中學(xué)生氧化還原反應(yīng)學(xué)習(xí)心理的實證研究與反思：大陸和臺灣經(jīng)驗

麥裕華

摘要：對2004至2016年間我國大陸和臺灣地區(qū)研究中學(xué)生氧化還原反應(yīng)知識學(xué)習(xí)心理的22篇實證研究文獻進行綜述。研究者從新課學(xué)習(xí)、問題解決、階段發(fā)展這3個研究角度開展研究。對各研究角度的研究內(nèi)容和研究方法進行總結(jié)和評論，對日后研究提出相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞：氧化還原反應(yīng)；概念學(xué)習(xí)；概念發(fā)展；問題解決；綜述

文章編號：1005–6629（2017）6–0007–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

氧化還原反應(yīng)是化學(xué)重要的基本理論，也是中學(xué)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)重點和難點。氧化還原反應(yīng)包括以“得失氧元素”、“元素化合價變化”、“電子轉(zhuǎn)移”為標志的3個學(xué)習(xí)階段，涉及反應(yīng)物和產(chǎn)物類型、反應(yīng)類型、反應(yīng)特征和本質(zhì)、反應(yīng)進程等內(nèi)容及其相互關(guān)系，擁有龐大而復(fù)雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容。許多教師圍繞氧化還原反應(yīng)的教學(xué)，探討了大量有助于突破教學(xué)重難點的方法，設(shè)計了大量優(yōu)秀教學(xué)案例，在課堂教學(xué)實踐層面取得了豐富成果。

學(xué)生對不同類型知識的學(xué)習(xí)，要滿足不同的學(xué)習(xí)條件，經(jīng)歷不同的學(xué)習(xí)階段。學(xué)生對氧化還原反應(yīng)知識的學(xué)習(xí)，必須滿足概念和原理知識的學(xué)習(xí)條件，經(jīng)歷概念發(fā)展的學(xué)習(xí)階段。深入認識學(xué)生在氧化還原反應(yīng)知識學(xué)習(xí)過程中的認知狀態(tài)及其變化機制、階段發(fā)展等學(xué)習(xí)心理范疇內(nèi)容，更有助于研究者和教師設(shè)計適合學(xué)生的課程和教學(xué)內(nèi)容，選擇相應(yīng)的教學(xué)方法。因此，有必要系統(tǒng)地總結(jié)研究者對于中學(xué)生氧化還原反應(yīng)知識學(xué)習(xí)心理的實證研究成果。值得考慮的是，我國大陸和臺灣地區(qū)同是華人社會，兩岸中學(xué)生在課程內(nèi)容和社會文化等因素的影響下，在語言和概念學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)心理發(fā)展等方面容易存在較大的相似性。因此，也有必要系統(tǒng)地總結(jié)兩岸研究者在該研究主題上的研究成果，促進化學(xué)學(xué)習(xí)心理研究的發(fā)展。

2 研究方法

通過中國知網(wǎng)查詢大陸學(xué)術(shù)文獻，通過臺灣科學(xué)教育期刊文獻數(shù)據(jù)庫、碩博士論文數(shù)據(jù)庫查詢臺灣學(xué)術(shù)文獻。文獻類型包括期刊論文、會議論文、碩博士學(xué)位論文等形式。通讀論文的主要內(nèi)容，篩選出偏重研究中學(xué)生氧化還原反應(yīng)知識學(xué)習(xí)心理的實證研究文獻，最后共得文獻22篇。其中，期刊論文7篇，會議論文1篇、碩博士學(xué)位論文14篇；大陸文獻17篇，占77.3%，臺灣文獻5篇，占22.7%。根據(jù)不同的研究內(nèi)容，將這些文獻歸類為新課學(xué)習(xí)、問題解決、階段發(fā)展這3個研究角度。部分文獻涉及多個研究角度，新課學(xué)習(xí)研究角度有4篇次，占18.2%，問題解決研究角度有10篇次，占45.5%，階段發(fā)展研究角度有11篇次，占50%。

