摘 要：為了解教材內(nèi)容編排與呈現(xiàn)對學生知識學習的影響情況，使用貝葉斯網(wǎng)絡測查了使用不同版本化學教材的初中生對“酸和堿”的學習情況，建構(gòu)了初中生“酸和堿”的認知路徑圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用不同版本化學教材的學生對“酸和堿”的認知路徑不同，學生的認知路徑總體上與所使用教材的編排順序一致，學生已有的相關(guān)經(jīng)驗對“酸和堿”知識的學習有較大影響。

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

文章編號：1005-6629（2024）09-0008-06

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 研究背景

黨的二十大報告中要求“加強教材建設和管理”，將教材建設作為深化教育領(lǐng)域綜合改革的重要環(huán)節(jié)^［1］。教材建設是國家教育事業(yè)的重要組成部分，是體現(xiàn)國家意志、落實國家事權(quán)和傳承優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的重要途徑^［2］。當課程標準確定了內(nèi)容要求后，如何依據(jù)學科的邏輯順序和學生的認知順序，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，影響學生高質(zhì)量的學習。有研究者進行了這方面的研究，但主要是從教師教的角度展開分析，較少關(guān)注其對學生學習的影響^［3～5］。

“酸和堿”是化學課程內(nèi)容體系的重要組成部分，貫穿中學化學學習整個階段，在初中化學階段，學生主要是以鹽酸、硫酸、氫氧化鈉和氫氧化鈣為例，通過實驗探究認識酸、堿的主要性質(zhì)和用途；了解檢驗溶液酸堿性的基本方法，知道酸堿性對人體健康和農(nóng)作物生長的影響^［6］。針對上述內(nèi)容要求，不同版本的初中化學教材對“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)的學習之前還是之后，同時不同版本教材對于具體內(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)上的差異對學生學習“酸和堿”會產(chǎn)生怎樣的影響？初中生對于“酸和堿”的認知路徑是怎樣的？本研究嘗試收集使用不同版本化學教材學生的相關(guān)證據(jù)，利用貝葉斯網(wǎng)絡刻畫初中生“酸和堿”學習的認知路徑，從而為化學教材的編寫研究提供實證支持。

2 研究方法

貝葉斯網(wǎng)絡（Bayesian Network， BN）又稱信念網(wǎng)絡，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)絡節(jié)點之間的定性關(guān)系，其中節(jié)點表示變量，節(jié)點間的有向箭頭表示變量間的依賴關(guān)系，若兩節(jié)點間用一個有向箭頭連接，則箭頭指出的是“父節(jié)點”，箭頭指向的是“子節(jié)點”。條件概率表反映的是貝葉斯網(wǎng)絡節(jié)點間的定量關(guān)系，表示節(jié)點間的聯(lián)系程度，假設在貝葉斯網(wǎng)絡中存在A指向B的箭頭，通過處理A、B在觀測數(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，實現(xiàn)B的概率為多少。利用貝葉斯網(wǎng)絡可以從被試的作答數(shù)據(jù)中挖掘出變量之間的層級關(guān)系。

在實際研究中，利用貝葉斯網(wǎng)絡來處理問題主要分為三步^［9］：首先是在領(lǐng)域?qū)＜业闹笇拢_定合適的節(jié)點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)絡結(jié)構(gòu)的有向無環(huán)圖，簡稱結(jié)構(gòu)學習；最后是確定變量間的分布函數(shù)，獲得條件概率表，簡稱參數(shù)學習。

貝葉斯網(wǎng)絡具備從大量數(shù)據(jù)中學習出網(wǎng)絡節(jié)點之間關(guān)系的能力，可以結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和專家經(jīng)驗來建構(gòu)學生的認知路徑^［10］；另外，與教育實證研究中其他傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析模型相比，貝葉斯網(wǎng)絡可以同時處理多維度、多層次的復雜變量關(guān)系，無需預先設定樣本容量^［11］。因此，本研究利用貝葉斯網(wǎng)絡來獲得網(wǎng)絡節(jié)點間的層級關(guān)系，進而確定學生“酸和堿”的認知路徑。

3 研究步驟

3.1 確定研究變量

依據(jù)《義務教育化學課程標準（2022年版）》以及不同版本初中化學教材中有關(guān)“酸和堿”的內(nèi)容要求，并與中學化學特級教師和學科領(lǐng)域?qū)＜曳磸陀懻撆c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（堿的化學性質(zhì)）、A8（堿的用途）、A9（溶液的酸堿性）和A10（酸堿中和反應）等十方面的內(nèi)容。

