中學化學教師核心概念認知現(xiàn)狀研究

蘆瑾 嚴文法

摘要： 基于四段式多項選擇測試問卷進行的聚類分析更具準確性和科學性。以“熱化學”為例，利用上述方法對63位中學化學教師進行核心概念認知能力的實證研究，并與文本分析結果和高?；瘜W教育專家的數(shù)據(jù)進行對比說明。最后指出核心概念認知研究中尚存在的問題。

關鍵詞： 核心概念; 認知研究; 四段式多項選擇測試; 聚類分析; 熱化學

文章編號： 1005 6629（2019）6001507??????中圖分類號： G6338??????文獻標識碼： B

美國國家研究理事會于2011年7月頒布的《K12科學教育框架： 實踐、跨領域概念和核心概念》及2013年4月頒布的《新一代科學教育標準》中均明確指出科學教育應圍繞基于核心概念的學習進階展開。在此影響下，美國、英國、澳大利亞等不少國家或地區(qū)對科學課程標準進行了修訂或改革，目前，核心概念已經(jīng)成為國際科學教育研究與實踐的熱點。我國也已開始基于核心概念建構學科結構培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)的探索，2018年1月正式出臺的《普通高中化學課程標準（2017年版）》在課程內容結構化的理念指導下更新了化學教學內容的呈現(xiàn)方式，重視以化學學科大概念為核心，突出核心概念在化學教學中的統(tǒng)領作用[1]。因此，了解和掌握核心概念對于中學教師而言都是非常有必要的。

當前關于核心概念的內涵界定和教學實踐已有大量相關研究[2]，而如何有效地診斷和測量中學教師對于核心概念的認知尚未引起重視。因此，本研究嘗試整合歸納建立核心概念的遴選標準，以“熱化學”為例闡述如何確保四段式多項選擇測試問卷的信效度，以及如何利用聚類分析來進行認知分析。

1?核心概念遴選標準的建立

目前，不同的專家學者對于核心概念的界定仍未達成一致[3～7]。概括而言，核心概念可以整合為兩類，一類是可以為其他各種概念提供基礎支持，展現(xiàn)當代學科圖景，對本學科起到統(tǒng)領作用的概念;另一類是可以解釋超越課堂之外的相關事件和現(xiàn)象，具有持久價值和遷移價值的概念。綜合已有界定，我們認為核心概念是指處于學科主干，可設計進階學習，在縱向上統(tǒng)攝整個學科體系，在橫向上與個體及社會發(fā)展密切相關，能夠為學生提供更深遠發(fā)展的概念。

根據(jù)我們界定的核心概念的定義，遴選出的核心概念要能展現(xiàn)學科邏輯結構，有效統(tǒng)攝大量的事實和概念。參考國外相關文件[8， 9]和專家學者的研究[10， 11]，并結合我國目前已有的相關研究[12～14]，整合歸納出核心概念遴選的四條標準： （1）該概念是相應學科結構的中心概念，或是關鍵性原理，簡稱為中心性原則;（2）該概念是相關概念學習的基礎，能為之后研究更為復雜的問題提供工具，簡稱為工具性原則;（3）該概念有利于學生在之后的社會或個人生活中解決相關問題，簡稱為終身性原則;（4）該概念能在不同的年級進行教學，知識及能力水平螺旋式上升，簡稱為進階性原則。

2?核心概念認知的診斷工具和方法

為有效探查中學化學教師對于核心概念的真實認知，本研究在紙筆測驗中引入四段式多項選擇測試。四段式多項選擇測試包括“答案層”、“原因層”以及對于“答案層”、“原因層”的信心指數(shù)。在“答案層”被試可根據(jù)自我經(jīng)驗對概念作出判斷，在回答的后面設置了一個“信心指數(shù)段（Confidence Tier）”，即0%（完全靠猜測）～100%（完全有把握）的百分數(shù)軸，被試可以在數(shù)軸的任意分界點上標出自己的信心指數(shù)，對自我回答作出確定性評價。在“原因層”被試對判斷的理由做出選擇，并對原因的選擇作出確定性評價。將四段式多項選擇測試應用于核心概念的認知研究，“答案層”及對于“答案層”的信心指數(shù)能探測出對學科核心概念的認知，“原因層”及對于“原因層”的信心指數(shù)則是對核心概念遴選標準認知水平的診斷。在確定性指數(shù)的輔助下，題目較敏銳客觀，有效地呈現(xiàn)了教師的真實認知水平，在一定程度上提高了客觀題的評價能力[15]。

