使用反应图评价高师学生有机物转化知识结构

麦裕华 李景宁

(1华南师范大学化学与环境学院 广东广州510006;2广州市协和中学 广东广州510160)

1 问题的提出

在人的长期记忆中，学科知识的各种概念和命题能够根据一定的关系形成相互联系的知识结构。人的头脑中知识结构的内容、组织形式和组织水平、信息被提取的难易程度，对学习知识和解决问题起重要的作用。各种官能团和各类有机物的结构和化学性质、各种典型的有机反应机理均属于陈述性知识，是大学有机化学课程的重要学习内容。这些陈述性知识与有机合成路线设计等程序性知识共同成为解决有机合成问题的重要知识基础。通过大学有机化学课程的系统学习，学生会对各种官能团和各类有机物的化学性质，尤其是它们的转化规律有宏观、整体的认识，这种认识是一种复杂、体系化的知识结构，本文称之为有机物转化知识结构。学生在大学有机化学课程的学习中，应该识记有机化学教科书要求的大量有机反应，形成良好的有机物转化知识结构，了解一定的有机合成路线设计原则和方法，具备一定的有机合成问题解决能力。

大学有机化学课程纸笔测验有选择题、填空题、论述题和有机合成题等形式。这些试题在大多数情况下只能考查学生对有机物化学性质的识记和理解，不易判断学生的有机物转化知识结构。换言之，常见的纸笔测验评价的是学生的有机物化学性质知识的内容和数量，而非有机物转化知识结构的内容、组织形式和组织水平，这对于了解学生的有机化学学习状态显然是不够的。由于缺少评价学生有机物转化知识结构的方法，发展合适的有机物转化知识结构评价工具有重要的意义。

2 知识结构的评价方法

心理学家Goldsmith等［1］提出知识结构评价的3个步骤:引出知识(knowledge elicitation)、表征知识(konwledge representation)和评价知识结构(assessing knowledge representation)。这3个步骤的含义是:(1)“引出知识”是指教师通过一定的方法，使学生表现出对某一学科某些主题知识结构的理解;该步骤注重的是教师选择哪一种合适的知识结构评价方法和对测试题目、实施环节进行适当的设计。(2)“表征知识”是指学生在教师设计的测试环节中按照既定程序表现出自己的知识结构。(3)“评价知识结构”是指教师根据一定的评价标准对学生外化的知识结构进行科学、合理的评价。

笔者认为，适宜、良好的学生知识结构评价方法应该具备以下3个功能:(1)定量评价学生知识结构中信息的正误、数量和连结情况;(2)定量区分不同学业水平学生群体的知识结构;(3)定量比较学生与教师知识结构的相似程度。

概念图是一种常用的知识结构评价工具。概念图的提出者Novak［2］认为概念图能够清晰地呈现人们掌握的各种概念和命题，以及由此组织的知识结构。在概念图的评价方法上，常用的方法可以归类为“根据概念图的成分评分”和“与标准概念图作比较”两大类。在第一类中，Novak等人提出的评价方法是最经典的评价方法;他们对命题、层次、横向联系和举例这4个成分分别进行评分，所得结果简称N-G分数。在第二类中，Goldsmith等人提出的相似指数(closeness index，简称C值)是较著名的评价方法，C值是利用数学的集合理论比较两个概念图，从而计算出它们的相似程度。

3 反应图与反应图的评价

受概念图［2］和相关研究［3-4］的启发，笔者结合有机物使用连线表示相互转化关系的书写习惯，提出用反应图评价学生有机物转化知识结构的构想。笔者［5］认为反应图(reaction map)是通过合理排列有机物，利用带有箭头的连线连结，呈现有机物相互转化关系的网络示意图，制作反应图的过程称为反应构图(reaction mapping)。学生制作的各类有机物的反应图可表现出有机物转化规律的知识在个人的头脑中的结构化程度。

笔者仿效Novak等人提出的N-G分数，提出反应图的评价方法，定量评价学生个人和不同有机化学学业水平的学生群体的有机物转化知识结构。反应图上出现的每一个有机物各计1分，“有机物分”是反应图上所有有机物的总数目。根据两个有机物间的连线和箭头，判断有连线的两个有机物是否存在着转化关系。如果连线合理(有机物存在转化关系、箭头方向正确)且反应条件书写正确，记为1分，“正确反应数”是正确连线的数目。如果连线不合理(有机物不存在转化关系、箭头方向错误)或反应条件存在科学性错误，记为0分，“错误反应数”是错误连线的数目。如果连线合理，但是反应条件缺少部分内容，记为0.5分，“错误条件数”是这类连线的数目。“反应分”是反应图上所有连线可以获得的总分数，定义为“正确反应数+0.5×错误条件数”。由于已经对反应图上每一个节点(有机物)和每一条连线(有机反应)进行评分，加和所得到的总分即为反应图的评价结果，即:反应图总分=有机物分+反应分。反应图6个评分项目可以从内容和结构的角度对学生的有机物转化知识结构进行定量评价。

