教材內(nèi)容編排與呈現(xiàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)的影響研究

摘 要：為了解教材內(nèi)容編排與呈現(xiàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)的影響情況，使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)測(cè)查了使用不同版本化學(xué)教材的初中生對(duì)“酸和堿”的學(xué)習(xí)情況，建構(gòu)了初中生“酸和堿”的認(rèn)知路徑圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用不同版本化學(xué)教材的學(xué)生對(duì)“酸和堿”的認(rèn)知路徑不同，學(xué)生的認(rèn)知路徑總體上與所使用教材的編排順序一致，學(xué)生已有的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對(duì)“酸和堿”知識(shí)的學(xué)習(xí)有較大影響。

關(guān)鍵詞：教材內(nèi)容；酸和堿；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；認(rèn)知路徑

文章編號(hào)：1005-6629（2024）09-0008-06

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 研究背景

黨的二十大報(bào)告中要求“加強(qiáng)教材建設(shè)和管理”，將教材建設(shè)作為深化教育領(lǐng)域綜合改革的重要環(huán)節(jié)^［1］。教材建設(shè)是國(guó)家教育事業(yè)的重要組成部分，是體現(xiàn)國(guó)家意志、落實(shí)國(guó)家事權(quán)和傳承優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的重要途徑^［2］。當(dāng)課程標(biāo)準(zhǔn)確定了內(nèi)容要求后，如何依據(jù)學(xué)科的邏輯順序和學(xué)生的認(rèn)知順序，合理確定教材內(nèi)容的編排順序和呈現(xiàn)方式，直接影響教材育人功能的發(fā)揮，影響學(xué)生高質(zhì)量的學(xué)習(xí)。有研究者進(jìn)行了這方面的研究，但主要是從教師教的角度展開分析，較少關(guān)注其對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響^［3～5］。

“酸和堿”是化學(xué)課程內(nèi)容體系的重要組成部分，貫穿中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)整個(gè)階段，在初中化學(xué)階段，學(xué)生主要是以鹽酸、硫酸、氫氧化鈉和氫氧化鈣為例，通過實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)識(shí)酸、堿的主要性質(zhì)和用途；了解檢驗(yàn)溶液酸堿性的基本方法，知道酸堿性對(duì)人體健康和農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響^［6］。針對(duì)上述內(nèi)容要求，不同版本的初中化學(xué)教材對(duì)“酸和堿”單元的編排組織存在差異，主要體現(xiàn)在“溶液酸堿性”內(nèi)容的編排位置是在酸堿性質(zhì)的學(xué)習(xí)之前還是之后，同時(shí)不同版本教材對(duì)于具體內(nèi)容的呈現(xiàn)方式也不盡相同。這種教材內(nèi)容編排和呈現(xiàn)上的差異對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)“酸和堿”會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？初中生對(duì)于“酸和堿”的認(rèn)知路徑是怎樣的？本研究嘗試收集使用不同版本化學(xué)教材學(xué)生的相關(guān)證據(jù)，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)刻畫初中生“酸和堿”學(xué)習(xí)的認(rèn)知路徑，從而為化學(xué)教材的編寫研究提供實(shí)證支持。

2 研究方法

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（Bayesian Network， BN）又稱信念網(wǎng)絡(luò)，是一種利用概率的方式描述變量間依賴關(guān)系的圖形模型^［7］。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)由兩部分組成，有向無環(huán)圖和條件概率表^［8］。有向無環(huán)圖反映貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的定性關(guān)系，其中節(jié)點(diǎn)表示變量，節(jié)點(diǎn)間的有向箭頭表示變量間的依賴關(guān)系，若兩節(jié)點(diǎn)間用一個(gè)有向箭頭連接，則箭頭指出的是“父節(jié)點(diǎn)”，箭頭指向的是“子節(jié)點(diǎn)”。條件概率表反映的是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的定量關(guān)系，表示節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系程度，假設(shè)在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中存在A指向B的箭頭，通過處理A、B在觀測(cè)數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)，可以得到B的條件概率表，即在滿足A的條件下，實(shí)現(xiàn)B的概率為多少。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以從被試的作答數(shù)據(jù)中挖掘出變量之間的層級(jí)關(guān)系。

