復習課問題思維容量對高二學優生有機合成路線設計表現的影響

許文學

摘要： 以廣州市某重點中學高二級學優生和“有機合成的復習”課例為例，探討學生完成不同思維容量問題后的有機合成路線設計表現。結果顯示，大思維容量的問題有助于學生顯著提高有機合成路線設計基礎能力;不同思維容量的問題均有助于學生顯著提高有機合成路線設計高階能力，但對學生有機合成路線設計能力發展的影響差異不顯著。嘗試從學習樣例、學優生的認知過程、知識結構等角度分析原因，并對學優生復習課問題的設計提供教學建議。

關鍵詞： 學優生; 問題思維容量; 有機合成; 復習課

文章編號： 10056629（2019）1001706 ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ?文獻標識碼： B

1 問題的提出

復習課具有促進學生建立知識的內部聯系，鞏固和提高問題解決能力的教學目的。與新授課相比，教師在復習課設置的以解決問題為代表的學習任務，應該更具綜合性、思考性和挑戰性，并且成為學生了解如何綜合解決問題的樣例。教師選用不同思維容量的問題會對學生的課堂教學參與程度、復習效果，以及后續的學習表現和發展產生不同影響。

有機合成是高中化學選修模塊課程“有機化學基礎”的核心學習內容，是學生圍繞有機物各類官能團性質，應用高階思維的綜合性問題解決。高考中設計合成路線是實現獨立思考能力考查的重要方式，其基本思路是要求學生獨立地獲取試題中提供的陌生反應信息，將已學過的知識內容進行整合，形成相對完整的有機反應的知識體系，進而設計有機合成路線[1]。在有機合成復習課方面，中學化學教師為高考一輪復習課提出有啟發性的教學設計，如通過小思維容量的合成任務復習官能團引入與轉化方法，幫助學生構建鹵代烴、醇、酚、醛、羧酸、酯等典型代表物之間的轉化關系;通過循序漸進地增加思維容量的合成任務鞏固逆合成分析法的思維模型，發展學生接受、吸收、整合化學信息的能力[2，3]，該教學設計思路普遍為廣大教師接受與使用。

面對學優生，與常見的從小思維容量過渡到大思維容量的問題設置相比，能否在復習課直接選用大思維容量的問題？公開報道可參考的教學案例較少。而且，教師在復習課上向學生提供不同思維容量的問題，對這一教學主題的討論極有意義卻也鮮有具體結論。本研究以此為題，通過廣州市某重點中學舉辦的同課異構教研活動，進行初步的試探性研究。

2 研究設計

2.1 研究參與者

廣州市某重點中學甲老師和另一重點中學乙老師是本研究的授課教師，均為有豐富高中化學課程循環教學經驗的高級教師。廣州市某重點中學高二年級2個班95名學生參與本研究。該中學具有廣州市優質高中生源，學生具有良好化學學業水平和思維能力。在兩個班中，隨機選取一個班由甲老師任教（簡稱甲班，46人），另一個班由乙老師任教（簡稱乙班，49人）。在教學干預前，學生已經系統學習人教版高中化學選修5模塊《有機化學基礎》教科書，初步認識有機合成路線設計的基本方法。

2.2 研究工具

從常規教學要求看，筆者認為選修5模塊要求學生具備的有機合成路線設計能力可以分為2個層次。基礎能力（代號A）是根據教科書已學知識設計出簡單的有機合成路線，例如人教版教科書的樣例要求學生從乙烯出發合成草酸二乙酯。高階能力（代號B）是根據提供的有機合成路線或陌生反應信息，遷移設計出較復雜的合成其他目標化合物的有機合成路線。

本研究使用自編的2份有機合成試題作為研究工具。它們均包括3大題，命題素材不同但設問方式相同，試題預估難度相近，總分均是32分，作為教學干預前測和后測試題，前后測各使用其中一套。第一、二大題是題組A，共10小題，24分，對應有機合成能力A的要求，考查學生書寫教科書中有機物常見官能團性質的化學方程式，以及設計簡單的有機合成路線。第三題是題組B，共2小題，8分，對應能力B的要求。問題將官能團的陌生性質以新的化學方程式呈現或隱含在一個有機合成路線圖中，考查學生尋找出有用信息和為其他目標化合物設計較復雜有機合成路線。學生在試題和各題組的得分代表學生在相關問題解決和能力的表現。

2份有機合成試題由多位中學化學高級教師根據選修5模塊教學要求、有機合成能力要求命制，均有一定的內容效度，并且經其他中學化學高級教師審查和修改，有一定的專家效度。試題的Cronbach α系數均在0.6以上，有可接受的信度。

