中学化学守恒观研究现状的分析与思考

2019-08-27王禹超王后雄

化学教学 2019年6期

王禹超王后雄

摘要：采用内容分析法，研究了中学化学守恒观的现有文献，定量分析了守恒观的研究趋势、研究人员和研究内容分布，并在研究内容分布上与“微粒观”进行对比;从发现问题的视角得出了“中学化学守恒观的研究存在较多空白”、“守恒观的内容界定存在争议”、“中学生的守恒观发展水平不足”和“守恒观的研究可能会成为热点”等结论，基于此提出了建议。

关键词：化学基本观念; 守恒观; 研究综述; 内容分析法

文章编号： 1005-6629（2019）6-0027-06 中图分类号： G633.8 文獻标识码： B

守恒观是《普通高中化学课程标准（2017年版）》中明确提出的化学基本观念之一[1]，其含义简单来说就是化学中关于守恒的思想观念，一般认为包括“质量守恒”、“电荷守恒”、“电子守恒”、“能量守恒”、“物料守恒”、“质子守恒”和“元素守恒”等内容[2][3]。“守恒”是人认知发展的重要一环，是皮亚杰认知发展理论中判断儿童发展程度的重要标志;科学领域中的守恒无处不在：物理学科对能量守恒、动量守恒等有许多深入的研究;化学上的守恒内容更加多样，学生关于化学守恒的认知贯穿化学学习始终，“化学守恒观”的研究价值不言而喻。但是，正如对化学中“宏观与微观的联系”进行研究不意味着对“宏观辨识与微观探析”的核心素养进行研究一样，对“××守恒”的研究也不能简单等同于对“守恒观”的研究。而现状是，大多数“守恒观”的研究只涉及部分守恒知识的实践层面，真正对于“守恒观”的研究，尤其是对守恒观整体的、理论的研究偏少。因此有必要探析这种现象背后的原因，思考应当如何深入对守恒观的研究。

1 研究设计

1.1 研究方法

内容分析法是对显性材料进行分析以推断隐藏现象的一种文本研究方法。主要采用内容分析法做趋势分析、现状分析和比较分析。趋势分析是为了发现守恒观研究的表面趋势;现状分析主研究只利用微视频技术的表现性评价探查了选考生在“科学探究与创新意识”素养上的现状，在后续研究中，将进一步探索性别、学业成绩、其他选考科目等因素与该素养之间的相互关系及作用机制，尝试采用课堂实验探究、课外自主实验、趣味实验校本选修课等进行核心素养提升的实证研究。

要关注已有的守恒观研究集中在哪些方面，是否合理、谁是研究的主力军，是否均衡;比较分析关注守恒观研究与其他化学基本观念（微粒观）研究现状的区别和联系。在数据统计时共有3位研究人员参与，提高了研究的信度。

1.2 资料来源

在中国知网（CNKI）中以“守恒观”为关键词在学位论文和学术论文（仅勾选“核心期刊”和“CSSCI”，以下省略该说明）范围内进行检索，分别得到1条和3条结果，这是不足以覆盖研究对象的，因此将检索词扩展到“守恒思想”、“守恒思维”、“守恒定律”和“守恒法”等，但在过程中发现有较多的非化学学科内容出现，难以甄别筛选;同时，有很多关于化学守恒的研究内容是仅限于“××守恒”的，此类内容没有显示。

为了确保资料的完整、减少无关内容的出现，检索同时包含“化学”和“守恒”两个主题词，以及主题词为“××（能量、质子、物料、元素、电荷、质量、电子）守恒”的内容（以下合称“化学守恒”），学科领域限定在“中等教育”和“教育理论与教育管理”，并剔除涉及“守恒”却未将其作为主体内容的结果：如对化学基本观念的研究，可能涉及守恒观，但其内容主体没有落在守恒观上;对能量观的研究中大多会提到“能量守恒”，而其重点内容却不是守恒;对电解质溶液的研究大多会提到“电荷守恒”等，但守恒并不是其主要内容，此类论文不作为研究资料进行收集。最终收集到学位论文（均为硕士论文）10篇，学术论文63篇。

关于化学基本观念的内涵及其范围界定的文献中都把微粒观纳入范围，因此将其作为比较研究的对象：以“微粒观”作为主题词检索，并以同样原则进行筛选，最终收集到学位论文（均为硕士论文）17篇，学术论文27篇。

1.3 内容编码与分析单元设计

对资料进行预分析后，构建了量化分析的一级维度，即研究趋势、研究人员和研究内容;对研究人员进一步划分了二级维度;根据检索得到的资料，参考化学基本观念综述类文献的划分方法[4]，对研究内容划分了二级和三级维度，具体说明见表1。

