我國化學建模能力實證研究的現狀分析

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題的提出

模型作為科學知識的簡化，是學生理解復雜化學現象的直觀認知工具；建模則是構建科學模型的過程，需學習者整合知識與新信息以構建新模型、掌握科學概念[2]。學生的建模能力主要表現為構建、使用和修正模型的能力；而教師的建模能力則體現為本體性知識（學科建模素養）與實踐性知識（建模教學能力）的有機融合[3]。近年來，國際科學教育界通過設計性實驗與認知診斷測評系統探究師生建模能力發展規律[4]。這些系統化的實證研究為分析學生與教師建模能力的現狀與發展規律提供了科學依據，有助于優化建模教學實踐，推動建模能力培養的有效性與針對性。相比之下，國內相關研究仍處于理論引介向本土化實證轉型階段。已有研究雖然揭示了我國化學建模教學的表層問題一如學科知識錨定不足5，實證研究深度及研究方法規范性欠缺，未能具體展現國內化學教育實證研究中建模能力的維度建構、測評方法與測評結果等信息。

系統性文獻綜述是通過標準化、結構化的方法全面搜索、篩選和評估文獻，以解答具體研究問題并生成新知識的綜述方式[7]。本研究旨在系統分析17篇國內碩博學位論文中關于評估學生或教師（包括職前教師）化學建模能力的實證研究，以總結國內師生化學建模能力的現狀并提出實踐建議。

2 研究設計

2.1 研究方法

采用系統性文獻綜述的方法，通過評估和篩選滿足特定標準的文獻，并對提取的數據進行定性或定量分析，以實現對研究問題的全面概述并得出結論。該過程包括計劃、文獻檢索、質量評估、數據抽取、數據整合及綜述撰寫等步驟[8]。

2.2 文獻選取與分析

研究選定中國知網（CNKI）和萬方數據庫，使用高級檢索功能，限定“學位論文”來源，時間至2024年，以“建模能力”為關鍵詞，限定“化學教育”（包含初中科學中的化學主題）進行檢索，共得104篇文獻。根據研究目的，通過4個條件篩選文獻：（1）研究對象為學生和教師（包括職前教師）；（2）實證研究，排除理論探討;（3）研究工具需經信效度檢驗；（4）研究需回應本研究問題。需要指出的是，在限定時間段內符合要求的期刊論文數量過少，難以支撐起全面且深人的研究分析。相較而言，學位論文具有較強的代表性與歸納性，能夠系統、全面地反映學科研究內容，是專業科學研究和教育實踐發展的重要依據，因此選擇以學位論文開展研究。

經過標題、摘要和正文的仔細審閱，初步篩選出38篇文獻。深度閱讀后，采用“滾雪球”法補充相關文獻，最終確定17篇完全符合標準的文獻。在篩選過程中，排除了聚焦于“模型認知”能力評估的文章，因為這類研究將“模型認知”定義為教師或學生對模型的認識，屬于模型本質觀的范疇，并不能直接反映學生的建模能力。確定符合標準的文獻后，對篩選出的文獻進行深度閱讀，并對其文獻特征（包括文獻發表情況分布、研究對象、研究主題、維度構建）、測評方法和現狀測評結果進行整理與羅列，綜合對比分析相關數據。

3研究結果

3.1 文獻特征

3.1.1文獻發表情況分布

17篇關于建模能力的研究文獻數量變化趨勢如圖1所示。從文獻發表時間來看，自2018年頒布《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（下文簡稱“課標”）以來，研究數量增加，尤其在2022年與2023年研究數量最多，反映出國內研究者對建模能力的關注上升。

圖1建模能力相關文獻數量分布情況

3.1.2 研究對象

從研究對象來看，13篇聚焦于學生建模能力，4篇關注教師（包括職前教師）建模能力，其中1篇針對在職教師。這表明國內化學建模能力研究主要集中于中學生，而對教師，尤其是在職教師的建模能力的現狀調查尚未受到足夠重視。學生建模能力的發展是建模教學的核心目標，而教師建模能力的提升則是實現這一目標的關鍵，直接影響課堂中建模教學的有效實施。另外研究發現，除1篇研究對高、中、小三個學段的學生進行了建模能力的進階測評外，其余研究均以高中生為調查對象，缺乏對其他學段學生建模能力的關注和探索，不利于構建完整的學生建模能力培養體系。

