高中生“醛”心智模型的測評

姚鳳鳳

一、問題提出

心智模型是長時記憶中的元素與外界世界或刺激物交互作用所產(chǎn)生的內(nèi)在表征，會隨外在人、物、事等的變動而改變，具有動態(tài)性。學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中建構(gòu)的心智模型往往是有缺陷、不準(zhǔn)確的，這些有缺陷的心智模型（或稱為非科學(xué)心智模型）一方面反映了學(xué)生在相關(guān)領(lǐng)域化學(xué)學(xué)習(xí)中的學(xué)習(xí)特征、學(xué)習(xí)困難，另一方面還可能進(jìn)一步影響學(xué)生后續(xù)的認(rèn)知建構(gòu)與發(fā)展。對學(xué)生在特定課程內(nèi)容學(xué)習(xí)中的心智模型進(jìn)行科學(xué)測評，有助于豐富教師對學(xué)生的認(rèn)識，為教師開展教學(xué)改革提供參考，為學(xué)生的概念轉(zhuǎn)變提供重要支撐。本研究以高中化學(xué)“醛”的知識內(nèi)容為對象，測查學(xué)生的相關(guān)心智模型建構(gòu)情況。

二、研究對象與方法

心智模型的測查途徑有訪談法、紙筆測驗(yàn)法、問卷調(diào)查法等。本研究采用二階診斷測試題法和課堂實(shí)錄法進(jìn)行研究。二階診斷測試題法主要指對學(xué)生“醛”學(xué)習(xí)情況進(jìn)行測試，并輔以課堂實(shí)錄法，課堂實(shí)錄法通過對“烴的含氧衍生物—醛”的課堂教學(xué)進(jìn)行了錄音，并進(jìn)行分析處理，找尋教師講授和學(xué)生“醛”心智模型的聯(lián)系，綜合進(jìn)行質(zhì)性研究。

Treagust （1988）在進(jìn)行傳統(tǒng)測驗(yàn)法的改進(jìn)中發(fā)展了二段式測驗(yàn)工具，用以揭示學(xué)生更深層次的認(rèn)知信息，二段式測驗(yàn)包括兩部分：①評價學(xué)生的具體知識，要求學(xué)生根據(jù)題干進(jìn)行作答;②評價學(xué)生對知識的理解，要求學(xué)生對第一部分的答案給出解釋。本研究二階診斷測試題的編制采用Treagust（1995）的流程（如圖1所示）。被試對象為榆林市某省級標(biāo)準(zhǔn)化中學(xué)高三年級兩個平行班的85名學(xué)生，測試時間為一輪復(fù)習(xí)“醛”結(jié)束一周以后（所用教材為人教版選修5）。

在正式完成試題編制前，訪談任課教師以及化學(xué)學(xué)業(yè)成績排前、中、后的學(xué)生各2名，以深入搜集學(xué)生迷思概念，形成初稿，委請2位專家檢核內(nèi)容效度，修正后進(jìn)行小范圍試測（30人），最終問卷有15道題目，問卷編制的雙向細(xì)目表見表 1。完成編制后以班級為單位進(jìn)行集體測驗(yàn)，共85名學(xué)生參加測試，回收有效測驗(yàn)卷80份，回收率為94.1%。

