高中生坐标曲线图像题解题思维特点的个案研究

李一凡 石萌 孙影 许敏

摘要： 坐标曲线图像题要求学生理解图像的本质与变化规律，对学生的思维水平要求较高。从学生角度出发，通过半结构化访谈和问卷调查，借助四重表征和数据-框架理论，开展个案研究，構建学生思维模型。借助该模型，利用一道承载“离子反应”相关知识的题目探查学生的思维过程和水平。通过分析先验知识对学生思维的影响，发现学生在坐标曲线图像题解题过程中，由于提取知识、运用知识等能力较弱，易产生相异构想，且其微观表征能力及宏微结合意识有待提高。以期为高中坐标曲线图像题的教学提供建议与思考。

关键词： 坐标曲线图像题； 模型建构； 思维进阶

文章编号： 1005-6629（2024）02-0020-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，要启迪学生的科学思维，发展学生化学学科核心素养［1］。坐标曲线图借助简单的曲线走向，巧妙地展现了自变量和因变量的关系，具有提供丰富情境、隐含关键内容、包容各类知识的特点，可以考查学生从大量信息中提取关键信息、分析并利用信息解决问题的能力。近几年高考涉及的坐标曲线图像题对学生理解运用化学图像的要求逐步提升［2］。此类图像题要求学生理解图像所蕴含的信息，诸如变化趋势、坐标意义、特殊拐点等，并利用信息解决问题，对学生的思维要求较高。

目前对于高中化学图像类试题的研究中，多数是对其出现频率或分布情况进行统计分析或教学策略研究［3］。国内学者对于提高学生化学图像分析能力进行过一些尝试，但大多数仅是基于经验提出了教学策略或建议，较少从学生思维的角度进行探究，深入挖掘其思维过程与进阶水平。基于此，本研究构建“四重表征-数据框架理论”思维模型，利用一道承载离子反应知识的坐标曲线图像题，借助该模型探查学生思维过程，通过探查先前的经验和知识（以下简称“先验知识”）对学生解决坐标曲线图像题的影响，以体现学生思维过程和进阶，探查其思维障碍。以期为有效培养学生坐标曲线图像题的分析处理能力提供思路和策略。

2 “四重表征-数据框架理论”思维模型的建构

数据-框架理论（Data-frame theory）可以对图像理解过程进行描述，解释先验知识对数据分析的影响。数据-框架理论由数据和框架两部分组成。其中，数据是从实验中收集的信息，如实验现象、实验曲线等；框架可以解释数据间的关系［4］。

三重表征是化学学科特有的思维方式，毕华林教授等人基于化学学科的特质，结合认知心理学的相关研究，界定了化学“宏观-微观-符号”三重表征的内涵和关系［5］。钱扬义教授等人在三重表征的基础上，引入了曲线表征，提出化学“四重表征”模式［6］。数据-框架理论可以展现学生解决坐标曲线图像题的思维过程，四重表征可以反映学生在解决化学坐标曲线图像题时思维的广度，探查学生思维水平层次和进阶。基于此，本研究在数据-框架理论［7］基础上，结合已有研究及国内高中生化学学习实际情况调查，构建“四重表征-数据框架理论”思维模型，探查学生的思维特点。基于实践修正的“四重表征-数据框架理论”思维模型如图1。

“四重表征-数据框架理论”思维模型包含两个维度，可以同时探查学生思维过程和学生思维水平的进阶。在思维过程方面，学生解决坐标曲线图像题，可以通过以下循环：建立框架、观察与比较数据、两者的相互作用以及质疑框架来解题。首先，建立框架。学生主要通过三种方式建立框架：先验知识、关键点与框架的具体目标。先验知识即学生已有的知识经验；关键点是指学生在读题与解题的过程中将曲线中的某些点或题干提示设置为解题的关键点，如起点、拐点、终点及曲线走势等。框架的具体目标是指学生在解题的过程中，将题目分解为几个小目标逐个攻破。学生建立框架后，进行数据分析。在这一环节，数据可以影响框架，框架也可以评估数据。最后，质疑框架，进行细化或重构。若学生在运用框架评估数据时发现框架不合理，可以通过重读提示进行细化或重构。

3 研究方法

本研究采取个案访谈法及问卷调查法，具体研究过程如下：

（1） 确定研究对象，编制测评工具。“离子反应”的相关知识是高中化学必修部分的内容，该内容是促进学生思维方式从宏观向微观转变的重要桥梁。本研究选取一道承载“离子反应”相关知识的题目作为调查测试题，本题是一道典型的坐标曲线图像题，设计思路来源于鲁科版教材必修第一册“关于稀硫酸与Ba（OH）2溶液反应的实质”相关内容，充分体现了宏观-微观-曲线-符号四重表征思想。采取问卷调查法及个案访谈法对安徽省芜湖市某重点中学的110名高一学生进行调查，了解学生解决坐标曲线图像题的思维过程和水平。调查测试题见表1。

