手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)的深度融合：從“研究案例”到“認(rèn)知模型”*
——TQVC概念認(rèn)知模型的建構(gòu)

王立新錢(qián)揚(yáng)義 蘇華虹 陳博殷梁宏宇

（1.華南師范大學(xué) 心理學(xué)院，廣東廣州 510631；2.華南師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東廣州 510006；3.佛山市第一中學(xué)，廣東佛山 528000；4.廣州市第七中學(xué)，廣東廣州 510080）

一、問(wèn)題的提出

教育信息化是信息技術(shù)和教育教學(xué)不斷融合發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程，是我國(guó)教育改革和發(fā)展的重要內(nèi)容[1]。隨著教育信息化建設(shè)的推進(jìn)和基礎(chǔ)教育課程改革的深化，傳統(tǒng)的知識(shí)感知與建構(gòu)方式產(chǎn)生了重大變革[2]，網(wǎng)絡(luò)時(shí)代也為教育跳出某些固定模式提供了契機(jī)[3]。手持技術(shù)便是之一，它是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套的軟件組成的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以定量地測(cè)量教育過(guò)程中涉及的各類科學(xué)數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)可視的圖像信息，實(shí)時(shí)綜合地顯示實(shí)驗(yàn)的變化過(guò)程。通過(guò)手持技術(shù)進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，既體現(xiàn)了基礎(chǔ)教育改革的思想與理念，又符合學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律[4-5]。國(guó)內(nèi)手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)的融合起始于“研究案例”的開(kāi)發(fā)[6]。手持技術(shù)研究案例在早期化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，體現(xiàn)出極為重要的理論與實(shí)踐價(jià)值，但隨著域內(nèi)研究的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)案例的開(kāi)發(fā)越來(lái)越難，且案例層面的研究也無(wú)法滿足新課程背景下手持技術(shù)與化學(xué)教學(xué)深度融合的需求。

概念是人腦對(duì)客觀事物本質(zhì)特征的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念的正確理解和建構(gòu)是中小學(xué)課堂教學(xué)的重要任務(wù)[7]?；瘜W(xué)教學(xué)中的很多概念是從微觀層面界定的，因其涉及的抽象內(nèi)涵不易被直接感知，傳統(tǒng)教學(xué)主要停留在學(xué)生對(duì)概念的機(jī)械記憶上。手持技術(shù)是一種先進(jìn)的教育信息技術(shù)，具有定量化和可視化特點(diǎn)[8]，可作為認(rèn)知工具幫助學(xué)生克服化學(xué)概念學(xué)習(xí)中的“認(rèn)知難點(diǎn)”[9]，使他們?cè)诂F(xiàn)有認(rèn)知發(fā)展水平上，科學(xué)感知與建構(gòu)抽象化學(xué)概念。已有實(shí)證研究表明，手持技術(shù)對(duì)概念學(xué)習(xí)的確有促進(jìn)作用[10-11]，但尚未有研究從心理層面探討手持技術(shù)如何促進(jìn)概念學(xué)習(xí)。

基于上述背景，我們根據(jù)認(rèn)知-建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，在分析已有研究案例的基礎(chǔ)上，首次提出基于手持技術(shù)的TQVC概念認(rèn)知模型，即轉(zhuǎn)化（Transformation）-量化感知（Quantitative Perception）-視覺(jué)感知（Visual Perception）-比較（Compare）概念認(rèn)知模型，嘗試性地解決以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）學(xué)生在手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，建構(gòu)概念經(jīng)歷怎樣的認(rèn)知過(guò)程；（2）手持技術(shù)在概念建構(gòu)中如何發(fā)揮促進(jìn)作用。

基于手持技術(shù)的TQVC概念認(rèn)知模型，豐富了手持技術(shù)在認(rèn)知心理層面的研究?jī)?nèi)容，有助于教師從心理層面，分析學(xué)生在手持技術(shù)支持下的概念認(rèn)知規(guī)律，并根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律與具體教學(xué)情境，進(jìn)行科學(xué)有效的信息化概念教學(xué)；為學(xué)生科學(xué)建構(gòu)概念提供新的思考途徑，包括手持技術(shù)學(xué)習(xí)環(huán)境下概念的轉(zhuǎn)化、測(cè)量、呈現(xiàn)與比較等過(guò)程，幫助學(xué)生建立起新舊概念間的實(shí)質(zhì)聯(lián)系，提高建構(gòu)主義教學(xué)模式下學(xué)習(xí)的有效性。

