高中生有機化學心智模型探析

摘要：結合高中有機化學課程標準和教材內容提出心智模型框架，通過二段式診斷測驗和半結構式訪談等方法探查高二、高三物化班學生的有機化學心智模型。研究發現，學生有機化學心智模型整體相似，均以“結構——性質”關系為核心，但是在微觀層面，對于模型節點之間的關系表述還存在精確性問題，在心智模型表述的復雜性層面，存在著群體性差異。

關鍵詞：高中化學；心智模型；有機化學

文章編號：1005–6629（2016）12–0019–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

筆者此前分析了心智模型在中學化學領域的研究現狀[1]，發現針對高中生有機化學的心智模型的研究尚為空白。而有機化學[2]作為高中化學的重要組成部分，在高考試題中所占比例較大，難度和區分度較大，得分情況相對不理想。為此，筆者通過半結構式訪談和二段式診斷測驗等方法進行了相關研究，試圖探查高中生有機化學心智模型的發展狀況，以期為優化和改善教學提供參考依據。

1 研究的設計與實施

1.1 理論基礎

心智模型（Mental Model）概念最早由蘇格蘭心理學家肯尼斯·克雷克（Kenneth Craik）在1943年提出。他認為，人類是資訊的處理器，人類透過三個明顯的處理過程來進行確認與推理：（1）運用文字、數字、符號將一些外在事物轉譯進入個人內在表征；（2）借由一些同類符號的推理過程來推算其他符號的意義；（3）當對一個事件的預測完成了解時，一些符號經過轉譯后會成為個人的行為[3]。隨后，有不少學者對心智模型的內涵、特征、功能、形成機制和影響因素等進行了深入研究。已有文獻表明，當前關于心智模型影響因素的研究相對較少。但是研究者們普遍認為，心智模型是個體經由自身認知和外在因素的共同作用下不斷建構起來的，個體的已有知識經驗、認知能力、認知風格、學習方式、學習環境、生活背景和家庭環境等都會影響其建構和發展[4]。

1.2 測驗設計

由于有機化學的自身特點，需要學生具有一定的發散思維和空間想象能力，學生心智模型中的認知角度、認知方式和認知策略將相應匹配，而心智模型中的結構化程度將影響學習實際效果（即也許兩位被試的知識豐富程度接近，但結構化程度差異較大，那么他們的學習效果將會差異很大），為此需要采用個案研究和問卷調查相結合的方法進行研究。

測驗過程方面，首先采用半結構式訪談和概念圖法進行個案研究，通過繪制思維地圖[5]來了解部分學生所存在的有機化學心智模型，獲得一定數量的樣本和基礎資料。隨后進行以紙筆測驗為主的大規模問卷調查，且問卷題目、選項均來自于筆者之前進行的個案研究。對思維地圖中所呈現的特點加以驗證和有效地補充探查，以深入探查學生有機化學心智模型狀況。

測驗內容方面，個案研究由解釋、聯想、建構、應用、訪談等五個部分組成（見圖1）。如訪談，則是為初步了解學生心智模型中有機化學的學習和記憶方式，對某些有機物性質的掌握、有機化合物的三重表征、有機化學與日常生活的聯系、有機化學知識體系的建構和豐富程度等。

二段式診斷測驗問卷則是在前期的個案研究、對《普通高中化學課程標準（實驗）》、教材內容和研究目的進行梳理的基礎上編制而成。問卷分為四部分，第一部分是指導語和個人基本信息，包括性別、年級、學習興趣和化學學習成績等級。第二部分是選擇題，讓學生根據對有機化學的基本認識回答各題，探查有機化學的學習動機、學習興趣、認知方式和偏愛的教學方式。第三部分是二段式多項選擇題，主要從知識的豐富程度、模糊觀念、認知策略和問題解決能力等視角調查學生有機化學知識的心智模型狀況。第四部分是主觀題，共1題，主要通過對多種“兩碳有機物”建立概念圖，了解有機化學知識的認知角度、結構化程度和表述的精確性和復雜性等。

1.3 調查實施

筆者選擇了江蘇省某市三所高中高二、高三年級物化班學生作為研究對象。考慮到被試的年級、性別、表達能力以及學業成績差異對有機化學心智模型產生的影響，分別選擇了口頭表達能力較好，具有代表性，化學成績處于不同等級的男生、女生共24名作為個案研究對象。進行大范圍測驗前，先做了小樣試測，并根據測驗結果對問卷進行修正。然后采用了整體抽樣方法進行測試，且這些學生的教學進度和教材相同。測試共發放問卷352份，回收有效問卷344份，問卷回收率97.7%，其中高二學生178份，高三學生166份。測試結果均采用SPSSl7.0對數據進行統計和分析處理。

2 結果與分析

2.1 學生有機化學心智模型整體相似，均以“結構——性質”關系為核心

加涅將概念分為具體性概念和定義性概念[6]。筆者通過概念解釋和概念聯想的方式，要求學生就高中有機化學中的甲烷、苯、聚乙烯等具體性概念和烴的衍生物、同分異構體、取代反應等定義性概念進行闡釋，并繪制思維地圖。其中較具代表性的思維地圖如下（圖2～圖5）。

