張丙香+畢華林

摘要：根據(jù)自編的調查問卷，對學生進行了測查，結果發(fā)現(xiàn)，高中生對氧化還原反應這一核心概念的三重表征心智模型是多元的、漸進的、情境相依的，不同年級學生的心智模型的一致性程度不同，影響因素也不同。

關鍵詞：高中生；氧化還原反應；三重表征；心智模型；測驗方法

文章編號：1005–6629（2017）9–0013–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

德維塔克認為在學生的工作記憶中，化學概念的三重表征以特殊的方式互相覆蓋，并在可視化方法的支持下，達成對現(xiàn)象的合理理解，即形成化學概念的三重表征心智模型[1]，已有研究涉及到的概念有原子和分子、離子鍵、金屬鍵、化學平衡、酸和堿[2]、氧化還原反應等[3，4]。其中，氧化還原反應是中學化學學習中的一個核心概念，同時也是學生學習中最感困難的概念之一。如果能測查出學生氧化還原反應三重表征心智模型的類型、分布及其影響因素等特點，便能更好地為化學教材的編制和化學教學提供實證上的支持，從而改進課程或教學，以更好地促進學生的概念理解。因此，測查中學生氧化還原反應的三重表征心智模型具有重要的意義。

1 理論基礎

心智模型理論最早由蘇格蘭心理學家克雷克提出來。他認為個體心智構建現(xiàn)實的“小型模型”，以預測事件、進行推理或者把它作為解釋的基礎。就像是一個工程師為了建造一個建筑物，通常會先制造一個和實物建筑比例相同的縮小模型一樣，這樣可以預測所面臨的問題[5]。雷德認為心智模型是人們體會、了解某個特定知識領域的管道或方式，也是認知過程中不可或缺的心像元素，因此心智模型扮演著一個直接表征或類比的角色，其結構反映出事物的相關狀態(tài)[6]。邱美虹認為，心智模型是長時記憶中的元素與外界環(huán)境或刺激物交互作用所產(chǎn)生的內在表征，因此它會隨外在人、事、物等變化而改變，具有動態(tài)變化特質[7]。美國心理學家圣吉的《第五項修煉》中也使用了心智模型這一概念。他認為，對一個人的學習而言，最重要的是心智模型的改變，并提出了行動學習的MBP模型[8]。圣吉的這一觀點引起了很多研究者的關注，引發(fā)了很多關于在教育中如何完善心智模型的研究。

對于概念心智模型發(fā)展的階段性，比較公認的是沃斯尼亞杜的分類：初始模型、混合模型、科學模型[9]。具備了與科學觀點一致的心智模型，并不意味著個體其他的心智模型就會消失，個體會根據(jù)情境的不同而自動選擇使用某種心智模型。

基于以上認識我們認為，心智模型不僅是個體對外在事物內在表征后形成的概念框架，同時也是一種動態(tài)的內在運作機制，影響著個體對外在事物進行描述、解釋和預測的行為與方式。概念框架是指對概念相關因素或概念構成因素的關系的認識與建構，由于個體的知識經(jīng)驗的限制，心智模型多是不完善的，但會隨著知識的增加，心智模型也會不斷完善，因此具有發(fā)展的階段性。

2 研究綜述

對于化學概念三重表征的研究，內容相對來講比較集中和深入，但從三重表征心智模型的角度進行化學概念研究的文獻并不多，也沒有涉及到氧化還原反應。大陸地區(qū)開展了大量深入的化學三重表征研究，但從心智模型角度分析學生的化學概念理解的很少，有代表性的研究是《關于中學生的原子、分子心智模型的研究》[10]。