二、手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)的初級(jí)融合：研究案例

手持技術(shù)研究案例是指利用手持技術(shù)開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)案例及其在教學(xué)中的應(yīng)用。手持技術(shù)最早由華南師范大學(xué)錢(qián)揚(yáng)義教授于1998年引入到國(guó)內(nèi)化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域[12]。此后，隨著域內(nèi)研究人員對(duì)手持技術(shù)認(rèn)識(shí)的逐漸深入，手持技術(shù)研究案例不斷涌現(xiàn)。

（一）手持技術(shù)研究案例的分類及舉例

1.手持技術(shù)的基礎(chǔ)研究

手持技術(shù)的基礎(chǔ)研究是指利用手持技術(shù)某種或幾種傳感器的結(jié)合，針對(duì)特定主題（如，科學(xué)現(xiàn)象、化學(xué)概念或原理）進(jìn)行定量化與可視化實(shí)驗(yàn)探究，從而獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)或突破教學(xué)重難點(diǎn)的研究案例。按其內(nèi)容又可分為兩種類型：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)）和教學(xué)應(yīng)用（突破教學(xué)重難點(diǎn)），如表1所示。

表1 手持技術(shù)的基礎(chǔ)研究舉例

續(xù)表

2.數(shù)字化微型氣象站研究

數(shù)字化微型氣象站研究是將手持技術(shù)的“基礎(chǔ)研究”組合在一起，實(shí)現(xiàn)某種特定功能、用于氣象監(jiān)測(cè)的“組合研究”?；谑殖旨夹g(shù)的“數(shù)字化微型氣象站”，由太陽(yáng)能供電裝置、傳感器、多功能數(shù)據(jù)采集器、無(wú)線電數(shù)據(jù)收發(fā)模塊以及配套的數(shù)據(jù)處理軟件“Weather-Lab”組成，該系統(tǒng)能將各類傳感器組合起來(lái)，便攜、定量、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量各類氣象數(shù)據(jù)，如，風(fēng)向及風(fēng)速、氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、雨量等。運(yùn)用“數(shù)字化微型氣象站”進(jìn)行科學(xué)教育，可以增長(zhǎng)學(xué)生的科學(xué)知識(shí)，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)觀以及培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)品質(zhì)[45]?，F(xiàn)有的數(shù)字化微型氣象站研究案例，均屬于教學(xué)應(yīng)用類型，如表2中的舉例所示。

表2 數(shù)字化微型氣象站研究案例舉例

3.520遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究

520遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是由華南師范大學(xué)錢(qián)揚(yáng)義教授在手持技術(shù)的“基礎(chǔ)研究”和“組合研究”（數(shù)字化微型氣象站研究）基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)采集器、傳感器、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自主開(kāi)發(fā)的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新型遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[49]。基于手持技術(shù)的“520遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”（http∶//www.520hx.com.cn/520chemlab/），允許實(shí)驗(yàn)者在網(wǎng)絡(luò)上通過(guò)客戶端的計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)程控制另外地點(diǎn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化真實(shí)儀器，這些儀器測(cè)量的真實(shí)客觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)視頻圖像，通過(guò)攝像頭反饋到客戶端的計(jì)算機(jī)顯示屏上，在異地開(kāi)展一系列的真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[50-51]?！?20遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”可以給學(xué)生提供獨(dú)立自主的探究機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的定量思維和數(shù)據(jù)處理分析能力。520遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究案例，按其內(nèi)容可分為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類和教學(xué)應(yīng)用類，舉例如表3所示。

表3 520遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究案例舉例

4.各類手持技術(shù)研究案例的關(guān)系

手持技術(shù)研究案例按研究方向可分為三類：（1）手持技術(shù)的基礎(chǔ)研究；（2）數(shù)字化微型氣象站研究；（3）520遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究。其中，大多數(shù)研究屬于手持技術(shù)的基礎(chǔ)研究，數(shù)字化微型氣象站研究是在“基礎(chǔ)研究”上拓展出來(lái)的“組合研究”，520遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究是在“基礎(chǔ)研究”和“組合研究”的基礎(chǔ)上自主開(kāi)發(fā)的“創(chuàng)新研究”。各類手持技術(shù)研究案例根據(jù)研究?jī)?nèi)容又可分為兩類：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和教學(xué)應(yīng)用。各類手持技術(shù)研究案例的關(guān)系如圖1所示。

