高二学生“反应热”概念组织结构的调查研究

陈德成 钱扬义

摘要： 根据认知心理学中的概念结构的相关理论，在梳理“反应热”概念群的基础上，以高二学生（N=480）为被试，通过自由分类任务引出被试对“反应热”相关概念的认识，再通过多维尺度分析和聚类分析以探查群体的概念组织结构。研究发现不同层次的高二学生概念组织结构存在差异，高分组学生概念总体分类情况较为科学严谨，概念结构化水平较高。研究结果有助于一线教师开展教学诊断与教学补救，教师应重视把握学生概念结构的特点，引导学生构建良好的学科概念结构。

关键词： 反应热；  概念组织结构； 多维尺度分析； 聚类分析

文章编号： 1005-6629（2023）03-0015-08

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

概念是人腦反映客观事物本质特性的思维形式［1］。林崇德认为构成概念的各成分及这些成分之间的关系可以视为概念结构［2］。概念结构研究源于上世纪中期心理学家们对概念的探索，主要可概括为社会类概念结构研究和学科类概念结构研究。

概念结构的研究一般要经历概念结构的引出［3］和表征。概念结构受很多因素影响，许多研究者为了引出被试的概念结构采用了多种方法，同时也运用多种数据统计方法表征与分析概念结构。张积家［4］、王娟［5］等人基于分类学的关系，运用自由分类和多维尺度分析研究了亲属词、颜色词等在人的脑海中的组织与分布，从语义的分类关系侧面反映出被试的概念结构，拉开了国内概念结构研究的序幕。

钱扬义［6］将该概念结构的研究方法迁移到化学学科中，开展化学“学科关键词”的系列实证研究。基于此，将概念的组织与分布所形成的语义空间称为概念组织结构，以揭示概念间的语义空间关系，可用于定性诊断概念的结构化程度。王立新［7］、唐文秀［8］、李林燊［9］、林惠梅［10］、麦裕华［11］等人在此基础上将概念组织结构解析为概念贮存结构、概念心理空间结构、概念分布结构等。概念结构的引出均采用自由分类任务，运用多维尺度分析和聚类分析进行表征，目前已经研究了离子反应、原电池、氧化还原反应、原子结构和化学平衡等核心概念。

“反应热”是“能量”范畴的概念，与“反应热”关联的“化学能”“能量”概念属于钱扬义提出的100个高中“化学学科关键词”［12］和《新一代K-12科学教育框架》［13］提出的“学科核心概念”，对构建化学学科知识与思维方式具有重要作用。在高中教材中，“反应热”既作为一个独立的化学概念呈现，又作为一个包含诸多相关概念的学科主题。

本研究将“反应热”视作一个学科主题，统摄诸多关联概念。学生在学习该内容时会面对许多概念，学生对于诸多概念是否能形成较为科学的结构化认识？这是一个有待研究的问题。本研究以高二学生为被试，以“反应热”为概念主题，自由分类为测试任务，以多维尺度分析和聚类分析为概念表征的数据统计方法，具体探讨不同层次高二学生“反应热”概念组织结构的形态和特点。

2  研究方法

2.1  被试

研究采用大样本调查。研究对象为高二学生480人，分别来自广州5所高中。依据学生的高一期末考试成绩，将学生划分成高分组（N=240）、低分组（N=240）。在施测时，学生已经完成选择性必修模块中的“反应热”知识的学习，尚未开始学习电化学的内容。被试基本具备“反应热”的知识结构。

2.2  研究工具

2.2.1  “反应热”概念群

依据高中新课标、各版本新教材以及相关文献选取得到一定数量的“反应热”的相关概念。通过一线教师和大学专家基于相关性评定得到，即判断目标概念与“反应热”的联系紧密程度，以得到最后的概念群。其中，在56位中学一线教师参与的筛选中，一线教师对各概念进行评定，评定等级为5个等级“关系很不紧密（1分）”“关系不紧密（2分）”“关系一般（3分）”“关系较紧密（4分）”“关系十分紧密（5分）”，保留4分以上的概念。将一线教师筛选得到的概念交予大学学科专家进行评定，大学专家需要对所得的概念进行“是”或“否”评定，即判定是否能纳入“反应热”概念群。该概念群的确定具有一定的专家效度和权威性，见表1。

