使用反應(yīng)圖評價高師學(xué)生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)

麥裕華 李景寧

(1華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 廣東廣州510006;2廣州市協(xié)和中學(xué) 廣東廣州510160)

1 問題的提出

在人的長期記憶中，學(xué)科知識的各種概念和命題能夠根據(jù)一定的關(guān)系形成相互聯(lián)系的知識結(jié)構(gòu)。人的頭腦中知識結(jié)構(gòu)的內(nèi)容、組織形式和組織水平、信息被提取的難易程度，對學(xué)習(xí)知識和解決問題起重要的作用。各種官能團和各類有機物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)、各種典型的有機反應(yīng)機理均屬于陳述性知識，是大學(xué)有機化學(xué)課程的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。這些陳述性知識與有機合成路線設(shè)計等程序性知識共同成為解決有機合成問題的重要知識基礎(chǔ)。通過大學(xué)有機化學(xué)課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)生會對各種官能團和各類有機物的化學(xué)性質(zhì)，尤其是它們的轉(zhuǎn)化規(guī)律有宏觀、整體的認(rèn)識，這種認(rèn)識是一種復(fù)雜、體系化的知識結(jié)構(gòu)，本文稱之為有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。學(xué)生在大學(xué)有機化學(xué)課程的學(xué)習(xí)中，應(yīng)該識記有機化學(xué)教科書要求的大量有機反應(yīng)，形成良好的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)，了解一定的有機合成路線設(shè)計原則和方法，具備一定的有機合成問題解決能力。

大學(xué)有機化學(xué)課程紙筆測驗有選擇題、填空題、論述題和有機合成題等形式。這些試題在大多數(shù)情況下只能考查學(xué)生對有機物化學(xué)性質(zhì)的識記和理解，不易判斷學(xué)生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。換言之，常見的紙筆測驗評價的是學(xué)生的有機物化學(xué)性質(zhì)知識的內(nèi)容和數(shù)量，而非有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的內(nèi)容、組織形式和組織水平，這對于了解學(xué)生的有機化學(xué)學(xué)習(xí)狀態(tài)顯然是不夠的。由于缺少評價學(xué)生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的方法，發(fā)展合適的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)評價工具有重要的意義。

2 知識結(jié)構(gòu)的評價方法

心理學(xué)家Goldsmith等［1］提出知識結(jié)構(gòu)評價的3個步驟:引出知識(knowledge elicitation)、表征知識(konwledge representation)和評價知識結(jié)構(gòu)(assessing knowledge representation)。這3個步驟的含義是:(1)“引出知識”是指教師通過一定的方法，使學(xué)生表現(xiàn)出對某一學(xué)科某些主題知識結(jié)構(gòu)的理解;該步驟注重的是教師選擇哪一種合適的知識結(jié)構(gòu)評價方法和對測試題目、實施環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計。(2)“表征知識”是指學(xué)生在教師設(shè)計的測試環(huán)節(jié)中按照既定程序表現(xiàn)出自己的知識結(jié)構(gòu)。(3)“評價知識結(jié)構(gòu)”是指教師根據(jù)一定的評價標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生外化的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)、合理的評價。

筆者認(rèn)為，適宜、良好的學(xué)生知識結(jié)構(gòu)評價方法應(yīng)該具備以下3個功能:(1)定量評價學(xué)生知識結(jié)構(gòu)中信息的正誤、數(shù)量和連結(jié)情況;(2)定量區(qū)分不同學(xué)業(yè)水平學(xué)生群體的知識結(jié)構(gòu);(3)定量比較學(xué)生與教師知識結(jié)構(gòu)的相似程度。

概念圖是一種常用的知識結(jié)構(gòu)評價工具。概念圖的提出者Novak［2］認(rèn)為概念圖能夠清晰地呈現(xiàn)人們掌握的各種概念和命題，以及由此組織的知識結(jié)構(gòu)。在概念圖的評價方法上，常用的方法可以歸類為“根據(jù)概念圖的成分評分”和“與標(biāo)準(zhǔn)概念圖作比較”兩大類。在第一類中，Novak等人提出的評價方法是最經(jīng)典的評價方法;他們對命題、層次、橫向聯(lián)系和舉例這4個成分分別進(jìn)行評分，所得結(jié)果簡稱N-G分?jǐn)?shù)。在第二類中，Goldsmith等人提出的相似指數(shù)(closeness index，簡稱C值)是較著名的評價方法，C值是利用數(shù)學(xué)的集合理論比較兩個概念圖，從而計算出它們的相似程度。