（二）手持技術(shù)研究案例的價(jià)值

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中占有十分重要的地位。在手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)的動(dòng)態(tài)融合過(guò)程中，各類型研究案例在化學(xué)學(xué)科的科學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，均發(fā)揮出極為重要的促進(jìn)作用，但現(xiàn)階段研究案例的開(kāi)發(fā)越來(lái)越難，且案例層面的研究，也無(wú)法滿足新課程背景下手持技術(shù)與化學(xué)教學(xué)深度融合的需要。為此，錢(qián)揚(yáng)義教授工作室經(jīng)過(guò)20年的不斷探索，將手持技術(shù)研究從宏觀層面的“研究案例”開(kāi)發(fā)，逐漸深入至微觀層面的“認(rèn)知模型”建構(gòu)，TQVC概念認(rèn)知模型正是這一研究階段提出的重要研究成果。

圖1 各類手持技術(shù)研究案例的關(guān)系

三、手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)的深度融合：TQVC概念認(rèn)知模型

（一）理論基礎(chǔ)

基于手持技術(shù)的TQVC概念認(rèn)知模型，以認(rèn)知-建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)。認(rèn)知-建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是意義建構(gòu)的過(guò)程[54-55]，是通過(guò)新舊經(jīng)驗(yàn)的相互作用而形成、豐富和調(diào)整自己認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過(guò)程，新經(jīng)驗(yàn)要獲得意義需要以原來(lái)的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，從而融入到原來(lái)的經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中。同時(shí)，新經(jīng)驗(yàn)的進(jìn)入，又會(huì)使原有的經(jīng)驗(yàn)發(fā)生一定改變，使它得到豐富、調(diào)整或改造[56-57]。

學(xué)習(xí)材料的內(nèi)在本質(zhì)特征以及材料的組織和呈現(xiàn)方式，可以影響到學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果，當(dāng)學(xué)生接觸某一新概念時(shí)，認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有哪些先備知識(shí)，這些先備知識(shí)如何與新概念建立起實(shí)質(zhì)性的、非人為的聯(lián)系，將是學(xué)生科學(xué)建構(gòu)新概念的關(guān)鍵[58-59]。手持技術(shù)在學(xué)生建構(gòu)抽象化學(xué)概念過(guò)程中，可以充分發(fā)揮“認(rèn)知腳手架”的作用，幫助學(xué)生建立起陌生概念與熟悉概念間的實(shí)質(zhì)知識(shí)關(guān)聯(lián)，科學(xué)建構(gòu)抽象的化學(xué)概念。

（二）建構(gòu)過(guò)程

1.建立化學(xué)概念與手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)關(guān)聯(lián)

化學(xué)概念的科學(xué)學(xué)習(xí)，依賴于實(shí)驗(yàn)中獲得的感性知識(shí)，從感性知識(shí)中抽取共同特點(diǎn)加以概括則得概念[60]。任何一個(gè)化學(xué)概念都可以設(shè)計(jì)成實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，而任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)都必須包括兩個(gè)要素：可操作的實(shí)驗(yàn)對(duì)象（物質(zhì)）和可觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)變量（屬性），因此，借助手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建構(gòu)某一目標(biāo)概念時(shí)，首先需確定與這一概念相關(guān)聯(lián)的可操作的具體物質(zhì)和可測(cè)量的具體屬性。

學(xué)生在學(xué)習(xí)目標(biāo)概念時(shí)，認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已存在大量的與之相關(guān)的日常生活經(jīng)驗(yàn)和已習(xí)得的科學(xué)知識(shí)，如果目標(biāo)概念可以與認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的已有知識(shí)建立起實(shí)質(zhì)關(guān)聯(lián)，則概念的科學(xué)建構(gòu)更易于完成，因此，目標(biāo)概念的關(guān)聯(lián)物質(zhì)與關(guān)聯(lián)屬性，最好從學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中尋找。另一方面，手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括多種與某一屬性對(duì)應(yīng)的屬性傳感器，可測(cè)量的科學(xué)數(shù)據(jù)有溫度、pH、電流、電壓、光強(qiáng)度、力、氣壓、溶解氧、電導(dǎo)率、二氧化碳濃度、色度等，因此，目標(biāo)概念的關(guān)聯(lián)屬性，須是可以通過(guò)手持技術(shù)某一屬性傳感器，直接測(cè)量的物理量或化學(xué)量。

