基于FLOW MAP的“化学键”学习结果测查与多维评析

秦璐 陈晓娜 闫春更 周青

摘要： 采用FLOW MAP测查高中生有关“化学键”的认知结构，基于SOLO分类理论对认知结构水平进行评价，基于三重表征理论对认知结构内容进行质性分析。发现学生纸笔测验成绩与其认知结构的广度、丰富度、整合度呈显著正相关，与其错误概念数呈显著负相关;多数学生的认知结构整体水平位于多元结构水平（36.67%）或关联结构水平（30.00%）;“宏观”、“微观”或“符号”维度参与的双重或三重表征比例分别为86.67%、 70.00%、 56.67%。

关键词： FLOW MAP; 化学键; 认知结构; SOLO分类理论; 三重表征

文章编号： 1005-6629（2019）2-0020-07            中圖分类号： G633.8            文献标识码： B

化学键是高中化学课程的重点内容，不仅有助于丰富学生对物质世界多样性的认识，深化学生对物质组成与结构的理解，更有助于学生形成从物质结构层面把握化学变化本质的观念，并为化学变化中物质与能量转化关系的理解奠定基础。化学键主题知识的特殊性，决定了学生对化学键的学习过程，需要教师引导学生合理运用定义、比较、情景推理与解释等多种信息策略来表征相关认识，需要充分发挥“宏观-微观-符号”三重表征的认识工具价值来形成概念、建构认识模型。

目前国内对化学键的教学研究主要集中于化学键课程内容分析、教学设计、教材分析、教学策略、学生的迷思概念等[1～7]。其中对学生“化学键”学习结果的科学测评研究尤为缺乏，仅有的个别研究中对学生学习结果的分析维度略显单一，因而限制了研究结果的实践应用价值。本研究试图以FLOW MAP为主要测评工具测查并表征学生有关“化学键”的认知结构，依托“宏观-微观-符号”三重表征理论和SOLO分类理论对学生的学习结果进行多维评析，以全方位探索学生化学键学习的规律及其潜在问题，为教师教学尤其是开展“教、学、评”一体化的教学实践提供基本参考。

1  研究设计

研究整体思路如下： 首先，通过访谈录音的方式获取有关学生认知结构的原始数据，按照FLOW MAP工具的要求对学生的认知结构进行图形化表征（绘制认知结构流程图），在此基础上开展认知结构的量化和质性评价;其次，设计纸笔书写题目考察学生的“符号”表征情况;第三，基于SOLO分类理论对学生认知结构流程图进行整体分析和归类，评定其认知结构的水平;第四，基于三重表征理论对学生认知结构流程图和纸笔作答结果进行综合分析，以统计宏观、微观、符号等各维度表征方式的应用比例。

1.1  学生选择

从陕西省某重点高中由同一化学教师任教的两个高一班级的学生中，按照纸笔测验成绩高、中、低各抽取10名学生作为被试，即10名学优生、10名中等生、10名学困生。

1.2  任务设计

1.2.1  访谈录音

按照FLOW MAP工具的要求，对学生头脑中的认知结构进行提取，需要通过访谈录音获取原始数据。访谈问题设置如下：“关于化学键，你认为有哪些重要的概念（知识点）？”“你能具体地解释一下这些概念（知识点）吗？”“上述概念（知识点）之间存在什么样的关系？”。在访谈中避免使用提示性语句，并将录音转化成文字描述。

1.2.2  纸笔书写

为考察学生在化学键学习过程中对“符号”表征方式的运用情况，设置电子式书写题目：“举例任意离子化合物的电子式”、“举例任意共价化合物的电子式”、“举例任意含有极性共价键物质的电子式”、“举例任意含有非极性共价键物质的电子式”。要求被试独立书写，研究者收集所有纸质材料。