3 研究進展

3.1 新課學(xué)習(xí)的研究

新課學(xué)習(xí)研究角度關(guān)注學(xué)生正式學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)知識時，如何形成和建立相關(guān)概念的定義，認識概念系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)系。研究文獻較少，包括3篇大陸文獻和1篇臺灣文獻。

對外部信息進行各種加工，并且形成個人長時記憶的表征形式，是信息加工的重要過程。丁偉[1]提出氧化還原反應(yīng)概念的內(nèi)部表征形式，具有命題符號表征、知覺符號表征和綜合表征這3種表征類別，共10種表征形式。研究者以自由聯(lián)想的方式，調(diào)查上海高二學(xué)生的氧化還原反應(yīng)概念內(nèi)部表征形式。研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生使用了多元化的表征形式，其中主要使用文字語言描述表征形式，極少使用圖像表征形式。此外，高質(zhì)量的概念內(nèi)部表征具有表征類別多元化、表征形式多重化、精致程度更高、更趨于概念本質(zhì)這幾個特點。而要形成高質(zhì)量的概念內(nèi)部表征，學(xué)生需要通過自我解釋等方式，主動地對概念進行深度加工，變換出適合個人長時記憶的概念內(nèi)部表征形式。

概念學(xué)習(xí)包括概念獲得和概念應(yīng)用兩個階段，概念獲得包括概念形成和概念同化。鄧陽[2]比較概念形成和概念同化這兩種方式，對湖北高一學(xué)生學(xué)習(xí)氧化劑和氧化產(chǎn)物這兩個概念的影響。研究結(jié)果顯示：（1）概念同化方式比概念形成方式能夠獲得更好的學(xué)習(xí)效果。（2）概念同化方式在宏觀的化合價表述上比微觀的電子轉(zhuǎn)移（偏移）表述能夠獲得更好的學(xué)習(xí)效果。（3）不同學(xué)業(yè)水平學(xué)生在概念形成上學(xué)習(xí)效果的差異不顯著，而概念同化學(xué)習(xí)效果有顯著差異。概念的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、不同的概念學(xué)習(xí)方式和學(xué)生的學(xué)業(yè)水平共同影響著概念的動態(tài)難度。

詹耀宗[3]參考坎貝爾進化認識論的觀點，從替代選擇器（Vicarious Selectors）的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、運作機制和元系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的角度，以個案研究的方式探討臺灣3位高二學(xué)生氧化還原反應(yīng)概念形成機制。通過學(xué)生的訪談資料，研究者認為替代選擇器包括：（1）關(guān)鍵概念。處于中心位置，由原理概念屬性的命題陳述歸納而成，用于判斷相關(guān)概念命題。（2）輔助概念。處于周圍位置，代表多種不同屬性的命題陳述，用于理解和陳述關(guān)鍵概念。在概念形成過程中，這2種概念產(chǎn)生相互作用，關(guān)鍵概念會選擇輔助概念，輔助概念會支持形成關(guān)鍵概念。替代選擇器元系統(tǒng)轉(zhuǎn)換是讓整個概念結(jié)構(gòu)從復(fù)雜到簡單的精煉過程。

考慮到學(xué)生的個性心理，馮姣姣[4]探討歧義容忍度（Tolerance of Ambiguity）對河南高一學(xué)生氧化還原反應(yīng)概念學(xué)習(xí)的影響。該研究界定的歧義容忍度指學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)與新知識存在差異性時，學(xué)生對兩者共存的包容、接受的心理傾向。研究結(jié)果顯示相對于低歧義容忍度學(xué)生，高歧義容忍度學(xué)生更能夠接受新概念，甄別與加工新舊知識，達到概念深層加工水平，并且有助于認知過程本體概念的內(nèi)容。