2.3 研究流程

甲老師和乙老師以期末復習課“有機合成的復習”作為教學主題，分別獨立備課。某重點中學高二年級2個普通班學生完成高中化學課程選修5模塊新課教學和單元測驗講評后，再經歷前測（星期一）、復習課同課異構教學實踐（一節課）（星期五）、后測（下周星期一）的教研過程。前、后測均為30分鐘。前測后，教師回收測試問卷，不對學生講評試題。后測后，教師統一批改測試答卷。使用SPSS 18.0軟件處理測試數據。

3 教學設計和過程

3.1 教學目標

本研究的課例“有機合成的復習”是高二年級學生學完高中化學選修5模塊課程的期末復習課。因此，本節課的教學目標確定為： （1）進一步掌握有機物常見官能團的引入與轉化、碳骨架的構建方法;（2）進一步掌握逆合成分析法和正向合成分析法，形成解決有機合成問題的一般思路和策略;（3）初步掌握在設計合成路線時應用陌生反應信息的方法。

3.2 問題選用思路

如何選擇一系列有一定思維容量且有梯度的問題，以便串聯起有機合成路線設計的分析思路是本課例教學設計的關鍵。問題的思維容量可以從原料與目標化合物的結構差異性、合成過程中調用的官能團知識（官能團數量和反應類型，是否為中學階段熟悉的反應）、合成路線是否存在分支、合成步驟的數量、是否需要官能團保護、是否涉及教材外的反應信息及其數量等角度來衡量。

甲老師選用大思維容量的問題（見表1），對學生的有機合成能力有較高要求。在這些問題中，目標化合物的結構復雜，而且與原料有較大的結構差異性。學生自始至終需要調用陌生反應信息，通過學習陌生官能團性質，通過至少5～7個陌生合成步驟才能合成出目標化合物，而且在合成過程中，需要考慮： （1）問題補充的反應信息對路線設計的價值和使用階段;（2）合成路線有先分支再匯總的情況;（3）不同官能團合成的先后順序和保護情況。

乙老師選用循序漸進的、由小思維容量過渡到大思維容量的問題（見表2），對學生的有機合成能力要求由低到高。在這些問題中，對于結構簡單的目標化合物，學生只需調用常見的官能團性質與反應類型即可解決，雖然部分合成任務反應步驟多，但不需要借助教材外反應信息，不需要考慮合成路線存在分支的情況，以及不同官能團合成的先后順序和保護情況。對于結構復雜的目標化合物，學生需要調用陌生反應信息以完成合成路線設計。

3.3 甲老師的教學

甲老師的教學思路是以生活中常見藥物的合成為主線，設計撲熱息痛、阿司匹林緩釋片、菠蘿酯的合成路線等3個問題。整節課有4個教學環節，教學環節一至三就是學生分別完成1個問題。

在教學環節一中，學生以苯酚為主要原料，根據提供的信息獨立設計出撲熱息痛（

）的合成路線。甲老師點評學生的作答情況，并藉此回顧逆合成分析法的思維模型“認目標（目標化合物）——巧切斷、再切斷（中間體）——得原料（主要原料）——得路線”。在教學環節二中，學生根據環節一總結的逆合成分析思維模型與提供的信息獨立設計出阿司匹林緩釋片（

）的合成路線。甲老師點評學生的作答情況，進一步引導學生思考有機物分子結構切割的位置和技巧，并且通過介紹阿司匹林緩釋片的合成歷史，幫助學生建立正確的價值觀。在教學環節三中，學生根據提供的信息獨立設計出菠蘿酯（

）的合成路線。甲老師點評學生的作答情況，進一步引導學生思考不同碳鏈切割方式帶來的中間體結構差異以及合成路線設計的差異。在教學環節四中，甲老師從基礎、方法、關鍵和工具4個角度總結有機合成路線設計的思維模型。

學生面對大思維容量的問題，因難以直接調用已學官能團性質解決問題，難度陡然上升，故紛紛陷入沉思。教師引導學生琢磨題目提供的陌生反應信息，思考信息背后的反應原理，通過小組討論、生生互動、師生互動，順利設計合成路線。該教學過程較好地發展了學生的接受、吸收、整合陌生反應信息的能力。

3.4 乙老師的教學

乙老師的教學思路是以生活中常見塑料的合成為主線，設計聚乙烯、聚氯乙烯、聚乳酸、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、菠蘿酯的合成路線等6個問題，整節課有4個教學環節。

