化學語境下高中生化學元建模知識的測評研究

曾艷 成月紅 郭科

摘要： 模型作為實踐互動的產物使得學生對模型的理解需依賴于具體語境。因此，提出的測評工具在元建模知識的五個維度中各設計了一個非語境任務和三個語境任務。利用工具對高二學生的化學元建模知識展開測評，發現學生化學元建模知識理解整體處于“描述性”水平；在每個維度上學生的理解表現出不一致性和語境依賴性，其中在微觀尺度模型、數學模型以及較為抽象的理論模型語境中，學生對模型本質、模型目的以及模型多樣性的理解水平更優。

關鍵詞： 化學語境； 元建模知識； 模型理解； 建模；測評

文章編號： 10056629（2023）07001806

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》闡述“模型認知”時，既從認知層面要求學生需充分理解模型的本質、模型的目的、模型的檢驗和修改以及模型的多樣性；又從實踐層面強調學生需具備建立和使用模型的能力［1， 2］。

Schwarz（2009）認為元建模知識（Meta-modeling Knowledge， MK）是對科學如何工作和如何創造的本質反映，包括模型的本質、模型的目的以及評估和修改模型的標準［3］。Belzen（2010）等整合已有的理論框架，在此基礎上增加了模型的多樣性維度［4］，受到廣泛認可。Schwarz提出，科學需要元建模知識來開發準確的認知論，并通過實證研究證實元建模知識是建模實踐所必需的知識［5］。因此，了解學生化學元建模知識的水平并促進其發展是培養學生“證據推理與模型認知”素養的重要環節。

以測評工具為切入點對已有研究進行梳理可以發現，現有研究大都利用科學模型本質觀調查問卷對學生元建模知識展開測評［6］。科學模型本質觀問卷所得到的調查結果具有普遍性，但也有明顯缺點。“模型”一詞對中學生而言較為抽象，自評量表有效性會受到影響。美國《國家科學教育標準》指出，建模實際上是一種在真實學科情境中的科學認知實踐。Clough和Driver（1986）［7］等國外學者和王磊等［8］國內學者也都提到，個體對給定任務的解釋不能脫離有關任務語境，需要關注具體任務情境在學生學習復雜關系知識中的作用。

“語境”一詞在科學教育領域廣泛應用，一般存在兩種不同含義：一是指測量題干中的任務特征［9］；二是指學習情境［10］。本研究中“化學語境”為測量題干中的化學任務特征。信息只有在具體情境中被使用，才能被組織成有意義的、相互聯系的事實和概括化的內容，才成為知識。因此，在具體的任務語境中去測評學生的化學元建模知識，能夠在一定程度上回應傳統模型本質觀問卷所忽視的語境問題，測量學生頭腦中的元建模知識而非他們所記憶的信息，為教學中促進元建模知識的理解提供具體指引。

2 研究設計與實施

2.1 元建模知識測評理論框架

研究采用Belzen等（2010）提出的元建模知識理論框架。該框架從模型的認知成分出發，將元建模知識劃分為模型的本質、模型的多樣性、模型的目的、檢驗和修改模型五個方面［11］。該框架受到研究綜述的認可［12］，比較經典。其中，模型的本質和模型的多樣性反映的是學生對模型的理解；模型的目的、檢驗和修改模型則是建模過程的重要組成部分，反映的是學生對建模的理解。

借鑒Belzen等（2010）的水平劃分［13，14］，將每個維度劃分為三個水平，以進一步反映模型作為產品以及科學方法的認識論觀點。如表1所示，水平1關注模型的表征；水平2則將模型視為某物的媒介，并專注于創建過程；水平3是理解模型在科學中用于得出和檢驗關于原型的理論假設。水平1和2都指向“模型的描述性”，水平3則指向“模型的預測性”。

2.2 測評工具設計與質量檢驗

2.2.1 測評工具設計

設計“化學元建模知識測評問卷”，共25個題項。五個維度各設計5個題項，一個非語境任務和三個語境任務，還有一個開放式題目，用于解釋前面語境任務題項選擇的原因。化學語境是指任務題干中所提供的化學模型的說明和解釋，設計時主要考慮如下因素：首先，經過專家咨詢保證化學模型任務具備檢測到水平3的能力，不是只能區分低層次的理解。其次，為保證化學語境的多樣性，參考Harrison（2000）［15］、 Kruger（2018）［16］等人的研究，從模型的表征形式、模型的功能以及模型的內容主題對化學模型進行綜合設計。最后，考慮到中學生的認知水平，從中學化學教材不同的主題內容中對模型進行篩選。最終每個維度的三個語境任務對應三類不同的化學模型（如表2所示）。