三、數(shù)據(jù)分析

1.“醛”心智模型的的類別及其分布情況

（1）“醛的定義、結(jié)構(gòu)和分類”的心智模型類型及分布

學(xué)生持有的“醛的定義、結(jié)構(gòu)和分類”心智模型測查結(jié)果見表2，其中“課程模型”指相對完整且正確的學(xué)生心智模型。

由表2可見，“課程模型”表明總體上學(xué)生對醛的定義、分類、通式的關(guān)注不多（呈現(xiàn)比例均未超過20%），對“醛-官能團(tuán)-醛基”的認(rèn)識最為深刻（呈現(xiàn)比例達(dá)100%）。不過，在“醛基”與“醛”的關(guān)系認(rèn)識中，有近半比例的學(xué)生出現(xiàn)了將“含有醛基的化合物等同于醛”的迷思概念。同時，有32.5%的學(xué)生認(rèn)為“飽和醛或一元醛的通式為CnH2nO”，這進(jìn)一步反映了學(xué)生在“醛”的核心概念建構(gòu)中，對于有機(jī)物的結(jié)構(gòu)和組成之間聯(lián)系的認(rèn)識不夠清晰和準(zhǔn)確，出現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)”和“組成”的“失聯(lián)”。此外，多達(dá)32.5%的學(xué)生不能說出醛的分類方式，在醛的分類上，大部分學(xué)生能從烴基的飽和程度方面對醛進(jìn)行分類，能從醛基數(shù)目角度對醛進(jìn)行分類的學(xué)生人數(shù)次之，依據(jù)烴基的不同對醛進(jìn)行分類的人數(shù)最少。反映出學(xué)生對醛的認(rèn)知更多局限在概念內(nèi)涵要素“醛基”的認(rèn)識中，對于除“醛基”以外的其他內(nèi)涵要素（如對應(yīng)烴基的類型、醛基的個數(shù)等）的認(rèn)識或關(guān)注不夠。值得一提的是在實(shí)際情境中大部分學(xué)生又能正確判斷甲酸甲酯不屬于醛，卻意識不到自身對醛的錯誤定義。還有個別學(xué)生從醛的化學(xué)性質(zhì)出發(fā)定義醛，如“醛：能發(fā)生銀鏡反應(yīng)的物質(zhì)。”

上述有關(guān)“醛的定義、結(jié)構(gòu)、分類”的心智模型從整體上表明，大多數(shù)學(xué)生在有機(jī)物的學(xué)習(xí)中，善于從概念內(nèi)核的關(guān)鍵要素（“醛基”）去把握概念（“醛”），能夠在一定程度上解決概念應(yīng)用類問題，但這種略顯“粗糙”的理解反映了相當(dāng)比例的學(xué)生并未意識到科學(xué)術(shù)語（通過語音或文字來表達(dá)或限定科學(xué)概念的約定性語言符號，是思想和認(rèn)識交流的工具）的價值，在概念學(xué)習(xí)中的抽象性思維能力較為薄弱，在概念建構(gòu)過程中思維的邏輯性、縝密性較差。

（2）“醛的物理性質(zhì)”的心智模型類型及分布

學(xué)生持有的“醛的物理性質(zhì)”心智模型主要涉及物質(zhì)的宏觀層面，表3呈現(xiàn)了學(xué)生關(guān)于“醛的物理性質(zhì)”的心智模型測查結(jié)果。

學(xué)生對物理性質(zhì)的認(rèn)識主要借助于實(shí)驗(yàn)、實(shí)物觀摩的手段以及日常生活經(jīng)驗(yàn)的遷移應(yīng)用。從表3可見一半學(xué)生對甲醛的狀態(tài)認(rèn)識失準(zhǔn)。對甲醛狀態(tài)記憶錯誤的學(xué)生進(jìn)行訪談，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對甲醛的狀態(tài)依托于生活實(shí)物（油漆）的狀態(tài)，且存在很大的誤區(qū)，究其原因有二，一方面學(xué)生對甲醛這種物質(zhì)缺乏直觀的觀察，因?yàn)樵谛再|(zhì)探究中選用液體乙醛進(jìn)行實(shí)驗(yàn);另一方面也反映出學(xué)生日常生活經(jīng)驗(yàn)的匱乏，未養(yǎng)成勤觀察、善思考的習(xí)慣。60.0%的學(xué)生認(rèn)為乙醛的密度比水大。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以觀察到乙醛是無色有刺激性氣味的液體，且易溶于水，但對乙醛與水的密度大小比較沒有直觀的實(shí)驗(yàn)作為判斷依據(jù)。訪談發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生根據(jù)乙醛的結(jié)構(gòu)簡式猜想乙醛的密度大于水，這來自于氣體與空氣密度比較的負(fù)遷移。10.0%混淆了醛與芳香烴的氣味。可見學(xué)生對前概念的模糊理解直接影響到后續(xù)知識的掌握，容易產(chǎn)生負(fù)遷移。通過分析問卷，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生在醛類顏色的記憶方面沒有錯誤，也有少部分學(xué)生表示不知道甲醛和乙醛的顏色。在醛類顏色的記憶中，教師可通過創(chuàng)設(shè)情境、聯(lián)系生活等來強(qiáng)化記憶。

