高中生有机化学心智模型探析

摘要：结合高中有机化学课程标准和教材内容提出心智模型框架，通过二段式诊断测验和半结构式访谈等方法探查高二、高三物化班学生的有机化学心智模型。研究发现，学生有机化学心智模型整体相似，均以“结构——性质”关系为核心，但是在微观层面，对于模型节点之间的关系表述还存在精确性问题，在心智模型表述的复杂性层面，存在着群体性差异。

关键词：高中化学；心智模型；有机化学

文章编号：1005–6629（2016）12–0019–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

笔者此前分析了心智模型在中学化学领域的研究现状[1]，发现针对高中生有机化学的心智模型的研究尚为空白。而有机化学[2]作为高中化学的重要组成部分，在高考试题中所占比例较大，难度和区分度较大，得分情况相对不理想。为此，笔者通过半结构式访谈和二段式诊断测验等方法进行了相关研究，试图探查高中生有机化学心智模型的发展状况，以期为优化和改善教学提供参考依据。

1 研究的设計与实施

1.1 理论基础

心智模型（Mental Model）概念最早由苏格兰心理学家肯尼斯·克雷克（Kenneth Craik）在1943年提出。他认为，人类是资讯的处理器，人类透过三个明显的处理过程来进行确认与推理：（1）运用文字、数字、符号将一些外在事物转译进入个人内在表征；（2）借由一些同类符号的推理过程来推算其他符号的意义；（3）当对一个事件的预测完成了解时，一些符号经过转译后会成为个人的行为[3]。随后，有不少学者对心智模型的内涵、特征、功能、形成机制和影响因素等进行了深入研究。已有文献表明，当前关于心智模型影响因素的研究相对较少。但是研究者们普遍认为，心智模型是个体经由自身认知和外在因素的共同作用下不断建构起来的，个体的已有知识经验、认知能力、认知风格、学习方式、学习环境、生活背景和家庭环境等都会影响其建构和发展[4]。

1.2 测验设计

由于有机化学的自身特点，需要学生具有一定的发散思维和空间想象能力，学生心智模型中的认知角度、认知方式和认知策略将相应匹配，而心智模型中的结构化程度将影响学习实际效果（即也许两位被试的知识丰富程度接近，但结构化程度差异较大，那么他们的学习效果将会差异很大），为此需要采用个案研究和问卷调查相结合的方法进行研究。

测验过程方面，首先采用半结构式访谈和概念图法进行个案研究，通过绘制思维地图[5]来了解部分学生所存在的有机化学心智模型，获得一定数量的样本和基础资料。随后进行以纸笔测验为主的大规模问卷调查，且问卷题目、选项均来自于笔者之前进行的个案研究。对思维地图中所呈现的特点加以验证和有效地补充探查，以深入探查学生有机化学心智模型状况。

测验内容方面，个案研究由解释、联想、建构、应用、访谈等五个部分组成（见图1）。如访谈，则是为初步了解学生心智模型中有机化学的学习和记忆方式，对某些有机物性质的掌握、有机化合物的三重表征、有机化学与日常生活的联系、有机化学知识体系的建构和丰富程度等。

二段式诊断测验问卷则是在前期的个案研究、对《普通高中化学课程标准（实验）》、教材内容和研究目的进行梳理的基础上编制而成。问卷分为四部分，第一部分是指导语和个人基本信息，包括性别、年级、学习兴趣和化学学习成绩等级。第二部分是选择题，让学生根据对有机化学的基本认识回答各题，探查有机化学的学习动机、学习兴趣、认知方式和偏爱的教学方式。第三部分是二段式多项选择题，主要从知识的丰富程度、模糊观念、认知策略和问题解决能力等视角调查学生有机化学知识的心智模型状况。第四部分是主观题，共1题，主要通过对多种“两碳有机物”建立概念图，了解有机化学知识的认知角度、结构化程度和表述的精确性和复杂性等。

1.3 调查实施

笔者选择了江苏省某市三所高中高二、高三年级物化班学生作为研究对象。考虑到被试的年级、性别、表达能力以及学业成绩差异对有机化学心智模型产生的影响，分别选择了口头表达能力较好，具有代表性，化学成绩处于不同等级的男生、女生共24名作为个案研究对象。进行大范围测验前，先做了小样试测，并根据测验结果对问卷进行修正。然后采用了整体抽样方法进行测试，且这些学生的教学进度和教材相同。测试共发放问卷352份，回收有效问卷344份，问卷回收率97.7%，其中高二学生178份，高三学生166份。测试结果均采用SPSSl7.0对数据进行统计和分析处理。

2 结果与分析

2.1 学生有机化学心智模型整体相似，均以“结构——性质”关系为核心

加涅将概念分为具体性概念和定义性概念[6]。笔者通过概念解释和概念联想的方式，要求学生就高中有机化学中的甲烷、苯、聚乙烯等具体性概念和烃的衍生物、同分异构体、取代反应等定义性概念进行阐释，并绘制思维地图。其中较具代表性的思维地图如下（图2～图5）。

