高三学优生化学高阶思维能力现状调查与分析

郭金花 吴星

摘要： 在化学高阶思维内涵与结构研究的基础上，构建化学高阶思维评价指标体系，该评价体系共包括“化学实验思维、化学模型思维、化学微观思维、化学守恒与平衡思维和化学创新思维”5个一级指标、14个二级指标及若干指标表现。根据评价指标设置评价任务，利用评价任务对高三学优生化学高阶思维能力进行考查。结果显示：高三学优生各维度化学思维发展不平衡；男女生高阶思维能力之间存在显著性差异；化学学业成绩对高阶思维的发展起重要促进作用，同时高阶思维的发展也可以显著提升学生化学学业成绩。在此基础上提出高中生化学高阶思维能力培养的教学建议。

关键词： 高阶思维； 思维能力; 化学思维； 高三学优生

文章编号： 10056629（2022）10001906

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

化学高阶思维能力是学生解决复杂化学问题或劣构性化学问题的必备能力，是学生获得“高水平”化学核心素养与“高水平”学业质量的重要保障［1］。思维能力主要由思维结构决定，因为思维能力的强弱是思维结构的质量、水平和完善程度的表现［2］。因此在化学高阶思维结构的基础上进一步构建化学高阶思维评价指标体系，再根据评价指标设置相应的化学任务或问题，测量与评价学生的化学高阶思维能力。了解学生化学高阶思维能力现状，将为实施培养学生该能力的高中化学课堂教学提供可行的建议。

1 化学高阶思维评价指标体系构建

在“化学高阶思维”的前期研究中，已经在文献分析的基础上厘清了化学高阶思维的内涵和结构。化学

高阶思维是指学生围绕复杂的或具有挑战性的化学问题，从宏微结合、变化守恒的视角，借助于化学实验、化学语言和化学模型，运用证据推理、分析、归纳、抽象和评价等方法，获得结构化的化学核心知识、原理，养成创新精神和实践能力的过程中形成的高水平心智活动。化学高阶思维与化学学科一般思维最重要的区别在于前者一定要以复杂的或具有挑战性的化学问题解决为主旨［3］。此外，前期研究中在问卷调查的基础上，对调查数据分别进行探索性因子分析和验证性因子分析，结果得到高中生化学高阶思维结构共包括化学实验思维、化学模型思维、化学微观思维、化学守恒思维和化学创新思维5个维度［4］。根据专家建议，将化学守恒思维改成“化学守恒与平衡思维”更为准确。

为了使指标体系科学化、规范化，在遵循系统性、典型性、可操作和可量化、科学简明性以及综合性等原则的基础上，围绕化学高阶思维结构的5个维度初步构建评价指标体系。然后编制《化学高阶思维评价指标体系专家征询意见调查表》，征询专家意见和建议。在修改和完善的基础上最终研制出“化学高阶思维评价指标体系”（见表1）。该指标体系共分5个一级指标、14个二级指标，且详细制定了每一个二级指标对应的指标表现。

2 高三学优生化学高阶思维能力测量与现状分析

2.1 测量工具和测量对象

根据评价指标体系中的“二级指標”和“指标表现”设置相应的化学任务和问题，并构建命题双向细目表，使试题内容、试题结构、分值分配等尽量合理化与科学化，提高命题的效率和质量。根据化学高阶思维各维度的特点，考查任务共设置了两类：完成指定的化学实验和测试卷。在征求专家咨询组意见的基础上，初步确定了1个实验任务和由20道测试题组成的测试卷，试题均为判断题和表述题，无选择题。其中实验任务40分，测试卷100分。先对104名随机抽取的高三学生进行初测，利用Exell和SPSS25.0统计软件对测试卷进行难度、区分度和信度分析，最终确定了1个实验任务和12道测试题（包含37个小问题），然后对学生进行正式测试。其中正式测试卷的信度以内在一致性α系数加以解释（见表2）：试卷各维度的内在一致性α系数均在0.70以上，说明测试卷的信度在可接受范围内。

本研究的正式被试为江苏省扬州市某四星级高中随机抽取的4个平行班的高三学优生。共发放6份实验报告单和测试卷208份，回收6份实验报告单和有效测试卷204份，回收率分别为100%和98%。