教學環節一以“認識常見塑料成分”的學習任務激活學生舊知。學生書寫聚乙烯等5種聚合物的單體，乙老師結合各種單體中的官能團，幫助學生建構有機物常見官能團性質的知識網絡。教學環節二以“玉米合成塑料杯”的學習任務串聯多個問題的解決。學生以玉米（淀粉）為主要原料，設計聚乙烯等5種聚合物的合成路線。乙老師點評學生的作答情況，進一步引導學生建立有機合成的一般思路與策略，并且引導學生依據綠色合成原則評價有機合成路線的合理性。在教學環節三中，學生根據提供的信息獨立設計出菠蘿酯的合成路線。乙老師點評學生的作答情況，進一步引導學生理解逆合成分析法與陌生反應信息的應用。

學生面對從小思維容量過渡到大思維容量的問題，可以調用已學官能團性質較順利地完成教學環節一、二的合成任務，該教學過程較好地構建官能團轉換的知識網絡，讓學生再次熟悉逆合成分析法的思維過程。在面對復雜的教學環節三的合成任務，甲班學生的課堂學習經歷使其聚焦分析陌生信息用途，乙班聚焦于官能團性質與逆合成分析思路，兩個班學生都能在教師指導下完成合成任務。

4 研究結果與討論

如表3所示，甲班學生在前測題組A的答對率僅是0.73，這表示學生具有一般的官能團轉化知識和有機合成路線設計基礎能力。乙班的答對率是0.79，這表示學生具有較好的基礎知識和能力。2個班學生在題組B的答對率均是0.58，這表示學生尚欠缺從有機合成路線圖挖掘官能團的陌生性質，并且遷移使用解決新的有機合成問題的能力。

教學實踐之后，2個班學生在后測題組A的答對率均是0.81，較前測有所提高。成對樣本t檢驗顯示，甲班的前、后測成績存在顯著差異（t甲班=-3.229， p=0.002<0.01），效應量Cohens d=0.49>0.2，具有小的效果，乙班的差異不顯著（t乙班=-0.544， p=0.589>0.05）。這表示學生的官能團轉化知識和有機合成路線設計基礎能力均有所提高，而且甲班的進步幅度大于乙班。

兩個班學生在題組B的答對率達到0.87左右，較前測有大幅度提高。成對樣本t檢驗顯示，每個班的前、后測成績均存在顯著差異（t甲班=-4.569， p<0.001; t乙班=-4.968， p<0.001）。甲班的效應量Cohens d=0.85>0.8，具有大的效果，乙班的效應量Cohens d=0.92>0.8，具有大的效果。這表示學生已經具有較強的從有機合成路線圖挖掘官能團的陌生性質，并且遷移使用解決新的有機合成問題的能力，而且乙班的進步幅度略大于甲班。

面對學優生，成對樣本t檢驗顯示大思維容量的問題有助于學生顯著提高有機合成路線設計基礎能力，不同思維容量的問題均有助于學生顯著提高有機合成路線設計高階能力;但獨立樣本t檢驗顯示這兩類問題對學生有機合成路線設計能力發展的影響差異不顯著。

由該結果可知，教師選用大思維容量問題的教學實踐能夠取得成效，并不會對學優生的復習產生阻礙，反而在學生問題解決能力培養上起到較好的作用。教師可以在復習課直接選用大思維容量的問題。為什么教師在教學中使用大思維容量的問題也會對學生的學習產生一定效果呢？將教師選用的問題視為樣例，從有機合成路線設計的思維過程和樣例的角度考慮，可以作出如下解釋。

學生對樣例的學習和建立個人的成功樣例均會影響著對相關問題的表征[4]。問題表征就是要考慮問題的起始狀態和目標狀態，以及問題解決的可能操作及其限制，而且啟動問題解決的過程。人們在設計有機合成路線時，要同時考慮主要原料（問題的起始狀態）、目標化合物（問題的目標狀態）、主要原料和目標化合物在結構的顯著差異（問題的起始狀態和目標狀態之間的差異）、可切割得到的各種中間體（可建立的各種子目標）、可使用的有機化學反應（可能的相應操作）及其原因（可能操作與各種問題狀態的關系）。因此，學生在有機合成樣例的學習影響著他后續的問題解決過程和結果。