我國臺灣地區(qū)，對化學概念的三重表征心智模型的研究比較深入，包含氧化還原反應這一化學概念。如張育倩以問卷為主，對學生的氧化還原概念進行了研究[11]。她統(tǒng)整出10種心智模型，并將這10種心智模型分為四類：電子模型、氧模型、混合模型和科學模型。江文瑋利用訪談和二段式診斷題，提出學生對氧化還原反應的八種心智模型，分別是科學模型、氧化數(shù)模型、電子模型、氧模型、燃燒模型、時序模型、途徑模型、合成與分解模型[12]。這些研究有一些相同點：（1）對氧化還原反應心智模型的類型要結合化學史上的經(jīng)典范式和學生的相異構想等進行劃分，研究方法主要是紙筆測驗和訪談，而紙筆測驗以二段式診斷題為主。（2）對氧化還原反應心智模型的理解可以從三重表征角度去分析。

3 研究方案

3.1 研究目的

研究的主要目的是探查高中不同年級學生氧化還原反應三重表征心智模型的類型、分布、發(fā)展特點及其影響因素。

3.2 研究樣本

選擇濟南市一所省級規(guī)范化普通高中的學生作為測試樣本（見表1），在測試前沒有進行任何教學干預。根據(jù)學校的教學進度，選擇在1月份進行測查，這樣全部高中學生都系統(tǒng)地學習過氧化還原反應的知識，避免出現(xiàn)根本無法理解試題而胡亂作答的現(xiàn)象。

3.3 研究工具

研究工具為自編的調查問卷和半結構訪談綱要，采用二段式診斷題的形式，以較好地探查學生的心智模型，并有利于進行統(tǒng)計。對二段式診斷題的編制，我們主要采用的是Treagust的流程[13]。分析高中化學課程標準中有關氧化還原反應的內容，界定相關概念的含義及其關系，根據(jù)課程標準的要求制作概念圖。綜述國內外近三十年關于氧化還原反應相異構想和氧化還原心智模型的文獻，并結合對高中生和三名化學教師的訪談，獲得學生對氧化還原三重表征心智模型的相關信息，初步確定9種心智模型類型，并編制了調查問卷初稿。使用SPSS19.0對問卷測試結果進行統(tǒng)計分析，得到的結果Cronbach α=0.87，大于0.80，測試結果具有較好的信度。在對問卷初測的結果進行分析后，將心智模型類型修訂為11種。進一步測試，得到的結果Cronbach α=0.83，大于0.80，因此可以認為我們的測試結果具有較好的信度。

4 結果與討論

4.1 高中各年級學生氧化還原反應三重表征心智模型類型及其分布

對于高中各年級學生在每道題目上的回答情況，只統(tǒng)計≥5%的數(shù)據(jù)。統(tǒng)計結果顯示，對于氧化還原概念，高中生共具有11種心智模型，不同年級的心智模型分布不同，詳見表2、表3和圖1。

4.2 高中各年級學生氧化還原反應三重表征心智模型的影響因素分析

使用單因素方差分析，檢驗高中各個年級中各類心智模型上的人數(shù)比例是否具有差異性，目的是分析高中各年級學生氧化還原反應三重表征心智模型的主要影響因素。

為了便于比較，對心智模型進行了編號，電荷模型編號為1，電子模型編號為2，化合價模型編號為3，科學模型編號為4，可逆模型編號為5，氫氣模型編號為6，燃素模型編號為7，順序模型編號為8，形式模型編號為9，氧氣模型編號為10，氧氫模型編號為11。

高一年級學生持有心智模型人數(shù)比例的單因素方差分析，F(xiàn)值為19.635，p<0.001，說明組間具有顯著性差異，即不同的心智模型在高一年級中的分布具有顯著性差異。其中，科學模型和燃素模型、順序模型、電子模型差異不是非常明顯。這說明，影響高一學生判斷氧化還原反應的最主要因素有質量守恒定律、電子得失順序和哪種元素得失電子等。與此同時，科學模型的人數(shù)百分比明顯高于氧氣模型、形式模型、電荷模型、氧氣模型和可逆模型，其中電荷模型和可逆模型都屬于符號表征，這說明學生的符號表征是比較完善的，沒有顯著干擾學生的概念判斷。