2.2 研究方法

由于“化学实验思维”是在解决真实的化学实验问题过程中表现出来的，因此，对“化学实验思维”的考查采用“活动表现”考查法，要求学生完成“维生素C泡腾片中碳酸氢钠含量的测定”实验任务。实验时给每组学生提供了实验报告单，内容包括：实验目的、产品说明书、参考计算公式pV=nＲT、供选药品和器材、实验方案设计、实验数据处理和实验反思。产品说明书中维生素C泡腾片的成分为“每片含维生素C 1g，辅料为碳酸氢钠、枸橼酸、氯化钠、蔗糖等”。共进行3组实验，每组2名学生，要求这2名学生在实验时必须交流各自的想法，即“出声思维”。同时对这3组学生的实验过程进行全程记录和录像，便于后续分析。其余4个维度的思维能力均采用“纸笔测试法”考查。在学生完成测试卷后，对部分学生进行了访谈并录音，便于剖析其思维过程。

2.3 研究结果与分析

2.3.1 总体分析

由于“化学实验思维”是通过实验单独考查的，对其分析将放在后面“维度分析”部分。这里主要对另外四个维度的总体情况进行分析（测试卷中各维度得分均已转换成百分制）。通过独立样本T检验（见表3）发现男女生的化学微观思维和化学守恒与平衡思维的P值均大于0.05，说明男女生这两种思维能力没有显著性差异，但模型思维和创新思维的P值均小于0.05，说明男女生上述两种思维能力存在显著性差异，从均分可以看出男生显著高于女生。化学高阶思维需要学生具备较强的抽象思维能力。因此，出现上述差异的原因可能与男生比女生更擅长抽象思维有关。

另外，通过相关性分析发现，学生的各维度思维之间的P值均小于0.05，表明它们之间呈现显著的正相关关系。说明化学高阶思维系统是相互联系、相互作用的有机整体。因此，培养学生的化学高阶思维是一项系统工程。另外各维度思维与化学学业成绩之间也有显著的正相关关系，表明两者之间有相互促进的作用。因此，加强化学课堂深度教学，训练学生化学高阶思维是提升学生化学学业成绩的有效途径。

2.3.2 维度分析

2.3.2.1 化学实验思维

化学实验思维包括“实验方案设计”“实验操作”“实验结果处理”和“实验反思与创新”四个二级指标。考查学生化学实验思维时，选取的3组被试的化学学业成绩分别为优秀、中等和较低。每组实验均有2名老师根据评分标准观察打分，再将每组平均分换算成百分制（见图1）。从图1可以看出，除了“结果处理”3组得分几乎相同外，其余二级指标和总分的得分均表现为组1、组2、组3依次降低，而这三组学生的化学学业成绩也是依次降低的，再次表明学生的化学学业成绩与高阶思维之间是相互影响的。

下面主要以“实验方案设计”为例，具体分析学生的实验思维能力。

第1组学生在仔细阅读产品说明书后询问“枸橼酸是什么”，在讨论的基础上明确了实验原理。5分钟后开始书写实验方案，方案较详细，思考比较全面。第2组学生讨论了15分钟后才开始写方案，且方案只写了几个简单的条目，没有细化，但整体实验流程设计是基本正确的。第3组学生一边看实验桌上的实验仪器和药品，一边讨论方案，其中一个学生将各种实验仪器拿在手里反复观察，试图弄清楚它们在本次实验中的作用，但比划了很久仍然没有形成清晰的实验思路。大约30分钟后他们在没有书写实验方案的情况下开始实验操作。

本研究中的实验任务是一个真实的实验问题，提供的信息只有一份产品说明书和一些实验药品和仪器。这是一个劣构性问题，需要学生从头到尾自己分析每一个步骤，关注每一个细节。组1学生在劣构性问题解决中思路清晰，能快速辨别有效信息，如对“枸橼酸”的疑惑，且自己能寻求途径解决疑惑；能正确选择实验试剂与方法，搭建实验装置（见图2）等，实验思维能力较强。而2、 3组学生，尤其是第3组学生很不适应这样的劣构性问题解决，过程中试图采用“试误法”解决问题，思维混乱，缺乏逻辑性和系统性。

