究者以自由聯想的方式，調查上海高二學生的氧化還原反應概念內部表征形式。研究發現學生使用了多元化的表征形式，其中主要使用文字語言描述表征形式，極少使用圖像表征形式。此外，高質量的概念內部表征具有表征類別多元化、表征形式多重化、精致程度更高、更趨于概念本質這幾個特點。而要形成高質量的概念內部表征，學生需要通過自我解釋等方式，主動地對概念進行深度加工，變換出適合個人長時記憶的概念內部表征形式。

概念學習包括概念獲得和概念應用兩個階段，概念獲得包括概念形成和概念同化。鄧陽[2]比較概念形成和概念同化這兩種方式，對湖北高一學生學習氧化劑和氧化產物這兩個概念的影響。研究結果顯示：（1）概念同化方式比概念形成方式能夠獲得更好的學習效果。（2）概念同化方式在宏觀的化合價表述上比微觀的電子轉移（偏移）表述能夠獲得更好的學習效果。（3）不同學業水平學生在概念形成上學習效果的差異不顯著，而概念同化學習效果有顯著差異。概念的內部結構、不同的概念學習方式和學生的學業水平共同影響著概念的動態難度。

詹耀宗[3]參考坎貝爾進化認識論的觀點，從替代選擇器（Vicarious Selectors）的內容、結構、運作機制和元系統轉換的角度，以個案研究的方式探討臺灣3位高二學生氧化還原反應概念形成機制。通過學生的訪談資料，研究者認為替代選擇器包括：（1）關鍵概念。處于中心位置，由原理概念屬性的命題陳述歸納而成，用于判斷相關概念命題。（2）輔助概念。處于周圍位置，代表多種不同屬性的命題陳述，用于理解和陳述關鍵概念。在概念形成過程中，這2種概念產生相互作用，關鍵概念會選擇輔助概念，輔助概念會支持形成關鍵概念。替代選擇器元系統轉換是讓整個概念結構從復雜到簡單的精煉過程。

考慮到學生的個性心理，馮姣姣[4]探討歧義容忍度（Tolerance of Ambiguity）對河南高一學生氧化還原反應概念學習的影響。該研究界定的歧義容忍度指學生的認知結構與新知識存在差異性時，學生對兩者共存的包容、接受的心理傾向。研究結果顯示相對于低歧義容忍度學生，高歧義容忍度學生更能夠接受新概念，甄別與加工新舊知識，達到概念深層加工水平，并且有助于認知過程本體概念的內容。

由上述可知，研究者分別對概念內部表征形式、概念獲得的方法和機制、個性學習心理這幾個主題開展具體探討。該研究角度并不受研究者注目，這可能因為深入地刻畫學生頭腦中建立和聯系氧化還原反應相關概念的過程是較困難的。氧化還原反應概念系統的復雜性導致學生的學習具有復雜性。不同概念獲得的具體過程、概念間交互作用的方向和強度究竟為何，以及更多細致的研究內容和結果尚鮮見詳細報道。微觀發生法是一種聚焦學生認知變化的發生期間，通過收集多方面精細信息，理解認知變化機制的研究方法。該方法可以作為該研究角度獲得深入研究結果的研究方法。因此，研究者可以更深度地應用信息加工心理學，結合課堂教學實踐情況，持續關注和探索學生學習氧化還原反應知識時知識形成的變化路線、速度和來源等微觀發生過程及其機制。

3.2 問題解決的研究

問題解決研究角度關注學生應用氧化還原反應知識解決相關問題時，如何對問題情境作出反應，如何通過思維操作從問題的初始狀態到達目標狀態。研究文獻較多，包括10篇大陸文獻。

理解和表征問題是問題解決的首要環節。丁偉[5]系統研究上海高二學生在氧化還原反應分類問題和推理問題解決時的內部表征歷程和應用機制。研究者發現學生分類問題解決的關鍵步驟是信息轉譯和判斷環節，主要使用知覺符號表征類別的各種表征形式；推理問題解決的關鍵步驟是包含復合判斷的推理環節，主要使用命題符號表征類別中以化學符號表征形式為主的各種表征形式。

原型是知覺符號表征類別中的一種表征形式。米廣春[6]了解通過學習材料而分別具有文字原型、圖像原型、文字-圖像原型的山東高一學生在氧化還原反應知識不同學習水平的表現。研究結果顯示具有不同原型的學生在簡單再認水平的表現沒有顯著差異，但是在復雜再認、分類、應用水平存在顯著差異。在復雜再認和分類水平，文字-圖像原型學生依次優于圖像原型和文字原型學生；在應用水平，文字原型學生依次優于文字-圖像原型和圖像原型學生。筆者認為丁偉[7]對問題解決內部表征歷程的研究結果，可以解釋米廣春的研究結果。