（2） 确定分析维度。本研究借助“四重表征-数据框架理论”思维模型测查学生思维过程及进阶，首先探究学生四重表征思维水平，随后探究学生思维过程进阶。

本研究结合学者们对四重表征转化能力及数据-框架理论的探讨，划分学生思维过程及思维水平的不同等级。已有研究发现，学生在解决化学问题时，采用单一的表征方式较为简单，对微观层面的理解存在困难［8］。相较于宏观表征、曲线表征和符号表征，学生微观表征能力较为欠缺；在不同表征进行转换时，宏微转换能力最弱［9］。由于本研究所选试题的关键为坐标曲线图，以曲线为解题切入点，在四重表征水平上，只运用曲线表征的划分为等级1（L1），将曲线表征与宏观、符号的联系划分为等级2（L2），将涉及微观表征与宏观、符号表征的联系划分为等级3（L3），能够运用四重表征划分为等级4（L4）（表2）。在思维过程上，由于框架的重构与细化部分与建立框架等联系紧密，这部分不再详细划分，将思维过程划分为建立框架（Ta）、观察数据（Tb）、比较数据（Tc）、数据-框架交互（Td）四个维度，每个维度划分为三个等级（表3）。

（3） 分析信度与效度。在效度方面，表2、表3所呈现的框架经３位学科教学论专家和一线专家教师进行评定、修改后一致认为内容效度良好。在信度方面，由两位研究者依据本文编定的标准对110份调查结果所呈现的思维过程及四重表征水平进行编码分析，对少数分歧进行讨论后，利用SPSS26.0对两位研究者的研究结果进行一致性信度分析。经计算，在建立框架、数据观察、数据比较、数据-框架交互、四重表征水平维度上Kappa系数分别为0.832， 0.843， 0.816， 0.868， 0.885。可见在各维度上均达到了较高程度的一致性，据此可认为研究结果真实有效，本文所定标准也具有科学性和可行性。

4 研究结果与分析

4.1 “四重表征-数据框架理论”探查学生四重表征思维水平

本研究结合毕华林教授对三重表征的界定［10］以及钱扬义教授对曲线表征的界定［11］，依据“四重表征-数据框架”思维模型对四重表征思维水平的划分，对学生思维水平进行编码分析，解构学生思维的表征内容层次，见表4、图2。

由图2，超过60%的学生处于L1、 L2水平，学生思维的四重表征水平较低。其中，有20.91%的学生处于L1水平，不能通过曲线建立与宏观实验现象、微观粒子变化和化学符号的关系；处于L2-2、L2-3的学生较多，均占16.36%，说明学生解题时能够从曲线出发，建立起曲线与宏观现象、化学符号的联系，但学生可能同时存在思维惯性，依赖于书写反应的方程式等解题技巧。有6.36%的学生处于L3-1水平，通过分析溶液中微粒的组成与图像建立联系。处于L3-3水平的学生只有6.36%，而处于L3-2水平的学生占12.73%，说明学生的宏微结合能力较弱，而符号表征能力较强。能够同时运用四重表征的学生仅有11.82%。总体来说，学生在解决坐标曲线图像题时，更多关注能否借助曲线和解题技巧答题，而非关注曲线本身变化及其微观本质。

4.2 “四重表征-数据框架理论”探查学生思维过程进阶水平

借助“四重表征-数据框架理论”思维模型分析学生解题思维过程，学生通过建立框架、观察与比较数据、两者的相互作用以及框架的细化与重构进行思维建构，解决坐标曲线图像题。在分析过程中，发现先验知识对学生解决图像类问题的思维过程影响较大。学生的思维过程、思维水平和典型表现如表5，进阶情况见图3。