一级维度二级维度三级维度说明研究趋势——以研究论文发表的时间为轴进行趋势分析研究人员中学一线教师—教学活动的直接参与者专职研究者—高校教师、硕士和博士研究生等群体

研究内容理论研究理论研究解决何为守恒观、守恒观应当包含哪些内容、守恒观在教材及课标中是如何编排和体现的等问题

实践研究教学设计与反思重点落在教学设计或教学策略，是从守恒观的视角进行某些教学内容的编排设计，或是对某些常规教学内容、实验、各种教学活动的创新，一般要形成可执行的操作模式及教学启示等

建构策略依托常规教学内容、开发教学工具、创设特殊教学情境、方法等论述如何引导学生建构守恒观，其重点在于如何“建构”，结论上不一定有教学设计及实践验证

调查研究重点在于某范围内中学生守恒观发展水平的测查，展示和分析了测查的过程及结果，有的还会延伸至教学诊断

试题研究以守恒思想为指导，研究如何解决一类题目，或解决某种守恒问题的方法技巧

学术论文和学位论文在一定程度上代表着不同的研究层次和深度，因此选择性地对两者分别进行统计分析。

1.4 信度分析

内容分析法的信度分析是对评判记录一致性的分析，即各维度、类目的划分是否可靠[5]。过程是以笔者为主评判员A，另外两位评判人员B和C同时使用相同类目进行评判，定量地进行一致性分析，计算方法： K=2MN1+N2，K为两个评判员的同意度，M为两者都完全同意的类目数，N1为第一评判者分析的类目数，N2为第二评判者分析的类目数;R=N×K1+（N-1）×K，其中N为参与评判的人数，K为所有评判员的平均同意度。各类目评判信度分析算得的R值均大于0.9，证明具有良好的信度。

为了保证研究的客观性，在“结果分析”部分只分析数据的统计结果，避免有积极或消极的语言倾向;“结论”和“思考与建议”以发现问题和提出建议的视角进行论述。

2 研究结果分析

2.1 研究趋势分析

以论文发表时间为横轴、数量为纵轴，将论文总数、学术论文数、学位论文数放在同一图表中，得图1，可知化学守恒观在2011年之前没有受到学位论文的关注，相关学术论文的数量也较少;之后，研究数量呈现不平稳的增长趋势。守恒观的研究趋势与化学基本观念整体的研究趋势基本一致[6]。

2.2 研究人员分析

将研究人员划分为“中学一线教师”和“专职研究者”。“中学一线教师”指中学化学教师，他们是教学的直接参与者，与学生、教学内容有最紧密的交互作用;“专职研究者”指高校教师、硕士和博士研究生等群体，他们更多地进行着课程与教学研究，或理论或实践，但往往没有直接参与教学活动。学位论文的作者均为研究生，但无法得知是否为在职教师，因此仅统计学术论文研究人员。根据文献的第一作者，统计得到图2，可知一线教师对化学守恒研究的关注度远高于专职研究者。

2.3 研究内容分析

需要说明的是，教学设计与反思类和建构策略类论文的主要区别在于实现的目的不同，前者重点解决某教学内容以守恒观念的视角如何设计和创新，后者侧重于利用教学内容、情境、工具等来建构守恒观，两者有所区别，但在部分研究中兼具。对研究内容的统计结果如图3所示。

学位论文中，各研究内容取向的分布较学术论文均衡很多，原因是学位论文内容丰富，总是涉及多方面内容：如“高中生化学守恒观发展研究”[7]，既有对守恒观内涵的分析，也有对高中生守恒观水平的调查，同时还提出了构建守恒观的策略;而学术论文大多有唯一的内容取向。因此接下来对研究内容的分析中只关注学术论文。同时，为了显示守恒观研究内容与其他化学基本观念（微粒观）研究内容上的差别和联系，对微粒观学术论文的研究内容进行统计，方便对比。结果见表2。

对比分析可知学术论文中，两者的“教学设计与反思”研究均占有较大比例，“调查研究”都很少或没有，具有一致性;守恒观“试题研究”的比例远多于微粒观的相关研究;而基础的“理论研究”和目标性的“建构策略”内容远少于微粒观的相关研究。

