高中生有機(jī)化學(xué)心智模型探析

摘要：結(jié)合高中有機(jī)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材內(nèi)容提出心智模型框架，通過二段式診斷測驗(yàn)和半結(jié)構(gòu)式訪談等方法探查高二、高三物化班學(xué)生的有機(jī)化學(xué)心智模型。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生有機(jī)化學(xué)心智模型整體相似，均以“結(jié)構(gòu)——性質(zhì)”關(guān)系為核心，但是在微觀層面，對于模型節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系表述還存在精確性問題，在心智模型表述的復(fù)雜性層面，存在著群體性差異。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；心智模型；有機(jī)化學(xué)

文章編號：1005–6629（2016）12–0019–05 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

筆者此前分析了心智模型在中學(xué)化學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀[1]，發(fā)現(xiàn)針對高中生有機(jī)化學(xué)的心智模型的研究尚為空白。而有機(jī)化學(xué)[2]作為高中化學(xué)的重要組成部分，在高考試題中所占比例較大，難度和區(qū)分度較大，得分情況相對不理想。為此，筆者通過半結(jié)構(gòu)式訪談和二段式診斷測驗(yàn)等方法進(jìn)行了相關(guān)研究，試圖探查高中生有機(jī)化學(xué)心智模型的發(fā)展?fàn)顩r，以期為優(yōu)化和改善教學(xué)提供參考依據(jù)。

1 研究的設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 理論基礎(chǔ)

心智模型（Mental Model）概念最早由蘇格蘭心理學(xué)家肯尼斯·克雷克（Kenneth Craik）在1943年提出。他認(rèn)為，人類是資訊的處理器，人類透過三個(gè)明顯的處理過程來進(jìn)行確認(rèn)與推理：（1）運(yùn)用文字、數(shù)字、符號將一些外在事物轉(zhuǎn)譯進(jìn)入個(gè)人內(nèi)在表征；（2）借由一些同類符號的推理過程來推算其他符號的意義；（3）當(dāng)對一個(gè)事件的預(yù)測完成了解時(shí)，一些符號經(jīng)過轉(zhuǎn)譯后會成為個(gè)人的行為[3]。隨后，有不少學(xué)者對心智模型的內(nèi)涵、特征、功能、形成機(jī)制和影響因素等進(jìn)行了深入研究。已有文獻(xiàn)表明，當(dāng)前關(guān)于心智模型影響因素的研究相對較少。但是研究者們普遍認(rèn)為，心智模型是個(gè)體經(jīng)由自身認(rèn)知和外在因素的共同作用下不斷建構(gòu)起來的，個(gè)體的已有知識經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)知能力、認(rèn)知風(fēng)格、學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)環(huán)境、生活背景和家庭環(huán)境等都會影響其建構(gòu)和發(fā)展[4]。

1.2 測驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于有機(jī)化學(xué)的自身特點(diǎn)，需要學(xué)生具有一定的發(fā)散思維和空間想象能力，學(xué)生心智模型中的認(rèn)知角度、認(rèn)知方式和認(rèn)知策略將相應(yīng)匹配，而心智模型中的結(jié)構(gòu)化程度將影響學(xué)習(xí)實(shí)際效果（即也許兩位被試的知識豐富程度接近，但結(jié)構(gòu)化程度差異較大，那么他們的學(xué)習(xí)效果將會差異很大），為此需要采用個(gè)案研究和問卷調(diào)查相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。

測驗(yàn)過程方面，首先采用半結(jié)構(gòu)式訪談和概念圖法進(jìn)行個(gè)案研究，通過繪制思維地圖[5]來了解部分學(xué)生所存在的有機(jī)化學(xué)心智模型，獲得一定數(shù)量的樣本和基礎(chǔ)資料。隨后進(jìn)行以紙筆測驗(yàn)為主的大規(guī)模問卷調(diào)查，且問卷題目、選項(xiàng)均來自于筆者之前進(jìn)行的個(gè)案研究。對思維地圖中所呈現(xiàn)的特點(diǎn)加以驗(yàn)證和有效地補(bǔ)充探查，以深入探查學(xué)生有機(jī)化學(xué)心智模型狀況。