2.分析手持技術(shù)環(huán)境下的概念認(rèn)知過(guò)程

手持技術(shù)數(shù)據(jù)采集器，可同時(shí)與多個(gè)傳感器連接，采集多種物質(zhì)或環(huán)境的某種屬性。教師在設(shè)計(jì)手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可選取與目標(biāo)概念關(guān)聯(lián)的若干種具體物質(zhì)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并精確測(cè)量、直觀呈現(xiàn)、綜合比較這幾種具體物質(zhì)所表現(xiàn)出來(lái)的目標(biāo)概念的關(guān)聯(lián)屬性，將目標(biāo)概念的本質(zhì)內(nèi)涵展現(xiàn)在學(xué)生面前，幫助學(xué)生在現(xiàn)有認(rèn)知發(fā)展水平上，親身體驗(yàn)概念的生成過(guò)程，實(shí)現(xiàn)陌生概念的科學(xué)建構(gòu)。我們通過(guò)對(duì)已有研究案例的分析發(fā)現(xiàn)，手持技術(shù)環(huán)境下的概念認(rèn)知過(guò)程主要包括：

（1）轉(zhuǎn)化（Transformation）。 學(xué)生在教師的科學(xué)引導(dǎo)下，從目標(biāo)概念出發(fā)，用適當(dāng)?shù)姆绞奖碚髂繕?biāo)概念與認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有知識(shí)間的聯(lián)系，將陌生的抽象概念逐步轉(zhuǎn)化為熟悉的概念關(guān)聯(lián)屬性，轉(zhuǎn)化后的關(guān)聯(lián)屬性，可通過(guò)手持技術(shù)的某一傳感器直接測(cè)量。

（2）量化感知（Quantitative Perception）。 利用手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)、精確地測(cè)量由目標(biāo)概念轉(zhuǎn)化而來(lái)的關(guān)聯(lián)屬性，讓學(xué)生在定量思維中量化感知目標(biāo)概念的屬性變化，構(gòu)建起使新舊知識(shí)發(fā)生聯(lián)系的橋梁，降低對(duì)新概念學(xué)習(xí)的陌生感。

（3）視覺(jué)感知（Visual Perception）。抽象知識(shí)的科學(xué)學(xué)習(xí)離不開(kāi)感性材料的支持，手持技術(shù)及其配套軟件所繪制的屬性曲線圖像，具有直觀性、可視性，可以為學(xué)生建構(gòu)抽象的目標(biāo)概念，提供強(qiáng)有力的感性支撐，并在學(xué)生頭腦中生成可操作的曲線表象[61]，有助于克服概念學(xué)習(xí)中的認(rèn)知難點(diǎn)。

（4）比較（Compare）。學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)背景比較多條曲線，并對(duì)曲線所負(fù)載的信息進(jìn)行深入地分析、解釋以及推理，最終將新舊知識(shí)建立起實(shí)質(zhì)性的、非人為的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)陌生抽象概念的科學(xué)感知與建構(gòu)。

通過(guò)對(duì)以上四個(gè)認(rèn)知過(guò)程進(jìn)行整合，我們建構(gòu)基于手持技術(shù)的TQVC概念認(rèn)知模型，即轉(zhuǎn)化（Transformation）-量化感知（Quantitative Perception）-視覺(jué)感知（Visual Perception）-比較（Compare）概念認(rèn)知模型。

（三）模型內(nèi)涵

TQVC概念認(rèn)知模型是以認(rèn)知-建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為理論基礎(chǔ)，以手持技術(shù)為技術(shù)支持，學(xué)習(xí)者將目標(biāo)概念的關(guān)鍵內(nèi)涵，轉(zhuǎn)化為認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的概念關(guān)聯(lián)屬性，再量化感知由手持技術(shù)某種屬性傳感器同步測(cè)得的多種目標(biāo)概念關(guān)聯(lián)物質(zhì)的屬性數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步視覺(jué)感知直觀的屬性曲線，在比較參照思維中，科學(xué)建構(gòu)抽象的概念。模型內(nèi)容如圖2所示。

圖2 基于手持技術(shù)的TQVC概念認(rèn)知模型

四、TQVC概念認(rèn)知模型在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

我們選取高中微觀化學(xué)概念“分子間作用力”為例，詳細(xì)說(shuō)明基于手持技術(shù)的TQVC概念認(rèn)知模型，如何應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。案例中采用的手持技術(shù)是指由數(shù)據(jù)采集器、4個(gè)相同型號(hào)的接觸式溫度傳感器（0-110℃）及配套軟件組成，并能與計(jì)算機(jī)連接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器探頭與待測(cè)物質(zhì)直接接觸，能實(shí)時(shí)定量地測(cè)量待測(cè)物質(zhì)的溫度及其變化，并在電腦屏幕上為學(xué)生呈現(xiàn)直觀可視的溫度曲線圖像。