相比于以往研究多采用的固定值或平均值獲得核心概念的方法，本研究提出聚類分析的方法。聚類分析是將一組擁有大量數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)集分解成很多個簇，依據(jù)各個數(shù)據(jù)對象之間的相似性或某種距離來進行劃分，將相似度高的歸為同一個簇，將差異較大或相似度低的歸為不同的簇。將聚類分析應用于核心概念的認知研究，依據(jù)上述核心概念的四條標準展開調查問卷，并對結果賦分處理進而聚類分析。基于聚類方法，可避免固定值或平均值的主觀性，從數(shù)據(jù)的相似性出發(fā)，依據(jù)數(shù)據(jù)的自身分布情況進行分類，增加了核心概念研究的科學性和系統(tǒng)性[16]。

對中學化學教師核心概念的認知能力展開研究，首先需對課程標準及考試大綱等文本進行梳理，提取出所涉及的所有化學概念，隨后依據(jù)上文提出的核心概念的四條遴選標準編制針對所提取化學概念的四段式多項選擇測試問卷，對結果進行賦分并進行聚類分析得到核心概念，最后基于數(shù)據(jù)對中學化學教師的認知現(xiàn)狀展開分析。

3?中學化學教師熱化學核心概念的認知研究

熱化學是研究化學過程中熱效應規(guī)律的學科，其核心任務是用各種量熱方法準確測量物理的、化學的以及生物的過程中的熱效應，從而根據(jù)熱效應來研究有關現(xiàn)象及規(guī)律性，在燃料、食品、生物、工程及科學研究等領域都具重要意義。毫無疑問，熱化學是化學學科領域內的大概念，在中學化學體系中以“化學能與熱能”統(tǒng)領該部分的內容，與電化學共同構成“化學反應中能量變化”這一主題，對學生思維要求較高，是中學化學學習中的重難點。

通過對《義務教育化學課程標準（2011年版）》以及《普通高中化學課程標準（2017年版）》中選取熱化學主題中的“內容要求”、“教學提示”及“學業(yè)要求”欄目中的表述進行分析，并結合高考命題的規(guī)范性文件《2018年高考化學考試大綱》中有關熱化學內容的表述，梳理出來中學階段熱化學課程內容要求，如表1所示。在研究中同時參考了現(xiàn)行人教版初中化學教材（經(jīng)教育部2012年審定通過）和高中化學教材（經(jīng)全國中小學教材審定委員會2004年初審通過），對涉及的所有化學概念進行了提取。

選取原則是選取認知性學習目標達到認識水平以上的概念，物質名詞、實驗儀器名稱不包括在內。初步提取出的中學熱化學的概念為能量、化學能、熱能、內能、吸熱反應、放熱反應、化學鍵、焓變、熵變、反應熱、中和熱、燃燒熱、能量守恒、蓋斯定律、熱化學方程式和能源。鑒于吸熱反應和放熱反應在自身內涵和學科地位均相同，故將其合并為“吸熱反應和放熱反應”一個概念。最終提取出15個中學熱化學范圍內的概念。

問卷編制

本研究采用包括“答案層”、“原因層”以及對于“答案層”、“原因層”信心指數(shù)的四段式多項選擇測試編制《中學熱化學核心概念調查問卷》。將上述文本分析篩選出來的中學熱化學的所有概念打亂順序，采用李克特量表法編制成問卷，按照概念對于核心概念遴選標準的符合程度為每個概念賦分，為避免“趨中”效應，將選項分為4級，如表2所示。同時，在問卷最后設置主觀題要求調查對象對中學熱化學的概念進行補充，以確保涵蓋概念的全面性及其對整個中學化學學科的統(tǒng)攝力。

