高三學(xué)優(yōu)生化學(xué)高階思維能力現(xiàn)狀調(diào)查與分析

郭金花 吳星

摘要： 在化學(xué)高階思維內(nèi)涵與結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建化學(xué)高階思維評價指標(biāo)體系，該評價體系共包括“化學(xué)實驗思維、化學(xué)模型思維、化學(xué)微觀思維、化學(xué)守恒與平衡思維和化學(xué)創(chuàng)新思維”5個一級指標(biāo)、14個二級指標(biāo)及若干指標(biāo)表現(xiàn)。根據(jù)評價指標(biāo)設(shè)置評價任務(wù)，利用評價任務(wù)對高三學(xué)優(yōu)生化學(xué)高階思維能力進(jìn)行考查。結(jié)果顯示：高三學(xué)優(yōu)生各維度化學(xué)思維發(fā)展不平衡；男女生高階思維能力之間存在顯著性差異；化學(xué)學(xué)業(yè)成績對高階思維的發(fā)展起重要促進(jìn)作用，同時高階思維的發(fā)展也可以顯著提升學(xué)生化學(xué)學(xué)業(yè)成績。在此基礎(chǔ)上提出高中生化學(xué)高階思維能力培養(yǎng)的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞： 高階思維； 思維能力; 化學(xué)思維； 高三學(xué)優(yōu)生

文章編號： 10056629（2022）10001906

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

化學(xué)高階思維能力是學(xué)生解決復(fù)雜化學(xué)問題或劣構(gòu)性化學(xué)問題的必備能力，是學(xué)生獲得“高水平”化學(xué)核心素養(yǎng)與“高水平”學(xué)業(yè)質(zhì)量的重要保障［1］。思維能力主要由思維結(jié)構(gòu)決定，因為思維能力的強(qiáng)弱是思維結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、水平和完善程度的表現(xiàn)［2］。因此在化學(xué)高階思維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建化學(xué)高階思維評價指標(biāo)體系，再根據(jù)評價指標(biāo)設(shè)置相應(yīng)的化學(xué)任務(wù)或問題，測量與評價學(xué)生的化學(xué)高階思維能力。了解學(xué)生化學(xué)高階思維能力現(xiàn)狀，將為實施培養(yǎng)學(xué)生該能力的高中化學(xué)課堂教學(xué)提供可行的建議。

1 化學(xué)高階思維評價指標(biāo)體系構(gòu)建

在“化學(xué)高階思維”的前期研究中，已經(jīng)在文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上厘清了化學(xué)高階思維的內(nèi)涵和結(jié)構(gòu)。化學(xué)

高階思維是指學(xué)生圍繞復(fù)雜的或具有挑戰(zhàn)性的化學(xué)問題，從宏微結(jié)合、變化守恒的視角，借助于化學(xué)實驗、化學(xué)語言和化學(xué)模型，運用證據(jù)推理、分析、歸納、抽象和評價等方法，獲得結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識、原理，養(yǎng)成創(chuàng)新精神和實踐能力的過程中形成的高水平心智活動?；瘜W(xué)高階思維與化學(xué)學(xué)科一般思維最重要的區(qū)別在于前者一定要以復(fù)雜的或具有挑戰(zhàn)性的化學(xué)問題解決為主旨［3］。此外，前期研究中在問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，對調(diào)查數(shù)據(jù)分別進(jìn)行探索性因子分析和驗證性因子分析，結(jié)果得到高中生化學(xué)高階思維結(jié)構(gòu)共包括化學(xué)實驗思維、化學(xué)模型思維、化學(xué)微觀思維、化學(xué)守恒思維和化學(xué)創(chuàng)新思維5個維度［4］。根據(jù)專家建議，將化學(xué)守恒思維改成“化學(xué)守恒與平衡思維”更為準(zhǔn)確。