两种观念研究的内容取向在数量上的差别十分显著。进一步分析守恒观的研究内容发现，大多数只涉及某一方面的守恒，如“中学生质量守恒定律核心概念的认知研究”[8]、“初中阶段守恒观构建的‘进阶模型研究——从‘质量守恒定律说起”[9]等仅关注“质量守恒”的内容，“例谈质子守恒的模型认知与教学价值”[10]仅关注“质子守恒”的内容。统计学位论文与学术论文中研究的具体守恒内容，得到结果见表3。

可见，对化学守恒观整体的研究远比局部研究要少;而在局部研究中，质量守恒几乎占了全部，质子守恒仅有一篇，而其他如电子守恒、物料守恒等没有出现。

3 研究结论

3.1 中学化学守恒观的研究存在较多空白

对中学化学守恒观研究人员的统计分析说明一线教师数量远远多于专职研究人员，对研究内容的统计分析说明实践研究远多于理论研究。这两个现象实质上有着一致性，都说明在实践当中守恒观是很重要的，中学教师和高校研究者都非常关注实践层面，但过于关注与考试、解题相关的内容，理论研究较少。这样的现状可能是不合理的，尤其是对比了微粒观的研究内容分布后更能说明这一点。统计具体守恒内容的研究数量，可知守恒观作为化学基本观念之一，却总是被孤立地关注局部的守恒知识，甚至没有研究者对守恒观的内涵进行清晰的表述，总是以“守恒观包括××守恒、××守恒……”来呈现。在局部守恒的研究中，质量守恒占到绝大多数，原因很可能在于“质量守恒定律”是初中化学教学的重要内容之一;其次是质子守恒，原因可能是学生在学习“溶液中离子平衡”[11]时经常难以理解、无法顺利掌握质子守恒的相关内容。相对而言，对守恒观整体的研究实在太少，内容也不够充实。因而认为，中学化学守恒观的研究存在较多空白。

3.2 中学化学守恒观的内容界定存在争议

研究者们对守恒观内容的界定是有明显差别的，有代表性研究的如胥晓宏指出化学守恒思想应当包括质量守恒、电荷守恒、电子守恒、能量守恒、物料守恒和质子守恒[12];谢翠兰认为化学守恒观应当包括以下几个方面[13]：元素守恒、原子守恒、质量守恒、电子守恒、电荷守恒、能量守恒、物质的量守恒、化合价守恒、质子守恒和物料守恒。而更多的研究者只关注了守恒观的某个方面。似乎各种独立的守恒知识的存在，使得研究者們对守恒观这个整合的化学基本观念关注较少。很少有人探讨守恒观内涵是什么、具体内容应该如何界定，仿佛大家心里有着公认的结果，但事实又表明不是这样。这也是现存研究中“守恒观”内容很少，“××守恒”内容很多的原因。

3.3 中学生的化学守恒观发展水平不足

从调查研究的文献中可以得知学生守恒观的发展水平：鲁志婧的研究表明高中生的守恒观发展整体呈现中等偏下水平，各维度守恒观念之间的发展也不均衡[14];龚伟等的研究表明高中生化学守恒思维处于中等水平，且运用仍处于机械水平，没有理解其实质而灵活迁移[15];詹晓旭对高一理科班学生进行了化学基本观念整体水平的调查研究，认为学生在守恒观的表现水平较差[16]。因此可以认为中学生的化学守恒观发展水平是不足的，大多数只是具备基本的守恒知识，没有达到深入理解和进行自如综合应用程度。

3.4 中学化学守恒观的研究可能会成为热点

统计分析表明，2011年是守恒观研究数量变化的转折点，原因可能是义务教育化学课程标准也提出“义务教育阶段的化学教育，要激发学生学习化学的好奇心……形成化学的基本观念”[17];2017年版的“新课标”明确指出要引导学生进一步学习化学的基本原理和方法，形成化学学科的核心观念，并明确提到了守恒观[18]。这很大程度上意味着研究者们会逐渐关注到守恒观的“研究空白”，掀起研究热潮。

4 思考与建议

4.1 中学化学守恒观是一个不需要深入研究的领域吗

对比微粒观、元素观、能量观等“热门”化学基本观念的研究可知，真正对守恒观的研究较少，对化学守恒的局部研究也不均衡，但这并不说明中学化学守恒观是个不需要深入研究的领域。现状的存在归根到底是由于认识不足导致的。对化学守恒观的重要性认识不足，会导致研究者们对它缺乏关注，没有意识到化学守恒观应该是一个需要大量研究和有着重要实践意义的研究领域。对化学守恒观内涵的认识不足，使得化学守恒观就像一个“黑箱”，人们只在乎对其进行何种作用会产生何种效果，却没有打开箱子探寻其中奥秘;本质内涵没有厘清、缺乏理论的支持的情况下就进行实践方向的研究，这样的研究在一定程度上说服力是不够的。对中学生化学守恒观发展现状的认识不足，认为学生在这方面发展得很好，会使得研究者们自发地认为这是一个不需要研究、对学生学习和教师教学没有足够实践价值的领域。但现有研究表明守恒观的研究很有实践价值。