調查對象

本研究調查的中學化學教師來自全國八個省份的示范中學（包括高中和初中），學歷均在本科及以上，教齡在10年以上的比例為746%，其中特級教師的比例為174%。

中學熱化學核心概念調查問卷數(shù)據(jù)分析

本研究共發(fā)放問卷80份，回收68份，回收率為85%。根據(jù)測謊題對問卷的有效性進行篩選，其中有效問卷為63份，有效率為93%。答案層的克隆巴赫α系數(shù)為0887，原因層的克隆巴赫α系數(shù)為0786。整體而言，本研究具有較高信度。

（1） 核心概念“答案層”聚類分析

數(shù)據(jù)處理中需要對選項分值的平均值及所對應平均信心指數(shù)值（Confidence Rating Index）進行統(tǒng)計。參考Bretz等人的標準，信心指數(shù)值以50%為分界，高于50%則進一步說明對應回答的真實性[17]。所有數(shù)據(jù)通過Excel和SPSS 220軟件進行統(tǒng)計分析，如表3所示。從中可以看出，調查對象對自己“答案層”的回答均具有較高的信心指數(shù)。

按照概念選項的平均值進行聚類的探索性分析，選用兩步聚類方法。聚類的數(shù)目初步設定在1至10個，以避免聚類數(shù)目過多導致解釋困難。數(shù)據(jù)來源真實且前期進行過處理，并沒有發(fā)現(xiàn)離群點。聚類后根據(jù)施瓦茲貝葉斯準則（BIC）的變化情況，從而判斷合理的聚類數(shù)量，如表4所示。

從統(tǒng)計學上講，BIC值越小就代表聚類的效果越好，但在實際應用中還需要綜合BIC更改值、BIC更改比率和距離度量比率這三個方面，進一步確定最佳的分類數(shù)。判斷一個聚類方案的依據(jù)是： BIC值越小，BIC更改值的絕對值越大，BIC更改比率越大，距離度量比率越大，則聚類的效果越好。據(jù)此對表4中聚類數(shù)進行分析，可以得出最佳聚類數(shù)為2。圖1說明中學熱化學概念的聚類數(shù)為2時，聚類質量為良好。

綜上所述，中學熱化學涉及的所有概念可以形成2個聚類，最終聚類分析結果如表5所示。聚類2的概念在選項平均值上明顯高于聚類1的概念，即為核心概念。

此外，在主觀題中教師補充中學熱化學的概念還包括活化能、溶解熱。這兩個概念在課程標準及考試大綱中均沒有明確出現(xiàn)，顯然不屬于核心概念。故最終遴選出的中學熱化學核心概念為能量、吸熱反應和放熱反應、焓變、蓋斯定律和熱化學方程式?；阱噙x出的中學熱化學核心概念建構出中學熱化學的知識結構圖，如圖2所示：

（2） 核心概念“原因層”分析

在遴選出核心概念的基礎上，對核心概念的“原因層”進行分析，如表6所示?！霸驅印钡钠骄判闹笖?shù)依然屬于高信心指數(shù)，但是相比“答案層”的信心指數(shù)稍有降低，說明中學化學教師對于自我判斷有較高認可度，但有待進一步對核心概念的具體內涵進行深入了解。由于回答時的“趨中”現(xiàn)象，教師較少會在概念的某一標準上給出較高分數(shù)，但相對來說，遴選出的五個核心概念在四個標準上均具有較高分值。從四條遴選標準的角度比較，工具性和終身性相對來說普遍具有較高分值，這可能是由于這兩條原則在信息高度充足的今天社會來說相對來說在概念中比較容易滿足;中心性原則在多數(shù)概念上具有不低的分值，但也沒有較高分值出現(xiàn)，說明教師對于知識的中心地位較為慎重;在進階性上要求概念在學科各學段都具有可教性與可學性，可以統(tǒng)攝某一領域一系列由淺入深逐漸復雜的概念，當前的課程體系中概念的編排可能是造成中學教師在該標準上持謹慎態(tài)度的原因。