為了使指標(biāo)體系科學(xué)化、規(guī)范化，在遵循系統(tǒng)性、典型性、可操作和可量化、科學(xué)簡明性以及綜合性等原則的基礎(chǔ)上，圍繞化學(xué)高階思維結(jié)構(gòu)的5個維度初步構(gòu)建評價指標(biāo)體系。然后編制《化學(xué)高階思維評價指標(biāo)體系專家征詢意見調(diào)查表》，征詢專家意見和建議。在修改和完善的基礎(chǔ)上最終研制出“化學(xué)高階思維評價指標(biāo)體系”（見表1）。該指標(biāo)體系共分5個一級指標(biāo)、14個二級指標(biāo)，且詳細(xì)制定了每一個二級指標(biāo)對應(yīng)的指標(biāo)表現(xiàn)。

2 高三學(xué)優(yōu)生化學(xué)高階思維能力測量與現(xiàn)狀分析

2.1 測量工具和測量對象

根據(jù)評價指標(biāo)體系中的“二級指標(biāo)”和“指標(biāo)表現(xiàn)”設(shè)置相應(yīng)的化學(xué)任務(wù)和問題，并構(gòu)建命題雙向細(xì)目表，使試題內(nèi)容、試題結(jié)構(gòu)、分值分配等盡量合理化與科學(xué)化，提高命題的效率和質(zhì)量。根據(jù)化學(xué)高階思維各維度的特點，考查任務(wù)共設(shè)置了兩類：完成指定的化學(xué)實驗和測試卷。在征求專家咨詢組意見的基礎(chǔ)上，初步確定了1個實驗任務(wù)和由20道測試題組成的測試卷，試題均為判斷題和表述題，無選擇題。其中實驗任務(wù)40分，測試卷100分。先對104名隨機(jī)抽取的高三學(xué)生進(jìn)行初測，利用Exell和SPSS25.0統(tǒng)計軟件對測試卷進(jìn)行難度、區(qū)分度和信度分析，最終確定了1個實驗任務(wù)和12道測試題（包含37個小問題），然后對學(xué)生進(jìn)行正式測試。其中正式測試卷的信度以內(nèi)在一致性α系數(shù)加以解釋（見表2）：試卷各維度的內(nèi)在一致性α系數(shù)均在0.70以上，說明測試卷的信度在可接受范圍內(nèi)。

本研究的正式被試為江蘇省揚州市某四星級高中隨機(jī)抽取的4個平行班的高三學(xué)優(yōu)生。共發(fā)放6份實驗報告單和測試卷208份，回收6份實驗報告單和有效測試卷204份，回收率分別為100%和98%。

2.2 研究方法

由于“化學(xué)實驗思維”是在解決真實的化學(xué)實驗問題過程中表現(xiàn)出來的，因此，對“化學(xué)實驗思維”的考查采用“活動表現(xiàn)”考查法，要求學(xué)生完成“維生素C泡騰片中碳酸氫鈉含量的測定”實驗任務(wù)。實驗時給每組學(xué)生提供了實驗報告單，內(nèi)容包括：實驗?zāi)康?、產(chǎn)品說明書、參考計算公式pV=nＲT、供選藥品和器材、實驗方案設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)處理和實驗反思。產(chǎn)品說明書中維生素C泡騰片的成分為“每片含維生素C 1g，輔料為碳酸氫鈉、枸櫞酸、氯化鈉、蔗糖等”。共進(jìn)行3組實驗，每組2名學(xué)生，要求這2名學(xué)生在實驗時必須交流各自的想法，即“出聲思維”。同時對這3組學(xué)生的實驗過程進(jìn)行全程記錄和錄像，便于后續(xù)分析。其余4個維度的思維能力均采用“紙筆測試法”考查。在學(xué)生完成測試卷后，對部分學(xué)生進(jìn)行了訪談并錄音，便于剖析其思維過程。