2.2.2  测试任务

学生需要完成自由分类任务。任务要求按照个人实际的看法将40个概念自由分类，分类无对错之分。规定每个概念只能归入一个类别中，概念不得重复、漏选。概念分类的类别数以及分类依据由个人决定。自由分类任务的目的是为了引出被试的概念组织结构，该组织结构以“分类”的结果呈现。

学生在学习完“反应热”内容后需要填写自由分类调查问卷，不可翻阅课本。限时40分钟完成。

3  数据分析

多维尺度分析与聚类分析是反映概念间的语义组织关系的重要表征手段。多维尺度法处理的一般是表示事物之间的接近性（proximity）的观察数据，既可以是实际距离，也可以是主观评判的相似性。其目的是要发现决定多个事物之间“距离”的潜在维度，用较少的变量对事物之间的相似性（或称“距离”）作出解释［14］。多维尺度分析能形象地从三维空间上描述概念的组织维度、具体分布与集群，聚类分析可在此基础上了解具体的分类以及分类的依据。在概念结构表征过程中，多维尺度分析一般被先用于初步表征概念组织结构。由于人头脑中的概念组织结构具有多维可能性，因此多维尺度分析表征得到的组织结构有二维或三维的可能，具体取决于实际的拟合情况；在通过多维尺度分析得到概念的坐标后，可采用聚类分析基于概念的坐标值进行系统聚类，以更直观地了解分类情况。

数据分析的总程序主要包括以下几步：第一，录入问卷结果，将调查结果转化成量化的矩阵；第二，借助多维尺度分析探索学生的概念三维结构，获取概念在脑海中分布的空间结构（坐标）；第三步，依据坐标值进行聚类分析，获取学生具体的概念分类。下面将具体介绍多维尺度分析方法和聚类分析在该研究中运用的实施程序。

多维尺度分析的步骤：（1）二级记分与矩阵转换：将自由分类问卷的结果通过编程软件和Excel转化成“40×40”规格的相异矩阵，依据是：当概念P与概念Q被学生归为一类，则这两个概念在矩阵中交叉处的值为0；若不在同一类，交叉处的值则计为1。将“40×40”的相异矩阵导入SPSS 26.0中，采用多维尺度分析方法分析。（2）模型拟合检验：Stress数值越大说明模型拟合越差，一般规定大于0.2为拟合度差；RSQ是拟合优度指标，数值越接近1，表明模型拟合越好［15］。（3）确定维度最优解，并获得二维图。该图谱可将各概念之间的联系在二维图中反映出来，各概念在图谱中呈点状分布。如果概念间存在高关联，则聚集成团；若关联度低，则会疏离。最后对二维图中的概念分布情况进行描述，确定维度的名称［16］。

聚类分析的步骤：（1）依據多维尺度分析得到的各概念的具体三维坐标数值为依据，运用“系统聚类法”呈现概念聚类情况。运用瓦尔德聚类法，以“平方欧氏距离”为测量区间来测度概念间的相似性，得到聚类谱系图。（2）在谱系图中，基于不同的尺度以确定“反应热”概念的具体分类情况并对类别进行命名［17］。