在本研究中，與乙老師選用僅限于有機物單一官能團有序轉化的樣例相比，甲老師選用的樣例涉及有機物多個官能團的有序轉化，提供更復雜的思考任務和更廣闊的思維空間。為解決這些問題，甲班學生需要更深入地考慮主要原料、中間體和目標化合物在結構上的聯系，尤其是多個官能團的反應順序、多個中間體的拼接方法和順序。因此，學生迫使尋找更多的問題線索，檢索、比較和調用更多的基礎知識。這樣較高強度的思維訓練有助于學生更熟悉官能團轉化知識和提高有機合成路線設計基礎能力，在后測題組A獲得更良好成績，并且較使用小思維容量樣例的乙班有更大幅度的進步。大思維容量的樣例客觀地起到促進學生基礎知識和能力的學習效果。

其次，甲班學生通過親身參與解決較復雜的有機合成路線設計問題，觀察和思考教師提供的逐步推進的典型樣例，均有助于學習有參考價值的樣例，從而加深理解如何使用基礎知識和陌生反應信息解決較復雜的有機合成問題，進一步掌握有機合成路線設計的規則和方法，形成連貫的有機合成路線設計程序化知識。學生在后測取得的良好表現可以反映教師使用大思維容量的樣例的教學有效性。

從信息加工的角度來看，學優生在認知加工速度、工作記憶能力、問題表征與解題策略、元認知方面均存在優勢[5]。認知加工速度的優勢，可使學生在既定的時間內獲得或加工更多信息;工作記憶能力上的優勢可使學生在課堂學習活動中，一邊存儲信息，一邊對已存儲的材料進行心理操作，流暢地獲得知識;問題表征的優勢，可使學生有較高的圖式水平，有較好的理解問題中復雜關系的能力[6]，會較多地使用問題模型策略[7]。元認知上的優勢，可使學生在問題解決的初始階段，目標定向與計劃技巧可以阻止學生采用試誤法這種低水平策略，可通過確定當前已知信息和所需信息的方式使他們有策略地利用先前知識。

從知識結構角度來看，學優生具有知識數量及組織結構優勢，能關注問題解決相關的原理與方法，關注問題間的相互關系;學優生具有知識提取有效性的優勢，由于以問題模式為提取線索，他們會對問題中一些關鍵信息更為敏感，可以迅速被問題情境激活;學優生具有知識運用的自動化水平、靈活性上的優勢，對于常規問題，學優生可以通過自動提取記憶中的相關策略自動化解決，而一般學生則需要通過緩慢推導過程一步一步解決[8]。

通過上述分析可知，學優生在問題解決的優秀表現根源于認知過程基礎上知識結構的優勢。學優生具有完整的有機物相互轉化的知識網絡，熟悉各常見官能團的性質與反應類型，熟悉一般物質的正逆合成分析思路。當學優生遇到大思維容量問題時，扎實的學科知識結構可以顯著降低認知負荷水平，減少認知資源的占用，可將空出的認知資源用于加工問題解決的難點部分[9]。因此，當學優生面對大量陌生信息時，會檢索、比較和調用更多的基礎知識，思維會聚焦于陌生信息的接受、吸收與整合，會積極使用有機合成的分析思維模型解決問題，這種思維過程顯著提高有機合成路線設計基礎能力與高階能力。同時，甲教師提供的自主性的、令人愉悅的課堂氛圍，讓學生在充分的個體和小組討論中完成學習任務，師生互動良好，促進其認知發展，產生顯著的學習效果。

5 教學建議

學優生具有認知過程與知識結構的優勢，基于認知負荷理論，基于本研究的結果，這啟發我們在學優生的復習課中，可以設計高思維容量的問題。筆者認為設計問題時要深入了解學生當前知識結構的特點，分別從知識組織、提取及靈活性方面對其進行評估，從以下角度進行設計：

（1） 提高問題的綜合性。如甲教師的問題涉及多個官能團知識、多種反應類型，還要考慮官能團保護與反應順序，該設計提高由問題本身復雜性造成的原生認知負荷，可提高學優生知識結構的靈活性。

（2） 提高問題的真實性。通過在不同的真實情境中反復使用同一知識解決問題，可使學生將知識與多種問題情境相結合，增加知識結構的適應性，同時真實的問題情境可以提高學習的興趣。如乙教師設計的由玉米合成不同的塑料，在不同的真實情境中反復使用加聚、縮聚反應，對學生熟悉聚合物的合成大有幫助。

（3） 提高問題的探究性。學優生的知識基礎比較扎實，傳統的樣例學習對他們挑戰性不大，只有獨立探究學習才能產生更有效的認知負荷。如甲乙老師都選擇的合成菠蘿酯的樣例，問題提供的信息與目標化合物聯系需要深度挖掘，兩位教師設計的自主探索、小組討論環節，都是對學生知識結構的進一步優化和提高。

參考文獻：

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