可见，无论是对具体性概念还是定义性概念，学生普遍以“结构——性质”关系的心智模型为主，遵循着“结构——性质”的建构方式（见表1），能从立体结构的角度表征有机物的结构。

学生之所以能基本形成以“结构——性质”关系为核心的心智模型，与高中有机化学教材的编排、教师的教学方式有很大联系。结合心智模型的认知功能、形成机制和影响因素，对高中有机化学的课程标准、教材、编写思路和呈现方式进行分析，表明高中有机化学教材是结合有机化学知识特点和高中学生的认知水平进行内容组织和编排的，对不同内容或知识以不同的方式或程序、不同的层次来呈现，总体上为：元素组成→分子结构→官能团→性质→合成→应用。具体如，对有机物元素组成问题是从生活经验出发，结合化学史展示，再通过图示等方式进行元素分析；对有机物分子结构问题则从学生已有认知经验出发，结合相关资料介绍，再进行结构的解释和应用；而对有机物相关性质则以实验现象为认知基点，结合化学史料和微观结构分析、符号表征，再回到宏观现象的解释和应用。因此，教师在有机化学教学中，都非常注重有机物分子结构的教学，在时间分配、教学设计中都突出了从分子结构的分析来学习有机物的性质。

2.2 在微观层面，对有机知识存在表述精确性问题和认知偏向

以概念联想和情景联想方式对部分有机物的性质、有机概念进行研究，对获得的信息数和信息类型进行统计，并结合统计结果进行口语测试。调查显示，学生对于有机化学中复杂知识点的理解不够透彻，存在较多的个人概念和模糊观念，缺乏对概念关系的建构和相近概念的辨析，导致对于有机化学知识表述存在精确性问题和认知偏向。

比如，对照同分异构体的科学模型（见图6），在个案访谈的概念解释中，部分被试表示对概念不理解，继续追问或启发引导，也只能列出同分异构体相关的实例。对“同分异构体”思维地图分析显示，学生对定义性概念存在认知偏差，仅36.3%的被试能正确描述“分子式相同、结构不同”，并能举例说明（如正丁烷和异丁烷等）。认知偏差主要体现在46.5%认为“同分异构体具有相似的化学性质”，10.2%认为“互为同分异构体的物质相差一个或若干个-CH2”（与同系物的概念混淆），22.7%认为“具有相同的官能团”等。可见，学生在建构和内化概念时，主要从学科知识角度出发，也会由个人经验推测或猜测，“顾名思义”地去理解某些有机概念，而导致形成错误的或偏差的心智模型。

再如，以“苯的性质”为例，研究表明，24名被试的心智模型中对苯的物理性质和化学性质等主要停留在书本知识和一些概括性描述或偏向性描述。笔者在问卷调查中也进一步探查了被试对“苯的性质”的掌握情况：

提到“苯的性质”，你会想到什么，请按先后顺序排列（ ）

A.可以燃烧 B.有毒

C.无色无味的液体

D.可以使酸性高锰酸钾溶液褪色

E.易加成难取代 F.甲苯

综合个案研究和问卷调查结果（见表2），部分学生对苯的物理性质的表征存在模糊观念；化学性质方面仅能作概述性描述，如“苯易取代难加成”，来说明苯和氢气的加成、取代反应，鲜有具体的实例出现，且对具体化学反应的描述仅关注反应物和产物，而忽视了有机反应中随反应条件的变化会产生多样性产物的特征。其中，45.3%的被试最先想到苯的毒性，94.5%的被试在性质选择中认为苯是有毒的，说明消极信息对心智模型的影响较大，被试对一些威胁性的词语（如：有毒）有一定的记忆偏向；对苯的化学性质存在错误认知，与乙烯的性质有所混淆，有61.6%的被试选择苯可以使酸性高锰酸钾溶液褪色，10.5%最先提到该性质。

调查中，大部分学生体现出对有机化学相关知识的记忆主要是机械记忆，而在意义记忆、组织策略和精加工策略方面有待加强，导致对相关知识的记忆准确度、丰富程度和关联程度相对不足，容易出现记忆混淆或迷思概念。奥斯本和维特洛克曾指出，在教学前很有必要先了解学习者的心智模型，如果学习者的已有知识不足，会发生学习困难；学习过程中不同学习者持有的心智模型也有差异，在教学过程中要注意知识的呈现方式和先后顺序，以期能帮助学习者的心智模型有效运作[8]。因此，教师要结合学生已有知识和经验，从分子结构、生活实际、已有认知等方面创设和优化教学情境，多样化组织教学，指导认知策略的训练和应用，引领学生自主、有序建构有机知识网络。

2.3 在表述复杂性层面，模型节点关系和认知结构化程度存在群体性差异

佳克博和肖将心智模型看作是个人建构的内在的认知结构，它是个人基于经验以及正式知识而形成的概念框架，让人们能够预测行动的结果，而且可以借此理解和说明个体自身所处的环境[9]。