在更微觀的問題解決過程研究層面，黃靜等人[8]通過出聲思維方法，了解福建高一學生在解決氧化還原反應綜合應用推斷題時，問題表征在動態過程、表征廣度、表征有效度這幾方面的特點。研究結果顯示學生使用了多種信息表征方式，均以文字語言描述表征為主。研究者認為學優生更能結合個人較完善的知識結構，深層表征問題信息，學困生更傾向使用個人知識結構的孤立知識，淺層表征問題信息。

李秀滋[9]研究上海高中各年級學生在氧化還原反應原理的應用、簡單計算和復雜計算這3種問題解決水平的特點。研究者認為高一、高二學生是使用新手式的表征，高三學生是使用專家式的表征，學生對氧化還原反應知識的掌握能力影響著相應的問題解決能力。

姬廣敏等人[10]通過出聲思維方法，探討山東高一學生在解決氧化還原反應識記、理解和應用水平問題時的典型行為。研究者也了解到學生的氧化還原反應認知水平不會影響其簡單氧化還原反應方程式的書寫表現，但是會顯著影響其復雜氧化還原反應方程式的書寫表現。這種影響與學生氧化還原反應的理解和應用水平有關。

氧化還原反應知識的問題解決是知識豐富領域的問題解決。結合化學學科知識，丁偉等人[11]、仇興葉[12]、鄭文昌等人[13，14]、謝巧兵[15]分別對各地高一學生在氧化還原反應知識的學習困難或學習障礙點進行探討。研究結果較一致地顯示，在學生的認知層面，對化合價缺乏準確認知和判斷，對概念間聯系缺乏多元和深層表征，是導致氧化還原反應學習出現學習困難的成因。

由上述可知，研究者具體探討問題解決的信息表征形式、思維操作過程、解題能力和水平這幾個主題。問題解決的經典研究方法是使用出聲思維，分析個別學生在問題解決不同階段的思維過程和所需時間，抽象出學生的思維操作，并且繪制相應的問題解決行為圖。而這類深入了解學生思維操作過程的研究較少，較多的研究是根據學生群體的答題情況，推測學生可能遇到的解題困難和總結解題表現。這兩類研究分別從微觀、宏觀層面展現學生的學習過程和結果，都有其研究價值，但把這兩類研究充分融合起來的綜合性研究卻較鮮見。因此，研究者可以通過更嚴謹的研究設計，從不同角度聚焦研究內容和獲得研究證據，共同認識學生的問題解決過程和結果。

3.3 階段發展的研究

階段發展研究角度關注學生在不同的學習階段，氧化還原反應知識的認知水平和學習結果有何表現、特點和變化規律。研究文獻較多，包括7篇大陸文獻和4篇臺灣文獻。

米廣春[16]對上海具有高三水平的大一新生，謝兆貴[17]對江蘇高三學生，程昭[18]對湖北高一、高三和大三學生的氧化還原反應概念內部表征形式也開展了類似丁偉[19]的研究。研究結果也與丁偉[20]的研究結果相似，學生主要使用文字語言描述表征形式，但隨著年級的增加，增加使用語言回路、樣例和圖形表征形式。

徐群策[21]使用概念圖，對江蘇高一學生在一學年內學習氧化還原反應知識的過程和結果進行跟蹤研究。研究者認為不同學業水平學生有不同的概念轉變情況，歸納出學優生具有“漸進期——突變期——高原期”，其余大多數學生具有“漸進期——高原期——突變期”的變化特點。

李秀滋[22]了解上海高中各年級學生在氧化還原反應概念辨析、各關系辨析這2個學業水平的具體表現。研究發現不同學業水平、不同性別對高一學生的學習結果有顯著影響，對其他年級學生的學習結果沒有顯著影響，高一年級是學生學習氧化還原反應知識的分化期。

徐立[23]探討江西高中各年級學生在氧化還原反應知識的邏輯思維能力發展情況。研究發現不同年級學生的邏輯思維能力隨年級的增長而增大，而且存在顯著差異。在概念和判斷水平上，不同年級學生存在顯著差異；在推理水平上，不同年級和不同性別學生的主效應顯著，但是兩者不存在顯著的交互作用。

詹耀宗等人[24]從多元觀點分析臺灣初二、初三和高二學生在氧化還原反應和燃燒概念學習測驗的表現。通過測試結果，研究者認為學生在這2個主題概念的發展并不完整，尚未達到最高級的形式階段。這導致學生無法掌握相關主題概念中最關鍵的核心概念及其結構，繼而擾亂概念間的相互關系和位置，在反應有關的命題陳述時產生錯誤的概念聯結或不當的歸類推理。