對高二年級學生在各種心智模型上的人數(shù)百分比進行單因素方差分析，結果如表5所示。根據(jù)單因素方差分析（ANOVA），F(xiàn)值為44.395，p<0.001，說明組間具有顯著性差異，即不同的心智模型在高二年級中的分布具有顯著性差異。具體而言，科學模型和電子模型差異不是非常明顯。這說明，影響高二學生正確判斷氧化還原反應的最主要因素是：學生不清楚哪種元素得失電子。

就高三年級學生持有各心智模型類型的人數(shù)比例進行單因素方差分析，F(xiàn)值為210.176，p< 0.001，組間具有顯著性差異，即不同的心智模型在高三年級中的分布具有顯著性差異。結果表明，高三年級中，科學模型的人數(shù)百分比顯著高于其他模型上的人數(shù)百分比，這說明大多數(shù)學生基本上能夠正確判斷氧化還原反應，具有科學的心智模型，在此概念理解上沒有顯著性的影響因素。

4.3 高中各年級學生使用心智模型的偏好分析

高中各年級學生中都存在很多類型的心智模型，那么不同年級的學生在遇到問題時，傾向于使用哪種心智模型解決問題呢？對此我們進行了對應分析，對學生在各心智模型上的人數(shù)百分比進行了加權處理，以年級為行，模型為列，對應分析的結果如表4、表5所示。

從摘要表中可以看到，第一維度解釋了列聯(lián)表中83.5%的數(shù)據(jù)，第二維解釋了列聯(lián)表中16.5%的數(shù)據(jù)，這兩個維度可以說明全部數(shù)據(jù)，這是非常理想的。卡方值為459.462，p<0.001，說明行列維度間具有較強相關，這為分析不同年級和心智模型間的關系提供了統(tǒng)計依據(jù)，可以進行對應分析，得到的對應分析圖如圖2所示。

首先，使用總體觀察法對對應圖進行解讀，同一象限內的點具有較強的相關或偏好。從圖中可以看到，心智模型和年級位于不同的象限內，因此我們可以判斷，不同年級的心智模型具有差異。高一年級和電荷模型、氫氧模型、氧氣模型在同一個象限，說明這些心智模型出現(xiàn)在高一學生中的幾率很大。高三年級和科學模型在一個象限內，說明高三年級的學生在問題解決時，首先想到的是科學模型。

其次，使用向量分析法進行解讀。如紅線所示，從中心點向高一所在的點連線，使之成為向量，向量正方向為從中心點向年級所在點的方向，然后從不同心智模型所在點向這條向量或延長線做垂線，垂點越靠近向量正向，表明越偏好這種心智模型。由圖可以看出，三個年級中，高一學生使用電子模型的傾向性大于科學模型。也可以從中心點和心智模型所在點連線作向量，分析某一個心智模型在年級中出現(xiàn)幾率的大小。

再次，可以使用向量的夾角——余弦定理進行解讀。如藍線所示，以中心點向不同年級所在點連線，我們分別連向高三和高二，如果所形成的夾角是銳角的話，說明兩者具有相似性，如果是鈍角的話，說明兩者在心智模型上具有很大的差異。我們發(fā)現(xiàn)，高二和高三形成的夾角是鈍角，說明高二和高三在心智模型上有差異。依照這種方法連線，可以看出，三個年級在心智模型類型上具有很大的差異。

最后，也可以根據(jù)同心圓法進行解讀。如以高一所在點為圓心，以不同長度的半徑畫同心圓，最先出現(xiàn)在半徑最小的圓內的心智模型就是高一學生最傾向于使用的心智模型。以心智模型所在點為圓心進行同心圓分析，高一學生最傾向于使用電子模型，然后是化合價模型和順序模型。