（一）微觀概念“分子間作用力”的認(rèn)知現(xiàn)狀

分子間作用力是把分子聚集在一起的作用力，是人教版高中化學(xué)必修2及選修3“分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的核心概念，關(guān)于其大小的比較，教材中僅用一句話概括：相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大；分子的極性越大，分子間作用力也越大[62-63]。由于分子間作用力不可直接測(cè)量，且高中階段還沒(méi)有涉及與分子間作用力本質(zhì)內(nèi)涵相關(guān)的原理，傳統(tǒng)教學(xué)尚停留在學(xué)生對(duì)“分子間作用力”相關(guān)規(guī)律的機(jī)械記憶上。為了幫助學(xué)生從微觀層面科學(xué)地感知和比較不同分子的分子間作用力大小，需將分子間作用力轉(zhuǎn)化成學(xué)生可以感知到的認(rèn)識(shí)水平，采用符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的手段進(jìn)行教學(xué)。

蘇華虹和錢(qián)揚(yáng)義[64]利用手持技術(shù)溫度傳感器，比較分子間作用力的大小，通過(guò)直觀、簡(jiǎn)單易操作的實(shí)驗(yàn)手段，促進(jìn)學(xué)生對(duì)微觀概念“分子間作用力”的科學(xué)建構(gòu)，該案例是基于手持技術(shù)的TQVC概念認(rèn)知模型的具體實(shí)踐應(yīng)用。

（二）“分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型的四個(gè)階段

1.轉(zhuǎn)化（Transformation）

由人教版必修2的化學(xué)教材可知，分子間作用力在宏觀層面會(huì)影響由分子構(gòu)成的物質(zhì)的蒸發(fā)過(guò)程，蒸發(fā)是在任何溫度下都能發(fā)生并只發(fā)生在液體表面的液體汽化過(guò)程；微觀層面上表現(xiàn)為液體表面有一些分子脫離液體體系，變成氣態(tài)分子的過(guò)程，該過(guò)程需要消耗能量克服分子間的作用力，導(dǎo)致剩余液體的能量降低，溫度下降。

在教學(xué)中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，對(duì)分子間作用力與蒸發(fā)過(guò)程溫度變化的關(guān)系，可以理解到以下層面：分子間作用力小的液體，表面分子越容易克服分子間作用力而“跑掉”；在一定時(shí)間內(nèi)，蒸發(fā)得越多，對(duì)剩余液體的能量消耗越多，其溫度下降速度也越快。因此，可以通過(guò)測(cè)量、比較相同時(shí)間、等體積的同類液體物質(zhì)在蒸發(fā)過(guò)程中剩余部分液體的溫度，來(lái)定量比較它們的分子間作用力大小。

2.量化感知（Quantitative Perception）

設(shè)計(jì)手持技術(shù)探究實(shí)驗(yàn)，將分子間作用力，轉(zhuǎn)化成液體分子蒸發(fā)后剩余液體分子的溫度進(jìn)行表征和比較，幫助學(xué)生建構(gòu)“分子間作用力”概念。過(guò)程如下：選取常溫下易揮發(fā)且結(jié)構(gòu)相似的液體——甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在四個(gè)型號(hào)相同的溫度傳感器的有效部位（探頭），卷上相同大小的白紗布；將卷有白紗布的溫度探頭①、②、③、④分別同時(shí)浸入裝有甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇的燒杯中，以潤(rùn)濕白紗布；再經(jīng)過(guò)5s后，同時(shí)將四個(gè)溫度探頭提起來(lái)，平行放在實(shí)驗(yàn)架上，液態(tài)醇隨即開(kāi)始在溫度探頭上蒸發(fā)，實(shí)驗(yàn)者實(shí)時(shí)觀察溫度讀數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)裝置和液體蒸發(fā)過(guò)程體系能量變化，如圖3所示。

圖3 手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置

3.視覺(jué)感知（Visual Perception）

“分子間作用力”經(jīng)轉(zhuǎn)化為“溫度”曲線后，具有了可視性，手持技術(shù)可呈現(xiàn)出直觀可視的溫度曲線圖像，學(xué)生通過(guò)圖像可以直觀地“看到”四種液態(tài)醇的溫度下降速率順序，進(jìn)而通過(guò)視覺(jué)通道，感知它們的分子間作用力大小。

