中學化學守恒觀研究現狀的分析與思考

王禹超 王后雄

摘要： 采用內容分析法，研究了中學化學守恒觀的現有文獻，定量分析了守恒觀的研究趨勢、研究人員和研究內容分布，并在研究內容分布上與“微粒觀”進行對比;從發現問題的視角得出了“中學化學守恒觀的研究存在較多空白”、“守恒觀的內容界定存在爭議”、“中學生的守恒觀發展水平不足”和“守恒觀的研究可能會成為熱點”等結論，基于此提出了建議。

關鍵詞： 化學基本觀念; 守恒觀; 研究綜述; 內容分析法

文章編號： 1005-6629（2019）6-0027-06 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

守恒觀是《普通高中化學課程標準（2017年版）》中明確提出的化學基本觀念之一[1]，其含義簡單來說就是化學中關于守恒的思想觀念，一般認為包括“質量守恒”、“電荷守恒”、“電子守恒”、“能量守恒”、“物料守恒”、“質子守恒”和“元素守恒”等內容[2][3]。“守恒”是人認知發展的重要一環，是皮亞杰認知發展理論中判斷兒童發展程度的重要標志;科學領域中的守恒無處不在： 物理學科對能量守恒、動量守恒等有許多深入的研究;化學上的守恒內容更加多樣，學生關于化學守恒的認知貫穿化學學習始終，“化學守恒觀”的研究價值不言而喻。但是，正如對化學中“宏觀與微觀的聯系”進行研究不意味著對“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養進行研究一樣，對“××守恒”的研究也不能簡單等同于對“守恒觀”的研究。而現狀是，大多數“守恒觀”的研究只涉及部分守恒知識的實踐層面，真正對于“守恒觀”的研究，尤其是對守恒觀整體的、理論的研究偏少。因此有必要探析這種現象背后的原因，思考應當如何深入對守恒觀的研究。

1 ?研究設計

1.1 ?研究方法

內容分析法是對顯性材料進行分析以推斷隱藏現象的一種文本研究方法。主要采用內容分析法做趨勢分析、現狀分析和比較分析。趨勢分析是為了發現守恒觀研究的表面趨勢;現狀分析主研究只利用微視頻技術的表現性評價探查了選考生在“科學探究與創新意識”素養上的現狀，在后續研究中，將進一步探索性別、學業成績、其他選考科目等因素與該素養之間的相互關系及作用機制，嘗試采用課堂實驗探究、課外自主實驗、趣味實驗校本選修課等進行核心素養提升的實證研究。

要關注已有的守恒觀研究集中在哪些方面，是否合理、誰是研究的主力軍，是否均衡;比較分析關注守恒觀研究與其他化學基本觀念（微粒觀）研究現狀的區別和聯系。在數據統計時共有3位研究人員參與，提高了研究的信度。

1.2 ?資料來源

在中國知網（CNKI）中以“守恒觀”為關鍵詞在學位論文和學術論文（僅勾選“核心期刊”和“CSSCI”，以下省略該說明）范圍內進行檢索，分別得到1條和3條結果，這是不足以覆蓋研究對象的，因此將檢索詞擴展到“守恒思想”、“守恒思維”、“守恒定律”和“守恒法”等，但在過程中發現有較多的非化學學科內容出現，難以甄別篩選;同時，有很多關于化學守恒的研究內容是僅限于“××守恒”的，此類內容沒有顯示。

為了確保資料的完整、減少無關內容的出現，檢索同時包含“化學”和“守恒”兩個主題詞，以及主題詞為“××（能量、質子、物料、元素、電荷、質量、電子）守恒”的內容（以下合稱“化學守恒”），學科領域限定在“中等教育”和“教育理論與教育管理”，并剔除涉及“守恒”卻未將其作為主體內容的結果： 如對化學基本觀念的研究，可能涉及守恒觀，但其內容主體沒有落在守恒觀上;對能量觀的研究中大多會提到“能量守恒”，而其重點內容卻不是守恒;對電解質溶液的研究大多會提到“電荷守恒”等，但守恒并不是其主要內容，此類論文不作為研究資料進行收集。最終收集到學位論文（均為碩士論文）10篇，學術論文63篇。

關于化學基本觀念的內涵及其范圍界定的文獻中都把微粒觀納入范圍，因此將其作為比較研究的對象： 以“微粒觀”作為主題詞檢索，并以同樣原則進行篩選，最終收集到學位論文（均為碩士論文）17篇，學術論文27篇。