由上述可知，研究者分別對概念內(nèi)部表征形式、概念獲得的方法和機制、個性學(xué)習(xí)心理這幾個主題開展具體探討。該研究角度并不受研究者注目，這可能因為深入地刻畫學(xué)生頭腦中建立和聯(lián)系氧化還原反應(yīng)相關(guān)概念的過程是較困難的。氧化還原反應(yīng)概念系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)具有復(fù)雜性。不同概念獲得的具體過程、概念間交互作用的方向和強度究竟為何，以及更多細致的研究內(nèi)容和結(jié)果尚鮮見詳細報道。微觀發(fā)生法是一種聚焦學(xué)生認知變化的發(fā)生期間，通過收集多方面精細信息，理解認知變化機制的研究方法。該方法可以作為該研究角度獲得深入研究結(jié)果的研究方法。因此，研究者可以更深度地應(yīng)用信息加工心理學(xué)，結(jié)合課堂教學(xué)實踐情況，持續(xù)關(guān)注和探索學(xué)生學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)知識時知識形成的變化路線、速度和來源等微觀發(fā)生過程及其機制。

3.2 問題解決的研究

問題解決研究角度關(guān)注學(xué)生應(yīng)用氧化還原反應(yīng)知識解決相關(guān)問題時，如何對問題情境作出反應(yīng)，如何通過思維操作從問題的初始狀態(tài)到達目標狀態(tài)。研究文獻較多，包括10篇大陸文獻。

理解和表征問題是問題解決的首要環(huán)節(jié)。丁偉[5]系統(tǒng)研究上海高二學(xué)生在氧化還原反應(yīng)分類問題和推理問題解決時的內(nèi)部表征歷程和應(yīng)用機制。研究者發(fā)現(xiàn)學(xué)生分類問題解決的關(guān)鍵步驟是信息轉(zhuǎn)譯和判斷環(huán)節(jié)，主要使用知覺符號表征類別的各種表征形式；推理問題解決的關(guān)鍵步驟是包含復(fù)合判斷的推理環(huán)節(jié)，主要使用命題符號表征類別中以化學(xué)符號表征形式為主的各種表征形式。

原型是知覺符號表征類別中的一種表征形式。米廣春[6]了解通過學(xué)習(xí)材料而分別具有文字原型、圖像原型、文字-圖像原型的山東高一學(xué)生在氧化還原反應(yīng)知識不同學(xué)習(xí)水平的表現(xiàn)。研究結(jié)果顯示具有不同原型的學(xué)生在簡單再認水平的表現(xiàn)沒有顯著差異，但是在復(fù)雜再認、分類、應(yīng)用水平存在顯著差異。在復(fù)雜再認和分類水平，文字-圖像原型學(xué)生依次優(yōu)于圖像原型和文字原型學(xué)生；在應(yīng)用水平，文字原型學(xué)生依次優(yōu)于文字-圖像原型和圖像原型學(xué)生。筆者認為丁偉[7]對問題解決內(nèi)部表征歷程的研究結(jié)果，可以解釋米廣春的研究結(jié)果。

在更微觀的問題解決過程研究層面，黃靜等人[8]通過出聲思維方法，了解福建高一學(xué)生在解決氧化還原反應(yīng)綜合應(yīng)用推斷題時，問題表征在動態(tài)過程、表征廣度、表征有效度這幾方面的特點。研究結(jié)果顯示學(xué)生使用了多種信息表征方式，均以文字語言描述表征為主。研究者認為學(xué)優(yōu)生更能結(jié)合個人較完善的知識結(jié)構(gòu)，深層表征問題信息，學(xué)困生更傾向使用個人知識結(jié)構(gòu)的孤立知識，淺層表征問題信息。

李秀滋[9]研究上海高中各年級學(xué)生在氧化還原反應(yīng)原理的應(yīng)用、簡單計算和復(fù)雜計算這3種問題解決水平的特點。研究者認為高一、高二學(xué)生是使用新手式的表征，高三學(xué)生是使用專家式的表征，學(xué)生對氧化還原反應(yīng)知識的掌握能力影響著相應(yīng)的問題解決能力。