4  结果与讨论

4.1  多维尺度分析结果

高分组学生的“反应热”概念组织结构选择三维度解。模型拟合结果显示Stress值为0.14057，RSQ为0.91022，拟合程度良好。将三维结构图依次投射成3个二维平面图，如图1～图3所示。（1）从图1的维度1来看，以维度1的左右半区以及各概念的相对位置坐标值为参考，可以发现：维度1的左半区概念主要描述化学反应中的物质及物质变化，其中包含物质变化的条件和参考标准，右半区的概念侧重化学反应中的能量变化，因此维度1可命名为“物质变化及其条件/能量及其变化”。（2）从图2的维度3看，上半区的化学概念侧重描述产生反应热的种类以及计算的相关规律，下半区的化学概念主要侧重化学反应过程中物质的能量属性和条件属性，因此维度3可命名为“反应热的表征/能量与条件”。（3）从图3的维度2看，左半区概念主要描述化学反应过程中的变化，包括物质变化和能量转化，右半区的概念侧重化学反应呈现出的特点，如反应类型、反应条件以及对化学反应结果的表征，因此维度2可命名为“化学反应中的能量与物质变化/反应热的表征”。

低分组学生的“反应热”概念组织结构选择三维度解。模型拟合结果显示Stress值为0.16123，RSQ为0.90668，拟合程度良好。将三维结构图依次投射成3个二维平面图，如图4～图6所示。运用上述的分析方法，可以发现：（1）图4的维度1可命名为“物质变化及其条件/能量及其变化”。（2）在图5的维度3中，上半区的化学概念侧重描述产生反应热的种类以及计算的相关规律，下半区的化学概念主要侧重化学反应过程中物质的能量属性和条件属性，因此也可命名为“反应热的表征/能量与条件”。（3）在图6的维度2中，左半区概念主要描述化学反应过程中的变化，包括物质变化和能量转化，右半区的概念侧重化学反应呈现出的特点，如反应类型、反应条件以及对化学反应结果的表征，维度2可命名为“化学反应中的能量与物质变化/反应热的表征”。

对比高分组和低分组学生的二维图，总体上两类学生的概念三维分布有一定相似性，主要的相似性体现在两类学生的概念组织结构的三个维度基本一致，均可解读为：“物质变化及其条件/能量及其变化”“反应热的表征/能量与条件”和“化学反应中的能量与物质变化/反应热的表征”，说明两类学生基本熟知“反应热”模块的知识，能从物质变化与能量转化两个方面认识该主题概念。但也体现出多处差异：（1）综合分析图1至图3，高分组学生的概念集群效果较好，概念总体分布有一定的区分性，结构化水平较高。而通过分析图4至图6，低分组学生的概念集群效果较差，大部分概念在各个维度的投射图中的两两距离较近，表明低分组学生的分类数较少，缺乏对概念间的关系作更深入的思考。（2）低分组学生部分“相对概念”存在认知偏差，如把“反应物/生成物”“反应物总能量/生成物总能量”割裂看待，在图4、图5、图6中可以明显看到两两概念距离较远，分处不同区域。（3）如图1至图3，高分组学生将“量热计”“温度计”单独分成一类，在二维图中观察到这两个概念彼此靠拢，距离其他概念很远，说明该群体学生认为“量热计”“温度计”作为工具。而低分组对于“量热计”“温度计”的分类稍有不同，这两个概念在维度1和维度3中与能量相关的概念聚集在一起。通过分析低分组学生填写的分类理由并结合访谈，发现这是由于他们认为“量热计”与“温度计”是测量反应热的工具，与能量变化有关，因此未作为“工具”处理单独分成一类。

4.2  聚类分析结果

为了更加清晰地了解两类高二学生的概念具体分类情况，依据两类群体的多维尺度分析得到的各个概念的三维坐标进行聚类分析。高分组、低分组两类高二学生的聚类情况见图7和图8。基于不同的尺度，可以得到不同的聚类结果。因此在谱系图中结合实际情况，选取最优的尺度以去确定较合适的聚类情况。高分组学生以5为尺度，低分组学生以3为尺度进行分析。