1.3 ?內容編碼與分析單元設計

對資料進行預分析后，構建了量化分析的一級維度，即研究趨勢、研究人員和研究內容;對研究人員進一步劃分了二級維度;根據檢索得到的資料，參考化學基本觀念綜述類文獻的劃分方法[4]，對研究內容劃分了二級和三級維度，具體說明見表1。

一級維度二級維度三級維度說 明研究趨勢——以研究論文發表的時間為軸進行趨勢分析研究人員中學一線教師—教學活動的直接參與者專職研究者—高校教師、碩士和博士研究生等群體

研究內容理論研究理論研究解決何為守恒觀、守恒觀應當包含哪些內容、守恒觀在教材及課標中是如何編排和體現的等問題

實踐研究教學設計與反思重點落在教學設計或教學策略，是從守恒觀的視角進行某些教學內容的編排設計，或是對某些常規教學內容、實驗、各種教學活動的創新，一般要形成可執行的操作模式及教學啟示等

建構策略依托常規教學內容、開發教學工具、創設特殊教學情境、方法等論述如何引導學生建構守恒觀，其重點在于如何“建構”，結論上不一定有教學設計及實踐驗證

調查研究重點在于某范圍內中學生守恒觀發展水平的測查，展示和分析了測查的過程及結果，有的還會延伸至教學診斷

試題研究以守恒思想為指導，研究如何解決一類題目，或解決某種守恒問題的方法技巧

學術論文和學位論文在一定程度上代表著不同的研究層次和深度，因此選擇性地對兩者分別進行統計分析。

1.4 ?信度分析

內容分析法的信度分析是對評判記錄一致性的分析，即各維度、類目的劃分是否可靠[5]。過程是以筆者為主評判員A，另外兩位評判人員B和C同時使用相同類目進行評判，定量地進行一致性分析，計算方法： K=2MN1+N2，K為兩個評判員的同意度，M為兩者都完全同意的類目數，N1為第一評判者分析的類目數，N2為第二評判者分析的類目數;R=N×K1+（N-1）×K，其中N為參與評判的人數，K為所有評判員的平均同意度。各類目評判信度分析算得的R值均大于0.9，證明具有良好的信度。

為了保證研究的客觀性，在“結果分析”部分只分析數據的統計結果，避免有積極或消極的語言傾向;“結論”和“思考與建議”以發現問題和提出建議的視角進行論述。

2 ?研究結果分析

2.1 ?研究趨勢分析

以論文發表時間為橫軸、數量為縱軸，將論文總數、學術論文數、學位論文數放在同一圖表中，得圖1，可知化學守恒觀在2011年之前沒有受到學位論文的關注，相關學術論文的數量也較少;之后，研究數量呈現不平穩的增長趨勢。守恒觀的研究趨勢與化學基本觀念整體的研究趨勢基本一致[6]。

2.2 ?研究人員分析

將研究人員劃分為“中學一線教師”和“專職研究者”。“中學一線教師”指中學化學教師，他們是教學的直接參與者，與學生、教學內容有最緊密的交互作用;“專職研究者”指高校教師、碩士和博士研究生等群體，他們更多地進行著課程與教學研究，或理論或實踐，但往往沒有直接參與教學活動。學位論文的作者均為研究生，但無法得知是否為在職教師，因此僅統計學術論文研究人員。根據文獻的第一作者，統計得到圖2，可知一線教師對化學守恒研究的關注度遠高于專職研 究者。

2.3 ?研究內容分析

需要說明的是，教學設計與反思類和建構策略類論文的主要區別在于實現的目的不同，前者重點解決某教學內容以守恒觀念的視角如何設計和創新，后者側重于利用教學內容、情境、工具等來建構守恒觀，兩者有所區別，但在部分研究中兼具。對研究內容的統計結果如圖3所示。

學位論文中，各研究內容取向的分布較學術論文均衡很多，原因是學位論文內容豐富，總是涉及多方面內容： 如“高中生化學守恒觀發展研究”[7]，既有對守恒觀內涵的分析，也有對高中生守恒觀水平的調查，同時還提出了構建守恒觀的策略;而學術論文大多有唯一的內容取向。因此接下來對研究內容的分析中只關注學術論文。同時，為了顯示守恒觀研究內容與其他化學基本觀念（微粒觀）研究內容上的差別和聯系，對微粒觀學術論文的研究內容進行統計，方便對比。結果見表2。

