四段式多項選擇測試在中學化學相異構想診斷中的應用研究

嚴文法 孫杰英

摘要： 利用自編的四段式多項選擇測試題為研究工具，以初中化學“酸、堿、鹽”為例，對233名學生進行測試。結果顯示，被試在“酸、堿、鹽”主題存在38個錯誤認識，其中有23個是典型相異構想，參考Caleon等人的標準，這23個典型相異構想中有13個真性相異構想和10個假性相異構想。研究還發現被試存在“高信心指數錯解”和“低信心指數正解”的情況。

關鍵詞： 四段式多項選擇測試; 相異構想; 酸堿鹽

文章編號： 10056629（2019）1002306 ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ?文獻標識碼： B

1 問題提出

學生開始學習科學概念時，不是“腦子空空如也地進入課堂”，而是將自己對自然現象的各種想法和經驗帶到課堂或實驗室，這些想法或者經驗往往與科學概念不同，研究者把這些與科學上公認的科學概念不一致的觀念或想法稱為相異構想（Alternative Framework）[1]。初中化學酸堿鹽知識具有較強的綜合性和系統性，是教學的重難點，也是初中化學核心概念之一，深刻影響到化學平衡、化學反應、物質性質、溶液等知識的學習[2]。由于該部分內容涉及的概念較多，且學生在日常生活和先前的學習中已經形成了一些區別于科學概念的相異構想，加之相異構想具有隱蔽性、頑固性、形成的長期性等特點，往往造成學習困難，阻礙學生對科學概念的學習，因此診斷并轉變學生持有的相異構想是非常有必要的[3]。

以有效可靠的方式診斷學生的相異構想是處理學生頭腦中與科學概念不一致的想法的關鍵一步[4]。目前，國際上探查學生相異構想最常用的工具之一是Treagust開發的二段式診斷試題，國內外已有不少二段式測試題在相異構想診斷中的運用研究[5～8]，這些研究普遍以選擇題的錯選人數在總人數中的占比高低來確定學生是否具備相關內容的相異構想，缺乏對相異構想性質和強度的分析，將學生的錯選結果等同于學生持有的相異構想，可能會高估學生的相異構想。正如Tan等人指出，學生在測試中出現的所有錯誤并不都是因為相異構想，有的可能是缺乏知識或者對答案的錯誤猜測而導致錯誤，這種情況不應被視為相異構想[9]。Caleon等人也指出，二段式測試雖然能夠洞察學生的推理過程，但缺乏對相異構想程度的探究，且無法區分被試是由于存在相異構想還是缺乏知識導致錯選，也無法區分被試是通過猜測還是真正掌握了科學知識而得到正解[10]。為了克服二段式的缺陷，Caleon等人開發了四段式多項選擇測試，即在二段式測試中納入“信心指數（Confidence Rating）”，信心指數是指個體對自己表現水平的評估及判斷[11]。具體操作是在二段式的答案層和原因層之后各設置一個“信心指數段（Confidence Tier）”，即0%（完全猜測）～100%（完全肯定）的百分數軸，學生可以在數軸的任意位置標出自己的信心指數，由此形成四段式多項選擇測試。有關四段式的研究一致表明，在信心指數的輔助下，不僅可以有效診斷學生持有的相異構想，還可以確定相異構想的性質和強度，在一定程度上提高了客觀題的評價能力[12～14]。

綜上分析，本研究旨在將信心指數與學生概念相結合，開發并利用自編的四段式多項選擇測試題為研究工具，調查初三學生在酸堿鹽概念理解方面持有的相異構想，并借助信心指數相關參數確定相異構想的性質和強度，從而為有效地進行概念轉變教學提供可靠依據。

2 研究方法

2.1 被試

在研究工具試測與修正階段，抽取西安市一所普通初中作為樣本，整群抽取初三兩個平行自然班作為樣本班，總計89名被試。在正式測試階段，整群抽取西安市、克拉瑪依市和西寧市各兩所普通初中共計6個初三平行自然班的233名學生作為被試。