2.3.2.2 化学微观思维

化学微观思维是从分子、离子、原子的微观层次研究物质的结构、性质和变化的思维方式。从表4可以看出学生的“物质结构与性质的预测或推断（Ⅱa）”和“物质变化的微观分析与表征（Ⅱb）”的得分率分别为0.66和0.50，“化学微观思维（Ⅱ）”总得分率为0.58。与测试卷中其他三个维度相比，得分率处于中等水平。下面以一道例题分析学生该思维能力。

例题1 CO2/HCOOH循环在氢能的贮存/释放、燃料电池等方面具有重要应用。在催化剂作用下，HCOOH分解生成CO2和H2可能的反应机理如下图所示。HCOOD催化释氢反应除生成CO2外，还生成    （填化学式）。

这道题只有34.4%的学生能写出正确答案“HD”，其余学生都写成了“H2”。笔者与1名受访者（化学学业成绩优秀）的部分对话如下：

师：你为什么认为是H2呢？

生：这不是很明显吗？从图上看，产物只有CO2和H2。

師：“HCOOD”是什么物质？

生：应该是某种甲酸盐吧？

师：你为什么认为“D”表示甲酸盐中的阳离子呢？

生：我猜的。要不然是什么呢？

师：你认识“D2O”这个物质吗？

生：是重水。哦！我知道了，这里的“D”应该是氢的同位素氘，所以应该是HD。

从学生的思维过程可以发现，由于学生对氘的表征形式理解错误，从而影响了学生的思维。另外，学生认为答案“很明显”，“产物只有CO2和H2”，说明学生并没有深入分析氢气中的两个氢原子是怎么来的。可见即使是化学学业成绩优秀的学生对物质变化机理的微观分析还是不够细致、不够深入，即缺乏思维的深刻性。

2.3.2.3 化学守恒与平衡思维

“化学守恒与平衡思维（Ⅲ）”通过“化学守恒原理的综合应用（Ⅲa）”和“化学平衡原理的综合应用（Ⅲb）”两个二级指标来考查（见表5）。测试卷中考点包括溶液中的离子反应、电化学原理、化学平衡移动原理等。从表5可以看出学生的Ⅲa和Ⅲb的得分率分别为0.80和0.69，总得分率为0.73，说明学生该思维能力较强。例如，大部分学生都能熟练利用电荷守恒、物料守恒及其联立关系式得出的质子守恒解决溶液中的离子浓度大小比较问题；利用“三大守恒”书写比较复杂的氧化还原反应的离子方程式；利用化学平衡移动原理辩证地解释复杂化学反应体系中（如多重平衡）物质的转化、体积分数的变化规律等等。在对学生访谈时，学生认为：“化学守恒和平衡的相关问题是高考的重点和难点，平时自己比较重视，题目做的也比较多”；“老师在讲解试卷时，这部分内容经常都是重点讲解，解题思路比较明确”。可见重视程度和训练程度对学生思维能力的影响十分重要。

2.3.2.4 化学模型思维

“化学模型思维（Ⅳ）”包括“科学模型的认识（Ⅳa）”“模型方法的掌握（Ⅳb）”和“模型建构的探索（Ⅳc）”三个二级指标。从表6可以看出学生上述二级指标的得分率分别为0.61、 0.67和0.43，总得分率为0.57。与测试卷中其他三个维度相比，得分率处于中等水平，其中“模型建构的探索”能力较弱。学生的具体表现如下：超过60%的学生能根据已有晶体结构模型解决化学式的书写、配位数的判断、晶体密度的计算等；能根据杂化轨道理论、价层电子对互斥模型解决分子的空间构型等问题。在解决等效平衡问题时，69%的学生都能运用“放缩模型”分析平衡移动的方向和程度；在解决多重平衡的计算问题时，65%的学生能运用“列三行”的解题模型求出平衡常数。但在考查学生弱酸与弱酸盐反应产物的判断时，只有不到40%的学生能得到正确的结果。在对学生访谈时，没有一个学生能根据“强酸制弱酸”的规律自主构建问题解决模型，但当学生运用教师构建的模型解决这类问题时，所有受访者都能轻松得到正确结果。这种现象一方面说明学生“模型建构的探索”能力很弱，另一方面也说明学会构建模型对解决复杂的、有规律可循的问题时帮助很大。这就启发教师在平时的教学中应该重视培养学生“模型建构的探索”能力。