測驗(yàn)內(nèi)容方面，個(gè)案研究由解釋、聯(lián)想、建構(gòu)、應(yīng)用、訪談等五個(gè)部分組成（見圖1）。如訪談，則是為初步了解學(xué)生心智模型中有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)和記憶方式，對某些有機(jī)物性質(zhì)的掌握、有機(jī)化合物的三重表征、有機(jī)化學(xué)與日常生活的聯(lián)系、有機(jī)化學(xué)知識體系的建構(gòu)和豐富程度等。

二段式診斷測驗(yàn)問卷則是在前期的個(gè)案研究、對《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》、教材內(nèi)容和研究目的進(jìn)行梳理的基礎(chǔ)上編制而成。問卷分為四部分，第一部分是指導(dǎo)語和個(gè)人基本信息，包括性別、年級、學(xué)習(xí)興趣和化學(xué)學(xué)習(xí)成績等級。第二部分是選擇題，讓學(xué)生根據(jù)對有機(jī)化學(xué)的基本認(rèn)識回答各題，探查有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)動機(jī)、學(xué)習(xí)興趣、認(rèn)知方式和偏愛的教學(xué)方式。第三部分是二段式多項(xiàng)選擇題，主要從知識的豐富程度、模糊觀念、認(rèn)知策略和問題解決能力等視角調(diào)查學(xué)生有機(jī)化學(xué)知識的心智模型狀況。第四部分是主觀題，共1題，主要通過對多種“兩碳有機(jī)物”建立概念圖，了解有機(jī)化學(xué)知識的認(rèn)知角度、結(jié)構(gòu)化程度和表述的精確性和復(fù)雜性等。

1.3 調(diào)查實(shí)施

筆者選擇了江蘇省某市三所高中高二、高三年級物化班學(xué)生作為研究對象?？紤]到被試的年級、性別、表達(dá)能力以及學(xué)業(yè)成績差異對有機(jī)化學(xué)心智模型產(chǎn)生的影響，分別選擇了口頭表達(dá)能力較好，具有代表性，化學(xué)成績處于不同等級的男生、女生共24名作為個(gè)案研究對象。進(jìn)行大范圍測驗(yàn)前，先做了小樣試測，并根據(jù)測驗(yàn)結(jié)果對問卷進(jìn)行修正。然后采用了整體抽樣方法進(jìn)行測試，且這些學(xué)生的教學(xué)進(jìn)度和教材相同。測試共發(fā)放問卷352份，回收有效問卷344份，問卷回收率97.7%，其中高二學(xué)生178份，高三學(xué)生166份。測試結(jié)果均采用SPSSl7.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 學(xué)生有機(jī)化學(xué)心智模型整體相似，均以“結(jié)構(gòu)——性質(zhì)”關(guān)系為核心

加涅將概念分為具體性概念和定義性概念[6]。筆者通過概念解釋和概念聯(lián)想的方式，要求學(xué)生就高中有機(jī)化學(xué)中的甲烷、苯、聚乙烯等具體性概念和烴的衍生物、同分異構(gòu)體、取代反應(yīng)等定義性概念進(jìn)行闡釋，并繪制思維地圖。其中較具代表性的思維地圖如下（圖2～圖5）。

可見，無論是對具體性概念還是定義性概念，學(xué)生普遍以“結(jié)構(gòu)——性質(zhì)”關(guān)系的心智模型為主，遵循著“結(jié)構(gòu)——性質(zhì)”的建構(gòu)方式（見表1），能從立體結(jié)構(gòu)的角度表征有機(jī)物的結(jié)構(gòu)。

