李一凡 石萌 孫影 許敏

摘要： 坐標曲線圖像題要求學生理解圖像的本質與變化規(guī)律，對學生的思維水平要求較高。從學生角度出發(fā)，通過半結構化訪談和問卷調查，借助四重表征和數(shù)據(jù)-框架理論，開展個案研究，構建學生思維模型。借助該模型，利用一道承載“離子反應”相關知識的題目探查學生的思維過程和水平。通過分析先驗知識對學生思維的影響，發(fā)現(xiàn)學生在坐標曲線圖像題解題過程中，由于提取知識、運用知識等能力較弱，易產生相異構想，且其微觀表征能力及宏微結合意識有待提高。以期為高中坐標曲線圖像題的教學提供建議與思考。

關鍵詞： 坐標曲線圖像題； 模型建構； 思維進階

文章編號： 1005-6629（2024）02-0020-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，要啟迪學生的科學思維，發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)［1］。坐標曲線圖借助簡單的曲線走向，巧妙地展現(xiàn)了自變量和因變量的關系，具有提供豐富情境、隱含關鍵內容、包容各類知識的特點，可以考查學生從大量信息中提取關鍵信息、分析并利用信息解決問題的能力。近幾年高考涉及的坐標曲線圖像題對學生理解運用化學圖像的要求逐步提升［2］。此類圖像題要求學生理解圖像所蘊含的信息，諸如變化趨勢、坐標意義、特殊拐點等，并利用信息解決問題，對學生的思維要求較高。

目前對于高中化學圖像類試題的研究中，多數(shù)是對其出現(xiàn)頻率或分布情況進行統(tǒng)計分析或教學策略研究［3］。國內學者對于提高學生化學圖像分析能力進行過一些嘗試，但大多數(shù)僅是基于經(jīng)驗提出了教學策略或建議，較少從學生思維的角度進行探究，深入挖掘其思維過程與進階水平?；诖耍狙芯繕嫿ā八闹乇碚?數(shù)據(jù)框架理論”思維模型，利用一道承載離子反應知識的坐標曲線圖像題，借助該模型探查學生思維過程，通過探查先前的經(jīng)驗和知識（以下簡稱“先驗知識”）對學生解決坐標曲線圖像題的影響，以體現(xiàn)學生思維過程和進階，探查其思維障礙。以期為有效培養(yǎng)學生坐標曲線圖像題的分析處理能力提供思路和策略。

2 “四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型的建構

數(shù)據(jù)-框架理論（Data-frame theory）可以對圖像理解過程進行描述，解釋先驗知識對數(shù)據(jù)分析的影響。數(shù)據(jù)-框架理論由數(shù)據(jù)和框架兩部分組成。其中，數(shù)據(jù)是從實驗中收集的信息，如實驗現(xiàn)象、實驗曲線等；框架可以解釋數(shù)據(jù)間的關系［4］。

三重表征是化學學科特有的思維方式，畢華林教授等人基于化學學科的特質，結合認知心理學的相關研究，界定了化學“宏觀-微觀-符號”三重表征的內涵和關系［5］。錢揚義教授等人在三重表征的基礎上，引入了曲線表征，提出化學“四重表征”模式［6］。數(shù)據(jù)-框架理論可以展現(xiàn)學生解決坐標曲線圖像題的思維過程，四重表征可以反映學生在解決化學坐標曲線圖像題時思維的廣度，探查學生思維水平層次和進階。基于此，本研究在數(shù)據(jù)-框架理論［7］基礎上，結合已有研究及國內高中生化學學習實際情況調查，構建“四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型，探查學生的思維特點?；趯嵺`修正的“四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型如圖1。

“四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型包含兩個維度，可以同時探查學生思維過程和學生思維水平的進階。在思維過程方面，學生解決坐標曲線圖像題，可以通過以下循環(huán)：建立框架、觀察與比較數(shù)據(jù)、兩者的相互作用以及質疑框架來解題。首先，建立框架。學生主要通過三種方式建立框架：先驗知識、關鍵點與框架的具體目標。先驗知識即學生已有的知識經(jīng)驗；關鍵點是指學生在讀題與解題的過程中將曲線中的某些點或題干提示設置為解題的關鍵點，如起點、拐點、終點及曲線走勢等?？蚣艿木唧w目標是指學生在解題的過程中，將題目分解為幾個小目標逐個攻破。學生建立框架后，進行數(shù)據(jù)分析。在這一環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)可以影響框架，框架也可以評估數(shù)據(jù)。最后，質疑框架，進行細化或重構。若學生在運用框架評估數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)框架不合理，可以通過重讀提示進行細化或重構。

