基于FLOW MAP的“化學鍵”學習結果測查與多維評析

秦璐 陳曉娜 閆春更 周青

摘要： 采用FLOW MAP測查高中生有關“化學鍵”的認知結構，基于SOLO分類理論對認知結構水平進行評價，基于三重表征理論對認知結構內容進行質性分析。發現學生紙筆測驗成績與其認知結構的廣度、豐富度、整合度呈顯著正相關，與其錯誤概念數呈顯著負相關;多數學生的認知結構整體水平位于多元結構水平（36.67%）或關聯結構水平（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%。

關鍵詞： FLOW MAP; 化學鍵; 認知結構; 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

化學鍵是高中化學課程的重點內容，不僅有助于豐富學生對物質世界多樣性的認識，深化學生對物質組成與結構的理解，更有助于學生形成從物質結構層面把握化學變化本質的觀念，并為化學變化中物質與能量轉化關系的理解奠定基礎。化學鍵主題知識的特殊性，決定了學生對化學鍵的學習過程，需要教師引導學生合理運用定義、比較、情景推理與解釋等多種信息策略來表征相關認識，需要充分發揮“宏觀-微觀-符號”三重表征的認識工具價值來形成概念、建構認識模型。

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

1? 研究設計

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

1.1? 學生選擇

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

1.2? 任務設計

1.2.1? 訪談錄音

按照FLOW MAP工具的要求，對學生頭腦中的認知結構進行提取，需要通過訪談錄音獲取原始數據。訪談問題設置如下：“關于化學鍵，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系？”。在訪談中避免使用提示性語句，并將錄音轉化成文字描述。

1.2.2? 紙筆書寫

為考察學生在化學鍵學習過程中對“符號”表征方式的運用情況，設置電子式書寫題目：“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的電子式”、“舉例任意含有非極性共價鍵物質的電子式”。要求被試獨立書寫，研究者收集所有紙質材料。

1.3? 任務結果分析

1.3.1? 繪制認知結構流程圖

本研究采用FLOW MAP（流程圖法[8]）測查并表征學生的認知結構： 對訪談錄音進行文本轉錄，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聯，同時需標注被試的錯誤描述，最終繪制出學習者的認知結構流程圖。被試調取信息消耗的總時間僅包括學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展示了三名學生的認知結構流程圖。

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

1.3.2? 認知結構的定量分析

根據繪圖結果可對被試的認知結構進行定量分析，定量分析主要關注認知結構變量（內涵見表1）和認知建構過程中的信息處理策略（內涵見表2），采用SPSS軟件分別對認知結構變量與成績、信息處理策略變量與成績進行相關性分析[9]。

1.3.3? 劃分認知結構水平層次

本研究采用SOLO分類理論劃分學生化學鍵認知結構的水平層次。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性評價方法[10]，基于被試對某一問題的反應分析其思維水平，由低到高分為五個水平： （1）前結構水平;（2）單一結構水平;（3）多元結構水平;（4）關聯水平;（5）拓展抽象水平。本研究據此制定出“化學鍵”認知結構水平評判的具體標準（見表3），對兩位研究者的劃分結果利用SPSS軟件進行一致性分析，采用alpha系數輸出結果為0.727，證明此結果內部一致性較高。

1.3.4? 學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生對化學鍵概念的理解情況維度。化學學習中三重表征的首倡者為蘇格蘭格拉斯哥大學科學教育中心的約翰斯頓教授[11]，他將化學學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。在化學鍵知識群中，宏觀知識包括實驗宏觀現象（如金屬鈉與氯氣反應有白煙生成）;微觀知識包括化學鍵和分子間作用力的異同、化學鍵的分類、離子化合物與共價化合物的本質區別等;符號表征包括電子式的書寫，即用電子式將宏觀物質的微觀特征用適當模型表征。結合流程圖表征的認知結構、訪談記錄、學生獨立書寫的電子式，依據三重表征理論將學生對化學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? 結果分析

2.1? 認知結構流程圖的整體分析結果

30名學生中學優生1、中等生2、學困生3的認知結構（認知流程圖）見圖1。比較3名學生的認知結構可見： 學優生1的認知結構中知識點的關聯性很強，不同知識點呈現有序、層次分明、條理清晰，先總體概述化學鍵有關知識點，再陳述離子鍵、共價鍵等的形成條件，舉例相關的代表物質，描述電子式，最后比較幾種作用力之間的關系;中等生2的認知結構中知識點覆蓋面較窄，不同知識點呈現順序所反映出的層次性、條理性較差，出現了一條錯誤陳述;學困生3的認知結構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，認知結構松散，且出現了2條錯誤陳述。

2.2? 認知結構的定量分析結果

認知結構變量與成績、信息處理策略變量與成績的相關性分析結果分別見表4、表5。

從表4可見，關于“化學鍵”知識內容，學生的紙筆測試成績與認知結構的廣度、豐富度、整合度分別呈顯著相關（**p<0.01， *p<0.05），與錯誤描述呈顯著負相關（*p<0.05）。可見，學生學業成績越高，化學鍵認知結構中的知識點越多、知識之間的聯系越豐富、知識之間的整合程度越大;相反，學生學業成績越低，認知結構中出現的錯誤越多，其認知建構的效果較差。由表5可見，關于“化學鍵”知識內容，學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（**p<0.01），表明紙筆測驗成績較高的學生在認知建構過程中更傾向于使用較高級別的信息處理策略。