（3）“醛的化學(xué)性質(zhì)”的心智模型類型及分布

表4呈現(xiàn)了學(xué)生關(guān)于“醛的化學(xué)性質(zhì)”的心智模型測查結(jié)果。

從課程模型結(jié)果看，學(xué)生對乙醛的化學(xué)性質(zhì)認(rèn)識最為深刻的為催化氧化和燃燒氧化（呈現(xiàn)比例達(dá)80%），大多數(shù)學(xué)生對乙醛的銀鏡反應(yīng)、乙醛與新制氫氧化銅的反應(yīng)有較為準(zhǔn)確的理解，超過半數(shù)的學(xué)生對乙醛的加成反應(yīng)關(guān)注不足。

60.0%的學(xué)生不能說出醛在有關(guān)的性質(zhì)反應(yīng)中所體現(xiàn)出來的是醛的氧化性還是還原性。研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題主要有學(xué)生在應(yīng)用氧化還原相關(guān)知識的時候習(xí)慣性的背口訣，還有一部分學(xué)生學(xué)習(xí)相當(dāng)機(jī)械化，必須把所有元素化合價標(biāo)好后才能根據(jù)化合價升降對相應(yīng)物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行判斷，而他們在標(biāo)碳元素的化合價時存在較大的困難，從而導(dǎo)致判斷錯誤。25.0%的學(xué)生不知道醛能使酸性高錳酸鉀溶液褪色。學(xué)生在之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了醇具有還原性，能夠使酸性高錳酸鉀溶液褪色，也能和重鉻酸鉀溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)過程中乙醇先被氧化為乙醛，乙醛進(jìn)一步被氧化為乙酸。這說明持有該心智模型的學(xué)生不能夠?qū)⒁延兄R與新學(xué)知識進(jìn)行有效融合，對知識的遷移應(yīng)用能力不足。

多達(dá)65%的學(xué)生不能明確描述常見醛的反應(yīng)的反應(yīng)條件以及相關(guān)物質(zhì)的具體制備過程。學(xué)生大都側(cè)重于去記憶實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和相應(yīng)的化學(xué)方程式，對反應(yīng)發(fā)生的條件以及具體過程都不太重視。如不知醛與新制Cu（OH）2懸濁液的反應(yīng)需要在堿過量的環(huán)境下進(jìn)行。在訪談中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對銀氨溶液的制備過程記憶模糊，也不能利用化學(xué)方程式進(jìn)行表征。

40.0%的學(xué)生不能根據(jù)宏觀現(xiàn)象或微觀原理靈活地推斷產(chǎn)物。如部分學(xué)生認(rèn)為乙醛與氫氧化銅反應(yīng)生成氧化銅或銅。還有學(xué)生認(rèn)為銀鏡反應(yīng)生成了氣體氨，故書寫化學(xué)方程式時標(biāo)有氣體符號，學(xué)生沒有考慮到反應(yīng)的實(shí)際情況或不清楚氨生成的條件。另有12.5%的學(xué)生不能正確書寫氫氧化二氨合銀，如認(rèn)為在氫氧化二氨合銀中氨的存在形式是銨根離子，所以在化學(xué)方程式的書寫過程中出現(xiàn)錯誤的產(chǎn)物分析。

2.各類心智模型不同科學(xué)化程度的學(xué)生比例

為了更加準(zhǔn)確地測量學(xué)生“醛”心智模型的分類情況與學(xué)生對“醛”的掌握，本文將利用理解水平層次，針對每一類非科學(xué)心智模型進(jìn)行更深層次科學(xué)化的分析。

將學(xué)生所持有的心智模型分為4個理解水平層次，結(jié)合實(shí)際，按理解準(zhǔn)確程度依次為 “Partial Understanding：PU”（局部理解）;“Partial Understanding With Specific Misunderstanding：PMU”（局部錯誤理解）;“Specific Misunderstanding：MU”（錯誤理解）;“No Understanding：NU”（不理解）。如在“組成-結(jié)構(gòu)”失聯(lián)模型中，將“知道醛的結(jié)構(gòu)與組成，但認(rèn)為飽和醛或一元醛的通式可書寫為CnH2nO”界定為 PU 水平，而直接說不清楚醛的結(jié)構(gòu)與通式的理解水平歸類為 NU 水平。8類非科學(xué)心智模型中不同科學(xué)化程度的學(xué)生比例數(shù)值見表5，分布特征如圖2所示。