2.3 研究結(jié)果與分析

2.3.1 總體分析

由于“化學(xué)實驗思維”是通過實驗單獨考查的，對其分析將放在后面“維度分析”部分。這里主要對另外四個維度的總體情況進(jìn)行分析（測試卷中各維度得分均已轉(zhuǎn)換成百分制）。通過獨立樣本T檢驗（見表3）發(fā)現(xiàn)男女生的化學(xué)微觀思維和化學(xué)守恒與平衡思維的P值均大于0.05，說明男女生這兩種思維能力沒有顯著性差異，但模型思維和創(chuàng)新思維的P值均小于0.05，說明男女生上述兩種思維能力存在顯著性差異，從均分可以看出男生顯著高于女生?；瘜W(xué)高階思維需要學(xué)生具備較強(qiáng)的抽象思維能力。因此，出現(xiàn)上述差異的原因可能與男生比女生更擅長抽象思維有關(guān)。

另外，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的各維度思維之間的P值均小于0.05，表明它們之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。說明化學(xué)高階思維系統(tǒng)是相互聯(lián)系、相互作用的有機(jī)整體。因此，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)高階思維是一項系統(tǒng)工程。另外各維度思維與化學(xué)學(xué)業(yè)成績之間也有顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明兩者之間有相互促進(jìn)的作用。因此，加強(qiáng)化學(xué)課堂深度教學(xué)，訓(xùn)練學(xué)生化學(xué)高階思維是提升學(xué)生化學(xué)學(xué)業(yè)成績的有效途徑。

2.3.2 維度分析

2.3.2.1 化學(xué)實驗思維

化學(xué)實驗思維包括“實驗方案設(shè)計”“實驗操作”“實驗結(jié)果處理”和“實驗反思與創(chuàng)新”四個二級指標(biāo)?？疾閷W(xué)生化學(xué)實驗思維時，選取的3組被試的化學(xué)學(xué)業(yè)成績分別為優(yōu)秀、中等和較低。每組實驗均有2名老師根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)觀察打分，再將每組平均分換算成百分制（見圖1）。從圖1可以看出，除了“結(jié)果處理”3組得分幾乎相同外，其余二級指標(biāo)和總分的得分均表現(xiàn)為組1、組2、組3依次降低，而這三組學(xué)生的化學(xué)學(xué)業(yè)成績也是依次降低的，再次表明學(xué)生的化學(xué)學(xué)業(yè)成績與高階思維之間是相互影響的。

下面主要以“實驗方案設(shè)計”為例，具體分析學(xué)生的實驗思維能力。

第1組學(xué)生在仔細(xì)閱讀產(chǎn)品說明書后詢問“枸櫞酸是什么”，在討論的基礎(chǔ)上明確了實驗原理。5分鐘后開始書寫實驗方案，方案較詳細(xì)，思考比較全面。第2組學(xué)生討論了15分鐘后才開始寫方案，且方案只寫了幾個簡單的條目，沒有細(xì)化，但整體實驗流程設(shè)計是基本正確的。第3組學(xué)生一邊看實驗桌上的實驗儀器和藥品，一邊討論方案，其中一個學(xué)生將各種實驗儀器拿在手里反復(fù)觀察，試圖弄清楚它們在本次實驗中的作用，但比劃了很久仍然沒有形成清晰的實驗思路。大約30分鐘后他們在沒有書寫實驗方案的情況下開始實驗操作。

本研究中的實驗任務(wù)是一個真實的實驗問題，提供的信息只有一份產(chǎn)品說明書和一些實驗藥品和儀器。這是一個劣構(gòu)性問題，需要學(xué)生從頭到尾自己分析每一個步驟，關(guān)注每一個細(xì)節(jié)。組1學(xué)生在劣構(gòu)性問題解決中思路清晰，能快速辨別有效信息，如對“枸櫞酸”的疑惑，且自己能尋求途徑解決疑惑；能正確選擇實驗試劑與方法，搭建實驗裝置（見圖2）等，實驗思維能力較強(qiáng)。而2、 3組學(xué)生，尤其是第3組學(xué)生很不適應(yīng)這樣的劣構(gòu)性問題解決，過程中試圖采用“試誤法”解決問題，思維混亂，缺乏邏輯性和系統(tǒng)性。

