高中生氧化還原反應(yīng)三重表征心智模型的測(cè)查研究

張丙香+畢華林

摘要：根據(jù)自編的調(diào)查問卷，對(duì)學(xué)生進(jìn)行了測(cè)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高中生對(duì)氧化還原反應(yīng)這一核心概念的三重表征心智模型是多元的、漸進(jìn)的、情境相依的，不同年級(jí)學(xué)生的心智模型的一致性程度不同，影響因素也不同。

關(guān)鍵詞：高中生；氧化還原反應(yīng)；三重表征；心智模型；測(cè)驗(yàn)方法

文章編號(hào)：1005–6629（2017）9–0013–06 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

德維塔克認(rèn)為在學(xué)生的工作記憶中，化學(xué)概念的三重表征以特殊的方式互相覆蓋，并在可視化方法的支持下，達(dá)成對(duì)現(xiàn)象的合理理解，即形成化學(xué)概念的三重表征心智模型[1]，已有研究涉及到的概念有原子和分子、離子鍵、金屬鍵、化學(xué)平衡、酸和堿[2]、氧化還原反應(yīng)等[3，4]。其中，氧化還原反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)中的一個(gè)核心概念，同時(shí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)中最感困難的概念之一。如果能測(cè)查出學(xué)生氧化還原反應(yīng)三重表征心智模型的類型、分布及其影響因素等特點(diǎn)，便能更好地為化學(xué)教材的編制和化學(xué)教學(xué)提供實(shí)證上的支持，從而改進(jìn)課程或教學(xué)，以更好地促進(jìn)學(xué)生的概念理解。因此，測(cè)查中學(xué)生氧化還原反應(yīng)的三重表征心智模型具有重要的意義。

1 理論基礎(chǔ)

心智模型理論最早由蘇格蘭心理學(xué)家克雷克提出來(lái)。他認(rèn)為個(gè)體心智構(gòu)建現(xiàn)實(shí)的“小型模型”，以預(yù)測(cè)事件、進(jìn)行推理或者把它作為解釋的基礎(chǔ)。就像是一個(gè)工程師為了建造一個(gè)建筑物，通常會(huì)先制造一個(gè)和實(shí)物建筑比例相同的縮小模型一樣，這樣可以預(yù)測(cè)所面臨的問題[5]。雷德認(rèn)為心智模型是人們體會(huì)、了解某個(gè)特定知識(shí)領(lǐng)域的管道或方式，也是認(rèn)知過程中不可或缺的心像元素，因此心智模型扮演著一個(gè)直接表征或類比的角色，其結(jié)構(gòu)反映出事物的相關(guān)狀態(tài)[6]。邱美虹認(rèn)為，心智模型是長(zhǎng)時(shí)記憶中的元素與外界環(huán)境或刺激物交互作用所產(chǎn)生的內(nèi)在表征，因此它會(huì)隨外在人、事、物等變化而改變，具有動(dòng)態(tài)變化特質(zhì)[7]。美國(guó)心理學(xué)家圣吉的《第五項(xiàng)修煉》中也使用了心智模型這一概念。他認(rèn)為，對(duì)一個(gè)人的學(xué)習(xí)而言，最重要的是心智模型的改變，并提出了行動(dòng)學(xué)習(xí)的MBP模型[8]。圣吉的這一觀點(diǎn)引起了很多研究者的關(guān)注，引發(fā)了很多關(guān)于在教育中如何完善心智模型的研究。

對(duì)于概念心智模型發(fā)展的階段性，比較公認(rèn)的是沃斯尼亞杜的分類：初始模型、混合模型、科學(xué)模型[9]。具備了與科學(xué)觀點(diǎn)一致的心智模型，并不意味著個(gè)體其他的心智模型就會(huì)消失，個(gè)體會(huì)根據(jù)情境的不同而自動(dòng)選擇使用某種心智模型。