在實(shí)際研究中，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)來處理問題主要分為三步^［9］：首先是在領(lǐng)域?qū)＜业闹笇?dǎo)下，確定合適的節(jié)點(diǎn)變量及變量的取值范圍；其次是確定變量間的依賴關(guān)系，即確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有向無環(huán)圖，簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)；最后是確定變量間的分布函數(shù)，獲得條件概率表，簡(jiǎn)稱參數(shù)學(xué)習(xí)。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具備從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系的能力，可以結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和專家經(jīng)驗(yàn)來建構(gòu)學(xué)生的認(rèn)知路徑^［10］；另外，與教育實(shí)證研究中其他傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析模型相比，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)處理多維度、多層次的復(fù)雜變量關(guān)系，無需預(yù)先設(shè)定樣本容量^［11］。因此，本研究利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)來獲得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的層級(jí)關(guān)系，進(jìn)而確定學(xué)生“酸和堿”的認(rèn)知路徑。

3 研究步驟

3.1 確定研究變量

依據(jù)《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》以及不同版本初中化學(xué)教材中有關(guān)“酸和堿”的內(nèi)容要求，并與中學(xué)化學(xué)特級(jí)教師和學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜曳磸?fù)討論與商定后，確定了本研究的內(nèi)容主題，即研究變量，主要包括A1（酸的定義）、A2（酸的物理性質(zhì)）、A3（酸的化學(xué)性質(zhì)）、A4（酸的用途）、A5（堿的定義）、A6（堿的物理性質(zhì)）、A7（堿的化學(xué)性質(zhì)）、A8（堿的用途）、A9（溶液的酸堿性）和A10（酸堿中和反應(yīng)）等十方面的內(nèi)容。

為確定學(xué)生在不同內(nèi)容主題上的表現(xiàn)情況，需要開發(fā)相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目。每個(gè)內(nèi)容主題對(duì)應(yīng)2～4個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，通過學(xué)生對(duì)不同項(xiàng)目的作答情況來確定其在內(nèi)容主題上的表現(xiàn)。測(cè)試項(xiàng)目經(jīng)過專家審閱后，最終確定了由22個(gè)單項(xiàng)選擇題組成的“酸和堿”測(cè)試卷，所有測(cè)試題目均采用0～1計(jì)分，答對(duì)計(jì)為1分，答錯(cuò)計(jì)為0分。每個(gè)內(nèi)容主題的具體描述及測(cè)試要求見表1。

選擇不同地區(qū)使用不同版本初中化學(xué)教材的3078名學(xué)生作為研究對(duì)象（其中1652名學(xué)生使用甲版本教材，1426名學(xué)生使用乙版本教材），在學(xué)生完成“酸和堿”單元學(xué)習(xí)后進(jìn)行測(cè)試。最終回收有效卷N=2952份（其中甲版本教材N1=1547份，乙版本教材N2=1405份）。利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行信度分析后得到Cronbachs alpha值為0.835，測(cè)試信度良好。根據(jù)學(xué)生的項(xiàng)目作答分?jǐn)?shù)，得到學(xué)生對(duì)不同內(nèi)容主題的掌握情況，以A10（酸堿中和反應(yīng)）為例，涉及測(cè)試題目Q19、 Q20、 Q21和Q22，如果某學(xué)生在這四個(gè)題目的得分之和大于等于3分，則認(rèn)為該學(xué)生已經(jīng)掌握了A10，計(jì)為“YES”，若得分之和小于3則計(jì)為“NO”，通過對(duì)項(xiàng)目得分的分析，最終得到了每位學(xué)生在不同內(nèi)容主題上的表現(xiàn)情況。

3.2 結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和參數(shù)學(xué)習(xí)