评卷教师需要制作一幅包括各类有机物多种转化关系的反应图作为标准反应图。在对学生的反应图进行评分时，如果发现学生的反应图呈现的有机物转化思路跳跃性太大，学生没有书写一些应该出现的中间产物和转化步骤，评卷教师应该默认学生已了解这些内容，并且将缺少的这部分内容补充计算在该学生反应图各评分项目的得分中。

4 研究方法

为了解反应图能否成为一种有效的学生有机物转化知识结构评价工具，笔者在大学本科有机化学课程进行试探性的教学实践和实证研究。研究对象是华南师范大学化学专业大学二年级2个班共95名学生。

研究工具包括笔者自编的半开放式反应构图测试题和有机化学课程期中考试试卷，例见图1。学生需要尽可能多地寻找出图1中7个有机物之间存在的各种转化关系，并且将这些转化关系制作成反应图。学生可以在作答时添加其他有机物作为原料或中间产物。有机化学课程期中考试试卷以醛和酮、羧酸、羧酸衍生物［6］为命题范围，其中的填空题有24题(共24分)，要求学生填上列举的化学方程式中缺少的反应物或生成物，以便完成化学方程式;有机合成题有4题(共30分)，要求学生按照指定的主要原料合成指定的产物。期中考试试卷符合有机化学课程教学重点和难点的要求，全卷的总难度是0.74，填空题和有机合成题的难度均是0.67，难度设置适中。

图1 半开放式反应构图测试题中的有机物

本研究分2个阶段进行。在第一学期，本文第二作者向参与本研究的学生介绍反应图的基本内容，学生经历一个学期的反应构图训练，熟悉反应图的设计与制作步骤。在第二学期，学生系统学习醛和酮、羧酸、羧酸衍生物的课程知识。笔者在有机化学课程期中考试前对学生进行反应构图测试，了解学生的醛和酮、羧酸、羧酸衍生物转化知识结构。反应构图测试时间是30分钟。笔者使用前面定义的反应图评分方法对学生制作的反应图逐一评分，并通过学生的有机化学课程期中考试成绩了解学生的有机化学学业水平。所有研究数据均使用SPSS 10.0软件进行统计和处理。

5 结果与讨论

5.1 不同组别学生的得分情况

笔者将95名学生的有机化学课程期中考试成绩从高至低依次排序，划分为高分组(名次在全体学生的前27%，共26人)、中间组(共43人)和低分组(名次在全体学生的后27%，共26人)。3个组别的反应图得分和期中考试成绩如表2所示。

表1 3个组别的反应图得分和期中考试成绩

由表1可知，高分组在反应构图测试和期中考试中均表现最好。高分组的反应图平均总分是25.52分，中间组、低分组的平均总分分别是22.23分、16.96分，高分组与低分组相差8.6分。高分组与低分组在有机物分、正确反应数的平均分分别相差约3分、5.5分，这表示2个组别的反应图平均相差3个有机物和5.5个有机反应;这2个因素综合在一起，使得2组的反应图平均总分有较大的差距。除了错误反应数和错误条件数，表1内各评分项目的平均分均存在如下关系:高分组＞中间组＞低分组。3个组别在错误反应数、错误条件数的平均分均较小，表明学生对有关的课程知识均存在一定的错误记忆。另外，3个组别的期中考试成绩有明显差异，高分组与中间组、低分组的平均总分分别相差10.6分、27.5分;其中高分组与低分组的填空题相差6.8分，有机合成题相差11.6分。

分析表1的数据，可知3个组别在反应构图测试中有不同水平的表现，而这种表现的变化趋势与学生在期中考试中的表现的变化趋势一致。笔者认为学生制作的反应图应该与个人的有机化学学业水平、有机物转化知识结构相互对应。如果学生具有较高的有机化学学业水平和良好的有机物转化知识结构，在解决有机物化学性质问题时应该有良好的表现，制作的反应图应该是完整、紧密和复杂的;如果学生具有较低的有机化学学业水平和欠佳的有机物转化知识结构，在解决有机物化学性质问题时应该有不佳的表现，制作的反应图可能是缺漏、松散和简单的。换言之，一定有机化学学业水平的学生具有一定的有机物转化知识结构，制作出具有一定内容、组织形式和组织水平的反应图，反应图能够反映学生的有机物转化知识结构。因此，我们能够通过反应图定量评价学生的有机物转化知识结构。

5.2 不同组别学生得分的差异情况

使用方差分析了解3个组别在反应图得分和期中考试成绩的差异是否具有统计学意义，得到表2。表2中的数据显示，3个组别在有机物分存在显著差异(p＜0.01)，在正确反应数、反应分和反应图总分这3个评分项目存在显著差异(p＜0.001)，在错误反应数和错误条件数的差异不显著。3个组别在有机物分、正确反应数的显著差异是造成3个组别在反应图总分出现显著差异的主因。其次，3个组别在期中考试的填空题、有机合成题的得分和期中考试总分存在显著差异(p＜0.001)。