3 反應(yīng)圖與反應(yīng)圖的評價

受概念圖［2］和相關(guān)研究［3-4］的啟發(fā)，筆者結(jié)合有機物使用連線表示相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的書寫習(xí)慣，提出用反應(yīng)圖評價學(xué)生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)想。筆者［5］認(rèn)為反應(yīng)圖(reaction map)是通過合理排列有機物，利用帶有箭頭的連線連結(jié)，呈現(xiàn)有機物相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)示意圖，制作反應(yīng)圖的過程稱為反應(yīng)構(gòu)圖(reaction mapping)。學(xué)生制作的各類有機物的反應(yīng)圖可表現(xiàn)出有機物轉(zhuǎn)化規(guī)律的知識在個人的頭腦中的結(jié)構(gòu)化程度。

筆者仿效Novak等人提出的N-G分?jǐn)?shù)，提出反應(yīng)圖的評價方法，定量評價學(xué)生個人和不同有機化學(xué)學(xué)業(yè)水平的學(xué)生群體的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。反應(yīng)圖上出現(xiàn)的每一個有機物各計1分，“有機物分”是反應(yīng)圖上所有有機物的總數(shù)目。根據(jù)兩個有機物間的連線和箭頭，判斷有連線的兩個有機物是否存在著轉(zhuǎn)化關(guān)系。如果連線合理(有機物存在轉(zhuǎn)化關(guān)系、箭頭方向正確)且反應(yīng)條件書寫正確，記為1分，“正確反應(yīng)數(shù)”是正確連線的數(shù)目。如果連線不合理(有機物不存在轉(zhuǎn)化關(guān)系、箭頭方向錯誤)或反應(yīng)條件存在科學(xué)性錯誤，記為0分，“錯誤反應(yīng)數(shù)”是錯誤連線的數(shù)目。如果連線合理，但是反應(yīng)條件缺少部分內(nèi)容，記為0.5分，“錯誤條件數(shù)”是這類連線的數(shù)目?！胺磻?yīng)分”是反應(yīng)圖上所有連線可以獲得的總分?jǐn)?shù)，定義為“正確反應(yīng)數(shù)+0.5×錯誤條件數(shù)”。由于已經(jīng)對反應(yīng)圖上每一個節(jié)點(有機物)和每一條連線(有機反應(yīng))進(jìn)行評分，加和所得到的總分即為反應(yīng)圖的評價結(jié)果，即:反應(yīng)圖總分=有機物分+反應(yīng)分。反應(yīng)圖6個評分項目可以從內(nèi)容和結(jié)構(gòu)的角度對學(xué)生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量評價。

評卷教師需要制作一幅包括各類有機物多種轉(zhuǎn)化關(guān)系的反應(yīng)圖作為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)圖。在對學(xué)生的反應(yīng)圖進(jìn)行評分時，如果發(fā)現(xiàn)學(xué)生的反應(yīng)圖呈現(xiàn)的有機物轉(zhuǎn)化思路跳躍性太大，學(xué)生沒有書寫一些應(yīng)該出現(xiàn)的中間產(chǎn)物和轉(zhuǎn)化步驟，評卷教師應(yīng)該默認(rèn)學(xué)生已了解這些內(nèi)容，并且將缺少的這部分內(nèi)容補充計算在該學(xué)生反應(yīng)圖各評分項目的得分中。

4 研究方法

為了解反應(yīng)圖能否成為一種有效的學(xué)生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)評價工具，筆者在大學(xué)本科有機化學(xué)課程進(jìn)行試探性的教學(xué)實踐和實證研究。研究對象是華南師范大學(xué)化學(xué)專業(yè)大學(xué)二年級2個班共95名學(xué)生。