从总体上看，并非所有先验知识对学生解决坐标曲线图像题都有利，有时会使学生产生相异构想。例如学生认为“电导率的影响因素是溶液中H+浓度”，运用溶液酸碱性判断溶液电导率。从学生思维过程的进阶情况来看，学生在建立框架时，66.36%的学生处于Ta2水平，说明大部分学生能够有效提取先验知识，寻找关键点，但学生更倾向于通过宏观实验现象、化学符号与曲线图建立联系。能够以体系中微观粒子变化为切入点，并同时通过宏观现象、化学符号与曲线建立联系的学生只有17.27%。在数据的观察方面，60.91%的学生处于Tb1水平，说明大部分对图像的观察不够深入，只是简单捕捉图像中的几个拐点，不能挖掘曲线各点的微粒组成。在数据比较方面，超过80%学生能够对数据进行简单对比，或对反应过程中的微粒变化进行定性比较（Tc1、 Tc2），说明学生的数据比较能力相对较好。但仅有10.91%的学生能够从定量的角度对不同时刻体系状态等进行对比分析（Tc3），准确判断曲线各点的微粒组成并定量分析。在数据-框架的交互方面，62.37%的学生只是将图像与反应的方程式、宏观现象等进行简单对应（Td1）。学生不考虑微观过程，不深入分析图像，“知其然但不知其所以然”。总体来说，大部分学生能掌握一定的知识，但对坐标曲线图的理解能力以及知识的运用能力有待提高。

5 启示与建议

本研究从学生角度出发，通过挖掘学生解决坐标曲线图像题的思维过程，发现先验知识对学生思维影响较大；学生解决坐标曲线图像题时，仍存在相异构想；学生的思维过程和四重表征水平存在进阶，部分学生的知识理解运用能力和微观表征能力较弱，宏微结合能力较弱。

5.1 激活先验知识，提高学生理解运用能力

学生解决坐标曲线图像题时，对先验知识的提取与理解运用能力较差。新课标指出，教师要有目的、有计划地引导学生运用化学科学思维方式和方法学习化学知识，引导学生在化学知识结构化的自主建构中理解化学核心观念。学生的先验知识可以激活和开发处理图像信息的框架，对于促进化学知识结构化具有重要作用。为了使学生能够对坐标曲线图像题进行有效地分析，教师可以将坐标曲线图放在不同情境下，使学生在解决陌生情境下的坐标曲线图像题时，准确提取先验知识，迅速地将曲线与宏观实验现象、微观粒子变化及化学符号建立联系，从而有效地建立框架，进行数据分析与解释，以增强学生的知识理解运用能力。

5.2 传统实验与数字化实验相融合，增强学生微观表征能力

学生解决坐标曲线图像题时，微观表征能力、宏微结合能力较差。究其原因，是学生在对曲线进行分析时，不能明确曲线的走势与体系中微粒浓度变化的定量关系，微观分析解释能力较弱。传统实验有助于学生在宏观上感知实验现象，培养学生宏观表征能力。数字化实验可以借助传感器展现溶液中离子浓度的变化，帮助学生理解抽象概念。在进行坐标曲线图像题的教学过程中，可以将传统实验与数字化实验相结合，分别从曲线变化、物质变化、微粒变化的角度进行分析与解释，剖析曲线本质。引导学生在读图的过程中，将宏观实验现象、微观粒子变化与曲线建立联系，使学生在分析溶液微粒组成的过程中突破思维障碍，提高思维水平。

参考文献：

［1］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2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［2］高丹丹. 高考全国卷化学图像题的统计分析与教学策略研究［D］. 重庆： 西南大学硕士学位论文， 2020.

［3］彭梭. 高考化学图像题的统计分析及教学策略研究［D］. 武汉： 华中师范大学硕士学位论文， 2016.

［4］［7］Berg S A， Moon A. A characterization of chemistry learners engagement in data analysis and interpretation ［J］. Chemistry Education Research and Practice， 2023， 24（1）： 36～49.

［5］陈益， 孙夕礼. 我国化学教育“多重表征”研究十余年回顾与展望［J］. 化学教育， 2016， 37（23）： 6～13.

［6］杨洁， 钱扬义. “四重表征”在“化学反应速率”教学中的价值——由2007—2012年高考题得到的启示［J］. 化学教学， 2012，（11）： 58～62.

［8］Michael E. Hinton， Mary B. Nakhleh. Students Microscopic， Macroscopic， and Symbolic Representations of Chemical Reactions ［J］. Chemical Educator， 1999，（4）： 158～167.

［9］馮垚， 莫尊理. 基于SOLO理论的高中生化学多重表征转换能力的测查研究——以化学平衡主题为例［J］. 化学教育（中英文）， 2020， 41（1）： 62～66.

［10］张丙香， 毕华林. 化学三重表征的界定及其关系分析［J］. 化学教育， 2013， 34（3）： 8～11.

［11］林建芬， 盛晓婧， 钱扬义. 化学“四重表征”教学模式的理论建构与实践研究——从15年数字化手持技术实验研究的回顾谈起［J］. 化学教育， 2015， 36（7）： 1～6.