4.比較（Compare）

學(xué)生對(duì)“分子間作用力”的認(rèn)知，可通過(guò)實(shí)時(shí)比較四種相似物質(zhì)蒸發(fā)時(shí)剩余液體的溫度曲線而間接完成。四種液態(tài)醇的溫度下降速率順序?yàn)椋杭状迹疽掖迹菊迹菊〈?。通過(guò)分析可以得出，四種液態(tài)醇分子間作用力大小順序?yàn)椋赫〈迹菊迹疽掖迹炯状肌W(xué)生表面上比較的是曲線變化，實(shí)質(zhì)上比較的是分子間作用力以及分子結(jié)構(gòu)——上述四種醇類，其分子間色散力是主要的分子間作用力，而分子間產(chǎn)生色散力的前提是分子發(fā)生變形，導(dǎo)致分子電荷分布不均勻并在內(nèi)部形成瞬時(shí)偶極矩，因此，分子越易變形，分子間的色散力就越大。

學(xué)生盡管在中學(xué)階段尚不能理解分子間作用力的本質(zhì)，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，并對(duì)曲線進(jìn)行比較分析，有助于他們進(jìn)一步印證理解教材中呈現(xiàn)的規(guī)律——組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大。

五、TQVC概念認(rèn)知模型在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用效果

我們以“分子間作用力”概念學(xué)習(xí)為例，針對(duì)學(xué)習(xí)者開(kāi)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證模型的應(yīng)用效果。研究對(duì)象選?。◤V東?。┓鹕绞械谝恢袑W(xué)的高一學(xué)生30名，其中，男生15名，女生15名，最近一次化學(xué)學(xué)習(xí)成績(jī)高、中、低三個(gè)水平各10名，年齡范圍15-17歲。

研究工具采用自編的“手持技術(shù)支持下‘分子間作用力’概念學(xué)習(xí)過(guò)程”問(wèn)卷，由8個(gè)開(kāi)放性問(wèn)答題構(gòu)成，用于調(diào)查“分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型的應(yīng)用可行性和應(yīng)用有效性。調(diào)查內(nèi)容主要包括：（1）學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知發(fā)展水平能否理解“分子間作用力”與“能量”的關(guān)系，能否理解“能量”與“溫度”的關(guān)系？（2）學(xué)生將“分子間作用力”轉(zhuǎn)化為認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有概念“溫度”，是否具有可行性？（3）手持技術(shù)提供的精確數(shù)據(jù)、直觀曲線、同步比較等環(huán)節(jié)，是否對(duì)概念建構(gòu)有幫助，有哪些幫助？（4）如何通過(guò)比較溫度以及溫度曲線建構(gòu)“分子間作用力”概念？（5）TQVC概念認(rèn)知模型是否有助于學(xué)生建構(gòu)“分子間作用力”概念（綜合效果）？

本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究于2017年7月6日上午9：40至10∶20在佛山市第一中學(xué)某課室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)前，研究者向每名參與者發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷（共30份）并做簡(jiǎn)要填答說(shuō)明；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由研究者演示手持技術(shù)案例——基于“手持技術(shù)”實(shí)驗(yàn)，比較液體有機(jī)物分子間作用力大小；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)演示內(nèi)容和自己的實(shí)際思考過(guò)程，填答調(diào)查問(wèn)卷，最后回收有效問(wèn)卷30份。研究者瀏覽問(wèn)卷并針對(duì)問(wèn)卷填答不清楚的內(nèi)容訪談學(xué)生，進(jìn)一步獲取學(xué)習(xí)過(guò)程信息。

30份原始填答的問(wèn)卷，經(jīng)三名研究者（均系本文作者）共同整理成2904字文本資料，并進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示。

表4 “分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型的應(yīng)用效果

六、TQVC概念認(rèn)知模型的教師評(píng)價(jià)

我們以“分子間作用力”概念學(xué)習(xí)為例，針對(duì)教師開(kāi)展調(diào)查研究，以評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用效果。

（一）研究對(duì)象

研究對(duì)象為“國(guó)培計(jì)劃（2016）”示范性項(xiàng)目——一線優(yōu)秀教師培訓(xùn)技能提升研修項(xiàng)目“高中化學(xué)研修班”的49名化學(xué)老師。其中，男教師30人，女教師19人，被試平均年齡38歲，有正高職稱3人，副高職稱27人。本研究采用方便取樣法，樣本為來(lái)自全國(guó)各地資深的中學(xué)一線教師，對(duì)于國(guó)內(nèi)在職中學(xué)化學(xué)骨干教師總體具有較好的代表性。