2.3.2.2 化學(xué)微觀思維

化學(xué)微觀思維是從分子、離子、原子的微觀層次研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化的思維方式。從表4可以看出學(xué)生的“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的預(yù)測或推斷（Ⅱa）”和“物質(zhì)變化的微觀分析與表征（Ⅱb）”的得分率分別為0.66和0.50，“化學(xué)微觀思維（Ⅱ）”總得分率為0.58。與測試卷中其他三個維度相比，得分率處于中等水平。下面以一道例題分析學(xué)生該思維能力。

例題1 CO2/HCOOH循環(huán)在氫能的貯存/釋放、燃料電池等方面具有重要應(yīng)用。在催化劑作用下，HCOOH分解生成CO2和H2可能的反應(yīng)機(jī)理如下圖所示。HCOOD催化釋氫反應(yīng)除生成CO2外，還生成??? （填化學(xué)式）。

這道題只有34.4%的學(xué)生能寫出正確答案“HD”，其余學(xué)生都寫成了“H2”。筆者與1名受訪者（化學(xué)學(xué)業(yè)成績優(yōu)秀）的部分對話如下：

師：你為什么認(rèn)為是H2呢？

生：這不是很明顯嗎？從圖上看，產(chǎn)物只有CO2和H2。

師：“HCOOD”是什么物質(zhì)？

生：應(yīng)該是某種甲酸鹽吧？

師：你為什么認(rèn)為“D”表示甲酸鹽中的陽離子呢？

生：我猜的。要不然是什么呢？

師：你認(rèn)識“D2O”這個物質(zhì)嗎？

生：是重水。哦！我知道了，這里的“D”應(yīng)該是氫的同位素氘，所以應(yīng)該是HD。

從學(xué)生的思維過程可以發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)生對氘的表征形式理解錯誤，從而影響了學(xué)生的思維。另外，學(xué)生認(rèn)為答案“很明顯”，“產(chǎn)物只有CO2和H2”，說明學(xué)生并沒有深入分析氫氣中的兩個氫原子是怎么來的?？梢娂词故腔瘜W(xué)學(xué)業(yè)成績優(yōu)秀的學(xué)生對物質(zhì)變化機(jī)理的微觀分析還是不夠細(xì)致、不夠深入，即缺乏思維的深刻性。

2.3.2.3 化學(xué)守恒與平衡思維

“化學(xué)守恒與平衡思維（Ⅲ）”通過“化學(xué)守恒原理的綜合應(yīng)用（Ⅲa）”和“化學(xué)平衡原理的綜合應(yīng)用（Ⅲb）”兩個二級指標(biāo)來考查（見表5）。測試卷中考點包括溶液中的離子反應(yīng)、電化學(xué)原理、化學(xué)平衡移動原理等。從表5可以看出學(xué)生的Ⅲa和Ⅲb的得分率分別為0.80和0.69，總得分率為0.73，說明學(xué)生該思維能力較強(qiáng)。例如，大部分學(xué)生都能熟練利用電荷守恒、物料守恒及其聯(lián)立關(guān)系式得出的質(zhì)子守恒解決溶液中的離子濃度大小比較問題；利用“三大守恒”書寫比較復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)的離子方程式；利用化學(xué)平衡移動原理辯證地解釋復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)體系中（如多重平衡）物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律等等。在對學(xué)生訪談時，學(xué)生認(rèn)為：“化學(xué)守恒和平衡的相關(guān)問題是高考的重點和難點，平時自己比較重視，題目做的也比較多”；“老師在講解試卷時，這部分內(nèi)容經(jīng)常都是重點講解，解題思路比較明確”?？梢娭匾暢潭群陀?xùn)練程度對學(xué)生思維能力的影響十分重要。