對比分析可知學術論文中，兩者的“教學設計與反思”研究均占有較大比例，“調查研究”都很少或沒有，具有一致性;守恒觀“試題研究”的比例遠多于微粒觀的相關研究;而基礎的“理論研究”和目標性的“建構策略”內容遠少于微粒觀的相關研究。

兩種觀念研究的內容取向在數量上的差別十分顯著。進一步分析守恒觀的研究內容發現，大多數只涉及某一方面的守恒，如“中學生質量守恒定律核心概念的認知研究”[8]、“初中階段守恒觀構建的‘進階模型研究——從‘質量守恒定律說起”[9]等僅關注“質量守恒”的內容，“例談質子守恒的模型認知與教學價值”[10]僅關注“質子守恒”的內容。統計學位論文與學術論文中研究的具體守恒內容，得到結果見表3。

可見，對化學守恒觀整體的研究遠比局部研究要少;而在局部研究中，質量守恒幾乎占了全部，質子守恒僅有一篇，而其他如電子守恒、物料守恒等沒有出現。

3 ?研究結論

3.1 ?中學化學守恒觀的研究存在較多空白

對中學化學守恒觀研究人員的統計分析說明一線教師數量遠遠多于專職研究人員，對研究內容的統計分析說明實踐研究遠多于理論研究。這兩個現象實質上有著一致性，都說明在實踐當中守恒觀是很重要的，中學教師和高校研究者都非常關注實踐層面，但過于關注與考試、解題相關的內容，理論研究較少。這樣的現狀可能是不合理的，尤其是對比了微粒觀的研究內容分布后更能說明這一點。統計具體守恒內容的研究數量，可知守恒觀作為化學基本觀念之一，卻總是被孤立地關注局部的守恒知識，甚至沒有研究者對守恒觀的內涵進行清晰的表述，總是以“守恒觀包括××守恒、××守恒……”來呈現。在局部守恒的研究中，質量守恒占到絕大多數，原因很可能在于“質量守恒定律”是初中化學教學的重要內容之一;其次是質子守恒，原因可能是學生在學習“溶液中離子平衡”[11]時經常難以理解、無法順利掌握質子守恒的相關內容。相對而言，對守恒觀整體的研究實在太少，內容也不夠充實。因而認為，中學化學守恒觀的研究存在較多空白。

3.2 ?中學化學守恒觀的內容界定存在爭議

研究者們對守恒觀內容的界定是有明顯差別的，有代表性研究的如胥曉宏指出化學守恒思想應當包括質量守恒、電荷守恒、電子守恒、能量守恒、物料守恒和質子守恒[12];謝翠蘭認為化學守恒觀應當包括以下幾個方面[13]： 元素守恒、原子守恒、質量守恒、電子守恒、電荷守恒、能量守恒、物質的量守恒、化合價守恒、質子守恒和物料守恒。而更多的研究者只關注了守恒觀的某個方面。似乎各種獨立的守恒知識的存在，使得研究者們對守恒觀這個整合的化學基本觀念關注較少。很少有人探討守恒觀內涵是什么、具體內容應該如何界定，仿佛大家心里有著公認的結果，但事實又表明不是這樣。這也是現存研究中“守恒觀”內容很少，“××守恒”內容很多的原因。

3.3 ?中學生的化學守恒觀發展水平不足

從調查研究的文獻中可以得知學生守恒觀的發展水平： 魯志婧的研究表明高中生的守恒觀發展整體呈現中等偏下水平，各維度守恒觀念之間的發展也不均衡[14];龔偉等的研究表明高中生化學守恒思維處于中等水平，且運用仍處于機械水平，沒有理解其實質而靈活遷移[15];詹曉旭對高一理科班學生進行了化學基本觀念整體水平的調查研究，認為學生在守恒觀的表現水平較差[16]。因此可以認為中學生的化學守恒觀發展水平是不足的，大多數只是具備基本的守恒知識，沒有達到深入理解和進行自如綜合應用程度。