1.3  任务结果分析

1.3.1  绘制认知结构流程图

本研究采用FLOW MAP（流程图法[8]）测查并表征学生的认知结构： 对访谈录音进行文本转录，将被试的独立陈述语句确定为单位知识点，并按照陈述顺序依次排列，用线性箭头将各个知识点连接，用回归箭头表示知识点之间的逻辑关联，同时需标注被试的错误描述，最终绘制出学习者的认知结构流程图。被试调取信息消耗的总时间仅包括学生组织语言和回答问题的时间（排除研究者提问消耗的时间），图1展示了三名学生的认知结构流程图。

针对学生的认知结构，可以从量化和质性两个方面进行分析和评价，本研究中的质性分析突出了对认知结构水平层次的划分和三重表征属性的分析。

1.3.2  认知结构的定量分析

根据绘图结果可对被试的认知结构进行定量分析，定量分析主要关注认知结构变量（内涵见表1）和认知建构过程中的信息处理策略（内涵见表2），采用SPSS软件分别对认知结构变量与成绩、信息处理策略变量与成绩进行相关性分析[9]。

1.3.3  划分认知结构水平层次

本研究采用SOLO分类理论划分学生化学键认知结构的水平层次。SOLO（Structure of the Observed Learning Outcome）分类理论是一种以等级描述为基本特征的质性评价方法[10]，基于被试对某一问题的反应分析其思维水平，由低到高分为五个水平： （1）前结构水平;（2）单一结构水平;（3）多元结构水平;（4）关联水平;（5）拓展抽象水平。本研究据此制定出“化学键”认知结构水平评判的具体标准（见表3），对两位研究者的划分结果利用SPSS软件进行一致性分析，采用alpha系数输出结果为0.727，证明此结果内部一致性较高。

1.3.4  学生认知的三重表征属性分析

本研究基于三重表征理论探究学生对化学键概念的理解情况维度。化学学习中三重表征的首倡者为苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心的约翰斯顿教授[11]，他将化学学科知识的表征划分为三个维度： 宏观表征、微观表征、符号表征。在化学键知识群中，宏观知识包括实验宏观现象（如金属钠与氯气反应有白烟生成）;微观知识包括化学键和分子间作用力的异同、化学键的分类、离子化合物与共价化合物的本质区别等;符号表征包括电子式的书写，即用电子式将宏观物质的微观特征用适当模型表征。结合流程图表征的认知结构、访谈记录、学生独立书写的电子式，依据三重表征理论将学生对化学键概念的理解情况分为“宏观维度”“微观维度”“符号维度”“宏观-微观维度”“宏观-符号维度”“微觀-符号维度”“宏观-微观-符号维度”。

2  结果分析

2.1  认知结构流程图的整体分析结果

30名学生中学优生1、中等生2、学困生3的认知结构（认知流程图）见图1。比较3名学生的认知结构可见： 学优生1的认知结构中知识点的关联性很强，不同知识点呈现有序、层次分明、条理清晰，先总体概述化学键有关知识点，再陈述离子键、共价键等的形成条件，举例相关的代表物质，描述电子式，最后比较几种作用力之间的关系;中等生2的认知结构中知识点覆盖面较窄，不同知识点呈现顺序所反映出的层次性、条理性较差，出现了一条错误陈述;学困生3的认知结构中的知识点较为匮乏，只提及了离子键、共价键、极性键、非极性键等词语，认知结构松散，且出现了2条错误陈述。

2.2  认知结构的定量分析结果

认知结构变量与成绩、信息处理策略变量与成绩的相关性分析结果分别见表4、表5。

从表4可见，关于“化学键”知识内容，学生的纸笔测试成绩与认知结构的广度、丰富度、整合度分别呈显著相关（**p<0.01， *p<0.05），与错误描述呈显著负相关（*p<0.05）。可见，学生学业成绩越高，化学键认知结构中的知识点越多、知识之间的联系越丰富、知识之间的整合程度越大;相反，学生学业成绩越低，认知结构中出现的错误越多，其认知建构的效果较差。由表5可见，关于“化学键”知识内容，学生的纸笔测试成绩与其对“比较和对比”、“情景推理”、“解释”等高水平信息处理策略的使用呈显著相关（**p<0.01），表明纸笔测验成绩较高的学生在认知建构过程中更倾向于使用较高级别的信息处理策略。