2.3.2.4 化學(xué)模型思維

“化學(xué)模型思維（Ⅳ）”包括“科學(xué)模型的認(rèn)識（Ⅳa）”“模型方法的掌握（Ⅳb）”和“模型建構(gòu)的探索（Ⅳc）”三個二級指標(biāo)。從表6可以看出學(xué)生上述二級指標(biāo)的得分率分別為0.61、 0.67和0.43，總得分率為0.57。與測試卷中其他三個維度相比，得分率處于中等水平，其中“模型建構(gòu)的探索”能力較弱。學(xué)生的具體表現(xiàn)如下：超過60%的學(xué)生能根據(jù)已有晶體結(jié)構(gòu)模型解決化學(xué)式的書寫、配位數(shù)的判斷、晶體密度的計算等；能根據(jù)雜化軌道理論、價層電子對互斥模型解決分子的空間構(gòu)型等問題。在解決等效平衡問題時，69%的學(xué)生都能運用“放縮模型”分析平衡移動的方向和程度；在解決多重平衡的計算問題時，65%的學(xué)生能運用“列三行”的解題模型求出平衡常數(shù)。但在考查學(xué)生弱酸與弱酸鹽反應(yīng)產(chǎn)物的判斷時，只有不到40%的學(xué)生能得到正確的結(jié)果。在對學(xué)生訪談時，沒有一個學(xué)生能根據(jù)“強(qiáng)酸制弱酸”的規(guī)律自主構(gòu)建問題解決模型，但當(dāng)學(xué)生運用教師構(gòu)建的模型解決這類問題時，所有受訪者都能輕松得到正確結(jié)果。這種現(xiàn)象一方面說明學(xué)生“模型建構(gòu)的探索”能力很弱，另一方面也說明學(xué)會構(gòu)建模型對解決復(fù)雜的、有規(guī)律可循的問題時幫助很大。這就啟發(fā)教師在平時的教學(xué)中應(yīng)該重視培養(yǎng)學(xué)生“模型建構(gòu)的探索”能力。

2.3.2.5 化學(xué)創(chuàng)新思維

“化學(xué)創(chuàng)新思維（Ⅴ）”包括“發(fā)散思維（Ⅴa）”“直覺與想象（Ⅴb）”“逆向思維（Ⅴc）”三個二級指標(biāo)。從表7可以看出學(xué)生以上三種思維的得分率分別為0.31、 0.65和0.54，總得分率為0.50?？梢?，相對而言學(xué)生的直覺與想象能力較強(qiáng)，但發(fā)散思維能力較弱。下面以一道例題分析學(xué)生“發(fā)散思維”能力。

例題2 證明醋酸是弱電解質(zhì)的實驗方法有哪些？（方法越多，得分越高）

這道題中，學(xué)生每寫出一種方法且正確得2分，學(xué)生的平均得分為3.08分（滿分10分），研究者將學(xué)生所有正確的方法進(jìn)行歸類，發(fā)現(xiàn)有近十種方法可以證明醋酸是弱電解質(zhì)。雖然每個學(xué)生平均都寫了3～4個實驗方法，但正確方法卻不到2種。說明學(xué)生思維的發(fā)散性不夠強(qiáng)，從學(xué)生的答題中反映了基本概念和基本原理對發(fā)散性思維的支撐性不足。如：“對同體積、同濃度的醋酸和鹽酸進(jìn)行中和，醋酸所需氫氧化鈉的量大于鹽酸”。顯然學(xué)生混淆了酸堿“中和”與反應(yīng)呈“中性”這兩個概念。又如“二氧化碳與醋酸鈉溶液反應(yīng)可以生成碳酸鈉和醋酸”，顯然學(xué)生用錯了“強(qiáng)酸制弱酸”的基本原理。此外學(xué)生最大的思維缺陷是：思維不嚴(yán)謹(jǐn)——控制變量的意識十分薄弱。如“醋酸和鹽酸分別與鎂反應(yīng)，鹽酸反應(yīng)速率更快”；“同濃度的醋酸和硫酸比較pH，硫酸pH更小”等。可見，學(xué)生對基本概念和原理的理解不透徹，控制變量意識淡薄等限制了學(xué)生發(fā)散思維的準(zhǔn)確性。

