高中生坐標(biāo)曲線圖像題解題思維特點(diǎn)的個(gè)案研究

李一凡 石萌 孫影 許敏

摘要： 坐標(biāo)曲線圖像題要求學(xué)生理解圖像的本質(zhì)與變化規(guī)律，對(duì)學(xué)生的思維水平要求較高。從學(xué)生角度出發(fā)，通過半結(jié)構(gòu)化訪談和問卷調(diào)查，借助四重表征和數(shù)據(jù)-框架理論，開展個(gè)案研究，構(gòu)建學(xué)生思維模型。借助該模型，利用一道承載“離子反應(yīng)”相關(guān)知識(shí)的題目探查學(xué)生的思維過程和水平。通過分析先驗(yàn)知識(shí)對(duì)學(xué)生思維的影響，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在坐標(biāo)曲線圖像題解題過程中，由于提取知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)等能力較弱，易產(chǎn)生相異構(gòu)想，且其微觀表征能力及宏微結(jié)合意識(shí)有待提高。以期為高中坐標(biāo)曲線圖像題的教學(xué)提供建議與思考。

關(guān)鍵詞： 坐標(biāo)曲線圖像題； 模型建構(gòu)； 思維進(jìn)階

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）02-0020-07

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，要啟迪學(xué)生的科學(xué)思維，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)［1］。坐標(biāo)曲線圖借助簡(jiǎn)單的曲線走向，巧妙地展現(xiàn)了自變量和因變量的關(guān)系，具有提供豐富情境、隱含關(guān)鍵內(nèi)容、包容各類知識(shí)的特點(diǎn)，可以考查學(xué)生從大量信息中提取關(guān)鍵信息、分析并利用信息解決問題的能力。近幾年高考涉及的坐標(biāo)曲線圖像題對(duì)學(xué)生理解運(yùn)用化學(xué)圖像的要求逐步提升［2］。此類圖像題要求學(xué)生理解圖像所蘊(yùn)含的信息，諸如變化趨勢(shì)、坐標(biāo)意義、特殊拐點(diǎn)等，并利用信息解決問題，對(duì)學(xué)生的思維要求較高。

目前對(duì)于高中化學(xué)圖像類試題的研究中，多數(shù)是對(duì)其出現(xiàn)頻率或分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析或教學(xué)策略研究［3］。國內(nèi)學(xué)者對(duì)于提高學(xué)生化學(xué)圖像分析能力進(jìn)行過一些嘗試，但大多數(shù)僅是基于經(jīng)驗(yàn)提出了教學(xué)策略或建議，較少從學(xué)生思維的角度進(jìn)行探究，深入挖掘其思維過程與進(jìn)階水平。基于此，本研究構(gòu)建“四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型，利用一道承載離子反應(yīng)知識(shí)的坐標(biāo)曲線圖像題，借助該模型探查學(xué)生思維過程，通過探查先前的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)（以下簡(jiǎn)稱“先驗(yàn)知識(shí)”）對(duì)學(xué)生解決坐標(biāo)曲線圖像題的影響，以體現(xiàn)學(xué)生思維過程和進(jìn)階，探查其思維障礙。以期為有效培養(yǎng)學(xué)生坐標(biāo)曲線圖像題的分析處理能力提供思路和策略。

2 “四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型的建構(gòu)

數(shù)據(jù)-框架理論（Data-frame theory）可以對(duì)圖像理解過程進(jìn)行描述，解釋先驗(yàn)知識(shí)對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響。數(shù)據(jù)-框架理論由數(shù)據(jù)和框架兩部分組成。其中，數(shù)據(jù)是從實(shí)驗(yàn)中收集的信息，如實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)曲線等；框架可以解釋數(shù)據(jù)間的關(guān)系［4］。

