教材内容编排与呈现对学生知识学习的影响研究

摘 要：为了解教材内容编排与呈现对学生知识学习的影响情况，使用贝叶斯网络测查了使用不同版本化学教材的初中生对“酸和碱”的学习情况，建构了初中生“酸和碱”的认知路径图。结果发现，使用不同版本化学教材的学生对“酸和碱”的认知路径不同，学生的认知路径总体上与所使用教材的编排顺序一致，学生已有的相关经验对“酸和碱”知识的学习有较大影响。

关键词：教材内容；酸和碱；贝叶斯网络；认知路径

文章编号：1005-6629（2024）09-0008-06

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 研究背景

党的二十大报告中要求“加强教材建设和管理”，将教材建设作为深化教育领域综合改革的重要环节^［1］。教材建设是国家教育事业的重要组成部分，是体现国家意志、落实国家事权和传承优秀传统文化的重要途径^［2］。当课程标准确定了内容要求后，如何依据学科的逻辑顺序和学生的认知顺序，合理确定教材内容的编排顺序和呈现方式，直接影响教材育人功能的发挥，影响学生高质量的学习。有研究者进行了这方面的研究，但主要是从教师教的角度展开分析，较少关注其对学生学习的影响^［3～5］。

“酸和碱”是化学课程内容体系的重要组成部分，贯穿中学化学学习整个阶段，在初中化学阶段，学生主要是以盐酸、硫酸、氢氧化钠和氢氧化钙为例，通过实验探究认识酸、碱的主要性质和用途；了解检验溶液酸碱性的基本方法，知道酸碱性对人体健康和农作物生长的影响^［6］。针对上述内容要求，不同版本的初中化学教材对“酸和碱”单元的编排组织存在差异，主要体现在“溶液酸碱性”内容的编排位置是在酸碱性质的学习之前还是之后，同时不同版本教材对于具体内容的呈现方式也不尽相同。这种教材内容编排和呈现上的差异对学生学习“酸和碱”会产生怎样的影响？初中生对于“酸和碱”的认知路径是怎样的？本研究尝试收集使用不同版本化学教材学生的相关证据，利用贝叶斯网络刻画初中生“酸和碱”学习的认知路径，从而为化学教材的编写研究提供实证支持。

2 研究方法

贝叶斯网络（Bayesian Network， BN）又称信念网络，是一种利用概率的方式描述变量间依赖关系的图形模型^［7］。贝叶斯网络由两部分组成，有向无环图和条件概率表^［8］。有向无环图反映贝叶斯网络节点之间的定性关系，其中节点表示变量，节点间的有向箭头表示变量间的依赖关系，若两节点间用一个有向箭头连接，则箭头指出的是“父节点”，箭头指向的是“子节点”。条件概率表反映的是贝叶斯网络节点间的定量关系，表示节点间的联系程度，假设在贝叶斯网络中存在A指向B的箭头，通过处理A、B在观测数据上的表现，可以得到B的条件概率表，即在满足A的条件下，实现B的概率为多少。利用贝叶斯网络可以从被试的作答数据中挖掘出变量之间的层级关系。

在实际研究中，利用贝叶斯网络来处理问题主要分为三步^［9］：首先是在领域专家的指导下，确定合适的节点变量及变量的取值范围；其次是确定变量间的依赖关系，即确定网络结构的有向无环图，简称结构学习；最后是确定变量间的分布函数，获得条件概率表，简称参数学习。

贝叶斯网络具备从大量数据中学习出网络节点之间关系的能力，可以结合数据挖掘和专家经验来建构学生的认知路径^［10］；另外，与教育实证研究中其他传统数据分析模型相比，贝叶斯网络可以同时处理多维度、多层次的复杂变量关系，无需预先设定样本容量^［11］。因此，本研究利用贝叶斯网络来获得网络节点间的层级关系，进而确定学生“酸和碱”的认知路径。

3 研究步骤

3.1 确定研究变量

依据《义务教育化学课程标准（2022年版）》以及不同版本初中化学教材中有关“酸和碱”的内容要求，并与中学化学特级教师和学科领域专家反复讨论与商定后，确定了本研究的内容主题，即研究变量，主要包括A1（酸的定义）、A2（酸的物理性质）、A3（酸的化学性质）、A4（酸的用途）、A5（碱的定义）、A6（碱的物理性质）、A7（碱的化学性质）、A8（碱的用途）、A9（溶液的酸碱性）和A10（酸碱中和反应）等十方面的内容。

为确定学生在不同内容主题上的表现情况，需要开发相应的测试项目。每个内容主题对应2～4个测试项目，通过学生对不同项目的作答情况来确定其在内容主题上的表现。测试项目经过专家审阅后，最终确定了由22个单项选择题组成的“酸和碱”测试卷，所有测试题目均采用0～1计分，答对计为1分，答错计为0分。每个内容主题的具体描述及测试要求见表1。

