中學(xué)化學(xué)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(zhǔn)確性和科學(xué)性。以“熱化學(xué)”為例，利用上述方法對63位中學(xué)化學(xué)教師進行核心概念認知能力的實證研究，并與文本分析結(jié)果和高?；瘜W(xué)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(guān)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(xué)

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

美國國家研究理事會于2011年7月頒布的《K12科學(xué)教育框架： 實踐、跨領(lǐng)域概念和核心概念》及2013年4月頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中均明確指出科學(xué)教育應(yīng)圍繞基于核心概念的學(xué)習(xí)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(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)進行了修訂或改革，目前，核心概念已經(jīng)成為國際科學(xué)教育研究與實踐的熱點。我國也已開始基于核心概念建構(gòu)學(xué)科結(jié)構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)的探索，2018年1月正式出臺的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的理念指導(dǎo)下更新了化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，重視以化學(xué)學(xué)科大概念為核心，突出核心概念在化學(xué)教學(xué)中的統(tǒng)領(lǐng)作用[1]。因此，了解和掌握核心概念對于中學(xué)教師而言都是非常有必要的。

當(dāng)前關(guān)于核心概念的內(nèi)涵界定和教學(xué)實踐已有大量相關(guān)研究[2]，而如何有效地診斷和測量中學(xué)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(biāo)準(zhǔn)，以“熱化學(xué)”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(biāo)準(zhǔn)的建立

目前，不同的專家學(xué)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(chǔ)支持，展現(xiàn)當(dāng)代學(xué)科圖景，對本學(xué)科起到統(tǒng)領(lǐng)作用的概念;另一類是可以解釋超越課堂之外的相關(guān)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(xué)科主干，可設(shè)計進階學(xué)習(xí)，在縱向上統(tǒng)攝整個學(xué)科體系，在橫向上與個體及社會發(fā)展密切相關(guān)，能夠為學(xué)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(xué)科邏輯結(jié)構(gòu)，有效統(tǒng)攝大量的事實和概念。參考國外相關(guān)文件[8， 9]和專家學(xué)者的研究[10， 11]，并結(jié)合我國目前已有的相關(guān)研究[12～14]，整合歸納出核心概念遴選的四條標(biāo)準(zhǔn)： （1）該概念是相應(yīng)學(xué)科結(jié)構(gòu)的中心概念，或是關(guān)鍵性原理，簡稱為中心性原則;（2）該概念是相關(guān)概念學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，能為之后研究更為復(fù)雜的問題提供工具，簡稱為工具性原則;（3）該概念有利于學(xué)生在之后的社會或個人生活中解決相關(guān)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(xué)，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(xué)化學(xué)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?qū)印币约皩τ凇按鸢笇印薄ⅰ霸驅(qū)印钡男判闹笖?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(shè)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(biāo)出自己的信心指數(shù)，對自我回答作出確定性評價。在“原因?qū)印北辉噷ε袛嗟睦碛勺龀鲞x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(yīng)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(xué)科核心概念的認知，“原因?qū)印奔皩τ凇霸驅(qū)印钡男判闹笖?shù)則是對核心概念遴選標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用于核心概念的認知研究，依據(jù)上述核心概念的四條標(biāo)準(zhǔn)展開調(diào)查問卷，并對結(jié)果賦分處理進而聚類分析?；诰垲惙椒?，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(xué)性和系統(tǒng)性[16]。

對中學(xué)化學(xué)教師核心概念的認知能力展開研究，首先需對課程標(biāo)準(zhǔn)及考試大綱等文本進行梳理，提取出所涉及的所有化學(xué)概念，隨后依據(jù)上文提出的核心概念的四條遴選標(biāo)準(zhǔn)編制針對所提取化學(xué)概念的四段式多項選擇測試問卷，對結(jié)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(xué)化學(xué)教師的認知現(xiàn)狀展開分析。