實(shí)現(xiàn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析的軟件有很多，本研究使用基于R語言平臺(tái)的bnlearn包^［12］。將使用不同版本教材的學(xué)生在“酸和堿”內(nèi)容主題上的表現(xiàn)數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入R語言平臺(tái)，使用bnlearn包得到了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的初中生“酸和堿”認(rèn)知路徑圖（見圖1、圖2）。

在結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)后，繼續(xù)在R語言平臺(tái)使用學(xué)生的表現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)學(xué)習(xí)，得到每個(gè)內(nèi)容主題的條件概率表。如表2、表3分別展示了使用不同版本教材的學(xué)生A9（溶液的酸堿性）的條件概率表。

4 研究結(jié)果與討論

使用不同版本化學(xué)教材的初中生“酸和堿”的認(rèn)知路徑有什么不同？教材內(nèi)容的編排和呈現(xiàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)產(chǎn)生什么影響？下面結(jié)合研究結(jié)果對(duì)初中生“溶液的酸堿性”和“酸堿中和反應(yīng)”的認(rèn)知情況進(jìn)行討論和分析。

4.1 學(xué)生對(duì)“溶液的酸堿性”的認(rèn)知路徑分析

4.1.1 使用甲版本教材學(xué)生的認(rèn)知路徑分析

從圖1可以看出，使用甲版本教材的學(xué)生“酸和堿”的認(rèn)知路徑與所學(xué)教材內(nèi)容編排順序基本上是一致的。其中A3（酸的化學(xué)性質(zhì)）、A5（堿的定義）、A7（堿的化學(xué)性質(zhì)）是A9（溶液的酸堿性）的父節(jié)點(diǎn)，影響學(xué)生對(duì)溶液酸堿性的理解。從表2可知，如果一個(gè)學(xué)生沒有理解A3、A5和A7，那么他理解A9就變得較為困難，失敗的概率達(dá)到63.84%；但如果學(xué)生同時(shí)理解了A3、A5和A7，那么他成功理解A9的概率可以達(dá)到97.26%。

研究者普遍認(rèn)同，要從宏觀表征、微觀表征、符號(hào)表征三種水平上認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)知識(shí)，化學(xué)學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)就是要建構(gòu)化學(xué)知識(shí)的三重表征，并在這三種表征之間自由靈活地轉(zhuǎn)換^［13］。就“溶液的酸堿性”而言，“宏觀表征”指的是學(xué)生知道利用酸堿指示劑的顏色變化可以檢驗(yàn)溶液的酸堿性，通過pH試紙可以檢驗(yàn)溶液酸堿性的強(qiáng)弱；而“微觀表征”指的是學(xué)生知道溶液的酸堿性是與溶液中所含的H⁺和OH^-的濃度大小有關(guān)；“符號(hào)表征”主要是指學(xué)生知道可以利用pH來表示溶液酸堿性的強(qiáng)弱。其中，溶液酸堿性的微觀本質(zhì)是影響學(xué)生理解“溶液的酸堿性”知識(shí)的關(guān)鍵。

分析甲版本的化學(xué)教材，先編排學(xué)習(xí)常見的酸和堿的性質(zhì)，然后編排學(xué)習(xí)溶液的酸堿性；并且在呈現(xiàn)酸和堿的性質(zhì)時(shí)，教材通過正文描述和微觀圖示，力求從微觀的視角解釋酸、堿的化學(xué)性質(zhì)的本質(zhì)，在學(xué)生頭腦中初步形成了酸與H⁺、堿與OH^-之間的內(nèi)在聯(lián)系，有助于增進(jìn)學(xué)生從宏觀、微觀、符號(hào)三種水平認(rèn)識(shí)溶液的酸堿性，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)“溶液的酸堿性”知識(shí)的深刻理解。