3.1.3研究主題

分析篩選文獻的研究主題（如圖2所示），發現研究主要集中在“原電池和電解池”和\"原子結構\"這兩個主題。這些主題具有一定共性，所涉及的概念、原理和規律都是抽象的，不易直接觀察和理解。學生需要通過建模過程，將這些抽象知識通過思維加工，提煉出問題的核心要素，并將其轉化為可視的呈現模型或心智模型。此外，有4篇文獻未具體涉及某一主題，而是在更廣泛的化學知識背景下綜合評估師生的建模能力。大多數建模主題需要學生建立心智模型，而相較于可視的呈現模型，心智模型更為抽象，對學生的建模能力提出較高要求。

圖2研究主題分布圖

3.1.4維度建構

現有研究表明，國內對建模能力的維度建構尚未達成共識，既有對現有維度的修訂，也有新維度的自主構建。11篇論文明確指出參考并修訂了現有的建模能力維度，5篇未指明參考來源，1篇自主建構了新維度。統計顯示，張志康等（2009）提出的六個建模能力維度最受認可，其具體內涵如表1所示[1]。這六個維度在建模歷程中是遞進且循環的，支持學習者通過反復建模完善模型。在分析篩選文獻中建模能力劃分維度的定義后，研究發現這些定義與張志康等提出的六個建模能力維度存在關聯（見圖3）。具體而言，14篇研究中的維度劃分主要集中在模型選擇、建立、效化和應用四個方面，而對模型調度和重建的關注相對較少。這一分布表明，模型選擇、建立、效化和應用被認為是建模過程中的關鍵步驟。通過維度比較，進一步確認了這些核心步驟在建模能力中的重要性。

圖3建模能力維度劃分頻率統計圖

圖4測評方法統計圖

3.2 測評方法

為深入探討國內化學建模能力實證研究方法，本研究將相關研究分為定量研究、定性研究和混合性研究三類，并統計出9種測評方法，結果見圖4。大多數研究傾向于采用定量研究（ n=8，47% 和混合性研究0 ?n=7，41% ），定性研究有2項。這表明研究者普遍認可定量研究的客觀性，并通過質性數據豐富師生的化學建模能力水平。

在定量研究方法中，紙筆測驗法因其操作性強而被廣泛使用（共15次），其充許研究者設計不同難度和類型的題目，以考察被試的建模能力。多數研究通過問卷開發，采用評分表（即根據被試作答的不同水平進行編碼與評分）對師生建模能力進行定量統計，并采用SPSS進行描述性或統計分析。值得注意的是，有5項研究結合紙筆測驗，采用Rasch模型分析，以確保不同測試中題目難度的一致性，提高評估的準確性和效率。例如，在李鳳（2018）的研究中，Rasch模型貫穿測量工具開發、等值化及建模能力研究：通過標準誤差、分離度等評估信度，結合懷特圖、擬合度等分析效度；利用錨題設計確保測試卷可比性，并通過擬合系數驗證等值化效果，最終為建模能力研究提供了科學精準的方法支撐[]

眼動實驗法作為新型的定量分析方法，也被用于建模能力測評，以揭示被試在建模過程中的內在認知加工。楊晗（2022）在化學建模領域引入眼動實驗法，采用3（學業水平） ×3 （模型類型）兩因素混合實驗，通過眼動數據、眼動軌跡圖、眼動熱點圖分析不同學生的建模能力，并以總注視時間、注視次數衡量學生在建模過程中的認知負荷[12]。然而，該方法也具有一定局限性，研究者無法從注視中獲得學生實際關注內容以及推理過程[13]

定性研究方面，蔡豐（2022）采用課堂觀察、個案研究法，探討了化學教師的建模能力和建模教學。該研究利用課堂評價量表對不同類型教師的建模教學表現進行比較，并選擇了特級教師、經驗型教師和新手型教師的公開課進行個案比較，以揭示不同教師在建模教學上的特點[14]。作為量化研究的補充，定性研究提供了深人理解，捕捉非量化信息。例如，袁野（2010）和楊晗（2022）在紙筆測驗的基礎上采用口語報告法，要求被試描述解題思維過程，以揭示學生在化學建模能力方面的差異[15，16]。由于學生化學建模的過程是一個復雜的心理過程，口語報告法為研究者提供了深人理解被試認知過程的機會。楊晗（2022）分析口語報告實錄發現，不同學業水平的學生在聯系模型與題目信息時存在顯著差異，這是紙筆測驗所無法觀測到的現象；分析訪談結果發現，學優生和學中生掌握知識較好，而學困生缺乏建模反思能力，學習習慣較差[17]。由此可見，在評估學生建模能力過程中，口語報告法能動態展示學生建模過程中的建模思維過程，提高評價的全面性；而訪談法則更側重于獲取學生對建模過程的主觀反思，提供學生的元建模知識信息。