3?中學(xué)化學(xué)教師熱化學(xué)核心概念的認知研究

熱化學(xué)是研究化學(xué)過程中熱效應(yīng)規(guī)律的學(xué)科，其核心任務(wù)是用各種量熱方法準(zhǔn)確測量物理的、化學(xué)的以及生物的過程中的熱效應(yīng)，從而根據(jù)熱效應(yīng)來研究有關(guān)現(xiàn)象及規(guī)律性，在燃料、食品、生物、工程及科學(xué)研究等領(lǐng)域都具重要意義。毫無疑問，熱化學(xué)是化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的大概念，在中學(xué)化學(xué)體系中以“化學(xué)能與熱能”統(tǒng)領(lǐng)該部分的內(nèi)容，與電化學(xué)共同構(gòu)成“化學(xué)反應(yīng)中能量變化”這一主題，對學(xué)生思維要求較高，是中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)中的重難點。

通過對《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》以及《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中選取熱化學(xué)主題中的“內(nèi)容要求”、“教學(xué)提示”及“學(xué)業(yè)要求”欄目中的表述進行分析，并結(jié)合高考命題的規(guī)范性文件《2018年高考化學(xué)考試大綱》中有關(guān)熱化學(xué)內(nèi)容的表述，梳理出來中學(xué)階段熱化學(xué)課程內(nèi)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(xué)教材（經(jīng)教育部2012年審定通過）和高中化學(xué)教材（經(jīng)全國中小學(xué)教材審定委員會2004年初審?fù)ㄟ^），對涉及的所有化學(xué)概念進行了提取。

選取原則是選取認知性學(xué)習(xí)目標(biāo)達到認識水平以上的概念，物質(zhì)名詞、實驗儀器名稱不包括在內(nèi)。初步提取出的中學(xué)熱化學(xué)的概念為能量、化學(xué)能、熱能、內(nèi)能、吸熱反應(yīng)、放熱反應(yīng)、化學(xué)鍵、焓變、熵變、反應(yīng)熱、中和熱、燃燒熱、能量守恒、蓋斯定律、熱化學(xué)方程式和能源。鑒于吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)在自身內(nèi)涵和學(xué)科地位均相同，故將其合并為“吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)”一個概念。最終提取出15個中學(xué)熱化學(xué)范圍內(nèi)的概念。

問卷編制

本研究采用包括“答案層”、“原因?qū)印币约皩τ凇按鸢笇印薄ⅰ霸驅(qū)印毙判闹笖?shù)的四段式多項選擇測試編制《中學(xué)熱化學(xué)核心概念調(diào)查問卷》。將上述文本分析篩選出來的中學(xué)熱化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)的符合程度為每個概念賦分，為避免“趨中”效應(yīng)，將選項分為4級，如表2所示。同時，在問卷最后設(shè)置主觀題要求調(diào)查對象對中學(xué)熱化學(xué)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(xué)化學(xué)學(xué)科的統(tǒng)攝力。

調(diào)查對象

本研究調(diào)查的中學(xué)化學(xué)教師來自全國八個省份的示范中學(xué)（包括高中和初中），學(xué)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(xué)熱化學(xué)核心概念調(diào)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?qū)拥目寺“秃咋料禂?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(yīng)平均信心指數(shù)值（Confidence Rating Index）進行統(tǒng)計。參考Bretz等人的標(biāo)準(zhǔn)，信心指數(shù)值以50%為分界，高于50%則進一步說明對應(yīng)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(diào)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(shè)定在1至10個，以避免聚類數(shù)目過多導(dǎo)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(zhǔn)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(xué)上講，BIC值越小就代表聚類的效果越好，但在實際應(yīng)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(xué)熱化學(xué)概念的聚類數(shù)為2時，聚類質(zhì)量為良好。

綜上所述，中學(xué)熱化學(xué)涉及的所有概念可以形成2個聚類，最終聚類分析結(jié)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(xué)熱化學(xué)的概念還包括活化能、溶解熱。這兩個概念在課程標(biāo)準(zhǔn)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(xué)熱化學(xué)核心概念為能量、吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)、焓變、蓋斯定律和熱化學(xué)方程式?；阱噙x出的中學(xué)熱化學(xué)核心概念建構(gòu)出中學(xué)熱化學(xué)的知識結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示：