三重表征是化學(xué)學(xué)科特有的思維方式，畢華林教授等人基于化學(xué)學(xué)科的特質(zhì)，結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)的相關(guān)研究，界定了化學(xué)“宏觀-微觀-符號(hào)”三重表征的內(nèi)涵和關(guān)系［5］。錢揚(yáng)義教授等人在三重表征的基礎(chǔ)上，引入了曲線表征，提出化學(xué)“四重表征”模式［6］。數(shù)據(jù)-框架理論可以展現(xiàn)學(xué)生解決坐標(biāo)曲線圖像題的思維過程，四重表征可以反映學(xué)生在解決化學(xué)坐標(biāo)曲線圖像題時(shí)思維的廣度，探查學(xué)生思維水平層次和進(jìn)階。基于此，本研究在數(shù)據(jù)-框架理論［7］基礎(chǔ)上，結(jié)合已有研究及國內(nèi)高中生化學(xué)學(xué)習(xí)實(shí)際情況調(diào)查，構(gòu)建“四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型，探查學(xué)生的思維特點(diǎn)。基于實(shí)踐修正的“四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型如圖1。

“四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型包含兩個(gè)維度，可以同時(shí)探查學(xué)生思維過程和學(xué)生思維水平的進(jìn)階。在思維過程方面，學(xué)生解決坐標(biāo)曲線圖像題，可以通過以下循環(huán)：建立框架、觀察與比較數(shù)據(jù)、兩者的相互作用以及質(zhì)疑框架來解題。首先，建立框架。學(xué)生主要通過三種方式建立框架：先驗(yàn)知識(shí)、關(guān)鍵點(diǎn)與框架的具體目標(biāo)。先驗(yàn)知識(shí)即學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)；關(guān)鍵點(diǎn)是指學(xué)生在讀題與解題的過程中將曲線中的某些點(diǎn)或題干提示設(shè)置為解題的關(guān)鍵點(diǎn)，如起點(diǎn)、拐點(diǎn)、終點(diǎn)及曲線走勢(shì)等。框架的具體目標(biāo)是指學(xué)生在解題的過程中，將題目分解為幾個(gè)小目標(biāo)逐個(gè)攻破。學(xué)生建立框架后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在這一環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)可以影響框架，框架也可以評(píng)估數(shù)據(jù)。最后，質(zhì)疑框架，進(jìn)行細(xì)化或重構(gòu)。若學(xué)生在運(yùn)用框架評(píng)估數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)框架不合理，可以通過重讀提示進(jìn)行細(xì)化或重構(gòu)。

3 研究方法

本研究采取個(gè)案訪談法及問卷調(diào)查法，具體研究過程如下：

（1） 確定研究對(duì)象，編制測(cè)評(píng)工具。“離子反應(yīng)”的相關(guān)知識(shí)是高中化學(xué)必修部分的內(nèi)容，該內(nèi)容是促進(jìn)學(xué)生思維方式從宏觀向微觀轉(zhuǎn)變的重要橋梁。本研究選取一道承載“離子反應(yīng)”相關(guān)知識(shí)的題目作為調(diào)查測(cè)試題，本題是一道典型的坐標(biāo)曲線圖像題，設(shè)計(jì)思路來源于魯科版教材必修第一冊(cè)“關(guān)于稀硫酸與Ba（OH）2溶液反應(yīng)的實(shí)質(zhì)”相關(guān)內(nèi)容，充分體現(xiàn)了宏觀-微觀-曲線-符號(hào)四重表征思想。采取問卷調(diào)查法及個(gè)案訪談法對(duì)安徽省蕪湖市某重點(diǎn)中學(xué)的110名高一學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，了解學(xué)生解決坐標(biāo)曲線圖像題的思維過程和水平。調(diào)查測(cè)試題見表1。

（2） 確定分析維度。本研究借助“四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型測(cè)查學(xué)生思維過程及進(jìn)階，首先探究學(xué)生四重表征思維水平，隨后探究學(xué)生思維過程進(jìn)階。