可見，無論是對具體性概念還是定義性概念，學生普遍以“結構——性質”關系的心智模型為主，遵循著“結構——性質”的建構方式（見表1），能從立體結構的角度表征有機物的結構。

學生之所以能基本形成以“結構——性質”關系為核心的心智模型，與高中有機化學教材的編排、教師的教學方式有很大聯系。結合心智模型的認知功能、形成機制和影響因素，對高中有機化學的課程標準、教材、編寫思路和呈現方式進行分析，表明高中有機化學教材是結合有機化學知識特點和高中學生的認知水平進行內容組織和編排的，對不同內容或知識以不同的方式或程序、不同的層次來呈現，總體上為：元素組成→分子結構→官能團→性質→合成→應用。具體如，對有機物元素組成問題是從生活經驗出發，結合化學史展示，再通過圖示等方式進行元素分析；對有機物分子結構問題則從學生已有認知經驗出發，結合相關資料介紹，再進行結構的解釋和應用；而對有機物相關性質則以實驗現象為認知基點，結合化學史料和微觀結構分析、符號表征，再回到宏觀現象的解釋和應用。因此，教師在有機化學教學中，都非常注重有機物分子結構的教學，在時間分配、教學設計中都突出了從分子結構的分析來學習有機物的性質。

2.2 在微觀層面，對有機知識存在表述精確性問題和認知偏向

以概念聯想和情景聯想方式對部分有機物的性質、有機概念進行研究，對獲得的信息數和信息類型進行統計，并結合統計結果進行口語測試。調查顯示，學生對于有機化學中復雜知識點的理解不夠透徹，存在較多的個人概念和模糊觀念，缺乏對概念關系的建構和相近概念的辨析，導致對于有機化學知識表述存在精確性問題和認知偏向。

比如，對照同分異構體的科學模型（見圖6），在個案訪談的概念解釋中，部分被試表示對概念不理解，繼續追問或啟發引導，也只能列出同分異構體相關的實例。對“同分異構體”思維地圖分析顯示，學生對定義性概念存在認知偏差，僅36.3%的被試能正確描述“分子式相同、結構不同”，并能舉例說明（如正丁烷和異丁烷等）。認知偏差主要體現在46.5%認為“同分異構體具有相似的化學性質”，10.2%認為“互為同分異構體的物質相差一個或若干個-CH2”（與同系物的概念混淆），22.7%認為“具有相同的官能團”等。可見，學生在建構和內化概念時，主要從學科知識角度出發，也會由個人經驗推測或猜測，“顧名思義”地去理解某些有機概念，而導致形成錯誤的或偏差的心智模型。

再如，以“苯的性質”為例，研究表明，24名被試的心智模型中對苯的物理性質和化學性質等主要停留在書本知識和一些概括性描述或偏向性描述。筆者在問卷調查中也進一步探查了被試對“苯的性質”的掌握情況：

提到“苯的性質”，你會想到什么，請按先后順序排列（ ）

A.可以燃燒 B.有毒

C.無色無味的液體

D.可以使酸性高錳酸鉀溶液褪色

E.易加成難取代 F.甲苯

綜合個案研究和問卷調查結果（見表2），部分學生對苯的物理性質的表征存在模糊觀念；化學性質方面僅能作概述性描述，如“苯易取代難加成”，來說明苯和氫氣的加成、取代反應，鮮有具體的實例出現，且對具體化學反應的描述僅關注反應物和產物，而忽視了有機反應中隨反應條件的變化會產生多樣性產物的特征。其中，45.3%的被試最先想到苯的毒性，94.5%的被試在性質選擇中認為苯是有毒的，說明消極信息對心智模型的影響較大，被試對一些威脅性的詞語（如：有毒）有一定的記憶偏向；對苯的化學性質存在錯誤認知，與乙烯的性質有所混淆，有61.6%的被試選擇苯可以使酸性高錳酸鉀溶液褪色，10.5%最先提到該性質。

調查中，大部分學生體現出對有機化學相關知識的記憶主要是機械記憶，而在意義記憶、組織策略和精加工策略方面有待加強，導致對相關知識的記憶準確度、豐富程度和關聯程度相對不足，容易出現記憶混淆或迷思概念。奧斯本和維特洛克曾指出，在教學前很有必要先了解學習者的心智模型，如果學習者的已有知識不足，會發生學習困難；學習過程中不同學習者持有的心智模型也有差異，在教學過程中要注意知識的呈現方式和先后順序，以期能幫助學習者的心智模型有效運作[8]。因此，教師要結合學生已有知識和經驗，從分子結構、生活實際、已有認知等方面創設和優化教學情境，多樣化組織教學，指導認知策略的訓練和應用，引領學生自主、有序建構有機知識網絡。

2.3 在表述復雜性層面，模型節點關系和認知結構化程度存在群體性差異

佳克博和肖將心智模型看作是個人建構的內在的認知結構，它是個人基于經驗以及正式知識而形成的概念框架，讓人們能夠預測行動的結果，而且可以借此理解和說明個體自身所處的環境[9]。