3 高中生化學(xué)高階思維能力培養(yǎng)教學(xué)建議

綜上所述，高三學(xué)優(yōu)生化學(xué)高階思維能力總體水平不高，各維度思維發(fā)展不平衡。男女生高階思維能力之間存在顯著性差異，化學(xué)學(xué)業(yè)成績對高階思維的發(fā)展起重要的促進(jìn)作用，同時高階思維的發(fā)展也可以顯著提升學(xué)生化學(xué)學(xué)業(yè)成績。由于條件限制，本次調(diào)查對象為學(xué)優(yōu)生，不能反映高三學(xué)生化學(xué)高階思維的普遍特征，但學(xué)優(yōu)生高階思維現(xiàn)狀仍能反映出教學(xué)中存在的問題，因此提出以下三點教學(xué)建議：

第一，注重探究性實驗活動的真實開展。隨著教育的發(fā)展，一般的化學(xué)實驗（如課標(biāo)中的必做實驗）基本上絕大部分學(xué)校都會安排學(xué)生去做，但是這種實驗的步驟都是教材設(shè)計好的，對促進(jìn)學(xué)生的高階思維發(fā)展作用不大。只有探究性的實驗活動才能使學(xué)生在不知曉實驗結(jié)果的前提下，通過自己實驗、探索、分析、研究得出結(jié)論，從而促進(jìn)學(xué)生高階思維的發(fā)展。

第二，注重不同高階思維的方法指導(dǎo)與訓(xùn)練。我們的研究發(fā)現(xiàn)，良好的思維能力也需要技巧上的訓(xùn)練。學(xué)生的“化學(xué)守恒與平衡思維”較其他思維能力強(qiáng)，原因就是平時教學(xué)中無論是教師還是學(xué)生對該能力都十分重視，教師注重對這部分內(nèi)容的方法指導(dǎo)，學(xué)生積極參與強(qiáng)化訓(xùn)練。因此，教師如果對所有不同高階思維方法的特點加以研究，在平時的化學(xué)教學(xué)中滲透方法指導(dǎo)，學(xué)生的高階思維水平將會得到有效的提高。

第三，實現(xiàn)教學(xué)重心轉(zhuǎn)換與內(nèi)容再構(gòu)的變革。高階思維的培養(yǎng)不是另起爐灶，需在日常的課堂教學(xué)中有意識地不斷滲透。但傳統(tǒng)的以講授為主的知識教學(xué)顯然不能滿足學(xué)生高階思維發(fā)展的需要，培養(yǎng)學(xué)生高階思維的課堂需要進(jìn)行重心轉(zhuǎn)換與內(nèi)容再構(gòu)的變革［5］：實現(xiàn)從教師控制到學(xué)生中心的教學(xué)主體重心轉(zhuǎn)換；實現(xiàn)從關(guān)注知識傳遞到關(guān)注學(xué)習(xí)過程的教學(xué)重心轉(zhuǎn)換；實現(xiàn)以開放性問題替代封閉式問題的課堂教學(xué)內(nèi)容再構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

［1］［4］郭金花. 高中生化學(xué)高階思維結(jié)構(gòu)的測量模型研究——基于探索性和驗證性因子分析［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2019，（11）： 13～19.

［2］夏甄陶等編. 思維世界導(dǎo)論——關(guān)于思維的認(rèn)識論考察［M］. 北京： 中國人民大學(xué)出版社， 1992： 3～34.

［3］郭金花， 吳星. 化學(xué)高階思維的內(nèi)涵界定與結(jié)構(gòu)建構(gòu)［J］. 江蘇教育研究，2019，（28）： 4.

［5］王帥. 國外高階思維及其教學(xué)方式［J］. 上海教育科研， 2011，（9）： 31～34.