3.3現狀測評結果與分析

3.3.1基于學生視角的研究

對13篇基于學生視角的研究中學生化學建模能力的測評結果進行統計分析。結果顯示：（1）學生建模能力總體水平偏低，多數學生不善于運用建模的方法，對相關的化學知識也未形成相應的化學模型。（2）對各維度來說，子能力的差異性較大，大部分研究顯示，學生在模型選擇和建立上表現中等，模型效化能力中等偏下，而模型應用、調度和重建能力表現較差。具體而言，學生在模型選擇和建立時，未能構建完整的知識模型，缺乏整合零散知識的能力[18]。在模型效化時，學生雖能獨立使用化學模型，但因缺少關鍵因素，模型效化效果不佳;在模型應用、調度、重建方面表現更不理想：大多數學生只能用單一結構解決相似問題，對已知模型尚不能做修正，難以應對新情境，缺乏模型重建能力[19]。可見學生從模型選擇到模型調度、重建的過程中，其建模能力逐漸降低，這與張志康等（2009）的研究結果具有相似性。有研究對此現象指出原因，認為教師在教學過程中缺乏模型效化、應用等建模歷程的強調且大多數學生不擅長進行模型效化和應用，從而導致相關維度呈現陡降的趨勢[20.21]

但李鳳（2018）的研究發現，高中生的模型應用能力發展最好，構建能力發展最差。這是因為該研究所調查學校的化學教師在教學的過程中習慣直接展示模型，更重視化學模型的結果和應用范圍，且學生的理解能力較好，能夠正確選擇已掌握的模型應用到具體問題中，但抽象和概括能力仍處于發展階段[22]。可見，教師在教學中對建模歷程的強調與實踐可能會對學生建模能力的發展產生較大影響。

3.3.2基于教師視角的研究

現有教師建模能力的研究多聚焦在職教師的建模教學能力，對職前教師自身的建模能力及建模教學能力均有涉及。在職教師通過引導、示范和反饋方面對學生建模能力發展起著關鍵作用。蔡豐（2022）的研究表明，多數在職教師重視模型建構和應用，而在模型評估和修正環節的教學行為較少[23]。具體而言，教師傾向于直接建構模型，而非引導學生評估與修正；在模型應用環節，教師更側重于解釋和預測，較少將模型應用于新情境或進一步發展模型。該研究結果從側面反映出學生在實際課堂中缺少模型效化和應用的機會，難以根據實際情況修正、發展并使用模型，同樣解釋了大多數學生在模型效化、應用等維度中表現不佳的原因。

職前教師的建模教學能力并不理想。魯靜（2021）對職前化學教師的“元素周期律”建模教學視頻進行編碼與比對，發現職前教師對建模教學策略與表征的知識理解不足，教學水平較低。經過指導后，教師雖能理解建模活動過程，把握模型表征方法與價值，但仍未達到有效應用于教學實踐的水平[24]。職前教師自身的建模能力發展同樣關鍵，但研究發現，職前化學教師的建模能力及子能力均較弱，且隨著建模進程的推進（從模型選擇到模型調度、重建），職前教師同樣呈現出建模能力逐漸降低的趨勢[25，26]

3.3.3影響化學建模能力水平的因素

多數研究（ n=14 ）探討了師生建模能力與其他因素的相關性。對學生而言，化學建模能力水平并不完全受性別、年級、學業水平等因素的直接影響。不同研究關于性別對化學建模能力的影響得出了不同的結論[27～32]，這表明性別并不是影響學生建模能力的關鍵因素，結果可能受調查主題、研究對象影響。例如在賴澤薇（2022）對高中生氧化還原反應建模能力的調查中，由于氧化還原反應的內容本身就具有抽象性和概括性，男生更擅長采用演繹歸納、邏輯推理等抽象思維進行問題處理，因此其建模表現更優于傾向于形象思維的女生[33]

