高三學優生化學高階思維能力現狀調查與分析

郭金花 吳星

摘要： 在化學高階思維內涵與結構研究的基礎上，構建化學高階思維評價指標體系，該評價體系共包括“化學實驗思維、化學模型思維、化學微觀思維、化學守恒與平衡思維和化學創新思維”5個一級指標、14個二級指標及若干指標表現。根據評價指標設置評價任務，利用評價任務對高三學優生化學高階思維能力進行考查。結果顯示：高三學優生各維度化學思維發展不平衡；男女生高階思維能力之間存在顯著性差異；化學學業成績對高階思維的發展起重要促進作用，同時高階思維的發展也可以顯著提升學生化學學業成績。在此基礎上提出高中生化學高階思維能力培養的教學建議。

關鍵詞： 高階思維； 思維能力; 化學思維； 高三學優生

文章編號： 10056629（2022）10001906

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

化學高階思維能力是學生解決復雜化學問題或劣構性化學問題的必備能力，是學生獲得“高水平”化學核心素養與“高水平”學業質量的重要保障［1］。思維能力主要由思維結構決定，因為思維能力的強弱是思維結構的質量、水平和完善程度的表現［2］。因此在化學高階思維結構的基礎上進一步構建化學高階思維評價指標體系，再根據評價指標設置相應的化學任務或問題，測量與評價學生的化學高階思維能力。了解學生化學高階思維能力現狀，將為實施培養學生該能力的高中化學課堂教學提供可行的建議。

1 化學高階思維評價指標體系構建

在“化學高階思維”的前期研究中，已經在文獻分析的基礎上厘清了化學高階思維的內涵和結構。化學

高階思維是指學生圍繞復雜的或具有挑戰性的化學問題，從宏微結合、變化守恒的視角，借助于化學實驗、化學語言和化學模型，運用證據推理、分析、歸納、抽象和評價等方法，獲得結構化的化學核心知識、原理，養成創新精神和實踐能力的過程中形成的高水平心智活動。化學高階思維與化學學科一般思維最重要的區別在于前者一定要以復雜的或具有挑戰性的化學問題解決為主旨［3］。此外，前期研究中在問卷調查的基礎上，對調查數據分別進行探索性因子分析和驗證性因子分析，結果得到高中生化學高階思維結構共包括化學實驗思維、化學模型思維、化學微觀思維、化學守恒思維和化學創新思維5個維度［4］。根據專家建議，將化學守恒思維改成“化學守恒與平衡思維”更為準確。

為了使指標體系科學化、規范化，在遵循系統性、典型性、可操作和可量化、科學簡明性以及綜合性等原則的基礎上，圍繞化學高階思維結構的5個維度初步構建評價指標體系。然后編制《化學高階思維評價指標體系專家征詢意見調查表》，征詢專家意見和建議。在修改和完善的基礎上最終研制出“化學高階思維評價指標體系”（見表1）。該指標體系共分5個一級指標、14個二級指標，且詳細制定了每一個二級指標對應的指標表現。

2 高三學優生化學高階思維能力測量與現狀分析

2.1 測量工具和測量對象

根據評價指標體系中的“二級指標”和“指標表現”設置相應的化學任務和問題，并構建命題雙向細目表，使試題內容、試題結構、分值分配等盡量合理化與科學化，提高命題的效率和質量。根據化學高階思維各維度的特點，考查任務共設置了兩類：完成指定的化學實驗和測試卷。在征求專家咨詢組意見的基礎上，初步確定了1個實驗任務和由20道測試題組成的測試卷，試題均為判斷題和表述題，無選擇題。其中實驗任務40分，測試卷100分。先對104名隨機抽取的高三學生進行初測，利用Exell和SPSS25.0統計軟件對測試卷進行難度、區分度和信度分析，最終確定了1個實驗任務和12道測試題（包含37個小問題），然后對學生進行正式測試。其中正式測試卷的信度以內在一致性α系數加以解釋（見表2）：試卷各維度的內在一致性α系數均在0.70以上，說明測試卷的信度在可接受范圍內。

本研究的正式被試為江蘇省揚州市某四星級高中隨機抽取的4個平行班的高三學優生。共發放6份實驗報告單和測試卷208份，回收6份實驗報告單和有效測試卷204份，回收率分別為100%和98%。