為確定學生在不同內(nèi)容主題上的表現(xiàn)情況，需要開發(fā)相應的測試項目。每個內(nèi)容主題對應2～4個測試項目，通過學生對不同項目的作答情況來確定其在內(nèi)容主題上的表現(xiàn)。測試項目經(jīng)過專家審閱后，最終確定了由22個單項選擇題組成的“酸和堿”測試卷，所有測試題目均采用0～1計分，答對計為1分，答錯計為0分。每個內(nèi)容主題的具體描述及測試要求見表1。

選擇不同地區(qū)使用不同版本初中化學教材的3078名學生作為研究對象（其中1652名學生使用甲版本教材，1426名學生使用乙版本教材），在學生完成“酸和堿”單元學習后進行測試。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)計軟件對測試數(shù)據(jù)進行信度分析后得到Cronbachs alpha值為0.835，測試信度良好。根據(jù)學生的項目作答分數(shù)，得到學生對不同內(nèi)容主題的掌握情況，以A10（酸堿中和反應）為例，涉及測試題目Q19、 Q20、 Q21和Q22，如果某學生在這四個題目的得分之和大于等于3分，則認為該學生已經(jīng)掌握了A10，計為“YES”，若得分之和小于3則計為“NO”，通過對項目得分的分析，最終得到了每位學生在不同內(nèi)容主題上的表現(xiàn)情況。

3.2 結(jié)構(gòu)學習和參數(shù)學習

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

在結(jié)構(gòu)學習后，繼續(xù)在R語言平臺使用學生的表現(xiàn)數(shù)據(jù)進行參數(shù)學習，得到每個內(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

使用不同版本化學教材的初中生“酸和堿”的認知路徑有什么不同？教材內(nèi)容的編排和呈現(xiàn)對學生知識學習產(chǎn)生什么影響？下面結(jié)合研究結(jié)果對初中生“溶液的酸堿性”和“酸堿中和反應”的認知情況進行討論和分析。

4.1 學生對“溶液的酸堿性”的認知路徑分析

4.1.1 使用甲版本教材學生的認知路徑分析

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

研究者普遍認同，要從宏觀表征、微觀表征、符號表征三種水平上認識和理解化學知識，化學學習的實質(zhì)就是要建構(gòu)化學知識的三重表征，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”指的是學生知道利用酸堿指示劑的顏色變化可以檢驗溶液的酸堿性，通過pH試紙可以檢驗溶液酸堿性的強弱；而“微觀表征”指的是學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)；“符號表征”主要是指學生知道可以利用pH來表示溶液酸堿性的強弱。其中，溶液酸堿性的微觀本質(zhì)是影響學生理解“溶液的酸堿性”知識的關(guān)鍵。

分析甲版本的化學教材，先編排學習常見的酸和堿的性質(zhì)，然后編排學習溶液的酸堿性；并且在呈現(xiàn)酸和堿的性質(zhì)時，教材通過正文描述和微觀圖示，力求從微觀的視角解釋酸、堿的化學性質(zhì)的本質(zhì)，在學生頭腦中初步形成了酸與H⁺、堿與OH^-之間的內(nèi)在聯(lián)系，有助于增進學生從宏觀、微觀、符號三種水平認識溶液的酸堿性，從而促進學生對“溶液的酸堿性”知識的深刻理解。

4.1.2 使用乙版本教材學生的認知路徑分析

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

學生的學習是建立在已有的知識經(jīng)驗基礎上，這些經(jīng)驗通常是一些個人的實際生活經(jīng)驗^［14］。學生在正式學習酸和堿之前，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)驗是學生學習“酸和堿”的基礎，在學生頭腦中印象深刻。相反，學生在生活中即使有機會接觸肥皂水、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”對學生來說也就相對陌生。從圖2看出，酸是學生學習“酸和堿”的起點。

在乙版本教材中“溶液的酸堿性”位于“酸和堿”單元的起始，學生對于溶液酸堿性的認識主要是依賴生活經(jīng)驗停留在宏觀水平，不能從微觀水平分析溶液酸堿性的實質(zhì)。而當學生較系統(tǒng)地學習了酸及酸的性質(zhì)后，初步認識了酸中含有的H⁺與酸的化學性質(zhì)的關(guān)系，就可以從微觀水平理解溶液酸堿性的實質(zhì)，增進對相關(guān)知識的理解。