表2 3个组别在反应图得分和期中考试成绩的方差分析

为进一步考察3个组别在具有显著差异的评分项目上的实际表现，使用Scheffe法对3个组别在这些评分项目的得分进行事后多重比较(表3)。除了有机物分的差异不显著外，高分组和中间组在正确反应数、反应分、反应图总分这3个评分项目均存在显著差异(p＜0.05)。中间组与低分组在反应构图测试的4个评分项目中均存在显著差异(p＜0.01)，高分组与低分组则均存在显著差异(p＜0.001)。此外，3个组别之间在期中考试的填空题、有机合成题的得分和期中考试总分均存在显著差异(p＜0.001)。在2个测试中，中间组与低分组的平均分差均大于高分组和中间组的平均分差，低分组的整体表现欠佳。

表3 3个组别在各评分项目得分的事后多重比较

归纳3个组别制作的反应图的特征可以发现:高分组的反应图出现较多有机物和双向连线，也有一些交叉连线，反应图大多呈现较紧密的网络结构;中间组的反应图出现的有机物略少于高分组，较少双向连线和交叉连线，反应图大多呈现次序顺延的直链结构;低分组的反应图出现的有机物基本上是半开放式反应构图测试题要求出现的，容易发现一些连线由于错误的反应条件而中断。由此可见，不同有机化学学业水平的学生群体制作的反应图在内容、组织形式和组织水平上存在显著差异，从而可以推断不同的学生群体的有机物转化知识结构也存在显著差异。因此，我们能够通过反应图定量区分不同有机化学学业水平的学生群体的有机物转化知识结构。

5.3 反应图总分与期中考试成绩的相关分析

将学生的反应图总分与期中考试的填空题、有机合成题的得分和期中考试总分分别进行相关分析，具体结果见表4。表4中的数据显示，学生的反应图总分与期中考试的3项得分分别有显著的弱相关。一方面，反应构图测试关注学生对有机物转化规律的认识，评价学生的有机物转化知识结构，而且该测试要求学生寻找出在各种有机物转化过程中必需的中间产物来完成反应图，试题综合性较强，具有一定难度。期中考试的填空题和有机合成题均评价学生识记和灵活运用多个重要、典型的有机物转化规律的能力，每个小题的命题内容都是独立、分散的知识点，考查面广、量大。笔者事后分析研究结果，虽然半开放式反应构图测试题和期中考试试卷均以相同教科书的相同章节作为命题范围，但是两个测试的意图和考查内容的差异可能是造成学生的反应图总分与两道期中考试试题得分的相关系数较低的原因。另一方面，期中考试还包括对有机物的命名、有机物结构简式的书写、有机物的鉴别以及从光谱推断有机物等内容的考查，这些考查内容占将近总分一半的分数;因此，反应图总分与期中考试总分有显著的弱相关。综上所述，学生的反应图总分可以也应该作为表现学生有机化学学业水平的一个参考。

表4 反应图总分与期中考试成绩的相关分析

6 结论和展望

本文提出了使用反应图评价学生有机物转化知识结构的方法，通过对高师本科化学专业学生的教学实践和实证研究，获得以下结论:(1)学生制作的反应图能够定量反映学生的有机物转化知识结构;(2)不同有机化学学业水平的学生群体的反应图以及有机物转化知识结构存在差异;(3)学生的反应图总分与期中考试成绩有显著的弱相关。总体而言，反应图能够成为一种有效的学生有机物转化知识结构评价工具。

随着后续课程的深入学习，学生的有机物转化知识结构会不断发展，并能设计出不同的反应图。这里需要说明的是，反应图仅能反映学生对有机物转化规律的宏观、整体认识，而无法反映学生对各种有机反应机理、有机合成路线设计的认识。另外，反应图呈现的是学生对各类有机物的转化规律经过一定思考后的静态结果，不能反映学生在制作反应图时的各种动态的思维活动。但是，只要比较同一学生在不同的学习阶段制作的反应图，仍然能够寻找出不同反应图的差异，继而推断出学生有机物转化知识结构的发展，为教师了解学生的有机化学学习状态和提高课堂教学质量提供参考。

本文只是对学生的有机物转化知识结构评价这一主题进行初步探讨，许多问题尚待深入探讨。譬如，在半开放式反应构图测试题中出现的有机物种类和数量会对学生的作答产生一定的影响，进而影响到对学生有机物转化知识结构的评价，怎样命题才能让反应构图测试具有较好的信度和效度?其次，本文方法需对每位学生的反应图逐一评分，评改速度较慢，应该使用怎样的方法来有效提高评改反应图的效率?这些问题都需要进行更深入的研究。

［1］Goldsmith T E，Johnson P J，Acton W H.J Educ Psychol，1991，83(1):88

［2］约瑟夫·D·诺瓦克，D·鲍勃·高温.学会学习.方展画译.武汉:湖北教育出版社，1989

［3］Nash J G，Liotta L J，Bravaco R J.J Chem Educ，2000，77(3):333

［4］Murov S.J Chem Educ，2007，84(7):1224

［5］李景宁，麦裕华.大学化学，2010，25(1):35

［6］曾昭琼.有机化学.第4版.北京:高等教育出版社，2004