（二）研究工具

研究采用自編的“分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型評(píng)價(jià)問(wèn)卷。問(wèn)卷包括兩個(gè)主要部分：一是“TQVC概念認(rèn)知模型”的簡(jiǎn)介，包括模型的提出背景、內(nèi)容和應(yīng)用，此部分的設(shè)置目的是讓教師在充分了解模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)價(jià)；二是“TQVC概念認(rèn)知模型”的評(píng)價(jià)，此部分設(shè)置了3個(gè)維度，共11個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目采用5點(diǎn)評(píng)分，1代表不同意項(xiàng)目陳述，5代表同意項(xiàng)目陳述，中間分?jǐn)?shù)代表對(duì)項(xiàng)目陳述的中間態(tài)度。

3個(gè)維度分別是：（1）模型的可理解性；（2）模型的環(huán)節(jié)合理性；（3）模型的效能性。其中，維度1設(shè)置了5個(gè)項(xiàng)目，分別用于評(píng)價(jià)模型“轉(zhuǎn)化”環(huán)節(jié)、“量化感知”環(huán)節(jié)、“視覺(jué)感知”環(huán)節(jié)、“比較”環(huán)節(jié)以及模型整體涵義的可理解性；維度2設(shè)置了4個(gè)項(xiàng)目，分別用于評(píng)價(jià)模型中各具體環(huán)節(jié)的合理性；維度3設(shè)置了2個(gè)項(xiàng)目，用于評(píng)價(jià)模型環(huán)節(jié)與學(xué)生認(rèn)知過(guò)程的一致性、模型對(duì)學(xué)生認(rèn)知過(guò)程的反映能力。在調(diào)查過(guò)程中，問(wèn)卷采用A3紙打印，左半面為模型簡(jiǎn)介，右半面為評(píng)價(jià)題目。

此外，調(diào)查所用問(wèn)卷具有良好信度，3個(gè)維度的內(nèi)部一致性系數(shù)如表5所示。

表5 問(wèn)卷第二部分3個(gè)維度的信度分析

采用驗(yàn)證性因素分析對(duì)問(wèn)卷的結(jié)構(gòu)效度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，問(wèn)卷具有良好結(jié)構(gòu)效度，檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 問(wèn)卷結(jié)構(gòu)效度檢驗(yàn)結(jié)果

（三）研究過(guò)程

調(diào)查于2016年11月23日15：30在華南師范大學(xué)基礎(chǔ)教育培訓(xùn)與研究院進(jìn)行，發(fā)放問(wèn)卷49份，回收問(wèn)卷39份，按一定標(biāo)準(zhǔn)剔除無(wú)效問(wèn)卷后，得到33份有效問(wèn)卷，最后將33份有效問(wèn)卷的原始數(shù)據(jù)輸入SPSS 24.0，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（四）研究結(jié)果

“分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型評(píng)價(jià)問(wèn)卷的各項(xiàng)目評(píng)分描述統(tǒng)計(jì)如表7所示。

表7 “分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型評(píng)價(jià)問(wèn)卷的各項(xiàng)目評(píng)分描述統(tǒng)計(jì)

“分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型評(píng)價(jià)問(wèn)卷的各項(xiàng)目實(shí)測(cè)分?jǐn)?shù)與檢驗(yàn)值3分（5點(diǎn)計(jì)分的中間分）做單樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

表8 “分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型評(píng)價(jià)問(wèn)卷各項(xiàng)目的單樣本t檢驗(yàn)分析

將“分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型評(píng)價(jià)問(wèn)卷的各維度實(shí)測(cè)分?jǐn)?shù)與檢驗(yàn)值（維度內(nèi)各項(xiàng)目中間分之和）做單樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果如表9所示。

表9 “分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型評(píng)價(jià)問(wèn)卷各維度的單樣本t檢驗(yàn)分析

（五）研究結(jié)論

根據(jù)表7的描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果和表8、表9的單樣本t檢驗(yàn)結(jié)果可知，教師群體對(duì)模型可理解性、環(huán)節(jié)合理性以及效能性評(píng)分在統(tǒng)計(jì)學(xué)水平上均顯著高于客觀中間分（中立評(píng)價(jià)），得出研究結(jié)論如下：（1）“分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型，具有較好的可理解性；（2）“分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型，具有較好的環(huán)節(jié)合理性；（3）“分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型，具有較好的效能性。