結合各年級學生心智模型的類型及分布，對以上分析方法進行綜合判斷，我們認為，相對于另外兩個年級學生，高一學生在解決問題時，大部分學生比較喜歡使用電子模型、順序模型和化合價模型，其次才是科學模型；高二學生在遇到問題時，大部分學生比較喜歡使用化合價模型和電子模型，然后才是科學模型；高三大都比較喜歡使用科學模型，只有極少學生使用其他模型。這說明雖然科學模型在高中三個年級中的人數(shù)百分比都是最大的，但是只有高三學生在遇到問題時首先想到使用科學模型，而其他兩個年級的學生首先想到的是一些錯誤的心智模型，并且這些錯誤的心智模型都屬于微觀表征，說明高中生都知道應該依據(jù)微觀表征判斷氧化還原反應，但是他們的微觀表征卻存在各種錯誤。因此，對高中生而言，最需要深化微觀表征，從而改善心智模型。

從以上分析可以判斷，隨著年級的不斷升高，學生的心智模型逐漸從宏觀模型轉向微觀模型，對化學知識的理解是不斷深入的。

5 研究結論

5.1 高中不同年級學生心智模型的發(fā)展是漸進的

各年級學生的心智模型都是多元的，但是隨著年級的增高，學生心智模型是不斷完善的，呈現(xiàn)漸進性發(fā)展的趨勢。首先主要表現(xiàn)為年級越高，錯誤的心智模型越少，在這些錯誤的心智模型上的人數(shù)比例也越少，相應的科學模型的人數(shù)比例顯著增大。其次，從學生對心智模型的偏愛來分析，高一學生偏愛電子模型、順序和化合價模型，高二學生偏愛化合價模型，高三學生偏愛科學模型，因此我們可以理解為學生的心智模型是漸進發(fā)展的。再次，盡管從高一開始，學生就已經(jīng)擁有了科學模型，但這并不意味著其他模型都要消失，到了高三也是如此，也有其他的模型存在。這就說明學生的心智模型的發(fā)展是漸進的，而不是突變的。

5.2 高中不同年級學生心智模型是情境相依的、不穩(wěn)定的

如果問題是以二段式診斷題的形式出現(xiàn)，那么學生在很大程度上受限于問題選項，傾向于選擇科學模型，如果問題是以半結構訪談的形式出現(xiàn)，那么學生會使用自己偏愛的心智模型回答問題，并且在經(jīng)過提示后，還是傾向于使用原來的模型。年級越高，學生的心智模型越科學，受情境干擾的程度越小。但總的來看，高中各年級學生的心智模型還是情境相依的、不穩(wěn)定的。

5.3 高中不同年級學生心智模型的一致性程度不同

心智模型越完善，其一致性程度越高。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上看，高一學生在回答問題時，出現(xiàn)的心智模型類型很多，在回答相似的問題時，選項也不盡相同，因此可以推測他們使用的是不同的心智模型，因此心智模型的一致性程度較低。反觀高三學生，我們發(fā)現(xiàn)，他們在回答相似的問題時，出現(xiàn)的選項比較少，因此可以推測，他們使用的心智模型是特定的，其一致性程度較高。這和結論2具有異曲同工之妙，心智模型越完善，一致性程度越高，那么受情境影響越小。

5.4 高中不同年級學生心智模型的影響因素不同

影響高一年級學生氧化還原反應三重表征心智模型的主要因素有四種：將氫元素得失作為判斷氧化還原反應的依據(jù)、不清楚電子得失順序、不能判斷哪種元素得失電子、不理解質量守恒定律。影響高二學生氧化還原反應三重表征心智模型的主要因素有兩種：學生不清楚哪種元素得失電子、將氫元素的得失作為氧化還原反應的判斷依據(jù)。大多數(shù)高三學生在氧化還原反應上都具有科學的心智模型，能正確理解和判斷這一概念，不存在顯著的影響因素。

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