4?中學化學教師核心概念認知的對比分析

核心概念文本分析結果和教師核心概念認知對比分析

本研究通過文本分析來檢驗中學化學教師核心概念認知的科學性。對于文本分析常用的方法為文本分析和文獻分析。文本分析主要是通過在課程標準和考試大綱的認知性學習目標中概念所要求達到的理解及應用水平來確定化學核心概念。當課程標準和考試大綱中的認知性學習目標不一致時以較高的為準，最終中學熱化學所有概念的認知性學習目標水平如表7所示。同時，關于中學化學熱化學的核心概念已有相關文獻有所涉及。陳莉在診斷《化學反應原理》中存在的迷思概念研究中通過詞頻分析法確定了人教版《化學反應原理》中的34個核心概念，其中“熱化學”范圍內的有熱化學方程式、蓋斯定律、反應熱、焓變、燃燒熱、中和熱、吸熱反應、放熱反應[18]。劉琳、周青等人從化學反應與能量變化、化學反應的方向性兩個角度對中國、美國、韓國、新加坡、英國五個國家化學教材中有關熱化學內容進行比較，各個國家都涉及到的概念包括焓變、鍵焓、能量守恒、吸熱反應和放熱反應及熱化學方程式[19]。杜佳萱、辛濤等人采用DINA模型，分析了學生對高中熱化學的知識掌握狀態(tài)。在該研究中研究者選取了放熱反應與吸熱反應、化學鍵角度認識熱量變化、反應熱與焓變、熱化學方程式以及蓋斯定律五個屬性（概念）[20]。

從表7中可以看出，焓變、蓋斯定律和熱化學方程式具有較高的認知性學習目標水平。能量、吸熱反應和放熱反應作為熱化學密不可分的一部分，統(tǒng)攝了化學能、熱能、內能、化學鍵及能量守恒等一般概念，在其他研究中亦選取其作為核心概念。因此，中學化學教師對于熱化學核心概念的認知具有一定的科學性。

高?；瘜W教育專家和中學化學教師核心概念認知對比分析

高?；瘜W教育專家對中學化學學科教育發(fā)展更具全局性把握，依據(jù)其觀點可剖析中學化學教師核心概念的認知能力。本研究調查的11位高?；瘜W教育專家均為國內師范大學的化學教學論任課教師，其研究領域均為核心概念的相關領域，數(shù)據(jù)處理結果如表8所示。對其進行聚類分析，所得結果與中學化學教師核心概念認知數(shù)據(jù)聚類結果一致。但進一步橫向對比可發(fā)現(xiàn)，相比高?；瘜W教育專家，中學化學教師在“能量”、“能源”等概念上的分值明顯偏低，平均信心指數(shù)也小幅度下降。由此可見，中學教師依靠其豐富的實際教學經(jīng)驗，對核心概念有整體的科學認知。由于缺乏專業(yè)縱向引領，對于教育研究和課程改革的前沿理念的認知略顯不足。

5?研究結論

本研究表明，中學化學教師核心概念認知的整體情況處于中等偏上水平，具有一定的提升空間。中學化學教師在一定程度上會自主認可核心概念。由于核心概念的選取與課標、教材等教學文本密切相關，在日常教學與教研中會自發(fā)形成類似觀點，但這種認識并不完全科學。教師對核心概念的片面認識必然會表現(xiàn)在教學上，造成教學實踐中諸多不令人滿意的現(xiàn)象。因此通過專家講座和到高校學習來加強中學教師對于核心概念全面而細致的學習是十分必要的。

本研究亦存在一些不足。當前核心概念的遴選標準以國外研究較多，我國不同于國外在中學階段采用學科體系分立，因此對于核心概念的遴選需要更加本土化的標準。核心概念的認知工具需要經(jīng)過大量探索建立有效的指標體系。本研究僅為方法適用性的初步探索，后期還需進一步檢驗完善。

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