姬廣敏等人[10]通過出聲思維方法，探討山東高一學(xué)生在解決氧化還原反應(yīng)識記、理解和應(yīng)用水平問題時的典型行為。研究者也了解到學(xué)生的氧化還原反應(yīng)認知水平不會影響其簡單氧化還原反應(yīng)方程式的書寫表現(xiàn)，但是會顯著影響其復(fù)雜氧化還原反應(yīng)方程式的書寫表現(xiàn)。這種影響與學(xué)生氧化還原反應(yīng)的理解和應(yīng)用水平有關(guān)。

氧化還原反應(yīng)知識的問題解決是知識豐富領(lǐng)域的問題解決。結(jié)合化學(xué)學(xué)科知識，丁偉等人[11]、仇興葉[12]、鄭文昌等人[13，14]、謝巧兵[15]分別對各地高一學(xué)生在氧化還原反應(yīng)知識的學(xué)習(xí)困難或?qū)W習(xí)障礙點進行探討。研究結(jié)果較一致地顯示，在學(xué)生的認知層面，對化合價缺乏準確認知和判斷，對概念間聯(lián)系缺乏多元和深層表征，是導(dǎo)致氧化還原反應(yīng)學(xué)習(xí)出現(xiàn)學(xué)習(xí)困難的成因。

由上述可知，研究者具體探討問題解決的信息表征形式、思維操作過程、解題能力和水平這幾個主題。問題解決的經(jīng)典研究方法是使用出聲思維，分析個別學(xué)生在問題解決不同階段的思維過程和所需時間，抽象出學(xué)生的思維操作，并且繪制相應(yīng)的問題解決行為圖。而這類深入了解學(xué)生思維操作過程的研究較少，較多的研究是根據(jù)學(xué)生群體的答題情況，推測學(xué)生可能遇到的解題困難和總結(jié)解題表現(xiàn)。這兩類研究分別從微觀、宏觀層面展現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和結(jié)果，都有其研究價值，但把這兩類研究充分融合起來的綜合性研究卻較鮮見。因此，研究者可以通過更嚴謹?shù)难芯吭O(shè)計，從不同角度聚焦研究內(nèi)容和獲得研究證據(jù)，共同認識學(xué)生的問題解決過程和結(jié)果。

3.3 階段發(fā)展的研究

階段發(fā)展研究角度關(guān)注學(xué)生在不同的學(xué)習(xí)階段，氧化還原反應(yīng)知識的認知水平和學(xué)習(xí)結(jié)果有何表現(xiàn)、特點和變化規(guī)律。研究文獻較多，包括7篇大陸文獻和4篇臺灣文獻。

米廣春[16]對上海具有高三水平的大一新生，謝兆貴[17]對江蘇高三學(xué)生，程昭[18]對湖北高一、高三和大三學(xué)生的氧化還原反應(yīng)概念內(nèi)部表征形式也開展了類似丁偉[19]的研究。研究結(jié)果也與丁偉[20]的研究結(jié)果相似，學(xué)生主要使用文字語言描述表征形式，但隨著年級的增加，增加使用語言回路、樣例和圖形表征形式。

徐群策[21]使用概念圖，對江蘇高一學(xué)生在一學(xué)年內(nèi)學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)知識的過程和結(jié)果進行跟蹤研究。研究者認為不同學(xué)業(yè)水平學(xué)生有不同的概念轉(zhuǎn)變情況，歸納出學(xué)優(yōu)生具有“漸進期——突變期——高原期”，其余大多數(shù)學(xué)生具有“漸進期——高原期——突變期”的變化特點。

李秀滋[22]了解上海高中各年級學(xué)生在氧化還原反應(yīng)概念辨析、各關(guān)系辨析這2個學(xué)業(yè)水平的具體表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)不同學(xué)業(yè)水平、不同性別對高一學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果有顯著影響，對其他年級學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果沒有顯著影響，高一年級是學(xué)生學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)知識的分化期。