筆者通過概念聯想，要求學生聯想出與核心概念相關的其他的概念、實例、化學反應、實驗、性質等，在此基礎上要求學生將聯想出的概念建構概念網絡圖，以此診斷學生的認知結構化程度。對24名個案研究對象所建構的“乙醇”概念圖進行統計（見表3），結果表明，學生對“乙醇”概念圖主要從分子結構、性質和用途三個角度進行建構，其中化學性質掌握相對較好，物理性質的描述相對簡單。其中16名被試建構的概念圖層級數為兩層，但是涵蓋的信息量、知識的豐富程度和結構化程度差異較大。

個案研究也顯示，高三學生建構的概念圖的表征角度較清晰，但是信息涵蓋量不及高二。訪談表明，其時的高三學生尚未進行較系統的復習，但在高二后階段為迎接期末考試而進行了總結性復習；而高二學生則為新學內容，記憶比較清晰，呈現的知識點相對全面卻混亂。

同時，筆者在大規模調查問卷中設計題目：

用箭頭將下列概念建立知識網絡，并在線條上注明概念間的轉化關系。

乙烷、乙烯、溴乙烷、乙醚、乙醇、乙醛、乙酸、乙酸乙酯

通過被試建構的概念圖來進一步探查學生有機化學知識的豐富程度、結構化程度和有機化學三重表征狀況，其中高二學生建構率為31.5%，高三學生建構率為78.9%（見表4）。筆者對未建構的被試進行抽樣訪談，發現“牽扯到的物質太多了，看起來覺得很難了”、“遇到這樣題目就覺得煩，不會做，也不愿意去做”、“答卷時間不夠，沒有時間思考”是其主要原因。

調查還顯示，將被試建構的概念圖按照年級和成績差異排列之后，發現化學成績與學生建構出的概念圖的豐富程度、結構化程度和正確性呈顯著相關（p<0.01），而性別方面則無顯著差異。而且相對于依據教材形成的關于乙烷的科學心智模型（見圖7），化學成績較好（期末化學成績A等級）的學生能夠從“宏觀-微觀-符號”三重表征的角度建構，建構出的概念圖信息量較大，結構化程度高，精細化程度好，模糊觀念和錯誤認知相對較少（見圖8）；而其他大部分學生是采用部分文字加化學符號進行表征，有些學生僅能用少許文字建構很簡單的網絡圖，或者是錯誤的表征和建構。同時，被試對于乙醚、乙烯與乙酸、乙醇與乙酸的相互轉化、溴乙烷到乙烯的轉化、酯化反應的可逆反應過程等易發生遺忘，對乙醚和二甲醚、酯化反應、取代反應等也存在著模糊觀念。

建構主義理論認為，知識的結構化過程可以看作是一個同化和順應的過程。通過同化和順應充實與完善已有知識，將所學新知識納入到原有的認知結構。我們去研究個體的心智模型，不僅要去了解其知識的豐富程度、認識角度以及經驗的準確性，同時也要看它的結構化程度，其結構化程度決定了心智模型在應用過程中發揮的效能[10]。因此，在高中有機化學教學過程中，教師需要進一步加強概念圖的教學，優化學生的學習方式，提升學生三重表征能力，促進知識的結構化，改善和豐富有機化學心智模型。

3 結語

筆者在調查分析的基礎上，積極開展基于心智模型轉變的高中有機化學教學實踐，嘗試打破原有的教材架構，整合重組高中有機化學內容，在繼續完善“結構——性質”為核心的心智模型的基礎上，豐富認知角度和情境經驗，強化認知策略，嘗試以思維導圖教學促進有機化學知識的結構化程度，優化三重表征心智模型，提高表述的精確性、復雜性和豐富程度。

參考文獻：

[1]胡先錦.中學化學教學領域心智模型的研究述評[J].化學教學，2016，（8）：3～7.

[2]王祖浩主編.普通高中化學課程標準實驗教科書·有機化學基礎[M].南京：江蘇教育出版社，2006.

[3] Craik K. W. The Nature of Explanation [M]. Cambridge UK： Cambridge University Press， 1943.

[4]蘇東水.開放中的東方管理教育[J].江西財經大學學報，2003，（6）：9～11.

[5]由靈靈，羅立群.思維地圖及其在美國的應用[J].上海教育科研，2008，（1）：37.

[6]趙芬，吳慶麟.中學化學專家教師與新教師定義性概念教學的比較研究[D].上海：華東師范大學碩士學位論文，2009.

[7]中華人民共和國教育部制訂.普通高中化學課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[8] Osborne， R. J.， & Wittrock， M. C. Learning science： A generative process. Science Education， 1983， 67（4）.

[9] Jacob， E.K.， & Shaw， D. （1998）. Sociocognitive perspectives on representation. In M.E. Williams （Ed.）， Annual Review of Information Science and Technology， vol. 33 （pp. 131-185）. Medford， NJ： Information Today for the American Society for Information Science.

[10]施良方.學習論[M].北京：人民教育出版社，2001.