中学化学教师核心概念认知现状研究

芦瑾 严文法

摘要： 基于四段式多项选择测试问卷进行的聚类分析更具准确性和科学性。以“热化学”为例，利用上述方法对63位中学化学教师进行核心概念认知能力的实证研究，并与文本分析结果和高校化学教育专家的数据进行对比说明。最后指出核心概念认知研究中尚存在的问题。

关键词： 核心概念; 认知研究; 四段式多项选择测试; 聚类分析; 热化学

文章编号： 1005 6629（2019）6001507      中图分类号： G6338      文献标识码： B

美国国家研究理事会于2011年7月颁布的《K12科学教育框架： 实践、跨领域概念和核心概念》及2013年4月颁布的《新一代科学教育标准》中均明确指出科学教育应围绕基于核心概念的学习进阶展开。在此影响下，美国、英国、澳大利亚等不少国家或地区对科学课程标准进行了修订或改革，目前，核心概念已经成为国际科学教育研究与实践的热点。我国也已开始基于核心概念建构学科结构培养学生的学科核心素养的探索，2018年1月正式出台的《普通高中化学课程标准（2017年版）》在课程内容结构化的理念指导下更新了化学教学内容的呈现方式，重视以化学学科大概念为核心，突出核心概念在化学教学中的统领作用[1]。因此，了解和掌握核心概念对于中学教师而言都是非常有必要的。

当前关于核心概念的内涵界定和教学实践已有大量相关研究[2]，而如何有效地诊断和测量中学教师对于核心概念的认知尚未引起重视。因此，本研究尝试整合归纳建立核心概念的遴选标准，以“热化学”为例阐述如何确保四段式多项选择测试问卷的信效度，以及如何利用聚类分析来进行认知分析。

1 核心概念遴选标准的建立

目前，不同的专家学者对于核心概念的界定仍未达成一致[3～7]。概括而言，核心概念可以整合為两类，一类是可以为其他各种概念提供基础支持，展现当代学科图景，对本学科起到统领作用的概念;另一类是可以解释超越课堂之外的相关事件和现象，具有持久价值和迁移价值的概念。综合已有界定，我们认为核心概念是指处于学科主干，可设计进阶学习，在纵向上统摄整个学科体系，在横向上与个体及社会发展密切相关，能够为学生提供更深远发展的概念。

根据我们界定的核心概念的定义，遴选出的核心概念要能展现学科逻辑结构，有效统摄大量的事实和概念。参考国外相关文件[8， 9]和专家学者的研究[10， 11]，并结合我国目前已有的相关研究[12～14]，整合归纳出核心概念遴选的四条标准： （1）该概念是相应学科结构的中心概念，或是关键性原理，简称为中心性原则;（2）该概念是相关概念学习的基础，能为之后研究更为复杂的问题提供工具，简称为工具性原则;（3）该概念有利于学生在之后的社会或个人生活中解决相关问题，简称为终身性原则;（4）该概念能在不同的年级进行教学，知识及能力水平螺旋式上升，简称为进阶性原则。

2 核心概念认知的诊断工具和方法

为有效探查中学化学教师对于核心概念的真实认知，本研究在纸笔测验中引入四段式多项选择测试。四段式多项选择测试包括“答案层”、“原因层”以及对于“答案层”、“原因层”的信心指数。在“答案层”被试可根据自我经验对概念作出判断，在回答的后面设置了一个“信心指数段（Confidence Tier）”，即0%（完全靠猜测）～100%（完全有把握）的百分数轴，被试可以在数轴的任意分界点上标出自己的信心指数，对自我回答作出确定性评价。在“原因层”被试对判断的理由做出选择，并对原因的选择作出确定性评价。将四段式多项选择测试应用于核心概念的认知研究，“答案层”及对于“答案层”的信心指数能探测出对学科核心概念的认知，“原因层”及对于“原因层”的信心指数则是对核心概念遴选标准认知水平的诊断。在确定性指数的辅助下，题目较敏锐客观，有效地呈现了教师的真实认知水平，在一定程度上提高了客观题的评价能力[15]。

相比于以往研究多采用的固定值或平均值获得核心概念的方法，本研究提出聚类分析的方法。聚类分析是将一组拥有大量数据对象的数据集分解成很多个簇，依据各个数据对象之间的相似性或某种距离来进行划分，将相似度高的归为同一个簇，将差异较大或相似度低的归为不同的簇。将聚类分析应用于核心概念的认知研究，依据上述核心概念的四条标准展开调查问卷，并对结果赋分处理进而聚类分析。基于聚类方法，可避免固定值或平均值的主观性，从数据的相似性出发，依据数据的自身分布情况进行分类，增加了核心概念研究的科学性和系统性[16]。