學(xué)生之所以能基本形成以“結(jié)構(gòu)——性質(zhì)”關(guān)系為核心的心智模型，與高中有機(jī)化學(xué)教材的編排、教師的教學(xué)方式有很大聯(lián)系。結(jié)合心智模型的認(rèn)知功能、形成機(jī)制和影響因素，對高中有機(jī)化學(xué)的課程標(biāo)準(zhǔn)、教材、編寫思路和呈現(xiàn)方式進(jìn)行分析，表明高中有機(jī)化學(xué)教材是結(jié)合有機(jī)化學(xué)知識特點(diǎn)和高中學(xué)生的認(rèn)知水平進(jìn)行內(nèi)容組織和編排的，對不同內(nèi)容或知識以不同的方式或程序、不同的層次來呈現(xiàn)，總體上為：元素組成→分子結(jié)構(gòu)→官能團(tuán)→性質(zhì)→合成→應(yīng)用。具體如，對有機(jī)物元素組成問題是從生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，結(jié)合化學(xué)史展示，再通過圖示等方式進(jìn)行元素分析；對有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)問題則從學(xué)生已有認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，結(jié)合相關(guān)資料介紹，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的解釋和應(yīng)用；而對有機(jī)物相關(guān)性質(zhì)則以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為認(rèn)知基點(diǎn)，結(jié)合化學(xué)史料和微觀結(jié)構(gòu)分析、符號表征，再回到宏觀現(xiàn)象的解釋和應(yīng)用。因此，教師在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，都非常注重有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的教學(xué)，在時(shí)間分配、教學(xué)設(shè)計(jì)中都突出了從分子結(jié)構(gòu)的分析來學(xué)習(xí)有機(jī)物的性質(zhì)。

2.2 在微觀層面，對有機(jī)知識存在表述精確性問題和認(rèn)知偏向

以概念聯(lián)想和情景聯(lián)想方式對部分有機(jī)物的性質(zhì)、有機(jī)概念進(jìn)行研究，對獲得的信息數(shù)和信息類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行口語測試。調(diào)查顯示，學(xué)生對于有機(jī)化學(xué)中復(fù)雜知識點(diǎn)的理解不夠透徹，存在較多的個(gè)人概念和模糊觀念，缺乏對概念關(guān)系的建構(gòu)和相近概念的辨析，導(dǎo)致對于有機(jī)化學(xué)知識表述存在精確性問題和認(rèn)知偏向。

比如，對照同分異構(gòu)體的科學(xué)模型（見圖6），在個(gè)案訪談的概念解釋中，部分被試表示對概念不理解，繼續(xù)追問或啟發(fā)引導(dǎo)，也只能列出同分異構(gòu)體相關(guān)的實(shí)例。對“同分異構(gòu)體”思維地圖分析顯示，學(xué)生對定義性概念存在認(rèn)知偏差，僅36.3%的被試能正確描述“分子式相同、結(jié)構(gòu)不同”，并能舉例說明（如正丁烷和異丁烷等）。認(rèn)知偏差主要體現(xiàn)在46.5%認(rèn)為“同分異構(gòu)體具有相似的化學(xué)性質(zhì)”，10.2%認(rèn)為“互為同分異構(gòu)體的物質(zhì)相差一個(gè)或若干個(gè)-CH2”（與同系物的概念混淆），22.7%認(rèn)為“具有相同的官能團(tuán)”等?？梢?，學(xué)生在建構(gòu)和內(nèi)化概念時(shí)，主要從學(xué)科知識角度出發(fā)，也會由個(gè)人經(jīng)驗(yàn)推測或猜測，“顧名思義”地去理解某些有機(jī)概念，而導(dǎo)致形成錯(cuò)誤的或偏差的心智模型。

再如，以“苯的性質(zhì)”為例，研究表明，24名被試的心智模型中對苯的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)等主要停留在書本知識和一些概括性描述或偏向性描述。筆者在問卷調(diào)查中也進(jìn)一步探查了被試對“苯的性質(zhì)”的掌握情況：