本研究結(jié)合學(xué)者們對(duì)四重表征轉(zhuǎn)化能力及數(shù)據(jù)-框架理論的探討，劃分學(xué)生思維過程及思維水平的不同等級(jí)。已有研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在解決化學(xué)問題時(shí)，采用單一的表征方式較為簡(jiǎn)單，對(duì)微觀層面的理解存在困難［8］。相較于宏觀表征、曲線表征和符號(hào)表征，學(xué)生微觀表征能力較為欠缺；在不同表征進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，宏微轉(zhuǎn)換能力最弱［9］。由于本研究所選試題的關(guān)鍵為坐標(biāo)曲線圖，以曲線為解題切入點(diǎn)，在四重表征水平上，只運(yùn)用曲線表征的劃分為等級(jí)1（L1），將曲線表征與宏觀、符號(hào)的聯(lián)系劃分為等級(jí)2（L2），將涉及微觀表征與宏觀、符號(hào)表征的聯(lián)系劃分為等級(jí)3（L3），能夠運(yùn)用四重表征劃分為等級(jí)4（L4）（表2）。在思維過程上，由于框架的重構(gòu)與細(xì)化部分與建立框架等聯(lián)系緊密，這部分不再詳細(xì)劃分，將思維過程劃分為建立框架（Ta）、觀察數(shù)據(jù)（Tb）、比較數(shù)據(jù)（Tc）、數(shù)據(jù)-框架交互（Td）四個(gè)維度，每個(gè)維度劃分為三個(gè)等級(jí)（表3）。

（3） 分析信度與效度。在效度方面，表2、表3所呈現(xiàn)的框架經(jīng)３位學(xué)科教學(xué)論專家和一線專家教師進(jìn)行評(píng)定、修改后一致認(rèn)為內(nèi)容效度良好。在信度方面，由兩位研究者依據(jù)本文編定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)110份調(diào)查結(jié)果所呈現(xiàn)的思維過程及四重表征水平進(jìn)行編碼分析，對(duì)少數(shù)分歧進(jìn)行討論后，利用SPSS26.0對(duì)兩位研究者的研究結(jié)果進(jìn)行一致性信度分析。經(jīng)計(jì)算，在建立框架、數(shù)據(jù)觀察、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)-框架交互、四重表征水平維度上Kappa系數(shù)分別為0.832， 0.843， 0.816， 0.868， 0.885。可見在各維度上均達(dá)到了較高程度的一致性，據(jù)此可認(rèn)為研究結(jié)果真實(shí)有效，本文所定標(biāo)準(zhǔn)也具有科學(xué)性和可行性。

4 研究結(jié)果與分析

4.1 “四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”探查學(xué)生四重表征思維水平

本研究結(jié)合畢華林教授對(duì)三重表征的界定［10］以及錢揚(yáng)義教授對(duì)曲線表征的界定［11］，依據(jù)“四重表征-數(shù)據(jù)框架”思維模型對(duì)四重表征思維水平的劃分，對(duì)學(xué)生思維水平進(jìn)行編碼分析，解構(gòu)學(xué)生思維的表征內(nèi)容層次，見表4、圖2。

由圖2，超過60%的學(xué)生處于L1、 L2水平，學(xué)生思維的四重表征水平較低。其中，有20.91%的學(xué)生處于L1水平，不能通過曲線建立與宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、微觀粒子變化和化學(xué)符號(hào)的關(guān)系；處于L2-2、L2-3的學(xué)生較多，均占16.36%，說明學(xué)生解題時(shí)能夠從曲線出發(fā)，建立起曲線與宏觀現(xiàn)象、化學(xué)符號(hào)的聯(lián)系，但學(xué)生可能同時(shí)存在思維慣性，依賴于書寫反應(yīng)的方程式等解題技巧。有6.36%的學(xué)生處于L3-1水平，通過分析溶液中微粒的組成與圖像建立聯(lián)系。處于L3-3水平的學(xué)生只有6.36%，而處于L3-2水平的學(xué)生占12.73%，說明學(xué)生的宏微結(jié)合能力較弱，而符號(hào)表征能力較強(qiáng)。能夠同時(shí)運(yùn)用四重表征的學(xué)生僅有11.82%。總體來說，學(xué)生在解決坐標(biāo)曲線圖像題時(shí)，更多關(guān)注能否借助曲線和解題技巧答題，而非關(guān)注曲線本身變化及其微觀本質(zhì)。

