基于流程图法测查高中生化学认知结构

2016-03-16卢师焕周青

化学教学 2016年3期

卢师焕+周青

摘要：运用流程图法测查高二学生“醛”的认知结构。定性和定量分析表明，学生的认知结构存在较大差异，学优生较其他学生认知结构完善；相关性数据显示，学生的测试成绩与认知结构变量的广度、丰富度密切相关，与整合度、错误描述和信息检索率不相关，与信息处理策略的描述、比较对比、解释密切相关，与定义和情境推理不相关。

关键词：认知结构；流程图；认知结构变量；信息处理策略；醛

文章编号：1005–6629（2016）3–0023–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

认知结构是知识结构内化在学习者头脑里所形成的观念的内容和组织[1]。国内外学者提出了很多认知结构测量和表征方法，比较常用的有自由词语联想法、受控制词语联想法、树状图法、概念图法和流程图法（Flow Map）。流程图法[2]自Anderson和Demetrius首次提出后，已被很多研究者用于测查教师或学生认知结构。流程图法能够通过可视化图形定性和认知结构变量定量的方式表征学习者的认知结构，得到的数据结果更加准确[3]。如：对职前科学教师氧化还原的认知结构发展进程的测查研究[4]；对小学生有关生物繁殖的认知结构和信息处理策略的研究[5]；对高一学生乙酸认知结构和学习困难的测查[6]等。

醛是有机化合物中一类重要的衍生物，正确理解醛的性质，能更好掌握醇类、醛类和羧酸之间的相互转化关系，建立良好的有机知识网络。本研究采用流程图法测查高中生“醛”的认知结构，从定性和定量角度对学生的认知结构进行分析，诊断其错误观念与学习困难，进而对高中化学教师实际教学提供有意义的参考和启示。

1 研究方法与过程

1.1 研究对象

本研究的被试选自某中学高二年级，根据考试成绩，选择某班级化学单科成绩排名在前12名、中间12名和后12名的学生为研究对象。

1.2 研究过程

采用流程图法对学生的认知结构进行测查，用SPSS21.0软件对数据进行相关分析。

第一步，认知结构的引出。在被试完成醛的教学后1周，根据Anderson和Demetrius访谈方法[7]分别对36名被试进行录音访谈，设置不含任何提示性语句的访谈问题：

（1）关于“醛”你认为有哪些重要的知识点或概念？

（2）你能不能对以上所说的知识点或概念描述更详细一些？

（3）你能告诉我以上所说的知识点之间有什么联系吗？

此外，向每位被试提供纸笔，以便被试补充因情绪紧张、难以描述等原因未能描述出的知识点。

第二步，认知结构的表征。每幅流程图中有两种箭头，一种是线性箭头，表示学生知识表达的顺序，称为顺序编码；另一种是回归箭头，表示所叙述知识之间的逻辑关系，称为逻辑编码。流程图绘制步骤如下：首先，研究者将每位被试的录音转化为文字，按叙述的知识点的顺序用线性箭头依次相连；其次，用回归箭头从后往前将后面叙述出现的与前面知识点有逻辑关系或重复的叙述相连；再次，标注错误知识点和纸笔补充的内容。最后，计算访谈所消耗的总时间，这部分时间仅包括被试组织并回答访谈问题所消耗的时间，单位为秒，需排除研究者提问所花费的间隔时间。流程图的绘制遵循三条原则：（1）被试提到的每一句完整描述都要列入流程图中；（2）若被试有复合描述，需将复合描述拆分为单一的知识点；（3）研究者绘制回归箭头时，需将回归箭头指向最早出现逻辑关系的知识点上。

以学生2为例对流程图的绘制过程进行说明（见图1）。（1）顺序箭头的绘制：根据录音将学生所描述的完整知识点按照顺序逐一编码1-11，并依次绘制顺序箭头（其中2、3、4是复合语句拆分的知识点）；（2）回归箭头的绘制：分析知识内容看到知识点1描述了醛的结构是有一个醛基，知识点6、7、11分别提到了多元醛有多个醛基的结构、甲醛的特殊结构以及醛基的还原性，这些都与醛基有逻辑关系，所以分别从知识点6、7、11绘制回归箭头到知识点1，知识点8、9、10分别是对知识点2、3、4的举例说明或解释，所以将知识点8、9、10分别绘制回归箭头到知识点2、3、4；（3）错误描述和纸笔补充的标记：考察所有知识内容，发现知识点8的生成物遗漏了水，标注为错误描述，学生2不存在纸笔补充的内容；（4）访谈时间的计算：整个访谈用时176秒，扣除访谈提问消耗的30秒，用时146秒，记录在最底部，由此可得学生2的可视化流程图。

第三步，认知结构的量化分析。流程图法能够定量地表征认知结构中已经获得的知识、概念和知识之间的联系以及学生的信息处理策略三个方面。蔡今中研究了多种测量认知结构的方法，发现流程图法是唯一可以同时表征广度、整合度、正确度、信息检索率和信息处理策略5个变量的方法[8]，并根据Smith和Meux的信息处理策略模型[9]，按照逻辑水平由低到高将信息处理策略分为定义、描述、比较对比、情景推理和解释五个层次。为了更全面、准确地测查学生的认知结构，本研究将认知结构变量和信息处理策略（见表1）相结合对学生认知结构进行定量分析研究。