研究工具包括筆者自編的半開放式反應(yīng)構(gòu)圖測試題和有機化學(xué)課程期中考試試卷，例見圖1。學(xué)生需要盡可能多地尋找出圖1中7個有機物之間存在的各種轉(zhuǎn)化關(guān)系，并且將這些轉(zhuǎn)化關(guān)系制作成反應(yīng)圖。學(xué)生可以在作答時添加其他有機物作為原料或中間產(chǎn)物。有機化學(xué)課程期中考試試卷以醛和酮、羧酸、羧酸衍生物［6］為命題范圍，其中的填空題有24題(共24分)，要求學(xué)生填上列舉的化學(xué)方程式中缺少的反應(yīng)物或生成物，以便完成化學(xué)方程式;有機合成題有4題(共30分)，要求學(xué)生按照指定的主要原料合成指定的產(chǎn)物。期中考試試卷符合有機化學(xué)課程教學(xué)重點和難點的要求，全卷的總難度是0.74，填空題和有機合成題的難度均是0.67，難度設(shè)置適中。

圖1 半開放式反應(yīng)構(gòu)圖測試題中的有機物

本研究分2個階段進(jìn)行。在第一學(xué)期，本文第二作者向參與本研究的學(xué)生介紹反應(yīng)圖的基本內(nèi)容，學(xué)生經(jīng)歷一個學(xué)期的反應(yīng)構(gòu)圖訓(xùn)練，熟悉反應(yīng)圖的設(shè)計與制作步驟。在第二學(xué)期，學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)醛和酮、羧酸、羧酸衍生物的課程知識。筆者在有機化學(xué)課程期中考試前對學(xué)生進(jìn)行反應(yīng)構(gòu)圖測試，了解學(xué)生的醛和酮、羧酸、羧酸衍生物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。反應(yīng)構(gòu)圖測試時間是30分鐘。筆者使用前面定義的反應(yīng)圖評分方法對學(xué)生制作的反應(yīng)圖逐一評分，并通過學(xué)生的有機化學(xué)課程期中考試成績了解學(xué)生的有機化學(xué)學(xué)業(yè)水平。所有研究數(shù)據(jù)均使用SPSS 10.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計和處理。

5 結(jié)果與討論

5.1 不同組別學(xué)生的得分情況

筆者將95名學(xué)生的有機化學(xué)課程期中考試成績從高至低依次排序，劃分為高分組(名次在全體學(xué)生的前27%，共26人)、中間組(共43人)和低分組(名次在全體學(xué)生的后27%，共26人)。3個組別的反應(yīng)圖得分和期中考試成績?nèi)绫?所示。

表1 3個組別的反應(yīng)圖得分和期中考試成績

由表1可知，高分組在反應(yīng)構(gòu)圖測試和期中考試中均表現(xiàn)最好。高分組的反應(yīng)圖平均總分是25.52分，中間組、低分組的平均總分分別是22.23分、16.96分，高分組與低分組相差8.6分。高分組與低分組在有機物分、正確反應(yīng)數(shù)的平均分分別相差約3分、5.5分，這表示2個組別的反應(yīng)圖平均相差3個有機物和5.5個有機反應(yīng);這2個因素綜合在一起，使得2組的反應(yīng)圖平均總分有較大的差距。除了錯誤反應(yīng)數(shù)和錯誤條件數(shù)，表1內(nèi)各評分項目的平均分均存在如下關(guān)系:高分組＞中間組＞低分組。3個組別在錯誤反應(yīng)數(shù)、錯誤條件數(shù)的平均分均較小，表明學(xué)生對有關(guān)的課程知識均存在一定的錯誤記憶。另外，3個組別的期中考試成績有明顯差異，高分組與中間組、低分組的平均總分分別相差10.6分、27.5分;其中高分組與低分組的填空題相差6.8分，有機合成題相差11.6分。