2.3.2.5 化学创新思维

“化学创新思维（Ⅴ）”包括“发散思维（Ⅴa）”“直觉与想象（Ⅴb）”“逆向思维（Ⅴc）”三个二级指标。从表7可以看出学生以上三种思维的得分率分别为0.31、 0.65和0.54，总得分率为0.50。可见，相对而言学生的直觉与想象能力较强，但发散思维能力较弱。下面以一道例题分析学生“发散思维”能力。

例题2 证明醋酸是弱电解质的实验方法有哪些？（方法越多，得分越高）

這道题中，学生每写出一种方法且正确得2分，学生的平均得分为3.08分（满分10分），研究者将学生所有正确的方法进行归类，发现有近十种方法可以证明醋酸是弱电解质。虽然每个学生平均都写了3～4个实验方法，但正确方法却不到2种。说明学生思维的发散性不够强，从学生的答题中反映了基本概念和基本原理对发散性思维的支撑性不足。如：“对同体积、同浓度的醋酸和盐酸进行中和，醋酸所需氢氧化钠的量大于盐酸”。显然学生混淆了酸碱“中和”与反应呈“中性”这两个概念。又如“二氧化碳与醋酸钠溶液反应可以生成碳酸钠和醋酸”，显然学生用错了“强酸制弱酸”的基本原理。此外学生最大的思维缺陷是：思维不严谨——控制变量的意识十分薄弱。如“醋酸和盐酸分别与镁反应，盐酸反应速率更快”；“同浓度的醋酸和硫酸比较pH，硫酸pH更小”等。可见，学生对基本概念和原理的理解不透彻，控制变量意识淡薄等限制了学生发散思维的准确性。

3 高中生化学高阶思维能力培养教学建议

综上所述，高三学优生化学高阶思维能力总体水平不高，各维度思维发展不平衡。男女生高阶思维能力之间存在显著性差异，化学学业成绩对高阶思维的发展起重要的促进作用，同时高阶思维的发展也可以显著提升学生化学学业成绩。由于条件限制，本次调查对象为学优生，不能反映高三学生化学高阶思维的普遍特征，但学优生高阶思维现状仍能反映出教学中存在的问题，因此提出以下三点教学建议：

第一，注重探究性实验活动的真实开展。随着教育的发展，一般的化学实验（如课标中的必做实验）基本上绝大部分学校都会安排学生去做，但是这种实验的步骤都是教材设计好的，对促进学生的高阶思维发展作用不大。只有探究性的实验活动才能使学生在不知晓实验结果的前提下，通过自己实验、探索、分析、研究得出结论，从而促进学生高阶思维的发展。

第二，注重不同高阶思维的方法指导与训练。我们的研究发现，良好的思维能力也需要技巧上的训练。学生的“化学守恒与平衡思维”较其他思维能力强，原因就是平时教学中无论是教师还是学生对该能力都十分重视，教师注重对这部分内容的方法指导，学生积极参与强化训练。因此，教师如果对所有不同高阶思维方法的特点加以研究，在平时的化学教学中渗透方法指导，学生的高阶思维水平将会得到有效的提高。

第三，实现教学重心转换与内容再构的变革。高阶思维的培养不是另起炉灶，需在日常的课堂教学中有意识地不断渗透。但传统的以讲授为主的知识教学显然不能满足学生高阶思维发展的需要，培养学生高阶思维的课堂需要进行重心转换与内容再构的变革［5］：实现从教师控制到学生中心的教学主体重心转换；实现从关注知识传递到关注学习过程的教学重心转换；实现以开放性问题替代封闭式问题的课堂教学内容再构。

参考文献：

［1］［4］郭金花. 高中生化学高阶思维结构的测量模型研究——基于探索性和验证性因子分析［J］. 化学教学， 2019，（11）： 13～19.

［2］夏甄陶等编. 思维世界导论——关于思维的认识论考察［M］. 北京： 中国人民大学出版社， 1992： 3～34.

［3］郭金花， 吴星. 化学高阶思维的内涵界定与结构建构［J］. 江苏教育研究，2019，（28）： 4.

［5］王帅. 国外高阶思维及其教学方式［J］. 上海教育科研， 2011，（9）： 31～34.