4.1.2 使用乙版本教材學(xué)生的認(rèn)知路徑分析

使用乙版本教材學(xué)生的認(rèn)知路徑與使用甲版本教材的學(xué)生存在一定差異。在圖2中，A9（溶液的酸堿性）位于A3（酸的化學(xué)性質(zhì)）和A7（堿的化學(xué)性質(zhì)）之間，表3為使用乙版本教材的學(xué)生A9的條件概率表，發(fā)現(xiàn)若學(xué)生沒有理解A3，成功理解A9的概率只有61.17%，但如果學(xué)生已經(jīng)理解了A3，成功理解A9的概率就會(huì)增長(zhǎng)到93.15%。

學(xué)生的學(xué)習(xí)是建立在已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，這些經(jīng)驗(yàn)通常是一些個(gè)人的實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)^［14］。學(xué)生在正式學(xué)習(xí)酸和堿之前，在生活中已經(jīng)接觸了較多的酸性物質(zhì)，如食醋、檸檬等，“酸味”也是學(xué)生在日常生活中最常見的味覺描述詞之一，這些生活經(jīng)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)“酸和堿”的基礎(chǔ)，在學(xué)生頭腦中印象深刻。相反，學(xué)生在生活中即使有機(jī)會(huì)接觸肥皂水、石灰水等堿性物質(zhì)，但在生活中卻很少直接提到“堿”或“堿性”的表述，“堿”對(duì)學(xué)生來說也就相對(duì)陌生。從圖2看出，酸是學(xué)生學(xué)習(xí)“酸和堿”的起點(diǎn)。

在乙版本教材中“溶液的酸堿性”位于“酸和堿”單元的起始，學(xué)生對(duì)于溶液酸堿性的認(rèn)識(shí)主要是依賴生活經(jīng)驗(yàn)停留在宏觀水平，不能從微觀水平分析溶液酸堿性的實(shí)質(zhì)。而當(dāng)學(xué)生較系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了酸及酸的性質(zhì)后，初步認(rèn)識(shí)了酸中含有的H⁺與酸的化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，就可以從微觀水平理解溶液酸堿性的實(shí)質(zhì)，增進(jìn)對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。

與使用甲版本教材學(xué)生相反的是，使用乙版本教材學(xué)生的認(rèn)知路徑圖中，A9（溶液的酸堿性）是A7（堿的化學(xué)性質(zhì)）的父節(jié)點(diǎn)，說明對(duì)于使用乙版本的學(xué)生來說，A7的學(xué)習(xí)是受到A9的直接影響的。分析A7的條件概率表，見表4，若學(xué)生未理解A5（堿的定義）和A9，學(xué)生成功理解A7的概率僅有59.94%，而當(dāng)學(xué)生同時(shí)理解了A5和A9之后，成功理解A7的概率增長(zhǎng)到80.22%。通過條件概率可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過溶液的酸堿性以及酸的學(xué)習(xí)后，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)于堿的化學(xué)性質(zhì)的學(xué)習(xí)。此時(shí)學(xué)生不僅可以借助生活經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)堿，還可以類比學(xué)習(xí)酸及溶液酸堿性的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合宏觀、微觀和符號(hào)三種水平認(rèn)識(shí)堿的化學(xué)性質(zhì)，從而對(duì)堿及其性質(zhì)達(dá)到更深刻的理解。

4.2 學(xué)生對(duì)“酸堿中和反應(yīng)”的認(rèn)知路徑分析

酸堿中和反應(yīng)是中學(xué)“酸和堿”學(xué)習(xí)的核心概念之一，在初中化學(xué)教學(xué)中具有重要的地位。由圖1和圖2可知，無論使用哪種教材學(xué)習(xí)的學(xué)生，對(duì)酸堿中和反應(yīng)的學(xué)習(xí)都要以酸和堿的性質(zhì)等內(nèi)容為基礎(chǔ)。