对中学化学教师核心概念的认知能力展开研究，首先需对课程标准及考试大纲等文本进行梳理，提取出所涉及的所有化学概念，随后依据上文提出的核心概念的四条遴选标准编制针对所提取化学概念的四段式多项选择测试问卷，对结果进行赋分并进行聚类分析得到核心概念，最后基于数据对中学化学教师的认知现状展开分析。

3 中学化学教师热化学核心概念的认知研究

热化学是研究化学过程中热效应规律的学科，其核心任务是用各种量热方法准确测量物理的、化学的以及生物的过程中的热效应，从而根据热效应来研究有关现象及规律性，在燃料、食品、生物、工程及科学研究等领域都具重要意义。毫无疑问，热化学是化学学科领域内的大概念，在中学化学体系中以“化学能与热能”统领该部分的内容，与电化学共同构成“化学反应中能量变化”这一主题，对学生思维要求较高，是中学化学学习中的重难点。

通过对《义务教育化学课程标准（2011年版）》以及《普通高中化学课程标准（2017年版）》中选取热化学主题中的“内容要求”、“教学提示”及“学业要求”栏目中的表述进行分析，并结合高考命题的规范性文件《2018年高考化学考试大纲》中有关热化学内容的表述，梳理出来中学阶段热化学课程内容要求，如表1所示。在研究中同时参考了现行人教版初中化学教材（经教育部2012年审定通过）和高中化学教材（经全国中小学教材审定委员会2004年初审通过），对涉及的所有化学概念进行了提取。

选取原则是选取认知性学习目标达到认识水平以上的概念，物质名词、实验仪器名称不包括在内。初步提取出的中学热化学的概念为能量、化学能、热能、内能、吸热反应、放热反应、化学键、焓变、熵变、反应热、中和热、燃烧热、能量守恒、盖斯定律、热化学方程式和能源。鉴于吸热反应和放热反应在自身内涵和学科地位均相同，故将其合并为“吸热反应和放热反应”一个概念。最终提取出15个中学热化学范围内的概念。

问卷编制

本研究采用包括“答案层”、“原因层”以及对于“答案层”、“原因层”信心指数的四段式多项选择测试编制《中学热化学核心概念调查问卷》。将上述文本分析筛选出来的中学热化学的所有概念打乱顺序，采用李克特量表法编制成问卷，按照概念对于核心概念遴选标准的符合程度为每个概念赋分，为避免“趋中”效应，将选项分为4级，如表2所示。同时，在问卷最后设置主观题要求调查对象对中学热化学的概念进行补充，以确保涵盖概念的全面性及其对整个中学化学学科的统摄力。

调查对象

本研究调查的中学化学教师来自全国八个省份的示范中学（包括高中和初中），学历均在本科及以上，教龄在10年以上的比例为746%，其中特级教师的比例为174%。

中学热化学核心概念调查问卷数据分析

本研究共发放问卷80份，回收68份，回收率为85%。根据测谎题对问卷的有效性进行筛选，其中有效问卷为63份，有效率为93%。答案层的克隆巴赫α系数为0887，原因层的克隆巴赫α系数为0786。整体而言，本研究具有较高信度。

（1） 核心概念“答案层”聚类分析

数据处理中需要对选项分值的平均值及所对应平均信心指数值（Confidence Rating Index）进行统计。参考Bretz等人的标准，信心指数值以50%为分界，高于50%则进一步说明对应回答的真实性[17]。所有数据通过Excel和SPSS 220軟件进行统计分析，如表3所示。从中可以看出，调查对象对自己“答案层”的回答均具有较高的信心指数。

按照概念选项的平均值进行聚类的探索性分析，选用两步聚类方法。聚类的数目初步设定在1至10个，以避免聚类数目过多导致解释困难。数据来源真实且前期进行过处理，并没有发现离群点。聚类后根据施瓦兹贝叶斯准则（BIC）的变化情况，从而判断合理的聚类数量，如表4所示。

从统计学上讲，BIC值越小就代表聚类的效果越好，但在实际应用中还需要综合BIC更改值、BIC更改比率和距离度量比率这三个方面，进一步确定最佳的分类数。判断一个聚类方案的依据是： BIC值越小，BIC更改值的绝对值越大，BIC更改比率越大，距离度量比率越大，则聚类的效果越好。据此对表4中聚类数进行分析，可以得出最佳聚类数为2。图1说明中学热化学概念的聚类数为2时，聚类质量为良好。

综上所述，中学热化学涉及的所有概念可以形成2个聚类，最终聚类分析结果如表5所示。聚类2的概念在选项平均值上明显高于聚类1的概念，即为核心概念。

此外，在主观题中教师补充中学热化学的概念还包括活化能、溶解热。这两个概念在课程标准及考试大纲中均没有明确出现，显然不属于核心概念。故最终遴选出的中学热化学核心概念为能量、吸热反应和放热反应、焓变、盖斯定律和热化学方程式。基于遴选出的中学热化学核心概念建构出中学热化学的知识结构图，如图2所示：