2.2 研究方法

由于“化學實驗思維”是在解決真實的化學實驗問題過程中表現出來的，因此，對“化學實驗思維”的考查采用“活動表現”考查法，要求學生完成“維生素C泡騰片中碳酸氫鈉含量的測定”實驗任務。實驗時給每組學生提供了實驗報告單，內容包括：實驗目的、產品說明書、參考計算公式pV=nＲT、供選藥品和器材、實驗方案設計、實驗數據處理和實驗反思。產品說明書中維生素C泡騰片的成分為“每片含維生素C 1g，輔料為碳酸氫鈉、枸櫞酸、氯化鈉、蔗糖等”。共進行3組實驗，每組2名學生，要求這2名學生在實驗時必須交流各自的想法，即“出聲思維”。同時對這3組學生的實驗過程進行全程記錄和錄像，便于后續分析。其余4個維度的思維能力均采用“紙筆測試法”考查。在學生完成測試卷后，對部分學生進行了訪談并錄音，便于剖析其思維過程。

2.3 研究結果與分析

2.3.1 總體分析

由于“化學實驗思維”是通過實驗單獨考查的，對其分析將放在后面“維度分析”部分。這里主要對另外四個維度的總體情況進行分析（測試卷中各維度得分均已轉換成百分制）。通過獨立樣本T檢驗（見表3）發現男女生的化學微觀思維和化學守恒與平衡思維的P值均大于0.05，說明男女生這兩種思維能力沒有顯著性差異，但模型思維和創新思維的P值均小于0.05，說明男女生上述兩種思維能力存在顯著性差異，從均分可以看出男生顯著高于女生。化學高階思維需要學生具備較強的抽象思維能力。因此，出現上述差異的原因可能與男生比女生更擅長抽象思維有關。

另外，通過相關性分析發現，學生的各維度思維之間的P值均小于0.05，表明它們之間呈現顯著的正相關關系。說明化學高階思維系統是相互聯系、相互作用的有機整體。因此，培養學生的化學高階思維是一項系統工程。另外各維度思維與化學學業成績之間也有顯著的正相關關系，表明兩者之間有相互促進的作用。因此，加強化學課堂深度教學，訓練學生化學高階思維是提升學生化學學業成績的有效途徑。

2.3.2 維度分析

2.3.2.1 化學實驗思維

化學實驗思維包括“實驗方案設計”“實驗操作”“實驗結果處理”和“實驗反思與創新”四個二級指標。考查學生化學實驗思維時，選取的3組被試的化學學業成績分別為優秀、中等和較低。每組實驗均有2名老師根據評分標準觀察打分，再將每組平均分換算成百分制（見圖1）。從圖1可以看出，除了“結果處理”3組得分幾乎相同外，其余二級指標和總分的得分均表現為組1、組2、組3依次降低，而這三組學生的化學學業成績也是依次降低的，再次表明學生的化學學業成績與高階思維之間是相互影響的。

下面主要以“實驗方案設計”為例，具體分析學生的實驗思維能力。

第1組學生在仔細閱讀產品說明書后詢問“枸櫞酸是什么”，在討論的基礎上明確了實驗原理。5分鐘后開始書寫實驗方案，方案較詳細，思考比較全面。第2組學生討論了15分鐘后才開始寫方案，且方案只寫了幾個簡單的條目，沒有細化，但整體實驗流程設計是基本正確的。第3組學生一邊看實驗桌上的實驗儀器和藥品，一邊討論方案，其中一個學生將各種實驗儀器拿在手里反復觀察，試圖弄清楚它們在本次實驗中的作用，但比劃了很久仍然沒有形成清晰的實驗思路。大約30分鐘后他們在沒有書寫實驗方案的情況下開始實驗操作。

本研究中的實驗任務是一個真實的實驗問題，提供的信息只有一份產品說明書和一些實驗藥品和儀器。這是一個劣構性問題，需要學生從頭到尾自己分析每一個步驟，關注每一個細節。組1學生在劣構性問題解決中思路清晰，能快速辨別有效信息，如對“枸櫞酸”的疑惑，且自己能尋求途徑解決疑惑；能正確選擇實驗試劑與方法，搭建實驗裝置（見圖2）等，實驗思維能力較強。而2、 3組學生，尤其是第3組學生很不適應這樣的劣構性問題解決，過程中試圖采用“試誤法”解決問題，思維混亂，缺乏邏輯性和系統性。