基于以上認(rèn)識(shí)我們認(rèn)為，心智模型不僅是個(gè)體對(duì)外在事物內(nèi)在表征后形成的概念框架，同時(shí)也是一種動(dòng)態(tài)的內(nèi)在運(yùn)作機(jī)制，影響著個(gè)體對(duì)外在事物進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)的行為與方式。概念框架是指對(duì)概念相關(guān)因素或概念構(gòu)成因素的關(guān)系的認(rèn)識(shí)與建構(gòu)，由于個(gè)體的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的限制，心智模型多是不完善的，但會(huì)隨著知識(shí)的增加，心智模型也會(huì)不斷完善，因此具有發(fā)展的階段性。

2 研究綜述

對(duì)于化學(xué)概念三重表征的研究，內(nèi)容相對(duì)來(lái)講比較集中和深入，但從三重表征心智模型的角度進(jìn)行化學(xué)概念研究的文獻(xiàn)并不多，也沒有涉及到氧化還原反應(yīng)。大陸地區(qū)開展了大量深入的化學(xué)三重表征研究，但從心智模型角度分析學(xué)生的化學(xué)概念理解的很少，有代表性的研究是《關(guān)于中學(xué)生的原子、分子心智模型的研究》[10]。

我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，對(duì)化學(xué)概念的三重表征心智模型的研究比較深入，包含氧化還原反應(yīng)這一化學(xué)概念。如張育倩以問卷為主，對(duì)學(xué)生的氧化還原概念進(jìn)行了研究[11]。她統(tǒng)整出10種心智模型，并將這10種心智模型分為四類：電子模型、氧模型、混合模型和科學(xué)模型。江文瑋利用訪談和二段式診斷題，提出學(xué)生對(duì)氧化還原反應(yīng)的八種心智模型，分別是科學(xué)模型、氧化數(shù)模型、電子模型、氧模型、燃燒模型、時(shí)序模型、途徑模型、合成與分解模型[12]。這些研究有一些相同點(diǎn)：（1）對(duì)氧化還原反應(yīng)心智模型的類型要結(jié)合化學(xué)史上的經(jīng)典范式和學(xué)生的相異構(gòu)想等進(jìn)行劃分，研究方法主要是紙筆測(cè)驗(yàn)和訪談，而紙筆測(cè)驗(yàn)以二段式診斷題為主。（2）對(duì)氧化還原反應(yīng)心智模型的理解可以從三重表征角度去分析。

3 研究方案

3.1 研究目的

研究的主要目的是探查高中不同年級(jí)學(xué)生氧化還原反應(yīng)三重表征心智模型的類型、分布、發(fā)展特點(diǎn)及其影響因素。

3.2 研究樣本

選擇濟(jì)南市一所省級(jí)規(guī)范化普通高中的學(xué)生作為測(cè)試樣本（見表1），在測(cè)試前沒有進(jìn)行任何教學(xué)干預(yù)。根據(jù)學(xué)校的教學(xué)進(jìn)度，選擇在1月份進(jìn)行測(cè)查，這樣全部高中學(xué)生都系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過氧化還原反應(yīng)的知識(shí)，避免出現(xiàn)根本無(wú)法理解試題而胡亂作答的現(xiàn)象。

3.3 研究工具

研究工具為自編的調(diào)查問卷和半結(jié)構(gòu)訪談綱要，采用二段式診斷題的形式，以較好地探查學(xué)生的心智模型，并有利于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)二段式診斷題的編制，我們主要采用的是Treagust的流程[13]。分析高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)氧化還原反應(yīng)的內(nèi)容，界定相關(guān)概念的含義及其關(guān)系，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求制作概念圖。綜述國(guó)內(nèi)外近三十年關(guān)于氧化還原反應(yīng)相異構(gòu)想和氧化還原心智模型的文獻(xiàn)，并結(jié)合對(duì)高中生和三名化學(xué)教師的訪談，獲得學(xué)生對(duì)氧化還原三重表征心智模型的相關(guān)信息，初步確定9種心智模型類型，并編制了調(diào)查問卷初稿。使用SPSS19.0對(duì)問卷測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到的結(jié)果Cronbach α=0.87，大于0.80，測(cè)試結(jié)果具有較好的信度。在對(duì)問卷初測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析后，將心智模型類型修訂為11種。進(jìn)一步測(cè)試，得到的結(jié)果Cronbach α=0.83，大于0.80，因此可以認(rèn)為我們的測(cè)試結(jié)果具有較好的信度。