分析表1的數(shù)據(jù)，可知3個組別在反應(yīng)構(gòu)圖測試中有不同水平的表現(xiàn)，而這種表現(xiàn)的變化趨勢與學(xué)生在期中考試中的表現(xiàn)的變化趨勢一致。筆者認(rèn)為學(xué)生制作的反應(yīng)圖應(yīng)該與個人的有機化學(xué)學(xué)業(yè)水平、有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)相互對應(yīng)。如果學(xué)生具有較高的有機化學(xué)學(xué)業(yè)水平和良好的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)，在解決有機物化學(xué)性質(zhì)問題時應(yīng)該有良好的表現(xiàn)，制作的反應(yīng)圖應(yīng)該是完整、緊密和復(fù)雜的;如果學(xué)生具有較低的有機化學(xué)學(xué)業(yè)水平和欠佳的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)，在解決有機物化學(xué)性質(zhì)問題時應(yīng)該有不佳的表現(xiàn)，制作的反應(yīng)圖可能是缺漏、松散和簡單的。換言之，一定有機化學(xué)學(xué)業(yè)水平的學(xué)生具有一定的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)，制作出具有一定內(nèi)容、組織形式和組織水平的反應(yīng)圖，反應(yīng)圖能夠反映學(xué)生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。因此，我們能夠通過反應(yīng)圖定量評價學(xué)生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。

5.2 不同組別學(xué)生得分的差異情況

使用方差分析了解3個組別在反應(yīng)圖得分和期中考試成績的差異是否具有統(tǒng)計學(xué)意義，得到表2。表2中的數(shù)據(jù)顯示，3個組別在有機物分存在顯著差異(p＜0.01)，在正確反應(yīng)數(shù)、反應(yīng)分和反應(yīng)圖總分這3個評分項目存在顯著差異(p＜0.001)，在錯誤反應(yīng)數(shù)和錯誤條件數(shù)的差異不顯著。3個組別在有機物分、正確反應(yīng)數(shù)的顯著差異是造成3個組別在反應(yīng)圖總分出現(xiàn)顯著差異的主因。其次，3個組別在期中考試的填空題、有機合成題的得分和期中考試總分存在顯著差異(p＜0.001)。

表2 3個組別在反應(yīng)圖得分和期中考試成績的方差分析

為進(jìn)一步考察3個組別在具有顯著差異的評分項目上的實際表現(xiàn)，使用Scheffe法對3個組別在這些評分項目的得分進(jìn)行事后多重比較(表3)。除了有機物分的差異不顯著外，高分組和中間組在正確反應(yīng)數(shù)、反應(yīng)分、反應(yīng)圖總分這3個評分項目均存在顯著差異(p＜0.05)。中間組與低分組在反應(yīng)構(gòu)圖測試的4個評分項目中均存在顯著差異(p＜0.01)，高分組與低分組則均存在顯著差異(p＜0.001)。此外，3個組別之間在期中考試的填空題、有機合成題的得分和期中考試總分均存在顯著差異(p＜0.001)。在2個測試中，中間組與低分組的平均分差均大于高分組和中間組的平均分差，低分組的整體表現(xiàn)欠佳。

表3 3個組別在各評分項目得分的事后多重比較

歸納3個組別制作的反應(yīng)圖的特征可以發(fā)現(xiàn):高分組的反應(yīng)圖出現(xiàn)較多有機物和雙向連線，也有一些交叉連線，反應(yīng)圖大多呈現(xiàn)較緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);中間組的反應(yīng)圖出現(xiàn)的有機物略少于高分組，較少雙向連線和交叉連線，反應(yīng)圖大多呈現(xiàn)次序順延的直鏈結(jié)構(gòu);低分組的反應(yīng)圖出現(xiàn)的有機物基本上是半開放式反應(yīng)構(gòu)圖測試題要求出現(xiàn)的，容易發(fā)現(xiàn)一些連線由于錯誤的反應(yīng)條件而中斷。由此可見，不同有機化學(xué)學(xué)業(yè)水平的學(xué)生群體制作的反應(yīng)圖在內(nèi)容、組織形式和組織水平上存在顯著差異，從而可以推斷不同的學(xué)生群體的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)也存在顯著差異。因此，我們能夠通過反應(yīng)圖定量區(qū)分不同有機化學(xué)學(xué)業(yè)水平的學(xué)生群體的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。