选择不同地区使用不同版本初中化学教材的3078名学生作为研究对象（其中1652名学生使用甲版本教材，1426名学生使用乙版本教材），在学生完成“酸和碱”单元学习后进行测试。最终回收有效卷N=2952份（其中甲版本教材N1=1547份，乙版本教材N2=1405份）。利用SPSS统计软件对测试数据进行信度分析后得到Cronbachs alpha值为0.835，测试信度良好。根据学生的项目作答分数，得到学生对不同内容主题的掌握情况，以A10（酸碱中和反应）为例，涉及测试题目Q19、 Q20、 Q21和Q22，如果某学生在这四个题目的得分之和大于等于3分，则认为该学生已经掌握了A10，计为“YES”，若得分之和小于3则计为“NO”，通过对项目得分的分析，最终得到了每位学生在不同内容主题上的表现情况。

3.2 结构学习和参数学习

实现贝叶斯网络数据分析的软件有很多，本研究使用基于R语言平台的bnlearn包^［12］。将使用不同版本教材的学生在“酸和碱”内容主题上的表现数据分别导入R语言平台，使用bnlearn包得到了基于贝叶斯网络的初中生“酸和碱”认知路径图（见图1、图2）。

在结构学习后，继续在R语言平台使用学生的表现数据进行参数学习，得到每个内容主题的条件概率表。如表2、表3分别展示了使用不同版本教材的学生A9（溶液的酸碱性）的条件概率表。

4 研究结果与讨论

使用不同版本化学教材的初中生“酸和碱”的认知路径有什么不同？教材内容的编排和呈现对学生知识学习产生什么影响？下面结合研究结果对初中生“溶液的酸碱性”和“酸碱中和反应”的认知情况进行讨论和分析。

4.1 学生对“溶液的酸碱性”的认知路径分析

4.1.1 使用甲版本教材学生的认知路径分析

从图1可以看出，使用甲版本教材的学生“酸和碱”的认知路径与所学教材内容编排顺序基本上是一致的。其中A3（酸的化学性质）、A5（碱的定义）、A7（碱的化学性质）是A9（溶液的酸碱性）的父节点，影响学生对溶液酸碱性的理解。从表2可知，如果一个学生没有理解A3、A5和A7，那么他理解A9就变得较为困难，失败的概率达到63.84%；但如果学生同时理解了A3、A5和A7，那么他成功理解A9的概率可以达到97.26%。

研究者普遍认同，要从宏观表征、微观表征、符号表征三种水平上认识和理解化学知识，化学学习的实质就是要建构化学知识的三重表征，并在这三种表征之间自由灵活地转换^［13］。就“溶液的酸碱性”而言，“宏观表征”指的是学生知道利用酸碱指示剂的颜色变化可以检验溶液的酸碱性，通过pH试纸可以检验溶液酸碱性的强弱；而“微观表征”指的是学生知道溶液的酸碱性是与溶液中所含的H⁺和OH^-的浓度大小有关；“符号表征”主要是指学生知道可以利用pH来表示溶液酸碱性的强弱。其中，溶液酸碱性的微观本质是影响学生理解“溶液的酸碱性”知识的关键。

分析甲版本的化学教材，先编排学习常见的酸和碱的性质，然后编排学习溶液的酸碱性；并且在呈现酸和碱的性质时，教材通过正文描述和微观图示，力求从微观的视角解释酸、碱的化学性质的本质，在学生头脑中初步形成了酸与H⁺、碱与OH^-之间的内在联系，有助于增进学生从宏观、微观、符号三种水平认识溶液的酸碱性，从而促进学生对“溶液的酸碱性”知识的深刻理解。

4.1.2 使用乙版本教材学生的认知路径分析

使用乙版本教材学生的认知路径与使用甲版本教材的学生存在一定差异。在图2中，A9（溶液的酸碱性）位于A3（酸的化学性质）和A7（碱的化学性质）之间，表3为使用乙版本教材的学生A9的条件概率表，发现若学生没有理解A3，成功理解A9的概率只有61.17%，但如果学生已经理解了A3，成功理解A9的概率就会增长到93.15%。

学生的学习是建立在已有的知识经验基础上，这些经验通常是一些个人的实际生活经验^［14］。学生在正式学习酸和碱之前，在生活中已经接触了较多的酸性物质，如食醋、柠檬等，“酸味”也是学生在日常生活中最常见的味觉描述词之一，这些生活经验是学生学习“酸和碱”的基础，在学生头脑中印象深刻。相反，学生在生活中即使有机会接触肥皂水、石灰水等碱性物质，但在生活中却很少直接提到“碱”或“碱性”的表述，“碱”对学生来说也就相对陌生。从图2看出，酸是学生学习“酸和碱”的起点。