徐立[23]探討江西高中各年級學(xué)生在氧化還原反應(yīng)知識的邏輯思維能力發(fā)展情況。研究發(fā)現(xiàn)不同年級學(xué)生的邏輯思維能力隨年級的增長而增大，而且存在顯著差異。在概念和判斷水平上，不同年級學(xué)生存在顯著差異；在推理水平上，不同年級和不同性別學(xué)生的主效應(yīng)顯著，但是兩者不存在顯著的交互作用。

詹耀宗等人[24]從多元觀點分析臺灣初二、初三和高二學(xué)生在氧化還原反應(yīng)和燃燒概念學(xué)習(xí)測驗的表現(xiàn)。通過測試結(jié)果，研究者認為學(xué)生在這2個主題概念的發(fā)展并不完整，尚未達到最高級的形式階段。這導(dǎo)致學(xué)生無法掌握相關(guān)主題概念中最關(guān)鍵的核心概念及其結(jié)構(gòu)，繼而擾亂概念間的相互關(guān)系和位置，在反應(yīng)有關(guān)的命題陳述時產(chǎn)生錯誤的概念聯(lián)結(jié)或不當?shù)臍w類推理。

心智模式是為表征問題情境、預(yù)測和解決問題而建立的表征形式。由于氧化還原反應(yīng)知識的復(fù)雜性，學(xué)生也相應(yīng)建立不同類型的心智模式，不同年級學(xué)生的心智模式存在著演變過程。鐘曉蘭等人[25]探討基于多重表征的模型教學(xué)和融入模型教學(xué)的認知師徒制教學(xué)，對臺灣高二學(xué)生氧化還原反應(yīng)知識學(xué)習(xí)成效和心智模式的影響。研究者分析3個組在6種心智模式的比例分布，確定各組心智模式的演變途徑。

江文瑋[26]圍繞“氧化還原反應(yīng)”和“氧化數(shù)定義及應(yīng)用”這2個主題，歸納出臺灣學(xué)生分別具有的8種、7種心智模式，并且系統(tǒng)地了解高中各年級學(xué)生在氧化還原反應(yīng)5個概念上的具體表現(xiàn)、具有的心智模式類型。張丙香[27]融合三重表征和心智模式的內(nèi)容，結(jié)合科學(xué)史的發(fā)展，提出11種氧化還原反應(yīng)三重表征心智模式。研究者以山東高中各年級學(xué)生為研究對象，了解不同年級學(xué)生在宏觀、微觀和符號層次分別具有的心智模式類型，以及不同學(xué)業(yè)水平學(xué)生心智模式的特點。

張育倩[28]對臺灣初中七至九年級、高中一至二年級、大學(xué)化學(xué)系學(xué)生這6個學(xué)生群體進行測試，系統(tǒng)地了解氧化還原反應(yīng)4個主概念的不同認知狀態(tài)、重要類型、綜合得到的心智模式在跨年級學(xué)生的縱向變化。由此提煉出10種心智模式，研究者更確定跨年級學(xué)生心智模式具體的發(fā)展歷程和概念演化樹，并且對心智模式的解釋融貫地作出分析。

由上述可知，研究者的探討內(nèi)容包括不同學(xué)習(xí)階段的概念內(nèi)部表征形式、概念轉(zhuǎn)變和思維能力情況、心智模式。與其他研究角度相比，該研究角度的研究最多，這可能因為在某些時間點評價學(xué)生群體的認知水平和學(xué)習(xí)結(jié)果，是相對容易的研究。此外，該研究角度的研究具有宏觀視野，展現(xiàn)出學(xué)生在不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)習(xí)“限度”、存在的困難、遺留的問題和影響因素，有助于系統(tǒng)認識學(xué)生學(xué)習(xí)過程和結(jié)果的長期變化。學(xué)習(xí)進階是科學(xué)教育課程設(shè)計和發(fā)展的熱點問題，學(xué)習(xí)進階的確定需要協(xié)調(diào)課程內(nèi)容和學(xué)生能力與水平的關(guān)系。但上述研究尚未結(jié)合所得的研究結(jié)果，從學(xué)習(xí)進階的角度提出系統(tǒng)的學(xué)生學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)知識的具體進程和水平。因此，研究者可以整合已有的研究結(jié)果，提出具有可行性的學(xué)習(xí)進階方案，再進行后續(xù)的驗證和修訂工作，為現(xiàn)有高中化學(xué)課程、教科書和教學(xué)的設(shè)計提供適當?shù)摹胺磽茏饔谩薄?/p>