5.3 反應(yīng)圖總分與期中考試成績的相關(guān)分析

將學(xué)生的反應(yīng)圖總分與期中考試的填空題、有機合成題的得分和期中考試總分分別進(jìn)行相關(guān)分析，具體結(jié)果見表4。表4中的數(shù)據(jù)顯示，學(xué)生的反應(yīng)圖總分與期中考試的3項得分分別有顯著的弱相關(guān)。一方面，反應(yīng)構(gòu)圖測試關(guān)注學(xué)生對有機物轉(zhuǎn)化規(guī)律的認(rèn)識，評價學(xué)生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)，而且該測試要求學(xué)生尋找出在各種有機物轉(zhuǎn)化過程中必需的中間產(chǎn)物來完成反應(yīng)圖，試題綜合性較強，具有一定難度。期中考試的填空題和有機合成題均評價學(xué)生識記和靈活運用多個重要、典型的有機物轉(zhuǎn)化規(guī)律的能力，每個小題的命題內(nèi)容都是獨立、分散的知識點，考查面廣、量大。筆者事后分析研究結(jié)果，雖然半開放式反應(yīng)構(gòu)圖測試題和期中考試試卷均以相同教科書的相同章節(jié)作為命題范圍，但是兩個測試的意圖和考查內(nèi)容的差異可能是造成學(xué)生的反應(yīng)圖總分與兩道期中考試試題得分的相關(guān)系數(shù)較低的原因。另一方面，期中考試還包括對有機物的命名、有機物結(jié)構(gòu)簡式的書寫、有機物的鑒別以及從光譜推斷有機物等內(nèi)容的考查，這些考查內(nèi)容占將近總分一半的分?jǐn)?shù);因此，反應(yīng)圖總分與期中考試總分有顯著的弱相關(guān)。綜上所述，學(xué)生的反應(yīng)圖總分可以也應(yīng)該作為表現(xiàn)學(xué)生有機化學(xué)學(xué)業(yè)水平的一個參考。

表4 反應(yīng)圖總分與期中考試成績的相關(guān)分析

6 結(jié)論和展望

本文提出了使用反應(yīng)圖評價學(xué)生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的方法，通過對高師本科化學(xué)專業(yè)學(xué)生的教學(xué)實踐和實證研究，獲得以下結(jié)論:(1)學(xué)生制作的反應(yīng)圖能夠定量反映學(xué)生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu);(2)不同有機化學(xué)學(xué)業(yè)水平的學(xué)生群體的反應(yīng)圖以及有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)存在差異;(3)學(xué)生的反應(yīng)圖總分與期中考試成績有顯著的弱相關(guān)。總體而言，反應(yīng)圖能夠成為一種有效的學(xué)生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)評價工具。

隨著后續(xù)課程的深入學(xué)習(xí)，學(xué)生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)會不斷發(fā)展，并能設(shè)計出不同的反應(yīng)圖。這里需要說明的是，反應(yīng)圖僅能反映學(xué)生對有機物轉(zhuǎn)化規(guī)律的宏觀、整體認(rèn)識，而無法反映學(xué)生對各種有機反應(yīng)機理、有機合成路線設(shè)計的認(rèn)識。另外，反應(yīng)圖呈現(xiàn)的是學(xué)生對各類有機物的轉(zhuǎn)化規(guī)律經(jīng)過一定思考后的靜態(tài)結(jié)果，不能反映學(xué)生在制作反應(yīng)圖時的各種動態(tài)的思維活動。但是，只要比較同一學(xué)生在不同的學(xué)習(xí)階段制作的反應(yīng)圖，仍然能夠?qū)ふ页霾煌磻?yīng)圖的差異，繼而推斷出學(xué)生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的發(fā)展，為教師了解學(xué)生的有機化學(xué)學(xué)習(xí)狀態(tài)和提高課堂教學(xué)質(zhì)量提供參考。

本文只是對學(xué)生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)評價這一主題進(jìn)行初步探討，許多問題尚待深入探討。譬如，在半開放式反應(yīng)構(gòu)圖測試題中出現(xiàn)的有機物種類和數(shù)量會對學(xué)生的作答產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響到對學(xué)生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的評價，怎樣命題才能讓反應(yīng)構(gòu)圖測試具有較好的信度和效度?其次，本文方法需對每位學(xué)生的反應(yīng)圖逐一評分，評改速度較慢，應(yīng)該使用怎樣的方法來有效提高評改反應(yīng)圖的效率?這些問題都需要進(jìn)行更深入的研究。

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