與使用甲版本教材學生相反的是，使用乙版本教材學生的認知路徑圖中，A9（溶液的酸堿性）是A7（堿的化學性質(zhì)）的父節(jié)點，說明對于使用乙版本的學生來說，A7的學習是受到A9的直接影響的。分析A7的條件概率表，見表4，若學生未理解A5（堿的定義）和A9，學生成功理解A7的概率僅有59.94%，而當學生同時理解了A5和A9之后，成功理解A7的概率增長到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習后，促進了學生對于堿的化學性質(zhì)的學習。此時學生不僅可以借助生活經(jīng)驗認識堿，還可以類比學習酸及溶液酸堿性的學習經(jīng)驗，結(jié)合宏觀、微觀和符號三種水平認識堿的化學性質(zhì)，從而對堿及其性質(zhì)達到更深刻的理解。

4.2 學生對“酸堿中和反應”的認知路徑分析

酸堿中和反應是中學“酸和堿”學習的核心概念之一，在初中化學教學中具有重要的地位。由圖1和圖2可知，無論使用哪種教材學習的學生，對酸堿中和反應的學習都要以酸和堿的性質(zhì)等內(nèi)容為基礎。

結(jié)合兩組學生A10（酸堿中和反應）的條件概率表（表5、表6），無論哪組學生，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%，只有學生在完全理解A3、 A7、 A9后，成功理解A10的概率才會有大幅度增長，可見學生只有在理解酸和堿及其化學性質(zhì)后，才能更好地理解酸堿中和反應的概念。

進一步分析兩組學生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生（83.67%）。兩種版本化學教材中“酸堿中和反應”編排位置相同，但選擇的內(nèi)容素材有一定差異。兩個版本教材都設計了實驗探究活動幫助學生在宏觀層面體驗酸堿中和反應，并都使用典型的化學方程式來介紹酸堿中和反應，其中的差異是對于酸堿中和反應微觀解釋的處理。甲版本教材不僅在正文描述了中和反應中微觀粒子的變化情況，并且借助反應的微觀圖示展示了中和反應的微觀實質(zhì)。而乙版本教材僅展示了中和反應的微觀示意圖，并沒有強調(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生的學，使用乙版本教材的學生成功理解酸堿中和反應的概率不如甲版本教材的學生，其原因可能是因為在學習中和反應時，缺少了從微觀水平對酸堿中和反應實質(zhì)的深刻認識，沒能將宏觀、微觀與符號緊密聯(lián)系起來。

5 研究結(jié)論與建議

本研究利用貝葉斯網(wǎng)絡測查了使用不同版本化學教材的初中生在學習“酸和堿”的認知路徑。研究發(fā)現(xiàn)，使用不同版本教材的學生對“酸和堿”的認知路徑不相同，教材內(nèi)容的編排順序和呈現(xiàn)方式影響著學生的知識學習。從研究結(jié)果來看，初中生“酸和堿”的認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，學生學習的認知路徑也存在差異。研究還表明學生原有的知識經(jīng)驗會對學習產(chǎn)生較大的影響，尤其是那些在學生頭腦中根深蒂固的生活經(jīng)驗，會直接影響學生對新概念的理解。

教材內(nèi)容的組織要努力實現(xiàn)學科邏輯順序與學生認知順序的有機融合。學科邏輯順序要求按照學科的內(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”的學科規(guī)律。而學生的認知順序則要求遵循學生的認識規(guī)律，從具體到抽象，從簡單到復雜，從經(jīng)驗事實到概念理論，符合學生的認知發(fā)展水平。這兩種順序之間的沖突是教材編寫必須面對的挑戰(zhàn)，如何調(diào)和二者之間的矛盾，實現(xiàn)有機融合，需要從理論和實踐兩方面進行深入的探索。要加強實踐研究，依據(jù)學生的學習結(jié)果，不斷尋找最“便教利學”的教材編排順序和呈現(xiàn)方式。當然，教材育人價值的充分發(fā)揮，還需要教師根據(jù)所教學生的實際情況，創(chuàng)造性地開發(fā)和使用教材，促進學生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

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