4 結(jié)論和啟示

4.1 研究結(jié)論

通過分析我國大陸和臺灣地區(qū)研究中學(xué)生氧化還原反應(yīng)知識學(xué)習(xí)心理的22篇實證研究文獻，了解到兩岸研究者在該研究主題上所作的努力和成果。研究者的研究涉及學(xué)生正式學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)知識的過程、氧化還原反應(yīng)問題解決的過程、不同階段的認知水平和學(xué)習(xí)結(jié)果，囊括了“新學(xué)”、“應(yīng)用”和“發(fā)展”這3方面。這些研究均有助于人們認識學(xué)生學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)知識的心理過程和發(fā)展階段。

在研究內(nèi)容的選擇上，新課學(xué)習(xí)研究角度的研究偏少，階段發(fā)展研究角度的研究最多。3個研究角度都有大陸文獻，這顯示大陸研究者的研究興趣廣泛，關(guān)注氧化還原反應(yīng)知識學(xué)習(xí)的各方面，深耕知識學(xué)習(xí)的實質(zhì)和表現(xiàn)。新課學(xué)習(xí)研究角度，尤其是階段發(fā)展研究角度有臺灣文獻，這顯示臺灣研究者的研究極其集中，重點關(guān)注氧化還原反應(yīng)心智模式的建構(gòu)，符合國際科學(xué)教育研究領(lǐng)域的研究潮流。

在研究方法的使用上，研究者使用的研究方法主要結(jié)合研究角度的實際需要而定，不僅有量化的專題測試（常規(guī)測試題、二段式測試題等），也有質(zhì)化的個案訪談。

4.2 研究啟示

盡管研究者已經(jīng)對學(xué)生學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)的過程和結(jié)果開展大量研究，仍然有許多研究內(nèi)容值得人們繼續(xù)探討。上文已經(jīng)針對3個研究角度的研究不足，提出專門的研究建議。此外，筆者發(fā)現(xiàn)過去的研究較少探討學(xué)生的個人特質(zhì)和氧化還原反應(yīng)知識學(xué)習(xí)的關(guān)系，未能呈現(xiàn)可能影響學(xué)生學(xué)習(xí)的各種因素。例如，具有不同認知風格、認知策略、建模能力、科學(xué)閱讀能力等特點的學(xué)生，在學(xué)習(xí)期間分別會有何具體表現(xiàn)？具有不同科學(xué)認識觀的學(xué)生如何接受氧化還原反應(yīng)知識的發(fā)展？不同教學(xué)文本和素材又會對學(xué)生產(chǎn)生何種具體影響？類似的問題不勝枚舉，研究者日后可以圍繞多因素間的關(guān)系進行深入探討。

認知診斷是應(yīng)用某些特別的統(tǒng)計模型，通過學(xué)生在一系列有邏輯關(guān)系的學(xué)科問題的反應(yīng)模式，推斷學(xué)生個人對學(xué)科知識的知識結(jié)構(gòu)和掌握程度。尚少見研究者運用規(guī)則空間模型（Rule Space Model）、知識空間理論（Knowledge Space Theory）等統(tǒng)計模型對學(xué)生個人的氧化還原反應(yīng)知識開展認知診斷研究。未來有必要充分發(fā)揮認知診斷理論的研究價值，深度挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)信息和促進研究結(jié)果的革新。

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