4.2 “四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”探查學(xué)生思維過程進(jìn)階水平

借助“四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型分析學(xué)生解題思維過程，學(xué)生通過建立框架、觀察與比較數(shù)據(jù)、兩者的相互作用以及框架的細(xì)化與重構(gòu)進(jìn)行思維建構(gòu)，解決坐標(biāo)曲線圖像題。在分析過程中，發(fā)現(xiàn)先驗(yàn)知識(shí)對(duì)學(xué)生解決圖像類問題的思維過程影響較大。學(xué)生的思維過程、思維水平和典型表現(xiàn)如表5，進(jìn)階情況見圖3。

從總體上看，并非所有先驗(yàn)知識(shí)對(duì)學(xué)生解決坐標(biāo)曲線圖像題都有利，有時(shí)會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生相異構(gòu)想。例如學(xué)生認(rèn)為“電導(dǎo)率的影響因素是溶液中H+濃度”，運(yùn)用溶液酸堿性判斷溶液電導(dǎo)率。從學(xué)生思維過程的進(jìn)階情況來看，學(xué)生在建立框架時(shí)，66.36%的學(xué)生處于Ta2水平，說明大部分學(xué)生能夠有效提取先驗(yàn)知識(shí)，尋找關(guān)鍵點(diǎn)，但學(xué)生更傾向于通過宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、化學(xué)符號(hào)與曲線圖建立聯(lián)系。能夠以體系中微觀粒子變化為切入點(diǎn)，并同時(shí)通過宏觀現(xiàn)象、化學(xué)符號(hào)與曲線建立聯(lián)系的學(xué)生只有17.27%。在數(shù)據(jù)的觀察方面，60.91%的學(xué)生處于Tb1水平，說明大部分對(duì)圖像的觀察不夠深入，只是簡(jiǎn)單捕捉圖像中的幾個(gè)拐點(diǎn)，不能挖掘曲線各點(diǎn)的微粒組成。在數(shù)據(jù)比較方面，超過80%學(xué)生能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比，或?qū)Ψ磻?yīng)過程中的微粒變化進(jìn)行定性比較（Tc1、 Tc2），說明學(xué)生的數(shù)據(jù)比較能力相對(duì)較好。但僅有10.91%的學(xué)生能夠從定量的角度對(duì)不同時(shí)刻體系狀態(tài)等進(jìn)行對(duì)比分析（Tc3），準(zhǔn)確判斷曲線各點(diǎn)的微粒組成并定量分析。在數(shù)據(jù)-框架的交互方面，62.37%的學(xué)生只是將圖像與反應(yīng)的方程式、宏觀現(xiàn)象等進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)（Td1）。學(xué)生不考慮微觀過程，不深入分析圖像，“知其然但不知其所以然”。總體來說，大部分學(xué)生能掌握一定的知識(shí)，但對(duì)坐標(biāo)曲線圖的理解能力以及知識(shí)的運(yùn)用能力有待提高。

5 啟示與建議

本研究從學(xué)生角度出發(fā)，通過挖掘?qū)W生解決坐標(biāo)曲線圖像題的思維過程，發(fā)現(xiàn)先驗(yàn)知識(shí)對(duì)學(xué)生思維影響較大；學(xué)生解決坐標(biāo)曲線圖像題時(shí)，仍存在相異構(gòu)想；學(xué)生的思維過程和四重表征水平存在進(jìn)階，部分學(xué)生的知識(shí)理解運(yùn)用能力和微觀表征能力較弱，宏微結(jié)合能力較弱。