結(jié)合兩組學(xué)生A10（酸堿中和反應(yīng)）的條件概率表（表5、表6），無論哪組學(xué)生，若未理解A3（酸的性質(zhì)）、A7（堿的性質(zhì)）、A9（溶液的酸堿性），則其成功理解A10的概率只有13.55%和4.57%，只有學(xué)生在完全理解A3、 A7、 A9后，成功理解A10的概率才會(huì)有大幅度增長(zhǎng)，可見學(xué)生只有在理解酸和堿及其化學(xué)性質(zhì)后，才能更好地理解酸堿中和反應(yīng)的概念。

進(jìn)一步分析兩組學(xué)生A10條件概率表，在成功理解A3、 A7、 A9的條件下，使用乙版本教材的學(xué)生成功理解A10的概率也只有66.22%，低于使用甲版本教材的學(xué)生（83.67%）。兩種版本化學(xué)教材中“酸堿中和反應(yīng)”編排位置相同，但選擇的內(nèi)容素材有一定差異。兩個(gè)版本教材都設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)幫助學(xué)生在宏觀層面體驗(yàn)酸堿中和反應(yīng)，并都使用典型的化學(xué)方程式來介紹酸堿中和反應(yīng)，其中的差異是對(duì)于酸堿中和反應(yīng)微觀解釋的處理。甲版本教材不僅在正文描述了中和反應(yīng)中微觀粒子的變化情況，并且借助反應(yīng)的微觀圖示展示了中和反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)。而乙版本教材僅展示了中和反應(yīng)的微觀示意圖，并沒有強(qiáng)調(diào)溶液中微觀粒子是如何變化的。教材內(nèi)容的呈現(xiàn)方式影響教師的教和學(xué)生的學(xué)，使用乙版本教材的學(xué)生成功理解酸堿中和反應(yīng)的概率不如甲版本教材的學(xué)生，其原因可能是因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)中和反應(yīng)時(shí)，缺少了從微觀水平對(duì)酸堿中和反應(yīng)實(shí)質(zhì)的深刻認(rèn)識(shí)，沒能將宏觀、微觀與符號(hào)緊密聯(lián)系起來。

5 研究結(jié)論與建議

本研究利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)測(cè)查了使用不同版本化學(xué)教材的初中生在學(xué)習(xí)“酸和堿”的認(rèn)知路徑。研究發(fā)現(xiàn)，使用不同版本教材的學(xué)生對(duì)“酸和堿”的認(rèn)知路徑不相同，教材內(nèi)容的編排順序和呈現(xiàn)方式影響著學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)。從研究結(jié)果來看，初中生“酸和堿”的認(rèn)知路徑總體上與所使用教材的內(nèi)容編排順序是一致的，教材內(nèi)容編排順序不同，學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知路徑也存在差異。研究還表明學(xué)生原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生較大的影響，尤其是那些在學(xué)生頭腦中根深蒂固的生活經(jīng)驗(yàn)，會(huì)直接影響學(xué)生對(duì)新概念的理解。

教材內(nèi)容的組織要努力實(shí)現(xiàn)學(xué)科邏輯順序與學(xué)生認(rèn)知順序的有機(jī)融合。學(xué)科邏輯順序要求按照學(xué)科的內(nèi)在邏輯和發(fā)展規(guī)律來組織和呈現(xiàn)教材內(nèi)容，體現(xiàn)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途”的學(xué)科規(guī)律。而學(xué)生的認(rèn)知順序則要求遵循學(xué)生的認(rèn)識(shí)規(guī)律，從具體到抽象，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從經(jīng)驗(yàn)事實(shí)到概念理論，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平。這兩種順序之間的沖突是教材編寫必須面對(duì)的挑戰(zhàn)，如何調(diào)和二者之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合，需要從理論和實(shí)踐兩方面進(jìn)行深入的探索。要加強(qiáng)實(shí)踐研究，依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，不斷尋找最“便教利學(xué)”的教材編排順序和呈現(xiàn)方式。當(dāng)然，教材育人價(jià)值的充分發(fā)揮，還需要教師根據(jù)所教學(xué)生的實(shí)際情況，創(chuàng)造性地開發(fā)和使用教材，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

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