4 結(jié)果與討論

4.1 高中各年級(jí)學(xué)生氧化還原反應(yīng)三重表征心智模型類型及其分布

對(duì)于高中各年級(jí)學(xué)生在每道題目上的回答情況，只統(tǒng)計(jì)≥5%的數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，對(duì)于氧化還原概念，高中生共具有11種心智模型，不同年級(jí)的心智模型分布不同，詳見表2、表3和圖1。

4.2 高中各年級(jí)學(xué)生氧化還原反應(yīng)三重表征心智模型的影響因素分析

使用單因素方差分析，檢驗(yàn)高中各個(gè)年級(jí)中各類心智模型上的人數(shù)比例是否具有差異性，目的是分析高中各年級(jí)學(xué)生氧化還原反應(yīng)三重表征心智模型的主要影響因素。

為了便于比較，對(duì)心智模型進(jìn)行了編號(hào)，電荷模型編號(hào)為1，電子模型編號(hào)為2，化合價(jià)模型編號(hào)為3，科學(xué)模型編號(hào)為4，可逆模型編號(hào)為5，氫氣模型編號(hào)為6，燃素模型編號(hào)為7，順序模型編號(hào)為8，形式模型編號(hào)為9，氧氣模型編號(hào)為10，氧氫模型編號(hào)為11。

高一年級(jí)學(xué)生持有心智模型人數(shù)比例的單因素方差分析，F(xiàn)值為19.635，p<0.001，說明組間具有顯著性差異，即不同的心智模型在高一年級(jí)中的分布具有顯著性差異。其中，科學(xué)模型和燃素模型、順序模型、電子模型差異不是非常明顯。這說明，影響高一學(xué)生判斷氧化還原反應(yīng)的最主要因素有質(zhì)量守恒定律、電子得失順序和哪種元素得失電子等。與此同時(shí)，科學(xué)模型的人數(shù)百分比明顯高于氧氣模型、形式模型、電荷模型、氧氣模型和可逆模型，其中電荷模型和可逆模型都屬于符號(hào)表征，這說明學(xué)生的符號(hào)表征是比較完善的，沒有顯著干擾學(xué)生的概念判斷。

對(duì)高二年級(jí)學(xué)生在各種心智模型上的人數(shù)百分比進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表5所示。根據(jù)單因素方差分析（ANOVA），F(xiàn)值為44.395，p<0.001，說明組間具有顯著性差異，即不同的心智模型在高二年級(jí)中的分布具有顯著性差異。具體而言，科學(xué)模型和電子模型差異不是非常明顯。這說明，影響高二學(xué)生正確判斷氧化還原反應(yīng)的最主要因素是：學(xué)生不清楚哪種元素得失電子。

就高三年級(jí)學(xué)生持有各心智模型類型的人數(shù)比例進(jìn)行單因素方差分析，F(xiàn)值為210.176，p< 0.001，組間具有顯著性差異，即不同的心智模型在高三年級(jí)中的分布具有顯著性差異。結(jié)果表明，高三年級(jí)中，科學(xué)模型的人數(shù)百分比顯著高于其他模型上的人數(shù)百分比，這說明大多數(shù)學(xué)生基本上能夠正確判斷氧化還原反應(yīng)，具有科學(xué)的心智模型，在此概念理解上沒有顯著性的影響因素。

4.3 高中各年級(jí)學(xué)生使用心智模型的偏好分析

高中各年級(jí)學(xué)生中都存在很多類型的心智模型，那么不同年級(jí)的學(xué)生在遇到問題時(shí)，傾向于使用哪種心智模型解決問題呢？對(duì)此我們進(jìn)行了對(duì)應(yīng)分析，對(duì)學(xué)生在各心智模型上的人數(shù)百分比進(jìn)行了加權(quán)處理，以年級(jí)為行，模型為列，對(duì)應(yīng)分析的結(jié)果如表4、表5所示。