2.3.2.2 化學微觀思維

化學微觀思維是從分子、離子、原子的微觀層次研究物質的結構、性質和變化的思維方式。從表4可以看出學生的“物質結構與性質的預測或推斷（Ⅱa）”和“物質變化的微觀分析與表征（Ⅱb）”的得分率分別為0.66和0.50，“化學微觀思維（Ⅱ）”總得分率為0.58。與測試卷中其他三個維度相比，得分率處于中等水平。下面以一道例題分析學生該思維能力。

例題1 CO2/HCOOH循環在氫能的貯存/釋放、燃料電池等方面具有重要應用。在催化劑作用下，HCOOH分解生成CO2和H2可能的反應機理如下圖所示。HCOOD催化釋氫反應除生成CO2外，還生成??? （填化學式）。

這道題只有34.4%的學生能寫出正確答案“HD”，其余學生都寫成了“H2”。筆者與1名受訪者（化學學業成績優秀）的部分對話如下：

師：你為什么認為是H2呢？

生：這不是很明顯嗎？從圖上看，產物只有CO2和H2。

師：“HCOOD”是什么物質？

生：應該是某種甲酸鹽吧？

師：你為什么認為“D”表示甲酸鹽中的陽離子呢？

生：我猜的。要不然是什么呢？

師：你認識“D2O”這個物質嗎？

生：是重水。哦！我知道了，這里的“D”應該是氫的同位素氘，所以應該是HD。

從學生的思維過程可以發現，由于學生對氘的表征形式理解錯誤，從而影響了學生的思維。另外，學生認為答案“很明顯”，“產物只有CO2和H2”，說明學生并沒有深入分析氫氣中的兩個氫原子是怎么來的。可見即使是化學學業成績優秀的學生對物質變化機理的微觀分析還是不夠細致、不夠深入，即缺乏思維的深刻性。

2.3.2.3 化學守恒與平衡思維

“化學守恒與平衡思維（Ⅲ）”通過“化學守恒原理的綜合應用（Ⅲa）”和“化學平衡原理的綜合應用（Ⅲb）”兩個二級指標來考查（見表5）。測試卷中考點包括溶液中的離子反應、電化學原理、化學平衡移動原理等。從表5可以看出學生的Ⅲa和Ⅲb的得分率分別為0.80和0.69，總得分率為0.73，說明學生該思維能力較強。例如，大部分學生都能熟練利用電荷守恒、物料守恒及其聯立關系式得出的質子守恒解決溶液中的離子濃度大小比較問題；利用“三大守恒”書寫比較復雜的氧化還原反應的離子方程式；利用化學平衡移動原理辯證地解釋復雜化學反應體系中（如多重平衡）物質的轉化、體積分數的變化規律等等。在對學生訪談時，學生認為：“化學守恒和平衡的相關問題是高考的重點和難點，平時自己比較重視，題目做的也比較多”；“老師在講解試卷時，這部分內容經常都是重點講解，解題思路比較明確”。可見重視程度和訓練程度對學生思維能力的影響十分重要。

2.3.2.4 化學模型思維

“化學模型思維（Ⅳ）”包括“科學模型的認識（Ⅳa）”“模型方法的掌握（Ⅳb）”和“模型建構的探索（Ⅳc）”三個二級指標。從表6可以看出學生上述二級指標的得分率分別為0.61、 0.67和0.43，總得分率為0.57。與測試卷中其他三個維度相比，得分率處于中等水平，其中“模型建構的探索”能力較弱。學生的具體表現如下：超過60%的學生能根據已有晶體結構模型解決化學式的書寫、配位數的判斷、晶體密度的計算等；能根據雜化軌道理論、價層電子對互斥模型解決分子的空間構型等問題。在解決等效平衡問題時，69%的學生都能運用“放縮模型”分析平衡移動的方向和程度；在解決多重平衡的計算問題時，65%的學生能運用“列三行”的解題模型求出平衡常數。但在考查學生弱酸與弱酸鹽反應產物的判斷時，只有不到40%的學生能得到正確的結果。在對學生訪談時，沒有一個學生能根據“強酸制弱酸”的規律自主構建問題解決模型，但當學生運用教師構建的模型解決這類問題時，所有受訪者都能輕松得到正確結果。這種現象一方面說明學生“模型建構的探索”能力很弱，另一方面也說明學會構建模型對解決復雜的、有規律可循的問題時幫助很大。這就啟發教師在平時的教學中應該重視培養學生“模型建構的探索”能力。