2.2 研究工具與施測

2.2.1 編制四段式多項選擇測試題

Sreenivasulu和Subramaniam（2014）指出，四段式多項選擇測試實際上是對二段式測試的改良，其開發步驟與Treagust提出的二段式診斷工具的編制流程基本一致[15]。因此本研究首先對《義務教育化學課程標準（2011年版）》、義務教育教科書《化學》（人教版）和中考考試大綱中的酸堿鹽知識進行文本分析并梳理出相關知識點，在此基礎之上，嚴格按照Treagust的“三階段十步驟”流程[16]，圍繞酸的概念理解、酸的性質、堿的概念理解、堿的性質、鹽的概念理解、鹽的性質以及酸堿鹽之間的反應這7個主題設計項目，編制了四段式多項選擇測試題——《初中化學“酸、堿、鹽”相異構想診斷測驗（初稿）》。

2.2.2 試測并修正診斷測驗

為了進一步修訂測試題，確保學生能夠讀懂題意、明確作答方式，并在規定的時間25分鐘內完成作答，選取西安市某初級中學的89名初三學生進行試測。規定每個項目同時回答正確計1分，否則0分，總分14分，對試測結果用SPSS 22.0軟件進行可靠性分析，問卷的Cronbachs alpha值為0.710，稍微偏低。Adams和Wieman（2011）認為，針對概念的診斷性測試因其具有一定的探索性，所以具有較低的Cronbachs alpha值是可以的[17]。通過試測與修訂，最終形成了《初中化學“酸、堿、鹽”相異構想診斷測驗》，測試題共14個題目，具體的研究內容和測試內容見表1。

2.2.3 正式測試

正式施測的233名初三學生來自西安市、克拉瑪依市和西寧市，被試之前均未參與試測并且已經學完了酸堿鹽的相關知識，對酸堿鹽及其相關內容有了一定的了解。本次共發放233份測試題，收回233份，回收率為100%，剔除那些沒有作答完全和沒有標記信心指數的樣本，有效樣本215份，有效回收率為92.3%。

3 研究結果與分析

3.1 數據處理方法

參考Caleon和Bretz等人的標準[18～22]，信心指數以50%為界，當學生對自己作答的實際情況進行相應的信心評級時，會出現表2中的幾種情況。

基于研究目的，本研究采用兩條計分規則： （1）答案層和原因層分別計分，正確計1分，錯誤計0分;（2）若要獲得某個項目的得分，僅答案層和原因層同時正確時計1分，否則0分，總分14分。數據采用Excel 2007和SPSS 22.0進行統計分析，為了確定相異構想的性質和強度，還將借助信心指數的相關參數來幫助分析，分別是平均置信度（CF）、正確置信度（CFC）、錯誤置信度（CFW）。

3.2 數據分析

表3列出了四段式測試題各題的正確率、正確置信度（CFC）和錯誤置信度（CFW）。從表3發現，題目的正確率介于6.5%～77.7%，平均正確率為38.0%，被試答對的信心指數介于62.0%～83.8%，平均值為73.9%，表明即使選擇正確，被試仍然對自己的選擇不自信，出現“低信心指數正解”的情況;答錯的信心指數介于54.7%～76.8%，平均值為59.5%，出現“高信心指數錯解”的情況。以上結果表明，學生對酸堿鹽這部分知識掌握程度不佳，具體而言，學生在酸堿鹽主題存在高達38個錯誤認識，這個數據一方面說明利用四段式多項選擇測試診斷學生的相異構想是有效的，另一方面說明初三學生在酸堿鹽主題沒有建立良好的理解，存在較多的相異構想。

然而，并不是所有的錯誤認識都是由于相異構想造成的。Tan等人指出，選擇題中每個選項或者選項組合都有被隨機選中的概率，若某個選項或選項組合的被選概率高于該選項或選項組合被隨機選中概率的10%，那么涉及到的相異構想則被認為是“典型的（Significant）”，典型相異構想需要引起教師的注意并對原因做深度分析[23]。Caleon又對典型的相異構想做了更細致的分類，將平均信心指數高于50%的歸為“真性（Genuine）相異構想”，將平均信心指數小于50%的歸為“假性（Spurious）相異構想”。