5.1 激活先驗(yàn)知識(shí)，提高學(xué)生理解運(yùn)用能力

學(xué)生解決坐標(biāo)曲線圖像題時(shí)，對(duì)先驗(yàn)知識(shí)的提取與理解運(yùn)用能力較差。新課標(biāo)指出，教師要有目的、有計(jì)劃地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)科學(xué)思維方式和方法學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生在化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)化的自主建構(gòu)中理解化學(xué)核心觀念。學(xué)生的先驗(yàn)知識(shí)可以激活和開發(fā)處理圖像信息的框架，對(duì)于促進(jìn)化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)化具有重要作用。為了使學(xué)生能夠?qū)ψ鴺?biāo)曲線圖像題進(jìn)行有效地分析，教師可以將坐標(biāo)曲線圖放在不同情境下，使學(xué)生在解決陌生情境下的坐標(biāo)曲線圖像題時(shí)，準(zhǔn)確提取先驗(yàn)知識(shí)，迅速地將曲線與宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、微觀粒子變化及化學(xué)符號(hào)建立聯(lián)系，從而有效地建立框架，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與解釋，以增強(qiáng)學(xué)生的知識(shí)理解運(yùn)用能力。

5.2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相融合，增強(qiáng)學(xué)生微觀表征能力

學(xué)生解決坐標(biāo)曲線圖像題時(shí)，微觀表征能力、宏微結(jié)合能力較差。究其原因，是學(xué)生在對(duì)曲線進(jìn)行分析時(shí)，不能明確曲線的走勢(shì)與體系中微粒濃度變化的定量關(guān)系，微觀分析解釋能力較弱。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生在宏觀上感知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生宏觀表征能力。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以借助傳感器展現(xiàn)溶液中離子濃度的變化，幫助學(xué)生理解抽象概念。在進(jìn)行坐標(biāo)曲線圖像題的教學(xué)過程中，可以將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，分別從曲線變化、物質(zhì)變化、微粒變化的角度進(jìn)行分析與解釋，剖析曲線本質(zhì)。引導(dǎo)學(xué)生在讀圖的過程中，將宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、微觀粒子變化與曲線建立聯(lián)系，使學(xué)生在分析溶液微粒組成的過程中突破思維障礙，提高思維水平。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［2］高丹丹. 高考全國卷化學(xué)圖像題的統(tǒng)計(jì)分析與教學(xué)策略研究［D］. 重慶： 西南大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2020.

［3］彭梭. 高考化學(xué)圖像題的統(tǒng)計(jì)分析及教學(xué)策略研究［D］. 武漢： 華中師范大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2016.

［4］［7］Berg S A， Moon A. A characterization of chemistry learners engagement in data analysis and interpretation ［J］. Chemistry Education Research and Practice， 2023， 24（1）： 36～49.

［5］陳益， 孫夕禮. 我國化學(xué)教育“多重表征”研究十余年回顧與展望［J］. 化學(xué)教育， 2016， 37（23）： 6～13.

［6］楊潔， 錢揚(yáng)義. “四重表征”在“化學(xué)反應(yīng)速率”教學(xué)中的價(jià)值——由2007—2012年高考題得到的啟示［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2012，（11）： 58～62.

［8］Michael E. Hinton， Mary B. Nakhleh. Students Microscopic， Macroscopic， and Symbolic Representations of Chemical Reactions ［J］. Chemical Educator， 1999，（4）： 158～167.

［9］馮垚， 莫尊理. 基于SOLO理論的高中生化學(xué)多重表征轉(zhuǎn)換能力的測(cè)查研究——以化學(xué)平衡主題為例［J］. 化學(xué)教育（中英文）， 2020， 41（1）： 62～66.

［10］張丙香， 畢華林. 化學(xué)三重表征的界定及其關(guān)系分析［J］. 化學(xué)教育， 2013， 34（3）： 8～11.

［11］林建芬， 盛曉婧， 錢揚(yáng)義. 化學(xué)“四重表征”教學(xué)模式的理論建構(gòu)與實(shí)踐研究——從15年數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究的回顧談起［J］. 化學(xué)教育， 2015， 36（7）： 1～6.