在乙版本教材中“溶液的酸碱性”位于“酸和碱”单元的起始，学生对于溶液酸碱性的认识主要是依赖生活经验停留在宏观水平，不能从微观水平分析溶液酸碱性的实质。而当学生较系统地学习了酸及酸的性质后，初步认识了酸中含有的H⁺与酸的化学性质的关系，就可以从微观水平理解溶液酸碱性的实质，增进对相关知识的理解。

与使用甲版本教材学生相反的是，使用乙版本教材学生的认知路径图中，A9（溶液的酸碱性）是A7（碱的化学性质）的父节点，说明对于使用乙版本的学生来说，A7的学习是受到A9的直接影响的。分析A7的条件概率表，见表4，若学生未理解A5（碱的定义）和A9，学生成功理解A7的概率仅有59.94%，而当学生同时理解了A5和A9之后，成功理解A7的概率增长到80.22%。通过条件概率可以发现，经过溶液的酸碱性以及酸的学习后，促进了学生对于碱的化学性质的学习。此时学生不仅可以借助生活经验认识碱，还可以类比学习酸及溶液酸碱性的学习经验，结合宏观、微观和符号三种水平认识碱的化学性质，从而对碱及其性质达到更深刻的理解。

4.2 学生对“酸碱中和反应”的认知路径分析

酸碱中和反应是中学“酸和碱”学习的核心概念之一，在初中化学教学中具有重要的地位。由图1和图2可知，无论使用哪种教材学习的学生，对酸碱中和反应的学习都要以酸和碱的性质等内容为基础。

结合两组学生A10（酸碱中和反应）的条件概率表（表5、表6），无论哪组学生，若未理解A3（酸的性质）、A7（碱的性质）、A9（溶液的酸碱性），则其成功理解A10的概率只有13.55%和4.57%，只有学生在完全理解A3、 A7、 A9后，成功理解A10的概率才会有大幅度增长，可见学生只有在理解酸和碱及其化学性质后，才能更好地理解酸碱中和反应的概念。

进一步分析两组学生A10条件概率表，在成功理解A3、 A7、 A9的条件下，使用乙版本教材的学生成功理解A10的概率也只有66.22%，低于使用甲版本教材的学生（83.67%）。两种版本化学教材中“酸碱中和反应”编排位置相同，但选择的内容素材有一定差异。两个版本教材都设计了实验探究活动帮助学生在宏观层面体验酸碱中和反应，并都使用典型的化学方程式来介绍酸碱中和反应，其中的差异是对于酸碱中和反应微观解释的处理。甲版本教材不仅在正文描述了中和反应中微观粒子的变化情况，并且借助反应的微观图示展示了中和反应的微观实质。而乙版本教材仅展示了中和反应的微观示意图，并没有强调溶液中微观粒子是如何变化的。教材内容的呈现方式影响教师的教和学生的学，使用乙版本教材的学生成功理解酸碱中和反应的概率不如甲版本教材的学生，其原因可能是因为在学习中和反应时，缺少了从微观水平对酸碱中和反应实质的深刻认识，没能将宏观、微观与符号紧密联系起来。

5 研究结论与建议

本研究利用贝叶斯网络测查了使用不同版本化学教材的初中生在学习“酸和碱”的认知路径。研究发现，使用不同版本教材的学生对“酸和碱”的认知路径不相同，教材内容的编排顺序和呈现方式影响着学生的知识学习。从研究结果来看，初中生“酸和碱”的认知路径总体上与所使用教材的内容编排顺序是一致的，教材内容编排顺序不同，学生学习的认知路径也存在差异。研究还表明学生原有的知识经验会对学习产生较大的影响，尤其是那些在学生头脑中根深蒂固的生活经验，会直接影响学生对新概念的理解。

教材内容的组织要努力实现学科逻辑顺序与学生认知顺序的有机融合。学科逻辑顺序要求按照学科的内在逻辑和发展规律来组织和呈现教材内容，体现“结构决定性质、性质决定用途”的学科规律。而学生的认知顺序则要求遵循学生的认识规律，从具体到抽象，从简单到复杂，从经验事实到概念理论，符合学生的认知发展水平。这两种顺序之间的冲突是教材编写必须面对的挑战，如何调和二者之间的矛盾，实现有机融合，需要从理论和实践两方面进行深入的探索。要加强实践研究，依据学生的学习结果，不断寻找最“便教利学”的教材编排顺序和呈现方式。当然，教材育人价值的充分发挥，还需要教师根据所教学生的实际情况，创造性地开发和使用教材，促进学生核心素养的全面发展。

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