以“模型本質”維度兩個試題示例如下：

非語境任務試題：你認為模型和它的原型的關系是什么？

A. 展示原型的樣子

B. 適當地展示了原型的重要方面

C. 展示了對原型的假設

語境任務試題：原子核外電子的排布可用下圖的電子層模型來表示，你認為該模型和真實的電子排布有什么關系？

A. 展示了原子核外面的空間結構

B. 展示了原子核外電子在能量不同的區域內運動

C. 是科學家根據研究對原子核外電子的排布做出的理論假設

為避免對學生的語境任務作答起到暗示的作用，將5個非語境題項集中放到問卷的最前面。

2.2.2 效度分析

為了保證學生對任務反應過程的有效性，研究選取了3位高校專家和4位中學教師對量表內容進行效度評價。專家組成員根據每個條目及研究概念的相關性從低到高分別進行1至4分的評分，評定者間一致性為0.85。用評分為3或4的專家數除以專家總數得到條目水平的內容效度指數，得到問卷的SCVI為0.979，內容效度良好。根據專家意見對內容效度較低的測試項目進行修訂。

2.2.3 信度分析

為檢驗問卷信度，第一輪試測在省一級示范性普通高中M中學高二年級某班隨機抽取30人，發放30份問卷，回收有效問卷29份。統計得到元建模知識五個維度的四個任務的Cronbach alpha值分別為0.523、 0.518、 0.534、 0.468和0.498，整體不夠理想。但Leach（2000）等人指出，學生回答的高度情境化有可能會降低Cronbach alpha值［17］，因此這樣的結果仍然在可接受范圍內。

2.3 測試對象

正式測試在M中學高二年級中隨機抽取了六個平行班，共發放問卷300份，回收問卷283份，剔除無效問卷21份，得到有效問卷262份。從性別上看，男生有效作答人數為137人，女生有效作答人數為125人。

2.4 數據處理

首先，對學生正式測試的選擇題答案計分，選水平1、水平2、水平3答案的學生計分分別為1至3分，將數據輸入量化分析軟件SPSS 24進行處理。分別分析學生的元建模知識整體理解水平以及五個維度上語境對其理解水平的影響。為了揭示學生在不同語境中選擇選項的原因，按照學生提交問卷的序號對學生進行編碼，對被試的每個維度的開放式問題的回答作定性分析。

3 分析與結論

3.1 學生化學元建模知識的整體理解處于描述性水平

在參與調查的262份有效樣本中，學生所表現出的元建模知識整體理解水平分布見圖1所示，均值為2.28，標準差為0.194，表明學生的元建模知識整體理解水平大體位于水平2，學生在認識化學模型時，主要是對模型“描述性”的認識，將模型視為某物的媒介。

“模型的預測性”側重于模型在科學中用于得出和檢驗關于原型的理論假設，而結合學生在開放題中的回答以及王祖浩等人的研究［18］

可以看出，我國化學教師在化學教學中更傾向于直接提供模型，而不是鼓勵學生建立模型，即使有建模實踐，也往往停留在模型構建和模型應用階段，缺乏對于模型的批判性評價與修正。

3.2 學生元建模知識不同維度下的理解水平存在差異

在比較學生元建模知識不同維度下的理解水平時，對數據進行檢驗發現不符合正態分布，因此簡單的維度均分未必能客觀地反映學生的表現，因此數據處理均采用非參數檢驗方法。以各維度得分中位數為因變量，4個題項作為預測變量，分別進行多元回歸分析，決定系數R2分別為0.873、 0.798、 0.862、 0.996和0.841，均大于0.80，說明回歸模型均能解釋因變量80%以上的變異量，后續分析合理。將每個學生各題項的原始得分代入各自的回歸方程，可以計算每個學生在“元建模知識各維度”的預測值，以此來表示學生元建模知識各個維度的真實理解水平，最終計算結果如圖2所示。可以看出，學生元建模知識各個維度的理解水平位于水平2和3之間。檢驗模型方面的均值最高，模型目的方面均值最低。

為進一步探尋元建模知識各維度的預測值的差異性，進行成對分析，如表3所示。學生在元建模知識不同維度下的理解水平的確存在顯著性差異，在檢驗模型方面的理解水平顯著高于其他四個維度，在模型目的維度的理解水平顯著低于其他三個維度。這表明學生元建模知識在不同維度上的獲得過程的不一致性，可能并不是一個整體性的過程。同時，這與江奇芹［19］等學者利用模型本質觀問卷調查得到的結果存在差異性，顯示元建模知識的語境依賴性。

3.3 有無語境下元建模知識理解的差異分析

對有無語境的任務整體得分均值進行差異性檢驗，數據顯示整體不存在顯著性差異。但基于前一節數據分析可知，學生在元建模知識的不同維度的理解水平顯示出顯著差異，僅僅比較整體差異可能會掩蓋不同維度下學生的心理加工過程的細節，為了進一步探索這一現象，對于各維度學生的作答情況及選擇原因進行分析。

無語境任務中的高水平作答能顯示學生對于元建模靜態知識的水平，而語境任務的高水平作答才能顯示出學生動態的理解，教學的理想目標應該是語境任務的作答情況優于非語境任務。如圖3所示，“模型本質”“模型目的”和“模型多樣性”三個維度的語境任務得分均值均高于非語境任務，說明學生結合具體化學語境對這些維度的動態理解更加深入。而“檢驗模型”和“修改模型”雖然整體得分更高，但語境任務得分卻低于非語境任務，這反映出當前中學化學教學中教師強調檢驗模型和修改模型的必要性，學生印象深刻，但是將其轉化為有意義情境中的元建模知識還存在一些困難。