高中化学“新课标”中“守恒观”的出现，说明至少制定化学课标的专家们认为守恒观对学生是非常重要的，他们的想法和观点往往与大多数中学化学教师及化学教育研究者一致，代表着国内的化学教育发展趋势。因此应当重视对中学化学守恒观的深入研究。

4.2 中学化学守恒观是什么

“守恒观”是化学基本观念，“守恒法”是以守恒观为基础的解题方法，属于守恒观的一种应用，两者不能直接等同;“质量守恒定律”是自然界普遍存在的基本定律之一，在其他学科中也有涉及，它支撑了守恒观的存在，但在内容上应该只是其中之一;“原子守恒”、“物料守恒”等是概念知识，它们同样支撑了守恒观的存在，但只是学生学习过程中守恒观在某一阶段的表现，而不能将守恒观等同于“××守恒”及其应用。不能把“窄化”的守恒观当作“守恒观”。

化学基本观念是指学生通过化学课程的学习，在深入理解化学学科特征的基础上所获得的对化学的总观性认识，具体表现为个体主动运用化学思想方法认识身边事物和处理问题的自觉意识或思维习惯[19]。那么守恒观的内涵，就应当是“在深入理解了化学中有关守恒的知识后，建立的基于‘守恒的认识事物的方法和解决问题的思维”。它既不是孤立的简单知识或知识的组合，也不只是解题的方法，而是基于某些核心概念的思想意识。内涵研究应当探明其核心概念有哪些，它们如何有机地整合为“观念”，这样的观念在不同情境中应当怎样体现、学生守恒观发展水平如何划分、如何建构真正能够适应不同真实情境的“守恒观”。守恒观的具体内容界定也应该基于以上问题进行研究。

4.3 怎样对中学化学守恒观进行研究

化学基本观念是由化学核心概念概括提炼得到的[20]，守恒观也应有某些核心概念作支撑，有“支撑性理解”[21]推动学生在不同情境、不同概念中发展和应用守恒观。提取守恒观的核心概念、构建认识模型是非常重要的，这应当成为守恒观研究最基础和最重要的部分。而后，对于构成守恒观的核心概念可以有进一步的深入研究。学习进阶（Learning Progressions）刻画了学生在不同时期学习同一科学领域核心概念时的认知发展路径，能够表征同一概念在不同认知层面学生具有的表现，运用学习进阶的方法研究核心概念已成为新的研究热点[22]。因此采用学习进阶的方法研究守恒观及其核心概念是非常合理贴切的。另外，在守恒观的测评研究上，不应只是前文提到的“××守恒”题目的堆叠，而更要有综合性、有深度，如利用SOLO分类理论开发良好的测试工具等。

参考文献：

[1][18]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018.

[2][12]胥晓宏. 中学化学教学中学科思想的培养——以“守恒思想”的教学为例[D]. 天水：天水师范学院硕士学位论文， 2017.

[3][13]谢翠兰. 高三化学复习课学生化学守恒观的培养研究[D]. 桂林：广西师范大学硕士学位论文， 2011.

[4][6]韦新平. 国内化学观念与促进观念建构的教学研究述评——以《化学教育》《化学教学》和《中学化学教学参考》2003～2013年文献为例[J]. 化学教学， 2014，（9）： 20～24.

[5]黄梅. 化学教育研究方法[M]. 北京：科学出版社， 2018： 66～71.

[7][14]鲁志婧. 高中生化学守恒观发展研究[D]. 武汉：华中师范大学硕士学位论文， 2017.

[8]查玲. 中学生质量守恒定律核心概念的认知研究[D]. 芜湖：安徽师范大学硕士学位论文， 2016.

[9]钱海如，赵华. 初中阶段守恒观构建的“进阶模型”研究——从“质量守恒定律”说起[J]. 化学教学， 2017，（8）： 25～29.

[10]經志俊. 例谈质子守恒的模型认知与教学价值[J]. 化学教学， 2018，（2）： 92～96.

[11]宋心琦主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理（第3版）[M]. 北京：人民教育出版社， 2007.

[15]龚伟，王祖浩，钱智涌. 高中生“化学守恒”思维水平状况的调查分析[J]. 化学教育， 2012， 33（6）： 49～52.