（2） 核心概念“原因?qū)印狈治?/p>

在遴選出核心概念的基礎(chǔ)上，對核心概念的“原因?qū)印边M行分析，如表6所示?！霸?qū)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(xué)化學(xué)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)上均具有較高分值。從四條遴選標(biāo)準(zhǔn)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(xué)科各學(xué)段都具有可教性與可學(xué)性，可以統(tǒng)攝某一領(lǐng)域一系列由淺入深逐漸復(fù)雜的概念，當(dāng)前的課程體系中概念的編排可能是造成中學(xué)教師在該標(biāo)準(zhǔn)上持謹慎態(tài)度的原因。

4?中學(xué)化學(xué)教師核心概念認知的對比分析

核心概念文本分析結(jié)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(xué)化學(xué)教師核心概念認知的科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)和考試大綱的認知性學(xué)習(xí)目標(biāo)中概念所要求達到的理解及應(yīng)用水平來確定化學(xué)核心概念。當(dāng)課程標(biāo)準(zhǔn)和考試大綱中的認知性學(xué)習(xí)目標(biāo)不一致時以較高的為準(zhǔn)，最終中學(xué)熱化學(xué)所有概念的認知性學(xué)習(xí)目標(biāo)水平如表7所示。同時，關(guān)于中學(xué)化學(xué)熱化學(xué)的核心概念已有相關(guān)文獻有所涉及。陳莉在診斷《化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)原理》中的34個核心概念，其中“熱化學(xué)”范圍內(nèi)的有熱化學(xué)方程式、蓋斯定律、反應(yīng)熱、焓變、燃燒熱、中和熱、吸熱反應(yīng)、放熱反應(yīng)[18]。劉琳、周青等人從化學(xué)反應(yīng)與能量變化、化學(xué)反應(yīng)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(xué)教材中有關(guān)熱化學(xué)內(nèi)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(yīng)和放熱反應(yīng)及熱化學(xué)方程式[19]。杜佳萱、辛濤等人采用DINA模型，分析了學(xué)生對高中熱化學(xué)的知識掌握狀態(tài)。在該研究中研究者選取了放熱反應(yīng)與吸熱反應(yīng)、化學(xué)鍵角度認識熱量變化、反應(yīng)熱與焓變、熱化學(xué)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(xué)方程式具有較高的認知性學(xué)習(xí)目標(biāo)水平。能量、吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)作為熱化學(xué)密不可分的一部分，統(tǒng)攝了化學(xué)能、熱能、內(nèi)能、化學(xué)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(xué)化學(xué)教師對于熱化學(xué)核心概念的認知具有一定的科學(xué)性。

高?；瘜W(xué)教育專家和中學(xué)化學(xué)教師核心概念認知對比分析

高?；瘜W(xué)教育專家對中學(xué)化學(xué)學(xué)科教育發(fā)展更具全局性把握，依據(jù)其觀點可剖析中學(xué)化學(xué)教師核心概念的認知能力。本研究調(diào)查的11位高?；瘜W(xué)教育專家均為國內(nèi)師范大學(xué)的化學(xué)教學(xué)論任課教師，其研究領(lǐng)域均為核心概念的相關(guān)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表8所示。對其進行聚類分析，所得結(jié)果與中學(xué)化學(xué)教師核心概念認知數(shù)據(jù)聚類結(jié)果一致。但進一步橫向?qū)Ρ瓤砂l(fā)現(xiàn)，相比高?；瘜W(xué)教育專家，中學(xué)化學(xué)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(xué)教師依靠其豐富的實際教學(xué)經(jīng)驗，對核心概念有整體的科學(xué)認知。由于缺乏專業(yè)縱向引領(lǐng)，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(jié)論

本研究表明，中學(xué)化學(xué)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(xué)化學(xué)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(biāo)、教材等教學(xué)文本密切相關(guān)，在日常教學(xué)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(xué)。教師對核心概念的片面認識必然會表現(xiàn)在教學(xué)上，造成教學(xué)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(xué)習(xí)來加強中學(xué)教師對于核心概念全面而細致的學(xué)習(xí)是十分必要的。

本研究亦存在一些不足。當(dāng)前核心概念的遴選標(biāo)準(zhǔn)以國外研究較多，我國不同于國外在中學(xué)階段采用學(xué)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)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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