心智模式是為表征問題情境、預測和解決問題而建立的表征形式。由于氧化還原反應知識的復雜性，學生也相應建立不同類型的心智模式，不同年級學生的心智模式存在著演變過程。鐘曉蘭等人[25]探討基于多重表征的模型教學和融入模型教學的認知師徒制教學，對臺灣高二學生氧化還原反應知識學習成效和心智模式的影響。研究者分析3個組在6種心智模式的比例分布，確定各組心智模式的演變途徑。

江文瑋[26]圍繞“氧化還原反應”和“氧化數定義及應用”這2個主題，歸納出臺灣學生分別具有的8種、7種心智模式，并且系統地了解高中各年級學生在氧化還原反應5個概念上的具體表現、具有的心智模式類型。張丙香[27]融合三重表征和心智模式的內容，結合科學史的發展，提出11種氧化還原反應三重表征心智模式。研究者以山東高中各年級學生為研究對象，了解不同年級學生在宏觀、微觀和符號層次分別具有的心智模式類型，以及不同學業水平學生心智模式的特點。

張育倩[28]對臺灣初中七至九年級、高中一至二年級、大學化學系學生這6個學生群體進行測試，系統地了解氧化還原反應4個主概念的不同認知狀態、重要類型、綜合得到的心智模式在跨年級學生的縱向變化。由此提煉出10種心智模式，研究者更確定跨年級學生心智模式具體的發展歷程和概念演化樹，并且對心智模式的解釋融貫地作出分析。

由上述可知，研究者的探討內容包括不同學習階段的概念內部表征形式、概念轉變和思維能力情況、心智模式。與其他研究角度相比，該研究角度的研究最多，這可能因為在某些時間點評價學生群體的認知水平和學習結果，是相對容易的研究。此外，該研究角度的研究具有宏觀視野，展現出學生在不同學習階段的學習“限度”、存在的困難、遺留的問題和影響因素，有助于系統認識學生學習過程和結果的長期變化。學習進階是科學教育課程設計和發展的熱點問題，學習進階的確定需要協調課程內容和學生能力與水平的關系。但上述研究尚未結合所得的研究結果，從學習進階的角度提出系統的學生學習氧化還原反應知識的具體進程和水平。因此，研究者可以整合已有的研究結果，提出具有可行性的學習進階方案，再進行后續的驗證和修訂工作，為現有高中化學課程、教科書和教學的設計提供適當的“反撥作用”。

4 結論和啟示

4.1 研究結論

通過分析我國大陸和臺灣地區研究中學生氧化還原反應知識學習心理的22篇實證研究文獻，了解到兩岸研究者在該研究主題上所作的努力和成果。研究者的研究涉及學生正式學習氧化還原反應知識的過程、氧化還原反應問題解決的過程、不同階段的認知水平和學習結果，囊括了“新學”、“應用”和“發展”這3方面。這些研究均有助于人們認識學生學習氧化還原反應知識的心理過程和發展階段。

在研究內容的選擇上，新課學習研究角度的研究偏少，階段發展研究角度的研究最多。3個研究角度都有大陸文獻，這顯示大陸研究者的研究興趣廣泛，關注氧化還原反應知識學習的各方面，深耕知識學習的實質和表現。新課學習研究角度，尤其是階段發展研究角度有臺灣文獻，這顯示臺灣研究者的研究極其集中，重點關注氧化還原反應心智模式的建構，符合國際科學教育研究領域的研究潮流。

在研究方法的使用上，研究者使用的研究方法主要結合研究角度的實際需要而定，不僅有量化的專題測試（常規測試題、二段式測試題等），也有質化的個案訪談。

4.2 研究啟示

盡管研究者已經對學生學習氧化還原反應的過程和結果開展大量研究，仍然有許多研究內容值得人們繼續探討。上文已經針對3個研究角度的研究不足，提出專門的研究建議。此外，筆者發現過去的研究較少探討學生的個人特質和氧化還原反應知識學習的關系，未能呈現可能影響學生學習的各種因素。例如，具有不同認知風格、認知策略、建模能力、科學閱讀能力等特點的學生，在學習期間分別會有何具體表現？具有不同科學認識觀的學生如何接受氧化還原反應知識的發展？不同教學文本和素材又會對學生產生何種具體影響？類似的問題不勝枚舉，研究者日后可以圍繞多因素間的關系進行深入探討。

認知診斷是應用某些特別的統計模型，通過學生在一系列有邏輯關系的學科問題的反應模式，推斷學生個人對學科知識的知識結構和掌握程度。尚少見研究者運用規則空間模型（Rule Space Model）、知識空間理論（Knowledge Space Theory）等統計模型對學生個人的氧化還原反應知識開展認知診斷研究。未來有必要充分發揮認知診斷理論的研究價值，深度挖掘學生的學習信息和促進研究結果的革新。

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