以学生2为例对数据产生的过程进行说明（见图1）。（1）认知结构数据：结合表1的说明，计算出流程图中知识点共11个，回归箭头6个，错误描述1个，即广度=11，丰富度=6，错误描述=1，计算整合度=6/（11+6）=0.35，信息检索率= 11/146=0.08。（2）信息处理策略数据：根据表1判断各知识点所运用的信息处理策略，可以看出除了知识点10是对加成反应过程的解释以外，其余知识点都运用描述来组织知识。因此解释数目=1，描述数目=10，其余个数均为0。endprint

第四步，特定知识结构内容分析。通过对学生流程图中回忆的知识点进行统计分析，研究学习者对知识的掌握情况和学习者头脑中容易出现的错误概念，为教师的教学和学生概念转变提供参考和建议。

1.3 研究方法的信度

流程图法的信度分为顺序编码信度和逻辑编码信度，通过二位经过训练的独立研究者进行验证。以学生2为例进行说明：研究者A、B所绘流程图知识点数分别为11和12，回归箭头数分别为6和7，其中两张流程图相同的知识点数为11，回归箭头数为6，则顺序编码的信度=（11+11）/（11+12）=0.96，回归编码的信度=（6+6）/（6+7）=0.92。本研究中，流程图顺序编码的信度为0.95，回归编码的信度为0.90，由此表明用流程图法测查认知结构是可靠的。

2 结果与讨论

对三组学生成绩进行独立样本t检验，1、2组学生p12=0.009；2、3组学生p23=0.008；1、3组学生p13=0.002（置信区间为95%）。数据的p值均小于0.01，表明三组学生成绩具有显著性差异，可以代表成绩高、中、低三类学生，编码为第1组、第2组、第3组进行深入分析研究。

2.1 学生认知结构的定量分析

对学生认知结构整体结果进行分析，三组学生认知结构变量和信息处理策略数据的平均值见表2。

由表2可以看出，有关“醛”的认知结构变量，第1组学生明显优于第2组和第3组的学生。第1组学生知识点广度、丰富度、整合度、信息检索率大，错误描述少；第2组学生各认知结构变量次之，错误描述较少；相比之下，第3组学生的认知结构不仅错误概念较多，各变量值都比较低，可以反映出第3组学生对于“醛”的认知水平比较低，在一定的环境刺激下，不能有效回忆和组织知识，认知结构需要进一步完善和优化。有关“醛”的信息处理策略，明显可以看出三组学生都倾向于使用“描述”的策略，但相对于第2组和第3组学生，第1组学生较多使用了比较对比、情景推理和解释策略，反映出成绩高的学生倾向于使用高水平的信息处理策略来组织知识。

2.2 相关性分析

2.2.1 认知结构变量与成绩的相关性分析

本研究对学生的认知结构变量与纸笔测试成绩进行了相关性分析，结果见表3。

由表3可以看出，关于“醛”的知识内容，学生的纸笔测试成绩与认知结构的广度、丰富度密切相关（**p<0.01），学优生在访谈中，描述的知识点多，知识之间的联系大；认知结构广度与丰富度、整合度、信息检索率都呈正相关（**p<0.01，*p<0.05）；丰富度和整合度、信息检索率密切相关（**p<0.01，*p<0.05）；有意思的是，错误描述与信息检索率呈负相关（*p<0.05），说明学生认知结构中错误概念越多，越难有效提取信息。此外，学生的纸笔测试成绩与整合度、错误描述和信息检索率相关不明显，这种结果可能与访谈时学生语速的影响有关。

**p<0.01，*p<0.05

由表4可以看出，关于“醛”的知识内容，学生的纸笔测试成绩与描述、比较对比、解释密切相关（*p<0.05，**p<0.01），这与“醛”的知识内容特点有关，有机知识要求学生掌握有机物的组成结构、物理性质、化学性质及其应用，绝大多数学生会“描述”醛的分子式、结构、物理性质、化学性质和应用，还有部分学生会“比较对比”甲醛、乙醛中醛基的个数和反应的系数，少数学生会“解释”性质与结构的关系，即随着知识深度增加，需要使用的信息处理水平相应变高，能够完整正确表征知识的学生也越少，这充分说明了学优生在组织知识时善于使用逻辑水平较高的信息处理策略。数据还显示纸笔测试成绩与定义和情景推理无关，主要原因可能是学生在组织知识时很少使用这两种策略，统计数据表明，36名学生中，“定义”这一策略只使用了4次，“情景推理”策略的使用更少，只有2次。

对学生纸笔测试成绩与信息处理策略之间的相关性研究分析，可以帮助教师了解学生在学习知识时所采用的信息处理方式。研究表明学优生倾向于用描述、比较对比、解释来表述“醛”的知识点，而对于烃的含氧衍生物“乙酸”，学优生倾向于用情景推理和解释表述知识点[10]。因此，不同主题知识学习过程中，学生所采用的信息处理策略会稍有不同。

2.2.3 认知结构变量与信息处理策略的相关性分析

本研究对学生的认知结构变量与信息处理策略进行了相关性分析，结果见表5：

由表5可得，学生的信息处理策略不仅与学生的纸笔测试成绩有关，还与学生的认知结构变量密切相关。关于“醛”的知识内容，学生认知结构的广度、丰富度均与定义、描述、解释策略显著相关（**p<0.01，*p<0.05）；认知结构的整合度与描述密切相关（*p<0.05），信息检索率与描述呈负相关（**p<0.01），也就是说学生运用描述策略组织知识越多，从头脑中提取知识越慢。从表5还可以看出，比较对比、情景推理与5种认知结构变量，错误描述与5类信息处理策略均没有相关性。