笔者通过概念联想，要求学生联想出与核心概念相关的其他的概念、实例、化学反应、实验、性质等，在此基础上要求学生将联想出的概念建构概念网络图，以此诊断学生的认知结构化程度。对24名个案研究对象所建构的“乙醇”概念图进行统计（见表3），结果表明，学生对“乙醇”概念图主要从分子结构、性质和用途三个角度进行建构，其中化学性质掌握相对较好，物理性质的描述相对简单。其中16名被试建构的概念图层级数为两层，但是涵盖的信息量、知识的丰富程度和结构化程度差异较大。

个案研究也显示，高三学生建构的概念图的表征角度较清晰，但是信息涵盖量不及高二。访谈表明，其时的高三学生尚未进行较系统的复习，但在高二后阶段为迎接期末考试而进行了总结性复习；而高二学生则为新学内容，记忆比较清晰，呈现的知识点相对全面却混乱。

同时，笔者在大规模调查问卷中设计题目：

用箭头将下列概念建立知识网络，并在线条上注明概念间的转化关系。

乙烷、乙烯、溴乙烷、乙醚、乙醇、乙醛、乙酸、乙酸乙酯

通过被试建构的概念图来进一步探查学生有机化学知识的丰富程度、结构化程度和有机化学三重表征状况，其中高二学生建构率为31.5%，高三学生建构率为78.9%（见表4）。笔者对未建构的被试进行抽样访谈，发现“牵扯到的物质太多了，看起来觉得很难了”、“遇到这样题目就觉得烦，不会做，也不愿意去做”、“答卷时间不够，没有时间思考”是其主要原因。

调查还显示，将被试建构的概念图按照年级和成绩差异排列之后，发现化学成绩与学生建构出的概念图的丰富程度、结构化程度和正确性呈显著相关（p<0.01），而性别方面则无显著差异。而且相对于依据教材形成的关于乙烷的科学心智模型（见图7），化学成绩较好（期末化学成绩A等级）的学生能够从“宏观-微观-符号”三重表征的角度建构，建构出的概念图信息量较大，结构化程度高，精细化程度好，模糊观念和错误认知相对较少（见图8）；而其他大部分学生是采用部分文字加化学符号进行表征，有些学生仅能用少许文字建构很簡单的网络图，或者是错误的表征和建构。同时，被试对于乙醚、乙烯与乙酸、乙醇与乙酸的相互转化、溴乙烷到乙烯的转化、酯化反应的可逆反应过程等易发生遗忘，对乙醚和二甲醚、酯化反应、取代反应等也存在着模糊观念。

建构主义理论认为，知识的结构化过程可以看作是一个同化和顺应的过程。通过同化和顺应充实与完善已有知识，将所学新知识纳入到原有的认知结构。我们去研究个体的心智模型，不仅要去了解其知识的丰富程度、认识角度以及经验的准确性，同时也要看它的结构化程度，其结构化程度决定了心智模型在应用过程中发挥的效能[10]。因此，在高中有機化学教学过程中，教师需要进一步加强概念图的教学，优化学生的学习方式，提升学生三重表征能力，促进知识的结构化，改善和丰富有机化学心智模型。

3 结语

笔者在调查分析的基础上，积极开展基于心智模型转变的高中有机化学教学实践，尝试打破原有的教材架构，整合重组高中有机化学内容，在继续完善“结构——性质”为核心的心智模型的基础上，丰富认知角度和情境经验，强化认知策略，尝试以思维导图教学促进有机化学知识的结构化程度，优化三重表征心智模型，提高表述的精确性、复杂性和丰富程度。

参考文献：

[1]胡先锦.中学化学教学领域心智模型的研究述评[J].化学教学，2016，（8）：3～7.

[2]王祖浩主编.普通高中化学课程标准实验教科书·有机化学基础[M].南京：江苏教育出版社，2006.

[3] Craik K. W. The Nature of Explanation [M]. Cambridge UK： Cambridge University Press， 1943.

[4]苏东水.开放中的东方管理教育[J].江西财经大学学报，2003，（6）：9～11.

[5]由灵灵，罗立群.思维地图及其在美国的应用[J].上海教育科研，2008，（1）：37.

[6]赵芬，吴庆麟.中学化学专家教师与新教师定义性概念教学的比较研究[D].上海：华东师范大学硕士学位论文，2009.

[7]中华人民共和国教育部制订.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[8] Osborne， R. J.， & Wittrock， M. C. Learning science： A generative process. Science Education， 1983， 67（4）.

[9] Jacob， E.K.， & Shaw， D. （1998）. Sociocognitive perspectives on representation. In M.E. Williams （Ed.）， Annual Review of Information Science and Technology， vol. 33 （pp. 131-185）. Medford， NJ： Information Today for the American Society for Information Science.

[10]施良方.学习论[M].北京：人民教育出版社，2001.