從摘要表中可以看到，第一維度解釋了列聯(lián)表中83.5%的數(shù)據(jù)，第二維解釋了列聯(lián)表中16.5%的數(shù)據(jù)，這兩個(gè)維度可以說明全部數(shù)據(jù)，這是非常理想的?？ǚ街禐?59.462，p<0.001，說明行列維度間具有較強(qiáng)相關(guān)，這為分析不同年級(jí)和心智模型間的關(guān)系提供了統(tǒng)計(jì)依據(jù)，可以進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析，得到的對(duì)應(yīng)分析圖如圖2所示。

首先，使用總體觀察法對(duì)對(duì)應(yīng)圖進(jìn)行解讀，同一象限內(nèi)的點(diǎn)具有較強(qiáng)的相關(guān)或偏好。從圖中可以看到，心智模型和年級(jí)位于不同的象限內(nèi)，因此我們可以判斷，不同年級(jí)的心智模型具有差異。高一年級(jí)和電荷模型、氫氧模型、氧氣模型在同一個(gè)象限，說明這些心智模型出現(xiàn)在高一學(xué)生中的幾率很大。高三年級(jí)和科學(xué)模型在一個(gè)象限內(nèi)，說明高三年級(jí)的學(xué)生在問題解決時(shí)，首先想到的是科學(xué)模型。

其次，使用向量分析法進(jìn)行解讀。如紅線所示，從中心點(diǎn)向高一所在的點(diǎn)連線，使之成為向量，向量正方向?yàn)閺闹行狞c(diǎn)向年級(jí)所在點(diǎn)的方向，然后從不同心智模型所在點(diǎn)向這條向量或延長(zhǎng)線做垂線，垂點(diǎn)越靠近向量正向，表明越偏好這種心智模型。由圖可以看出，三個(gè)年級(jí)中，高一學(xué)生使用電子模型的傾向性大于科學(xué)模型。也可以從中心點(diǎn)和心智模型所在點(diǎn)連線作向量，分析某一個(gè)心智模型在年級(jí)中出現(xiàn)幾率的大小。

再次，可以使用向量的夾角——余弦定理進(jìn)行解讀。如藍(lán)線所示，以中心點(diǎn)向不同年級(jí)所在點(diǎn)連線，我們分別連向高三和高二，如果所形成的夾角是銳角的話，說明兩者具有相似性，如果是鈍角的話，說明兩者在心智模型上具有很大的差異。我們發(fā)現(xiàn)，高二和高三形成的夾角是鈍角，說明高二和高三在心智模型上有差異。依照這種方法連線，可以看出，三個(gè)年級(jí)在心智模型類型上具有很大的差異。

最后，也可以根據(jù)同心圓法進(jìn)行解讀。如以高一所在點(diǎn)為圓心，以不同長(zhǎng)度的半徑畫同心圓，最先出現(xiàn)在半徑最小的圓內(nèi)的心智模型就是高一學(xué)生最傾向于使用的心智模型。以心智模型所在點(diǎn)為圓心進(jìn)行同心圓分析，高一學(xué)生最傾向于使用電子模型，然后是化合價(jià)模型和順序模型。

結(jié)合各年級(jí)學(xué)生心智模型的類型及分布，對(duì)以上分析方法進(jìn)行綜合判斷，我們認(rèn)為，相對(duì)于另外兩個(gè)年級(jí)學(xué)生，高一學(xué)生在解決問題時(shí)，大部分學(xué)生比較喜歡使用電子模型、順序模型和化合價(jià)模型，其次才是科學(xué)模型；高二學(xué)生在遇到問題時(shí)，大部分學(xué)生比較喜歡使用化合價(jià)模型和電子模型，然后才是科學(xué)模型；高三大都比較喜歡使用科學(xué)模型，只有極少學(xué)生使用其他模型。這說明雖然科學(xué)模型在高中三個(gè)年級(jí)中的人數(shù)百分比都是最大的，但是只有高三學(xué)生在遇到問題時(shí)首先想到使用科學(xué)模型，而其他兩個(gè)年級(jí)的學(xué)生首先想到的是一些錯(cuò)誤的心智模型，并且這些錯(cuò)誤的心智模型都屬于微觀表征，說明高中生都知道應(yīng)該依據(jù)微觀表征判斷氧化還原反應(yīng)，但是他們的微觀表征卻存在各種錯(cuò)誤。因此，對(duì)高中生而言，最需要深化微觀表征，從而改善心智模型。