七、“分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型中手持技術(shù)的作用分析

根據(jù)手持技術(shù)環(huán)境下學(xué)生的概念認(rèn)知過(guò)程分析得出，學(xué)生通過(guò)聯(lián)系生活常識(shí)和已學(xué)的科學(xué)知識(shí)在教師的問(wèn)題引導(dǎo)下，可完成轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)具有多重涵義，也是后續(xù)環(huán)節(jié)的重要鋪墊。轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)之后，手持技術(shù)開(kāi)始發(fā)揮獨(dú)特作用，具體如下：

（一）定性結(jié)論精確化

“分子間作用力”不可直接測(cè)量，傳統(tǒng)教學(xué)中呈現(xiàn)給學(xué)生的是一條定性結(jié)論。而在“分子間作用力”TQVC認(rèn)知模型中，分子間作用力經(jīng)轉(zhuǎn)化為溫度后，具有了可測(cè)量性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度可達(dá)0.5%，相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)中的定性結(jié)論更具有說(shuō)服力，使學(xué)生在定量思維中量化感知抽象概念。

（二）微觀本質(zhì)直觀化

手持技術(shù)所提供的溫度曲線圖像具有直觀性特點(diǎn)，這種直觀更側(cè)重宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之外，由微觀本質(zhì)轉(zhuǎn)化而來(lái)的視覺(jué)直觀刺激，提供感性認(rèn)識(shí)的強(qiáng)有力支撐，能有效地幫助學(xué)生直觀地形成表象，促進(jìn)“分子間作用力”這一概念的科學(xué)建構(gòu)。

（三）片面信息綜合化

高中生因自身認(rèn)知發(fā)展水平所限，對(duì)抽象知識(shí)的理解存在片面性（容易顧此失彼）和表面性（難以深度感知），手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的同步比較，可彌補(bǔ)高中生辯證邏輯思維發(fā)展的不足。學(xué)生不僅可以直觀觀察一條曲線的特點(diǎn)，分析曲線峰值、拐點(diǎn)以及各個(gè)時(shí)刻所代表的涵義，還可以同時(shí)綜合比較多條曲線，在比較參照思維中，科學(xué)建構(gòu)抽象概念。

（四）減輕工作記憶階段的認(rèn)知負(fù)荷

工作記憶是人在認(rèn)知任務(wù)過(guò)程中暫時(shí)加工和儲(chǔ)存信息的記憶系統(tǒng)[65]，其容量有限，成年人的工作記憶容量是7±2個(gè)組塊，中小學(xué)生則更少一點(diǎn)[66-67]。工作記憶的容量限制個(gè)體理解，當(dāng)認(rèn)知任務(wù)超出容量范圍時(shí)，機(jī)械記憶便成為學(xué)習(xí)的唯一途徑，這將導(dǎo)致最低限度的理解[68]。認(rèn)知負(fù)荷是指認(rèn)知活動(dòng)中工作記憶的負(fù)荷。工作記憶容量雖有限，但可以變化組塊規(guī)模與復(fù)雜程度，一個(gè)圖式可作為一個(gè)組塊被加工[69]。

TQVC認(rèn)知模型中手持技術(shù)所提供的直觀曲線可作為“關(guān)鍵圖式”，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)零散、孤立知識(shí)的圖式化，在有限工作記憶容量?jī)?nèi)，以新建構(gòu)的圖式作為組塊，減輕認(rèn)知負(fù)荷，釋放認(rèn)知資源空間用于后續(xù)信息加工以及元認(rèn)知監(jiān)控，進(jìn)而科學(xué)建構(gòu)抽象概念，作用過(guò)程如圖4所示。

圖4 手持技術(shù)在概念學(xué)習(xí)工作記憶階段的作用過(guò)程

八、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)認(rèn)知-建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，在分析與總結(jié)已有手持技術(shù)研究案例的基礎(chǔ)上，我們首次提出了基于手持技術(shù)的TQVC概念認(rèn)知模型，該模型體現(xiàn)了手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)的深度融合。后續(xù)研究還可從以下兩方面進(jìn)行深入探討：（1）結(jié)合社會(huì)-建構(gòu)主義、具身學(xué)習(xí)等理論發(fā)展模型，探討將TQVC概念認(rèn)知模型，應(yīng)用于新理念教學(xué)模式對(duì)概念學(xué)習(xí)產(chǎn)生的影響；（2）通過(guò)現(xiàn)代心理科學(xué)研究手段（如，眼動(dòng)技術(shù)、事件相關(guān)電位技術(shù)、功能性磁共振技術(shù)等），進(jìn)一步驗(yàn)證TQVC概念認(rèn)知模型的應(yīng)用效果，并深入探討其促進(jìn)概念學(xué)習(xí)的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制。