按照以上標準，本研究使用的四段式測試均以選擇題的形式呈現，有兩種格式： （1）每個項目共7個備選項，其中，答案層3個，原因層4個，這7個備選項共12種組合方式，每種選項組合被隨機選中的概率是8.33%，根據Tan等人的標準，若某個選項組合被選中的概率大于18.33%的話，涉及的相異構想就是典型的;（2）每個項目共8個備選項，其中，答案層和原因層均有4個備選項，共16種組合方式，每種組合被隨機選中的概率為6.25%，按照Tan的標準，若某個選項組合被選中的概率大于16.25%，那么涉及到的相異構想就是典型的。綜上分析，診斷出的38個錯誤認識中有23個典型相異構想，其中13個是真性相異構想，另外10個是假性相異構想（詳見表4）。真性相異構想大多數都是頑固的，需要教師格外注意，假性相異構想往往是由于猜測或者缺乏知識而導致，可以通過教學及時補救[24]。真性相異構想相對假性相異構想而言更加頑固，具有形成的長期性、持續性等特點，有研究結果證實，學生的真性相異構想即使經過一段時間的教學也不一定發生轉變或者完全轉變[25]。

從表4我們可以看出，被試對酸堿鹽知識沒有建立很好的理解，在酸的概念理解、酸的性質、堿的概念理解、堿的性質、鹽的概念理解、鹽的性質以及酸堿鹽之間的反應這7個主題存在不同程度的相異構想。

（1） 酸堿鹽概念理解的相異構想

在酸的概念理解方面存在4個典型相異構想，其中“能電離出H+的化合物就是酸”和“酸溶液中沒有OH-，堿溶液中沒有H+”這兩個是真性相異構想，平均信心指數分別為66.4%和63.5%，表明被試對“酸”概念的內涵和外延沒有恰當把握;在堿的概念理解方面也同樣存在困難，3個典型相異構想全部信心指數高于50%，均為真性相異構想，誤以為“化學式中含有OH基團就是堿”、“能電離出OH-的就是堿”，研究還發現在進行物質判斷時，不是從概念內涵出發而是利用物質性質去判斷，從而出現諸如“純堿溶液pH>7，所以純堿是堿”之類的錯誤理解;在鹽的概念理解方面，雖然診斷出4個典型相異構想，但只有“鹽是只由金屬離子和酸根離子組成”這一相異構想是真性的，該相異構想的被選率高達46.0%，且信心指數為63.4%，這與教材的編寫和教師的教學不無關系，例如有的教材編寫和教師在教學中過分強調由金屬離子和酸根離子組成的化合物就是鹽，給學生造成鹽是只由金屬離子和酸根離子組成的心理暗示。

（2） 酸堿鹽性質理解的相異構想

對酸的性質來說，3個典型相異構想中有2個真性相異構想，由于數學知識的負遷移，誤以為“酸性溶液pH越小，酸性越弱”，還有部分學生混淆了酸濃度與酸性強弱的關系，認為“濃酸即強酸”;對于堿的性質而言，有26.5%的被試缺乏將宏觀、微觀、符號三者聯系起來的能力，誤以為“堿具有共性是因為堿都含有H、O元素”，還有學生混淆了堿溶液與堿性溶液的關系，認為堿性溶液就是堿溶液，所以出現“能使酚酞變紅的就是堿溶液”這種真性相異構想;由于相異構想自身具有負遷移性和關聯性的特點，導致在酸和堿的性質方面理解不好的學生，在鹽的性質方面也存在困難，例如持有“酸性溶液就是酸溶液”、“堿性溶液就是堿溶液”這類相異構想的學生錯誤地認為“鹽溶液都是中性的”，有22.3%的被試對此堅信不疑，并伴隨著55.4%的信心指數，是一個真性相異構想，需要引起教師的注意。此外，教材中一些例證的誤導也可能導致學生產生相異構想，例如對中和反應的介紹，教材中只做了HCl和NaOH反應的定性實驗，缺少定量分析，且該實驗中生成的鹽恰好是中性鹽NaCl，這會導致學習者把這種特殊例證遷移到一般性事物中，致使學生誤以為中和反應生成的鹽都是中性的，進而產生“鹽溶液都是中性的”這一相異構想。

（3） 酸堿鹽之間反應的相異構想

酸堿鹽三者還能相互發生反應，研究發現學生沒能對酸堿中和反應和復分解反應建立科學認識，探查出的5個典型相異構想中有2個真性相異構想，分別是“酸性物質與堿性物質的反應就是中和反應”、“復分解反應發生的條件是有沉淀、氣體和水生成”，這都是典型的概念表化現象，且后者的被選概率高達47.0%且伴隨著70.3%的高信心指數，表明學生只是死記硬背地記住了復分解反應的規律和發生條件，對事物的認識處于表象、局部的狀態，沒有從根本上去理解概念內涵，沒有區分關聯詞“和”、“或”的意義，從而導致學生對復分解反應發生的條件具有較高水平的相異構想。