3 研究方法

本研究采取個案訪談法及問卷調查法，具體研究過程如下：

（1） 確定研究對象，編制測評工具?！半x子反應”的相關知識是高中化學必修部分的內容，該內容是促進學生思維方式從宏觀向微觀轉變的重要橋梁。本研究選取一道承載“離子反應”相關知識的題目作為調查測試題，本題是一道典型的坐標曲線圖像題，設計思路來源于魯科版教材必修第一冊“關于稀硫酸與Ba（OH）2溶液反應的實質”相關內容，充分體現(xiàn)了宏觀-微觀-曲線-符號四重表征思想。采取問卷調查法及個案訪談法對安徽省蕪湖市某重點中學的110名高一學生進行調查，了解學生解決坐標曲線圖像題的思維過程和水平。調查測試題見表1。

（2） 確定分析維度。本研究借助“四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型測查學生思維過程及進階，首先探究學生四重表征思維水平，隨后探究學生思維過程進階。

本研究結合學者們對四重表征轉化能力及數(shù)據(jù)-框架理論的探討，劃分學生思維過程及思維水平的不同等級。已有研究發(fā)現(xiàn)，學生在解決化學問題時，采用單一的表征方式較為簡單，對微觀層面的理解存在困難［8］。相較于宏觀表征、曲線表征和符號表征，學生微觀表征能力較為欠缺；在不同表征進行轉換時，宏微轉換能力最弱［9］。由于本研究所選試題的關鍵為坐標曲線圖，以曲線為解題切入點，在四重表征水平上，只運用曲線表征的劃分為等級1（L1），將曲線表征與宏觀、符號的聯(lián)系劃分為等級2（L2），將涉及微觀表征與宏觀、符號表征的聯(lián)系劃分為等級3（L3），能夠運用四重表征劃分為等級4（L4）（表2）。在思維過程上，由于框架的重構與細化部分與建立框架等聯(lián)系緊密，這部分不再詳細劃分，將思維過程劃分為建立框架（Ta）、觀察數(shù)據(jù)（Tb）、比較數(shù)據(jù)（Tc）、數(shù)據(jù)-框架交互（Td）四個維度，每個維度劃分為三個等級（表3）。

（3） 分析信度與效度。在效度方面，表2、表3所呈現(xiàn)的框架經(jīng)３位學科教學論專家和一線專家教師進行評定、修改后一致認為內容效度良好。在信度方面，由兩位研究者依據(jù)本文編定的標準對110份調查結果所呈現(xiàn)的思維過程及四重表征水平進行編碼分析，對少數(shù)分歧進行討論后，利用SPSS26.0對兩位研究者的研究結果進行一致性信度分析。經(jīng)計算，在建立框架、數(shù)據(jù)觀察、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)-框架交互、四重表征水平維度上Kappa系數(shù)分別為0.832， 0.843， 0.816， 0.868， 0.885?？梢娫诟骶S度上均達到了較高程度的一致性，據(jù)此可認為研究結果真實有效，本文所定標準也具有科學性和可行性。

4 研究結果與分析

4.1 “四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”探查學生四重表征思維水平

本研究結合畢華林教授對三重表征的界定［10］以及錢揚義教授對曲線表征的界定［11］，依據(jù)“四重表征-數(shù)據(jù)框架”思維模型對四重表征思維水平的劃分，對學生思維水平進行編碼分析，解構學生思維的表征內容層次，見表4、圖2。

由圖2，超過60%的學生處于L1、 L2水平，學生思維的四重表征水平較低。其中，有20.91%的學生處于L1水平，不能通過曲線建立與宏觀實驗現(xiàn)象、微觀粒子變化和化學符號的關系；處于L2-2、L2-3的學生較多，均占16.36%，說明學生解題時能夠從曲線出發(fā)，建立起曲線與宏觀現(xiàn)象、化學符號的聯(lián)系，但學生可能同時存在思維慣性，依賴于書寫反應的方程式等解題技巧。有6.36%的學生處于L3-1水平，通過分析溶液中微粒的組成與圖像建立聯(lián)系。處于L3-3水平的學生只有6.36%，而處于L3-2水平的學生占12.73%，說明學生的宏微結合能力較弱，而符號表征能力較強。能夠同時運用四重表征的學生僅有11.82%?？傮w來說，學生在解決坐標曲線圖像題時，更多關注能否借助曲線和解題技巧答題，而非關注曲線本身變化及其微觀本質。