2.3? 認知結構的水平分析結果

依據表3，分析學生的訪談記錄表述情況和認知結構流程圖，對30位學生化學鍵認知結構的層次進行評判，結果見表6。

處于前結構水平的學生有3人（占比10.00%），且均為學困生。如有的學生答“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中前結構水平的基本特征，沒有弄清問題就作收斂，答案反復且糾結于細節，缺乏一致性。由表6可見，學優生、中等生均在前結構水平之上，僅有部分學困生處于此水平。

處于單一結構水平的學生有6人（占比20.00%），其中1名中等生，5名學困生。如有的學生答“化學鍵有離子鍵”，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中單一結構水平的基本特征，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論，且結論非常不一致。由表6可見，學優生均在單一結構水平之上，少數中等生和部分學困生因僅識記概念而缺乏相關概念的辨析，只能達到單一結構水平。

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

處于關聯結構水平的學生有9人（占比30.00%），其中7名學優生，2名中等生。如有的學生指出極性鍵和非極性鍵間的本質區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中關聯結構水平的基本特征，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中進行問題解決，而不能推廣到其他問題系統中去。由表6可見，多數學優生和少數中等生可達到關聯結構水平，而學困生均未達到此水平。

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

綜上所述，學困生多集中在單一結構水平，中等生多集中在多元結構水平，學優生多集中在關聯結構水平，處在SOLO分類水平的更高層次的學生更易取得較高紙筆測驗成績。

2.4? 學生認知的三重表征分析結果

基于對30名學生的訪談轉錄文本和紙筆書寫材料分析，得出學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，微觀性質表述和電子式書寫均錯誤的學生有4人（占比13.33%），且均為學困生。他們對物質缺乏微觀理解，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致符號表征錯誤。由表7可見，部分學困生停留在宏觀層面，缺乏想象和模型建構能力，易將錯誤概念與正確符號相聯系，或將錯誤符號與正確概念相聯系。這說明學困生從宏觀至微觀維度遞進時，比學優生和中等生更困難。

達到“宏觀-微觀”維度即宏觀描述、微觀性質均正確但電子式書寫錯誤的學生有9人（占比30.00%），其中2名學優生，4名中等生，3名學困生。他們可聯系宏觀現象與微觀特征，但無法正確聯系微觀特征與化學符號（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，少數學優生、部分中等生和部分學困生停留在“宏觀-微觀”維度，他們對物質的微觀想象過于淺顯，未能統一宏觀現象、微觀特征與其化學符號。這說明中等生和學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，但微觀性質理解有誤學生有5人（占比16.67%），其中2名中等生，3名學困生。他們對符號理解欠佳，僅限于識記水平。如對正確電子式產生錯誤理解，導致微觀表征偏差（如學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，少數中等生和部分學困生處于此維度，他們書寫電子式時未對物質的微觀特征作深入分析，表征出現斷層。這說明中等生和學困生存在微觀探析缺乏的情況，“宏觀-符號”的直接聯系不穩固、不深入，因此需重視發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、微觀性質及電子式書寫均正確的學生有12人（占比40.00%），其中8名學優生，4名中等生。他們從“宏觀-微觀-符號”三個維度建構概念，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的電子式）。由表7可見，多數學優生和部分中等生在此維度，其概念建構層次遞進，表征架構完整，而學困生均未運用此維度。這說明學困生缺乏完整的三重表征架構的意識或能力，存在認知斷層或缺陷。

3? 結論與啟示

3.1? 加強知識建構與思維訓練，增強學生元認知能力

學生認知結構的量化分析與質性評價結果表明，成績較高的學生認知結構中的知識點較為豐富、知識點之間的關聯性較強，知識組織的層序性、條理性較好，錯誤概念較少;成績較高的學生認知結構的廣度、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，在教學中建議多調動學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練;在教學中可通過概念圖、思維導圖的知識結構表征方式引導學生對自身的認知結構進行評價和分析，以增強知識建構的自我反思水平。

3.2? 從“多元”到“關聯”，促進認知水平整體進階

學生認知結構的水平分析結果顯示，大部分學生處于多元結構水平（占比36.67%）和關聯結構水平（占比30.00%），處于拓展抽象結構水平的學生很少，且學優生較多分布于關聯結構及其以上水平，學困生則集中于多元結構以下水平。這一主題教學改革的重點應在于促進學生的認知結構由多元結構水平到關聯結構水平的轉化，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，激發學生對不同概念之間關系的認識和把握，提高認知結構的整體化、系統化水平。如在實際教學中應注重學生理解程度的反饋情況，鼓勵學生依據已學知識，從多個角度出發對化學鍵下定義，并與教材定義比較，深入體會“歸納”過程，使教學落腳于學生對概念的理解與遷移。

3.3? 強化多維系統表征，保障知識的建構與表征互促發展

學生認知結構的三重表征分析結果表明，學優生傾向于從宏觀、微觀、符號相聯合的三重表征維度建構化學鍵知識;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;學困生停滯在用單一或雙重表征維度建構化學鍵知識。學生聯系“宏觀”維度的雙重或三重表征比例達86.67%，聯系“微觀”維度的雙重或三重表征比例為70.00%，聯系“符號”維度的雙重或三重表征比例僅為56.67%。學生認知的宏觀表征與微觀表征之間的聯系較強，而微觀表征和符號表征之間的聯系較弱。因此，在教學中應適當加強對學生微觀表征思維的訓練和培養，多開展繪圖或實物模型搭建等多種教學方式，針對不同水平的學生鍛煉其突破維度的能力，引導學生將對物質微觀結構的認識通過不同的“符號”形式進行呈現，同時促進其想象思維與表達能力的提升。

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