從以上分析可以判斷，隨著年級(jí)的不斷升高，學(xué)生的心智模型逐漸從宏觀模型轉(zhuǎn)向微觀模型，對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解是不斷深入的。

5 研究結(jié)論

5.1 高中不同年級(jí)學(xué)生心智模型的發(fā)展是漸進(jìn)的

各年級(jí)學(xué)生的心智模型都是多元的，但是隨著年級(jí)的增高，學(xué)生心智模型是不斷完善的，呈現(xiàn)漸進(jìn)性發(fā)展的趨勢(shì)。首先主要表現(xiàn)為年級(jí)越高，錯(cuò)誤的心智模型越少，在這些錯(cuò)誤的心智模型上的人數(shù)比例也越少，相應(yīng)的科學(xué)模型的人數(shù)比例顯著增大。其次，從學(xué)生對(duì)心智模型的偏愛來(lái)分析，高一學(xué)生偏愛電子模型、順序和化合價(jià)模型，高二學(xué)生偏愛化合價(jià)模型，高三學(xué)生偏愛科學(xué)模型，因此我們可以理解為學(xué)生的心智模型是漸進(jìn)發(fā)展的。再次，盡管從高一開始，學(xué)生就已經(jīng)擁有了科學(xué)模型，但這并不意味著其他模型都要消失，到了高三也是如此，也有其他的模型存在。這就說明學(xué)生的心智模型的發(fā)展是漸進(jìn)的，而不是突變的。

5.2 高中不同年級(jí)學(xué)生心智模型是情境相依的、不穩(wěn)定的

如果問題是以二段式診斷題的形式出現(xiàn)，那么學(xué)生在很大程度上受限于問題選項(xiàng)，傾向于選擇科學(xué)模型，如果問題是以半結(jié)構(gòu)訪談的形式出現(xiàn)，那么學(xué)生會(huì)使用自己偏愛的心智模型回答問題，并且在經(jīng)過提示后，還是傾向于使用原來(lái)的模型。年級(jí)越高，學(xué)生的心智模型越科學(xué)，受情境干擾的程度越小。但總的來(lái)看，高中各年級(jí)學(xué)生的心智模型還是情境相依的、不穩(wěn)定的。

5.3 高中不同年級(jí)學(xué)生心智模型的一致性程度不同

心智模型越完善，其一致性程度越高。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上看，高一學(xué)生在回答問題時(shí)，出現(xiàn)的心智模型類型很多，在回答相似的問題時(shí)，選項(xiàng)也不盡相同，因此可以推測(cè)他們使用的是不同的心智模型，因此心智模型的一致性程度較低。反觀高三學(xué)生，我們發(fā)現(xiàn)，他們?cè)诨卮鹣嗨频膯栴}時(shí)，出現(xiàn)的選項(xiàng)比較少，因此可以推測(cè)，他們使用的心智模型是特定的，其一致性程度較高。這和結(jié)論2具有異曲同工之妙，心智模型越完善，一致性程度越高，那么受情境影響越小。

5.4 高中不同年級(jí)學(xué)生心智模型的影響因素不同

影響高一年級(jí)學(xué)生氧化還原反應(yīng)三重表征心智模型的主要因素有四種：將氫元素得失作為判斷氧化還原反應(yīng)的依據(jù)、不清楚電子得失順序、不能判斷哪種元素得失電子、不理解質(zhì)量守恒定律。影響高二學(xué)生氧化還原反應(yīng)三重表征心智模型的主要因素有兩種：學(xué)生不清楚哪種元素得失電子、將氫元素的得失作為氧化還原反應(yīng)的判斷依據(jù)。大多數(shù)高三學(xué)生在氧化還原反應(yīng)上都具有科學(xué)的心智模型，能正確理解和判斷這一概念，不存在顯著的影響因素。

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