2.3  认知结构的水平分析结果

依据表3，分析学生的访谈记录表述情况和认知结构流程图，对30位学生化学键认知结构的层次进行评判，结果见表6。

处于前结构水平的学生有3人（占比10.00%），且均为学困生。如有的学生答“我不记概念，但是我会做题”、“离子键就是相反的电子”，这些描述符合表3中前结构水平的基本特征，没有弄清问题就作收敛，答案反复且纠结于细节，缺乏一致性。由表6可见，学优生、中等生均在前结构水平之上，仅有部分学困生处于此水平。

处于单一结构水平的学生有6人（占比20.00%），其中1名中等生，5名学困生。如有的学生答“化学键有离子键”，但未提及共价键;“共价键有极性键和非极性键”，但却将极性键与非极性键的概念混淆，这些描述符合表3中单一结构水平的基本特征，想到某一概念就迅速作答，未弄清其他概念就由单一概念得出结论，且结论非常不一致。由表6可见，学优生均在单一结构水平之上，少数中等生和部分学困生因仅识记概念而缺乏相关概念的辨析，只能达到单一结构水平。

处于多元结构水平的学生有11人（占比36.67%），其中2名学优生，8名中等生，1名学困生。如有的学生指出离子化合物和共价化合物并举例，但无法说明其区别与联系，这些描述符合表3中多元结构水平的基本特征，整理知识不够完整，未深入联系孤立的概念素材，导致同一问题前后结论不一致。由表6可见，少数学优生和多数中等生停留在多元结构水平，仅有一名学困生达到此水平。

处于关联结构水平的学生有9人（占比30.00%），其中7名学优生，2名中等生。如有的学生指出极性键和非极性键间的本质区别是有无共用电子对的偏移、离子化合物中可能有共价键而共价化合物中不可能有离子键，这些描述符合表3中关联结构水平的基本特征，对核心概念理解到位并进行归纳概括，但仅仅能在此概念系统中进行问题解决，而不能推广到其他问题系统中去。由表6可见，多数学优生和少数中等生可达到关联结构水平，而学困生均未达到此水平。

处于拓展抽象结构水平的学生有1人（占比3.33%），该生为学优生，中等生和学困生均未能达到此水平。如学生答“化学键是一种分子内作用力，它或许是八隅律存在的原因之一”，该描述符合表3中拓展抽象结构水平的基本特征，根据知识规律探索解答其他系统问题的路径，对拓展性问题进行概括，结论具有一致性。

综上所述，学困生多集中在单一结构水平，中等生多集中在多元结构水平，学优生多集中在关联结构水平，处在SOLO分类水平的更高层次的学生更易取得较高纸笔测验成绩。

2.4  学生认知的三重表征分析结果

基于对30名学生的访谈转录文本和纸笔书写材料分析，得出学生对三重表征的概念理解维度情况及比例，如表7所示。

仅停留在“宏观”维度即宏观描述正确，微观性质表述和电子式书写均错误的学生有4人（占比13.33%），且均为学困生。他们对物质缺乏微观理解，无法上升至符号层面，如： ①将离子化合物和共价化合物的微观特征和符号表征杂糅;②由于微观理解偏差导致符号表征错误。由表7可见，部分学困生停留在宏观层面，缺乏想象和模型建构能力，易将错误概念与正确符号相联系，或将错误符号与正确概念相联系。这说明学困生从宏观至微观维度递进时，比学优生和中等生更困难。

达到“宏观-微观”维度即宏观描述、微观性质均正确但电子式书写错误的学生有9人（占比30.00%），其中2名学优生，4名中等生，3名学困生。他们可联系宏观现象与微观特征，但无法正确联系微观特征与化学符号（电子式）。如： 电子式表示不准确、离子化合物电子式中括号书写有误、离子键与共价键的电子式书写方法混淆等。由表7可见，少数学优生、部分中等生和部分学困生停留在“宏观-微观”维度，他们对物质的微观想象过于浅显，未能统一宏观现象、微观特征与其化学符号。这说明中等生和学困生从微观至符号维度递进时较为困难，易停滞在微观水平，因此需通过模型、类比等方式加强宏微观表征与符号表征的联系。