“模型本質”理解的語境任務作答水平分布表明，在理論模型電子層語境中，學生選擇3水平最多，結合開放題作答發現，學生在面對理論模型時，可能更容易意識到科學知識的不確定性，從而理解“模型的本質是對原型的理論重建，是一種推測或假設”。例如，學生對于電子層模型語境選擇水平3選項的解釋為：“原子和電子屬于微觀粒子，人們無法了解到其真實的狀態，所以電子層模型只能是作出一種假設。”而學生對于氮的循環語境選擇水平1的解釋為：“現階段的理論是較為完善的，模型展示的是我們看到的既定事實，不屬于假設。”這說明某些學生認為科學對于宏觀世界的發現確定性程度大于微觀世界，而在一定程度上忽略了科學知識固有的試探性。

“模型目的”理解的語境任務作答水平分布顯示，在數學模型化學平衡常數語境中，選擇水平3選項的人數最多，數學模型更為抽象、精確，能通過計算發揮預測功能，學生認識較好。而學生在圖表模型價類二維圖語境中的理解多分布于水平2，學生的解釋是“圖表中有很多箭頭，很清晰地表示出了物質的轉化關系”，表明學生在此類語境中容易將模型的目的理解為展示或解釋原型各部分的關系，從而忽視模型的預測功能。

“模型多樣性”理解的語境任務作答水平分布顯示，在理論模型共價鍵語境中，學生對于模型多樣性的認識水平3最多。當一種原型對應多種理論模型時，學生會將模型的多樣性理解為是對原型作了不同的假設，理解水平最高。例如，學生在解釋共價鍵理論模型時提到：“第一種是從成鍵的角度去思考的，第二種是從分子結構對其進行更加嚴謹、更加清晰的解釋。”

“修改模型”理解的語境任務作答中，學生對微觀結構的模型發生修改變化的實質原因理解不夠清晰。比如，學生認為苯的結構式模型發生改變的原因僅僅是研究者習慣用的符號表征方式發生了改變；有的學生在解釋原子結構模型變化時回答道：“因為隨著科學家對原子內部結構的深入研究，越來越多新的發現被添加至模型中。”學生并不能清楚地將“把新信息添加到舊的模型中來建立新模型”和“推翻舊模型所基于的假設來建立新模型”區分開來。

4 教學建議

4.1 關注模型的認知功能，提升學生模型預測性認知

研究結果表明，學生對于模型“預測性”的認識不夠。在具體語境中，學生在數學模型和理論模型語境中對模型預測功能的理解較好，一定程度反映了化學反應原理的教學中教師對學生模型預測性的認知引導充分［20］，效果明顯，而對于圖像圖表模型、概念過程模型的預測性認知，教學中還需加強。例如，教師可以利用元素在自然界循環的圖像圖表模型預測元素及其化合物在自然界中轉化的過程及核心化學反應，以及自然條件對反應的綜合影響，形成系統思維。在化學工藝流程的學習中，引導學生建構符合工業生產實際需求的物質制備、分離和提純的一般性過程模型，積極調動學生多次使用模型預測流程中的產品及生產條件，尋求證據驗證觀點，解決實際問題，促進元建模知識向高層次發展。

4.2 重視建模實踐，以反思促進學生模型檢驗和修改知識的發展

研究結果表明，學生對化學元建模知識各維度的理解在有無語境任務表現上是存在差異的。學生在檢驗模型和修改模型的理解中，語境任務表現更差，啟示教師教學時除了強調檢驗模型和修改模型的重要性，還需要結合有意義情境讓學生深入理解模型修改的本質原因。比如，教師在教學中首先可以利用化學史素材，分析不同時代化學家提出的某類模型為什么會發生變化？改變的依據是什么？然后讓他們在具體的建模過程中主動參與檢驗模型和修改模型的實踐活動，并在這種實踐活動中及時進行反思，自己檢驗和修改模型的依據是什么，觀察分析和實踐反思活動是促進元建模知識理解的重要方式。

4.3 針對不同語境，引導學生從模型的表征轉向理論假設的深層理解

研究結果表明，學生在理論模型語境中表現最好，對模型本質、多樣性及修改模型都有更好的理解；在數學模型語境中對模型目的及檢驗模型理解更好。這說明日常教學中教師普遍重視化學理論模型教學，建模活動豐富完整。而學生在尺度模型、圖像圖表模型和概念過程模型三種語境中理解相對較差，這也提醒教師，在模型教學時，要尤其重視后三類模型語境中學生的建模實踐活動，防止學生誤認為結構尺度模型、圖像圖表模型僅僅是對原型的一種表征形式，應該引導學生理解模型到底基于何種理論假設來建立，深化對于化學原理的理解和應用。

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