4.2 “四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”探查學生思維過程進階水平

借助“四重表征-數(shù)據(jù)框架理論”思維模型分析學生解題思維過程，學生通過建立框架、觀察與比較數(shù)據(jù)、兩者的相互作用以及框架的細化與重構進行思維建構，解決坐標曲線圖像題。在分析過程中，發(fā)現(xiàn)先驗知識對學生解決圖像類問題的思維過程影響較大。學生的思維過程、思維水平和典型表現(xiàn)如表5，進階情況見圖3。

從總體上看，并非所有先驗知識對學生解決坐標曲線圖像題都有利，有時會使學生產生相異構想。例如學生認為“電導率的影響因素是溶液中H+濃度”，運用溶液酸堿性判斷溶液電導率。從學生思維過程的進階情況來看，學生在建立框架時，66.36%的學生處于Ta2水平，說明大部分學生能夠有效提取先驗知識，尋找關鍵點，但學生更傾向于通過宏觀實驗現(xiàn)象、化學符號與曲線圖建立聯(lián)系。能夠以體系中微觀粒子變化為切入點，并同時通過宏觀現(xiàn)象、化學符號與曲線建立聯(lián)系的學生只有17.27%。在數(shù)據(jù)的觀察方面，60.91%的學生處于Tb1水平，說明大部分對圖像的觀察不夠深入，只是簡單捕捉圖像中的幾個拐點，不能挖掘曲線各點的微粒組成。在數(shù)據(jù)比較方面，超過80%學生能夠對數(shù)據(jù)進行簡單對比，或對反應過程中的微粒變化進行定性比較（Tc1、 Tc2），說明學生的數(shù)據(jù)比較能力相對較好。但僅有10.91%的學生能夠從定量的角度對不同時刻體系狀態(tài)等進行對比分析（Tc3），準確判斷曲線各點的微粒組成并定量分析。在數(shù)據(jù)-框架的交互方面，62.37%的學生只是將圖像與反應的方程式、宏觀現(xiàn)象等進行簡單對應（Td1）。學生不考慮微觀過程，不深入分析圖像，“知其然但不知其所以然”。總體來說，大部分學生能掌握一定的知識，但對坐標曲線圖的理解能力以及知識的運用能力有待提高。

5 啟示與建議

本研究從學生角度出發(fā)，通過挖掘學生解決坐標曲線圖像題的思維過程，發(fā)現(xiàn)先驗知識對學生思維影響較大；學生解決坐標曲線圖像題時，仍存在相異構想；學生的思維過程和四重表征水平存在進階，部分學生的知識理解運用能力和微觀表征能力較弱，宏微結合能力較弱。

5.1 激活先驗知識，提高學生理解運用能力

學生解決坐標曲線圖像題時，對先驗知識的提取與理解運用能力較差。新課標指出，教師要有目的、有計劃地引導學生運用化學科學思維方式和方法學習化學知識，引導學生在化學知識結構化的自主建構中理解化學核心觀念。學生的先驗知識可以激活和開發(fā)處理圖像信息的框架，對于促進化學知識結構化具有重要作用。為了使學生能夠對坐標曲線圖像題進行有效地分析，教師可以將坐標曲線圖放在不同情境下，使學生在解決陌生情境下的坐標曲線圖像題時，準確提取先驗知識，迅速地將曲線與宏觀實驗現(xiàn)象、微觀粒子變化及化學符號建立聯(lián)系，從而有效地建立框架，進行數(shù)據(jù)分析與解釋，以增強學生的知識理解運用能力。

5.2 傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗相融合，增強學生微觀表征能力

學生解決坐標曲線圖像題時，微觀表征能力、宏微結合能力較差。究其原因，是學生在對曲線進行分析時，不能明確曲線的走勢與體系中微粒濃度變化的定量關系，微觀分析解釋能力較弱。傳統(tǒng)實驗有助于學生在宏觀上感知實驗現(xiàn)象，培養(yǎng)學生宏觀表征能力。數(shù)字化實驗可以借助傳感器展現(xiàn)溶液中離子濃度的變化，幫助學生理解抽象概念。在進行坐標曲線圖像題的教學過程中，可以將傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗相結合，分別從曲線變化、物質變化、微粒變化的角度進行分析與解釋，剖析曲線本質。引導學生在讀圖的過程中，將宏觀實驗現(xiàn)象、微觀粒子變化與曲線建立聯(lián)系，使學生在分析溶液微粒組成的過程中突破思維障礙，提高思維水平。

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