除了上述提到的典型相異構想以外，還有一些錯誤認識盡管沒有達到典型相異構想的標準，但也在一定范圍內存在。比如研究發現部分學生認為指示劑的變色原理是酸堿指示劑使溶液變色而不是溶液使酸堿指示劑變色，這是以往研究中沒有診斷出的相異構想。針對這種情況，為了幫助學生獲得科學認識，加深對知識的理解，需要教師在實際教學中注意重點講解，注意區分這些容易產生混淆的知識點，避免學生產生錯誤認識。

4 結論與討論

本研究采用四段式多項選擇測試診斷學生在某一主題的相異構想是有效的，納入信心指數可以幫助研究者或教師更加精確、準確地確定相異構想的種類、性質和強度。本研究共診斷出學生在酸堿鹽主題存在高達38個錯誤認識，包括23個典型相異構想。其中有13個真性相異構想，10個假性相異構想。可見，在信心指數的輔助下，四段式題目較敏銳、客觀、有效地呈現了被試的酸堿鹽知識水平，在一定程度上提高了客觀題的評價能力。

通過研究還發現，學生相異構想的來源是多樣化的。對相異構想的成因以及相應的教學建議總結如下：

（1） 日常生活經驗?；瘜W與日常生活聯系的密切性決定了日常生活經驗是學生相異構想的來源之一，如“酸嘗起來有點苦”、“堿都是有毒有害的”、“鹽即食鹽”、“鹽都可以食用”等。這些相異構想不僅會阻礙當下的概念學習，還會對后續知識的學習產生影響，因此教師在進行概念教學時，首先要承認學生頭腦中存在的相異構想，然后通過訪談、概念圖、二段式測試以及四段式測試等具體有效的方法診斷出學生的相異構想。

（2） 教師教學中使用的錯誤類比、知識的負遷移。在教學過程中適當地運用類比，將對教學起到事半功倍的效果，但是如果類比使用不恰當或者使用錯誤的類比，就可能導致錯誤的理解，甚至造成相異構想。知識的負遷移既可能發生在學科內，也可能發生在學科間，例如受數學知識的影響，學生錯誤地認為“酸性隨著溶液pH的減小而減弱”。除此之外，在教學中過分強調結果而不重視過程，過分強調結論和現象，忽略某些細節性的部分，也可能導致相異構想。對此，教師在教學中應該注意使用正確、規范的化學用語，應重視正例和反例的辨別，強化對概念的理解。

（3） 教材中一些例證的誤導。教材中一些例證的誤導也可能導致學生產生相異構想，例如對中和反應的介紹只利用HCl和NaOH做了定性實驗，缺少定量分析，且該實驗中生成的鹽恰好是中性鹽NaCl，致使學生產生“中和反應生成的鹽都是中性的”、“鹽溶液都是中性的”、“中和反應后溶液的pH為7”之類的相異構想。此外，還有部分學生混淆了化學科學概念“中和反應”與日常概念“中和”的意義，也會導致學生對中和反應概念產生錯誤認識。因此，教師教學時應該引導學生厘清概念，對科學概念與日常概念進行區分，還應注意加強化學實驗教學，給學生提供豐富的感性認識。

（4） 教學階段的分段影響。教材是學生學習的主要參考工具，而考慮到化學教學的階段性和學生認知發展的階段性，初中化學教材中對有的內容進行刪減和簡化，以減輕學生的認知負擔。這會導致學生理解上出現偏差，同時，給教師的教學也帶來一定的困擾。比如考慮到學生的認知負擔，不能直接提出堿性鹽這個概念，只能讓學生死記硬背地記住“碳酸鈉是顯堿性的鹽”這一結論，國外有關酸堿化學心智模型的研究表明學生通常會采用記憶策略學習酸堿概念，一段時間后學生可能會遺忘先前學過的科學概念，這個時候就很容易回到相異構想，又會認為“純堿是堿”。鑒于此，教師在教學中既要考慮到概念發展的漸進性，又要保證知識的正確性與科學性，否則后期的糾正會非常困難。

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