綜合表5和圖2可得，學(xué)生對“醛”心智模型的構(gòu)建中非科學(xué)化程度的傾向性和結(jié)構(gòu)都有所區(qū)別。“乙醛物性迷思模型”認(rèn)知中，近半數(shù)（43.20%）學(xué)生的認(rèn)識達(dá)到了PU水平，說明學(xué)生對乙醛物理性質(zhì)的認(rèn)識雖然有缺陷，但大多僅表現(xiàn)為認(rèn)知的不完整性，其整體認(rèn)知效果仍較好。另外，在“組成-結(jié)構(gòu)失聯(lián)模型”“甲醛物性迷思模型”認(rèn)知中，學(xué)生認(rèn)識PMU水平以上的比例（即PU、PMU水平比例之和）為81.40%、74.60%，說明學(xué)生對醛類的結(jié)構(gòu)與組成認(rèn)識整體上處于存在缺陷和局部錯誤的層面，其整體效果仍可以接受。相比之下，“反應(yīng)環(huán)境迷思模型”和“反應(yīng)產(chǎn)物迷思模型”認(rèn)知中，更大比例的學(xué)生（32.40%、40.50%）的相關(guān)認(rèn)知處于NU水平，整體效果較差，如有相當(dāng)比例的學(xué)生（32.40%）不能理解反應(yīng)環(huán)境的重要性，有相當(dāng)比例的學(xué)生（40.50%）對反應(yīng)產(chǎn)物更多是死記硬背。“氧化還原迷思模型”“分類標(biāo)準(zhǔn)缺失模型”認(rèn)知中，多半比例處于低認(rèn)知水平（NU、MU）。在“醛基-醛關(guān)系迷思模型”“反應(yīng)產(chǎn)物迷思模型”這兩類認(rèn)知中，學(xué)生認(rèn)知處于NU、MU較低水平的比例之和與處于PU、PMU較高水平的比例之和基本相當(dāng)，說明學(xué)生在各水平的分布總體上表現(xiàn)得更加“離散”，學(xué)生的認(rèn)知缺陷情況更加復(fù)雜。

四、研究結(jié)論

本研究得到以下主要結(jié)論：

第一，學(xué)生在“醛”內(nèi)容學(xué)習(xí)中，建構(gòu)出3類共8種非科學(xué)心智模型，具體包括在“醛的定義、結(jié)構(gòu)和分類”中建構(gòu)了“醛基-醛”關(guān)系迷思模型、分類標(biāo)準(zhǔn)缺失模型、“組成-結(jié)構(gòu)”失聯(lián)模型，在“醛的物理性質(zhì)”中建構(gòu)了甲醛物性迷思模型、乙醛物性迷思模型，在“醛的化學(xué)性質(zhì)”中建構(gòu)了氧化還原迷思模型、反應(yīng)環(huán)境迷思模型、反應(yīng)產(chǎn)物迷思模型。

第二，對8種非科學(xué)心智模型進(jìn)行更深層次的科學(xué)化程度分析后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在“乙醛物性迷思模型”認(rèn)知中整體表現(xiàn)較好;在“組成-結(jié)構(gòu)失聯(lián)模型”“甲醛物性迷思模型”的認(rèn)知水平仍可以接受;在“醛基-醛關(guān)系迷思模型”“反應(yīng)產(chǎn)物迷思模型”認(rèn)知中“較好”和“較差”的表現(xiàn)基本相當(dāng);在“氧化還原迷思模型”“分類標(biāo)準(zhǔn)缺失模型”“反應(yīng)環(huán)境迷思模型”“反應(yīng)產(chǎn)物迷思模型”認(rèn)知中的表現(xiàn)最差，存在問題突出。

第三，相應(yīng)的教學(xué)啟示如下：重視有機(jī)物概念教學(xué)中“科學(xué)術(shù)語”的學(xué)習(xí)價值，不僅要把握概念的核心要素，還要注意概念建立與術(shù)語形成過程中的邏輯性、系統(tǒng)性和科學(xué)性，提升學(xué)生思維的嚴(yán)密性、精細(xì)化和批判性水平;重視實(shí)驗(yàn)、信息技術(shù)等多種教學(xué)手段的綜合運(yùn)用，豐富學(xué)生對有機(jī)物的感性認(rèn)識，強(qiáng)化物質(zhì)感性認(rèn)識和概念理性思維的結(jié)合;積極創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，加強(qiáng)化學(xué)與生活的聯(lián)系，提升學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識發(fā)現(xiàn)、解決問題的意識和能力，增強(qiáng)化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的可利用性。

本文得到北京師范大學(xué)中國基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測協(xié)同創(chuàng)新中心自主課題資助。

（收稿日期：2018-12-15）