3.4 ?中學化學守恒觀的研究可能會成為熱點

統計分析表明，2011年是守恒觀研究數量變化的轉折點，原因可能是義務教育化學課程標準也提出“義務教育階段的化學教育，要激發學生學習化學的好奇心……形成化學的基本觀念”[17];2017年版的“新課標”明確指出要引導學生進一步學習化學的基本原理和方法，形成化學學科的核心觀念，并明確提到了守恒觀[18]。這很大程度上意味著研究者們會逐漸關注到守恒觀的“研究空白”，掀起研究熱潮。

4 ?思考與建議

4.1 ?中學化學守恒觀是一個不需要深入研究的領域嗎

對比微粒觀、元素觀、能量觀等“熱門”化學基本觀念的研究可知，真正對守恒觀的研究較少，對化學守恒的局部研究也不均衡，但這并不說明中學化學守恒觀是個不需要深入研究的領域。現狀的存在歸根到底是由于認識不足導致的。對化學守恒觀的重要性認識不足，會導致研究者們對它缺乏關注，沒有意識到化學守恒觀應該是一個需要大量研究和有著重要實踐意義的研究領域。對化學守恒觀內涵的認識不足，使得化學守恒觀就像一個“黑箱”，人們只在乎對其進行何種作用會產生何種效果，卻沒有打開箱子探尋其中奧秘;本質內涵沒有厘清、缺乏理論的支持的情況下就進行實踐方向的研究，這樣的研究在一定程度上說服力是不夠的。對中學生化學守恒觀發展現狀的認識不足，認為學生在這方面發展得很好，會使得研究者們自發地認為這是一個不需要研究、對學生學習和教師教學沒有足夠實踐價值的領域。但現有研究表明守恒觀的研究很有實踐價值。

高中化學“新課標”中“守恒觀”的出現，說明至少制定化學課標的專家們認為守恒觀對學生是非常重要的，他們的想法和觀點往往與大多數中學化學教師及化學教育研究者一致，代表著國內的化學教育發展趨勢。因此應當重視對中學化學守恒觀的深入研究。

4.2 ?中學化學守恒觀是什么

“守恒觀”是化學基本觀念，“守恒法”是以守恒觀為基礎的解題方法，屬于守恒觀的一種應用，兩者不能直接等同;“質量守恒定律”是自然界普遍存在的基本定律之一，在其他學科中也有涉及，它支撐了守恒觀的存在，但在內容上應該只是其中之一;“原子守恒”、“物料守恒”等是概念知識，它們同樣支撐了守恒觀的存在，但只是學生學習過程中守恒觀在某一階段的表現，而不能將守恒觀等同于“××守恒”及其應用。不能把“窄化”的守恒觀當作“守恒觀”。

化學基本觀念是指學生通過化學課程的學習，在深入理解化學學科特征的基礎上所獲得的對化學的總觀性認識，具體表現為個體主動運用化學思想方法認識身邊事物和處理問題的自覺意識或思維習慣[19]。那么守恒觀的內涵，就應當是“在深入理解了化學中有關守恒的知識后，建立的基于‘守恒的認識事物的方法和解決問題的思維”。它既不是孤立的簡單知識或知識的組合，也不只是解題的方法，而是基于某些核心概念的思想意識。內涵研究應當探明其核心概念有哪些，它們如何有機地整合為“觀念”，這樣的觀念在不同情境中應當怎樣體現、學生守恒觀發展水平如何劃分、如何建構真正能夠適應不同真實情境的“守恒觀”。守恒觀的具體內容界定也應該基于以上問題進行研究。

4.3 ?怎樣對中學化學守恒觀進行研究

化學基本觀念是由化學核心概念概括提煉得到的[20]，守恒觀也應有某些核心概念作支撐，有“支撐性理解”[21]推動學生在不同情境、不同概念中發展和應用守恒觀。提取守恒觀的核心概念、構建認識模型是非常重要的，這應當成為守恒觀研究最基礎和最重要的部分。而后，對于構成守恒觀的核心概念可以有進一步的深入研究。學習進階（Learning Progressions）刻畫了學生在不同時期學習同一科學領域核心概念時的認知發展路徑，能夠表征同一概念在不同認知層面學生具有的表現，運用學習進階的方法研究核心概念已成為新的研究熱點[22]。因此采用學習進階的方法研究守恒觀及其核心概念是非常合理貼切的。另外，在守恒觀的測評研究上，不應只是前文提到的“××守恒”題目的堆疊，而更要有綜合性、有深度，如利用SOLO分類理論開發良好的測試工具等。

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