达到“宏观-符号”维度，即宏观描述和电子式书写正确，但微观性质理解有误学生有5人（占比16.67%），其中2名中等生，3名学困生。他们对符号理解欠佳，仅限于识记水平。如对正确电子式产生错误理解，导致微观表征偏差（如学生认为离子化合物中可能存在共价键，共价化合物也可能存在离子键，即使正確写出氯化钙的电子式，却认为氯化钙是共价化合物）。由表7可见，少数中等生和部分学困生处于此维度，他们书写电子式时未对物质的微观特征作深入分析，表征出现断层。这说明中等生和学困生存在微观探析缺乏的情况，“宏观-符号”的直接联系不稳固、不深入，因此需重视发挥微观表征的桥梁作用。

达到“宏观-微观-符号”维度即宏观描述、微观性质及电子式书写均正确的学生有12人（占比40.00%），其中8名学优生，4名中等生。他们从“宏观-微观-符号”三个维度建构概念，概念表述层次分明（如认同水和食盐普遍存在，再说明水是共价化合物、氯化钠是离子化合物，后说明水分子含有共价键、氯化钠含有离子键，并解释离子键和共价键的形成条件，最后正确书写两物质的电子式）。由表7可见，多数学优生和部分中等生在此维度，其概念建构层次递进，表征架构完整，而学困生均未运用此维度。这说明学困生缺乏完整的三重表征架构的意识或能力，存在认知断层或缺陷。

3  结论与启示

3.1  加强知识建构与思维训练，增强学生元认知能力

学生认知结构的量化分析与质性评价结果表明，成绩较高的学生认知结构中的知识点较为丰富、知识点之间的关联性较强，知识组织的层序性、条理性较好，错误概念较少;成绩较高的学生认知结构的广度、丰富度、整合度均较大，且更倾向于使用情景推理、解释等高级信息处理策略。因此，在教学中建议多调动学生的思维参与问题分析过程，尤其是加强对比较、推理、解释等信息处理策略的训练;在教学中可通过概念图、思维导图的知识结构表征方式引导学生对自身的认知结构进行评价和分析，以增强知识建构的自我反思水平。

3.2  从“多元”到“关联”，促进认知水平整体进阶

学生认知结构的水平分析结果显示，大部分学生处于多元结构水平（占比36.67%）和关联结构水平（占比30.00%），处于拓展抽象结构水平的学生很少，且学优生较多分布于关联结构及其以上水平，学困生则集中于多元结构以下水平。这一主题教学改革的重点应在于促进学生的认知结构由多元结构水平到关联结构水平的转化，可以通过开展概念图绘制、提供更加丰富的认识素材、组织小型知识辩论等方式，激发学生对不同概念之间关系的认识和把握，提高认知结构的整体化、系统化水平。如在实际教学中应注重学生理解程度的反馈情况，鼓励学生依据已学知识，从多个角度出发对化学键下定义，并与教材定义比较，深入体会“归纳”过程，使教学落脚于学生对概念的理解与迁移。

3.3  强化多维系统表征，保障知识的建构与表征互促发展

学生认知结构的三重表征分析结果表明，学优生倾向于从宏观、微观、符号相联合的三重表征维度建构化学键知识;中等生受限于双重表征，在上升为三重表征维度时略显困难;学困生停滞在用单一或双重表征维度建构化学键知识。学生联系“宏观”维度的双重或三重表征比例达86.67%，联系“微观”维度的双重或三重表征比例为70.00%，联系“符号”维度的双重或三重表征比例仅为56.67%。学生认知的宏观表征与微观表征之间的联系较强，而微观表征和符号表征之间的联系较弱。因此，在教学中应适当加强对学生微观表征思维的训练和培养，多开展绘图或实物模型搭建等多种教学方式，针对不同水平的学生锻炼其突破维度的能力，引导学生将对物质微观结构的认识通过不同的“符号”形式进行呈现，同时促进其想象思维与表达能力的提升。

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