比较两类学生空间维度与具体聚类见表2。

高分组学生对“反应热”概念群的概念分类呈7类，分类结果比较科学严谨。在物质变化层面，主要聚焦始末物质变化和反应条件，体现较好的变化观；在能量变化层面，主要聚焦反应热的微观本质和反应热的表征计算，与教材中的内容的设计安排较为契合。“反应热的微观本质”分类表明高分组学生有较强的微观意识，能有效区分产生反应热的宏观原因与微观原因，具有一定的“宏微结合”视角；“始末物质变化”分类表明其具有较好的变化观。低分组学生对“反应热”概念群的概念分类呈6类。在物质变化层面，主要聚焦变化规律和反应条件；在能量变化层面，缺少更加具体的二次分类。此外，部分具体分类存在偏差，如在类别“变化条件”处出现“中和反应”概念与三种条件分为一类的情况。

两类学生的具体聚类的结果以及所含概念存在差异，能明显地看到高分组学生学习“反应热”的时候能基于三重表征的视角。从高分组学生的“始末物质变化”分类看，他们对“始态与终态”的认识比较深入，间接表明他们对于盖斯定律的理解比较到位。从高分组学生“能量”和“能量转化”的分类结果看，他们具有较好的能量观和变化观。而低分组学生的具体聚类没有体现出“反应热”的本质。从低分组学生的“能量种类与能量变化”的分类结果看，相比于高分组学生，低分组学生将能量类概念和能量变化类概念杂糅，无法有效区分静态的能量形式与动态的能量转化，变化观有待增强。

5  结论与建议

5.1  研究结论

（1） 不同层次的高二学生“反应热”概念组织结构存在差异，高分组学生概念总体分类情况较为科学严谨，概念结构化水平较高，能基于宏微视角对概念进行分类，同时具备良好的变化观和能量观。低分组学生概念总体分类情况较为一般，“反应热的微观本质”理解有待加强，有待形成变化观、能量观与微观视角。

（2） 概念组织结构的影响因素。影响学生概念组织结构形成与变化的因素有多种，主要有以下几点原因：第一，理解概念定义与概念间关系的“首因效应”。学生在初学“反应热”主题内容时，对概念的理解与辨析决定概念组织结构能否顺利形成。同时，概念间的关系的把握也会影响概念结构的形成。第二，学习习惯与思维品质。本研究发现，高分组学生的概念结构的结构化程度优于低分组学生，高分组学生对于概念的分类比较科学，因此可以推测：高分组学生在学习过程中较为注重对概念的辨析，在分类任务中思考问题较为全面，与其体现出的学业成绩有较为直接的关联，体现出高水平的思维品质和学习能力。第三，遗忘与复习。遗忘是学生学习过程的特性，因此及时的复习是巩固概念结构的重要步骤。基于测试结果结合访谈发现，高分组学生具有良好的学习习惯，能自觉地进行复习，因此概念组织结构更完善。此外，教师的教学风格、教师的教学思路等均会影响学生的概念结构，但本质原因是对概念的理解与辨析。

5.2  研究建议

概念组织结构能反映出学生的概念结构化水平，符合新课标中提到的“诊断学生结构化水平”的教学要求。在大单元教学或大概念教学时，学生是否能形成对于诸多概念的结构化认识是衡量学生学习质量和思维品质的重要依据。因此，课堂教学的关键在于教师要有意识地引导学生建立概念关联，善于运用思维导图、概念图、归纳等方法促进学生形成更为科学、更结构化的认识。为了提升效果，教师还要善于运用多种方法诊断学生的概念结构化水平，及时纠正学生的认知偏差和减少“迷思概念”，如可用自由分类任务、画概念图等，以多元教学评价带动教学质量的提升。

此外，在面对如高分组和低分组两类不同的学生时，要把握学生概念结构的发展规律，及时了解学生的概念结构化水平的變化情况，实施补救教学。在实际的教学中，要重点把握学优生、学困生的概念结构特点，课堂教学或者课后作业设计可增加分层性，满足不同学生的学习需求，促进不同层次学生的学业发展。

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