2.3.2.5 化學創新思維

“化學創新思維（Ⅴ）”包括“發散思維（Ⅴa）”“直覺與想象（Ⅴb）”“逆向思維（Ⅴc）”三個二級指標。從表7可以看出學生以上三種思維的得分率分別為0.31、 0.65和0.54，總得分率為0.50。可見，相對而言學生的直覺與想象能力較強，但發散思維能力較弱。下面以一道例題分析學生“發散思維”能力。

例題2 證明醋酸是弱電解質的實驗方法有哪些？（方法越多，得分越高）

這道題中，學生每寫出一種方法且正確得2分，學生的平均得分為3.08分（滿分10分），研究者將學生所有正確的方法進行歸類，發現有近十種方法可以證明醋酸是弱電解質。雖然每個學生平均都寫了3～4個實驗方法，但正確方法卻不到2種。說明學生思維的發散性不夠強，從學生的答題中反映了基本概念和基本原理對發散性思維的支撐性不足。如：“對同體積、同濃度的醋酸和鹽酸進行中和，醋酸所需氫氧化鈉的量大于鹽酸”。顯然學生混淆了酸堿“中和”與反應呈“中性”這兩個概念。又如“二氧化碳與醋酸鈉溶液反應可以生成碳酸鈉和醋酸”，顯然學生用錯了“強酸制弱酸”的基本原理。此外學生最大的思維缺陷是：思維不嚴謹——控制變量的意識十分薄弱。如“醋酸和鹽酸分別與鎂反應，鹽酸反應速率更快”；“同濃度的醋酸和硫酸比較pH，硫酸pH更小”等。可見，學生對基本概念和原理的理解不透徹，控制變量意識淡薄等限制了學生發散思維的準確性。

3 高中生化學高階思維能力培養教學建議

綜上所述，高三學優生化學高階思維能力總體水平不高，各維度思維發展不平衡。男女生高階思維能力之間存在顯著性差異，化學學業成績對高階思維的發展起重要的促進作用，同時高階思維的發展也可以顯著提升學生化學學業成績。由于條件限制，本次調查對象為學優生，不能反映高三學生化學高階思維的普遍特征，但學優生高階思維現狀仍能反映出教學中存在的問題，因此提出以下三點教學建議：

第一，注重探究性實驗活動的真實開展。隨著教育的發展，一般的化學實驗（如課標中的必做實驗）基本上絕大部分學校都會安排學生去做，但是這種實驗的步驟都是教材設計好的，對促進學生的高階思維發展作用不大。只有探究性的實驗活動才能使學生在不知曉實驗結果的前提下，通過自己實驗、探索、分析、研究得出結論，從而促進學生高階思維的發展。

第二，注重不同高階思維的方法指導與訓練。我們的研究發現，良好的思維能力也需要技巧上的訓練。學生的“化學守恒與平衡思維”較其他思維能力強，原因就是平時教學中無論是教師還是學生對該能力都十分重視，教師注重對這部分內容的方法指導，學生積極參與強化訓練。因此，教師如果對所有不同高階思維方法的特點加以研究，在平時的化學教學中滲透方法指導，學生的高階思維水平將會得到有效的提高。

第三，實現教學重心轉換與內容再構的變革。高階思維的培養不是另起爐灶，需在日常的課堂教學中有意識地不斷滲透。但傳統的以講授為主的知識教學顯然不能滿足學生高階思維發展的需要，培養學生高階思維的課堂需要進行重心轉換與內容再構的變革［5］：實現從教師控制到學生中心的教學主體重心轉換；實現從關注知識傳遞到關注學習過程的教學重心轉換；實現以開放性問題替代封閉式問題的課堂教學內容再構。

參考文獻：

［1］［4］郭金花. 高中生化學高階思維結構的測量模型研究——基于探索性和驗證性因子分析［J］. 化學教學， 2019，（11）： 13～19.

［2］夏甄陶等編. 思維世界導論——關于思維的認識論考察［M］. 北京： 中國人民大學出版社， 1992： 3～34.

［3］郭金花， 吳星. 化學高階思維的內涵界定與結構建構［J］. 江蘇教育研究，2019，（28）： 4.

［5］王帥. 國外高階思維及其教學方式［J］. 上海教育科研， 2011，（9）： 31～34.