（2） 核心概念“原因层”分析

在遴选出核心概念的基础上，对核心概念的“原因层”进行分析，如表6所示。“原因层”的平均信心指数依然属于高信心指数，但是相比“答案层”的信心指数稍有降低，说明中学化学教师对于自我判断有较高认可度，但有待进一步对核心概念的具体内涵进行深入了解。由于回答时的“趋中”现象，教师较少会在概念的某一标准上给出较高分数，但相对来说，遴选出的五个核心概念在四个标准上均具有较高分值。从四条遴选标准的角度比较，工具性和终身性相对来说普遍具有较高分值，这可能是由于这两条原则在信息高度充足的今天社会来说相对来说在概念中比较容易满足;中心性原则在多数概念上具有不低的分值，但也没有较高分值出现，说明教师对于知识的中心地位较为慎重;在进阶性上要求概念在学科各学段都具有可教性与可学性，可以统摄某一领域一系列由浅入深逐渐复杂的概念，当前的课程体系中概念的编排可能是造成中学教师在该标准上持谨慎态度的原因。

4 中学化学教师核心概念认知的对比分析

核心概念文本分析结果和教师核心概念认知对比分析

本研究通过文本分析来检验中学化学教师核心概念认知的科学性。对于文本分析常用的方法为文本分析和文献分析。文本分析主要是通过在课程标准和考试大纲的认知性学习目标中概念所要求达到的理解及应用水平来确定化学核心概念。当课程标准和考试大纲中的认知性学习目标不一致时以较高的为准，最终中学热化学所有概念的认知性学习目标水平如表7所示。同时，关于中学化学热化学的核心概念已有相关文献有所涉及。陈莉在诊断《化学反应原理》中存在的迷思概念研究中通过词频分析法确定了人教版《化学反应原理》中的34个核心概念，其中“热化学”范围内的有热化学方程式、盖斯定律、反应热、焓变、燃烧热、中和热、吸热反应、放热反应[18]。刘琳、周青等人从化学反应与能量变化、化学反应的方向性两个角度对中国、美国、韩国、新加坡、英国五个国家化学教材中有关热化学内容进行比较，各个国家都涉及到的概念包括焓变、键焓、能量守恒、吸热反应和放热反应及热化学方程式[19]。杜佳萱、辛涛等人采用DINA模型，分析了学生对高中热化学的知识掌握状态。在该研究中研究者选取了放热反应与吸热反应、化学键角度认识热量变化、反应热与焓变、热化学方程式以及盖斯定律五个属性（概念）[20]。

从表7中可以看出，焓变、盖斯定律和热化学方程式具有较高的认知性学习目标水平。能量、吸热反应和放热反应作为热化学密不可分的一部分，统摄了化学能、热能、内能、化学键及能量守恒等一般概念，在其他研究中亦选取其作为核心概念。因此，中学化学教师对于热化学核心概念的认知具有一定的科学性。

高校化学教育专家和中学化学教师核心概念认知对比分析

高校化学教育专家对中学化学学科教育发展更具全局性把握，依据其观点可剖析中学化学教师核心概念的认知能力。本研究调查的11位高校化学教育专家均为国内师范大学的化学教学论任课教师，其研究领域均为核心概念的相关领域，数据处理结果如表8所示。对其进行聚类分析，所得结果与中学化学教师核心概念认知数据聚类结果一致。但进一步横向对比可发现，相比高校化学教育专家，中学化学教师在“能量”、“能源”等概念上的分值明显偏低，平均信心指数也小幅度下降。由此可见，中学教师依靠其丰富的实际教学经验，对核心概念有整体的科学认知。由于缺乏专业纵向引领，对于教育研究和课程改革的前沿理念的认知略显不足。

5 研究结论

本研究表明，中学化学教师核心概念认知的整体情况处于中等偏上水平，具有一定的提升空间。中学化学教师在一定程度上会自主认可核心概念。由于核心概念的选取与课标、教材等教学文本密切相关，在日常教学与教研中会自发形成类似观点，但这种认识并不完全科学。教师对核心概念的片面认识必然会表现在教学上，造成教学实践中诸多不令人满意的现象。因此通过专家讲座和到高校学习来加强中学教师对于核心概念全面而细致的学习是十分必要的。

本研究亦存在一些不足。当前核心概念的遴选标准以国外研究较多，我国不同于国外在中学阶段采用学科体系分立，因此对于核心概念的遴选需要更加本土化的标准。核心概念的认知工具需要经过大量探索建立有效的指标体系。本研究仅为方法适用性的初步探索，后期还需进一步检验完善。

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