提到“苯的性質(zhì)”，你會想到什么，請按先后順序排列（ ）

A.可以燃燒 B.有毒

C.無色無味的液體

D.可以使酸性高錳酸鉀溶液褪色

E.易加成難取代 F.甲苯

綜合個(gè)案研究和問卷調(diào)查結(jié)果（見表2），部分學(xué)生對苯的物理性質(zhì)的表征存在模糊觀念；化學(xué)性質(zhì)方面僅能作概述性描述，如“苯易取代難加成”，來說明苯和氫氣的加成、取代反應(yīng)，鮮有具體的實(shí)例出現(xiàn)，且對具體化學(xué)反應(yīng)的描述僅關(guān)注反應(yīng)物和產(chǎn)物，而忽視了有機(jī)反應(yīng)中隨反應(yīng)條件的變化會產(chǎn)生多樣性產(chǎn)物的特征。其中，45.3%的被試最先想到苯的毒性，94.5%的被試在性質(zhì)選擇中認(rèn)為苯是有毒的，說明消極信息對心智模型的影響較大，被試對一些威脅性的詞語（如：有毒）有一定的記憶偏向；對苯的化學(xué)性質(zhì)存在錯(cuò)誤認(rèn)知，與乙烯的性質(zhì)有所混淆，有61.6%的被試選擇苯可以使酸性高錳酸鉀溶液褪色，10.5%最先提到該性質(zhì)。

調(diào)查中，大部分學(xué)生體現(xiàn)出對有機(jī)化學(xué)相關(guān)知識的記憶主要是機(jī)械記憶，而在意義記憶、組織策略和精加工策略方面有待加強(qiáng)，導(dǎo)致對相關(guān)知識的記憶準(zhǔn)確度、豐富程度和關(guān)聯(lián)程度相對不足，容易出現(xiàn)記憶混淆或迷思概念。奧斯本和維特洛克曾指出，在教學(xué)前很有必要先了解學(xué)習(xí)者的心智模型，如果學(xué)習(xí)者的已有知識不足，會發(fā)生學(xué)習(xí)困難；學(xué)習(xí)過程中不同學(xué)習(xí)者持有的心智模型也有差異，在教學(xué)過程中要注意知識的呈現(xiàn)方式和先后順序，以期能幫助學(xué)習(xí)者的心智模型有效運(yùn)作[8]。因此，教師要結(jié)合學(xué)生已有知識和經(jīng)驗(yàn)，從分子結(jié)構(gòu)、生活實(shí)際、已有認(rèn)知等方面創(chuàng)設(shè)和優(yōu)化教學(xué)情境，多樣化組織教學(xué)，指導(dǎo)認(rèn)知策略的訓(xùn)練和應(yīng)用，引領(lǐng)學(xué)生自主、有序建構(gòu)有機(jī)知識網(wǎng)絡(luò)。

2.3 在表述復(fù)雜性層面，模型節(jié)點(diǎn)關(guān)系和認(rèn)知結(jié)構(gòu)化程度存在群體性差異

佳克博和肖將心智模型看作是個(gè)人建構(gòu)的內(nèi)在的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，它是個(gè)人基于經(jīng)驗(yàn)以及正式知識而形成的概念框架，讓人們能夠預(yù)測行動的結(jié)果，而且可以借此理解和說明個(gè)體自身所處的環(huán)境[9]。

筆者通過概念聯(lián)想，要求學(xué)生聯(lián)想出與核心概念相關(guān)的其他的概念、實(shí)例、化學(xué)反應(yīng)、實(shí)驗(yàn)、性質(zhì)等，在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生將聯(lián)想出的概念建構(gòu)概念網(wǎng)絡(luò)圖，以此診斷學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)化程度。對24名個(gè)案研究對象所建構(gòu)的“乙醇”概念圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表3），結(jié)果表明，學(xué)生對“乙醇”概念圖主要從分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途三個(gè)角度進(jìn)行建構(gòu)，其中化學(xué)性質(zhì)掌握相對較好，物理性質(zhì)的描述相對簡單。其中16名被試建構(gòu)的概念圖層級數(shù)為兩層，但是涵蓋的信息量、知識的豐富程度和結(jié)構(gòu)化程度差異較大。

個(gè)案研究也顯示，高三學(xué)生建構(gòu)的概念圖的表征角度較清晰，但是信息涵蓋量不及高二。訪談表明，其時(shí)的高三學(xué)生尚未進(jìn)行較系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，但在高二后階段為迎接期末考試而進(jìn)行了總結(jié)性復(fù)習(xí)；而高二學(xué)生則為新學(xué)內(nèi)容，記憶比較清晰，呈現(xiàn)的知識點(diǎn)相對全面卻混亂。