多項研究認同年級是影響學生建模能力的因素，表明學生建模能力水平隨年級升高而增強[34-38]。但李鳳（2018）和李婷婷（2022）的研究發現，可能受知識遷移的影響，學生建模能力并不完全隨年級升高呈線性發展[39，40]。正確的正向遷移有利于建模能力的發展，但是遷移過程中存在的前攝抑制和后攝抑制作用則會阻礙建模能力的發展，從而導致學生建模能力的非線性發展。

此外，學業水平、模型類型、測評主題等也被認為是影響學生建模能力的重要因素。袁野（2010）、賴澤薇（2022）的研究均顯示，建模能力測評問卷可預測學生化學成績[41，42]。楊晗（2022）指出模型類型（圖表模型、符號模型、代數模型）也影響學生建模能力水平[43]除上述因素外，高義舒（2023）在高中生原電池、電解池建模能力水平測評中發現原電池、電解池建模能力水平存在顯著相關，原電池建模能力高有助于電解池的建模發展[44]。也就是說，在同一主題下，不同測評內容也會影響學生建模能力的高低，在進行具有共性的基礎知識學習時，學習者的建模思維能夠自然延展至其他的建模歷程中。

教師的化學建模能力水平主要受學科知識掌握程度、教學經驗的影響。唐金紅（2019）的測評顯示，職前教師的共價鍵建模能力與學業成績存在顯著線性關系[45]。蔡豐（2022）比較專家型、經驗型和新手教師的模型教學行為，得出教師的模型教學行為水平隨著教學經驗的增加而有所提升[46]。專家型教師使用的建模情境更豐富，更注重評估、修正和模型發展，有助于學生高階認知發展。

4研究結論與啟示

4.1 研究結論

研究采用系統性文獻綜述法，篩選并分析了國內發表的17篇化學建模能力的實證研究碩博學位論文，從文獻特征、研究方法和測評結果三個維度進行系統分析。分析結果如下：（1）在文獻特征方面，2018年“課標”頒布以來，國內化學建模能力的實證研究數量上升。研究對象主要為中學生，其次為職前教師，對在職教師的研究最少。研究主題多集中于“原電池和電解池”及“原子結構”。在維度建構上，研究普遍更關注模型選擇、建立、效化和應用，而較少關注模型調度和重建。（2）在研究方法方面，建模能力的測評主要依賴紙筆測驗，多數研究輔以其他定量（如Rasch模型分析、眼動實驗）或定性（如課堂觀察、口語報告）方法。（3）在現狀測評方面，學生與職前教師的建模能力水平總體偏低且各子能力水平不一；對教師的建模教學能力而言，在職教師在建模教學中較重視模型建構和應用，而較忽視模型評估和修正環節，職前教師水平則較為薄弱。學生的化學建模能力水平并不完全受性別、年級、學業水平等因素的影響；教師的化學建模能力水平則主要受學科知識掌握程度和教學經驗的影響。

4.2 研究啟示

基于對我國化學建模能力實證研究的分析，本研究提出四項研究啟示：（1）未來的化學建模能力研究應持續關注學生建模能力的發展，尤其應進一步探索模型效化、應用等高階建模能力的培養，全面評估建模歷程，以豐富我國師生化學建模能力實證數據。（2）由于化學中存在許多抽象概念，教師尤其需要關注學生運用可視化模型表征化學概念的能力，可以采用計算機建模等方式進行可視化的建模實踐，以提升學生的建模能力。（3）從測評方法來看，我國化學建模能力測評需開發更多元的測評工具，為建模能力評估提供更為全面的證據。首先，需要引入建模可視化的評估方法（如眼動實驗法等先進技術），揭示被試在建模過程中的深層次理解和策略運用；其次，需要確保測評工具的信效度，并探索如Rasch模型等精確的數據分析工具，以提高測評結果的準確性與可信度；最后，需要豐富質性研究方法，如口語報告、課堂觀察等方式，探查學生建模過程中的思維動向。（4）從現狀測評來看，在未來的化學建模教學中，研究者需識別影響化學建模能力水平的相關因素，如學生的性別、年齡、學業水平與建模主題等。教師應據此及時調整教學策略，提供個性化指導，以解決學生在化學學習中長期存在的建模問題，提升學生的建模能力水平。

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