同時(shí)，筆者在大規(guī)模調(diào)查問卷中設(shè)計(jì)題目：

用箭頭將下列概念建立知識網(wǎng)絡(luò)，并在線條上注明概念間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

乙烷、乙烯、溴乙烷、乙醚、乙醇、乙醛、乙酸、乙酸乙酯

通過被試建構(gòu)的概念圖來進(jìn)一步探查學(xué)生有機(jī)化學(xué)知識的豐富程度、結(jié)構(gòu)化程度和有機(jī)化學(xué)三重表征狀況，其中高二學(xué)生建構(gòu)率為31.5%，高三學(xué)生建構(gòu)率為78.9%（見表4）。筆者對未建構(gòu)的被試進(jìn)行抽樣訪談，發(fā)現(xiàn)“牽扯到的物質(zhì)太多了，看起來覺得很難了”、“遇到這樣題目就覺得煩，不會做，也不愿意去做”、“答卷時(shí)間不夠，沒有時(shí)間思考”是其主要原因。

調(diào)查還顯示，將被試建構(gòu)的概念圖按照年級和成績差異排列之后，發(fā)現(xiàn)化學(xué)成績與學(xué)生建構(gòu)出的概念圖的豐富程度、結(jié)構(gòu)化程度和正確性呈顯著相關(guān)（p<0.01），而性別方面則無顯著差異。而且相對于依據(jù)教材形成的關(guān)于乙烷的科學(xué)心智模型（見圖7），化學(xué)成績較好（期末化學(xué)成績A等級）的學(xué)生能夠從“宏觀-微觀-符號”三重表征的角度建構(gòu)，建構(gòu)出的概念圖信息量較大，結(jié)構(gòu)化程度高，精細(xì)化程度好，模糊觀念和錯(cuò)誤認(rèn)知相對較少（見圖8）；而其他大部分學(xué)生是采用部分文字加化學(xué)符號進(jìn)行表征，有些學(xué)生僅能用少許文字建構(gòu)很簡單的網(wǎng)絡(luò)圖，或者是錯(cuò)誤的表征和建構(gòu)。同時(shí)，被試對于乙醚、乙烯與乙酸、乙醇與乙酸的相互轉(zhuǎn)化、溴乙烷到乙烯的轉(zhuǎn)化、酯化反應(yīng)的可逆反應(yīng)過程等易發(fā)生遺忘，對乙醚和二甲醚、酯化反應(yīng)、取代反應(yīng)等也存在著模糊觀念。

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，知識的結(jié)構(gòu)化過程可以看作是一個(gè)同化和順應(yīng)的過程。通過同化和順應(yīng)充實(shí)與完善已有知識，將所學(xué)新知識納入到原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。我們?nèi)パ芯總€(gè)體的心智模型，不僅要去了解其知識的豐富程度、認(rèn)識角度以及經(jīng)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也要看它的結(jié)構(gòu)化程度，其結(jié)構(gòu)化程度決定了心智模型在應(yīng)用過程中發(fā)揮的效能[10]。因此，在高中有機(jī)化學(xué)教學(xué)過程中，教師需要進(jìn)一步加強(qiáng)概念圖的教學(xué)，優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，提升學(xué)生三重表征能力，促進(jìn)知識的結(jié)構(gòu)化，改善和豐富有機(jī)化學(xué)心智模型。

3 結(jié)語

筆者在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，積極開展基于心智模型轉(zhuǎn)變的高中有機(jī)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐，嘗試打破原有的教材架構(gòu)，整合重組高中有機(jī)化學(xué)內(nèi)容，在繼續(xù)完善“結(jié)構(gòu)——性質(zhì)”為核心的心智模型的基礎(chǔ)上，豐富認(rèn)知角度和情境經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)化認(rèn)知策略，嘗試以思維導(dǎo)圖教學(xué)促進(jìn)有機(jī)化學(xué)知識的結(jié)構(gòu)化程度，優(yōu)化三重表征心智模型，提高表述的精確性、復(fù)雜性和豐富程度。

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