高中生氧化还原反应三重表征心智模型的测查研究

张丙香+毕华林

摘要：根据自编的调查问卷，对学生进行了测查，结果发现，高中生对氧化还原反应这一核心概念的三重表征心智模型是多元的、渐进的、情境相依的，不同年级学生的心智模型的一致性程度不同，影响因素也不同。

关键词：高中生；氧化还原反应；三重表征；心智模型；测验方法

文章编号：1005–6629（2017）9–0013–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

德维塔克认为在学生的工作记忆中，化學概念的三重表征以特殊的方式互相覆盖，并在可视化方法的支持下，达成对现象的合理理解，即形成化学概念的三重表征心智模型[1]，已有研究涉及到的概念有原子和分子、离子键、金属键、化学平衡、酸和碱[2]、氧化还原反应等[3，4]。其中，氧化还原反应是中学化学学习中的一个核心概念，同时也是学生学习中最感困难的概念之一。如果能测查出学生氧化还原反应三重表征心智模型的类型、分布及其影响因素等特点，便能更好地为化学教材的编制和化学教学提供实证上的支持，从而改进课程或教学，以更好地促进学生的概念理解。因此，测查中学生氧化还原反应的三重表征心智模型具有重要的意义。

1 理论基础

心智模型理论最早由苏格兰心理学家克雷克提出来。他认为个体心智构建现实的“小型模型”，以预测事件、进行推理或者把它作为解释的基础。就像是一个工程师为了建造一个建筑物，通常会先制造一个和实物建筑比例相同的缩小模型一样，这样可以预测所面临的问题[5]。雷德认为心智模型是人们体会、了解某个特定知识领域的管道或方式，也是认知过程中不可或缺的心像元素，因此心智模型扮演着一个直接表征或类比的角色，其结构反映出事物的相关状态[6]。邱美虹认为，心智模型是长时记忆中的元素与外界环境或刺激物交互作用所产生的内在表征，因此它会随外在人、事、物等变化而改变，具有动态变化特质[7]。美国心理学家圣吉的《第五项修炼》中也使用了心智模型这一概念。他认为，对一个人的学习而言，最重要的是心智模型的改变，并提出了行动学习的MBP模型[8]。圣吉的这一观点引起了很多研究者的关注，引发了很多关于在教育中如何完善心智模型的研究。

对于概念心智模型发展的阶段性，比较公认的是沃斯尼亚杜的分类：初始模型、混合模型、科学模型[9]。具备了与科学观点一致的心智模型，并不意味着个体其他的心智模型就会消失，个体会根据情境的不同而自动选择使用某种心智模型。

基于以上认识我们认为，心智模型不仅是个体对外在事物内在表征后形成的概念框架，同时也是一种动态的内在运作机制，影响着个体对外在事物进行描述、解释和预测的行为与方式。概念框架是指对概念相关因素或概念构成因素的关系的认识与建构，由于个体的知识经验的限制，心智模型多是不完善的，但会随着知识的增加，心智模型也会不断完善，因此具有发展的阶段性。

2 研究综述

对于化学概念三重表征的研究，内容相对来讲比较集中和深入，但从三重表征心智模型的角度进行化学概念研究的文献并不多，也没有涉及到氧化还原反应。大陆地区开展了大量深入的化学三重表征研究，但从心智模型角度分析学生的化学概念理解的很少，有代表性的研究是《关于中学生的原子、分子心智模型的研究》[10]。

我国台湾地区，对化学概念的三重表征心智模型的研究比较深入，包含氧化还原反应这一化学概念。如张育倩以问卷为主，对学生的氧化还原概念进行了研究[11]。她统整出10种心智模型，并将这10种心智模型分为四类：电子模型、氧模型、混合模型和科学模型。江文玮利用访谈和二段式诊断题，提出学生对氧化还原反应的八种心智模型，分别是科学模型、氧化数模型、电子模型、氧模型、燃烧模型、时序模型、途径模型、合成与分解模型[12]。这些研究有一些相同点：（1）对氧化还原反应心智模型的类型要结合化学史上的经典范式和学生的相异构想等进行划分，研究方法主要是纸笔测验和访谈，而纸笔测验以二段式诊断题为主。（2）对氧化还原反应心智模型的理解可以从三重表征角度去分析。

3 研究方案

3.1 研究目的

研究的主要目的是探查高中不同年级学生氧化还原反应三重表征心智模型的类型、分布、发展特点及其影响因素。

3.2 研究样本

选择济南市一所省级规范化普通高中的学生作为测试样本（见表1），在测试前没有进行任何教学干预。根据学校的教学进度，选择在1月份进行测查，这样全部高中学生都系统地学习过氧化还原反应的知识，避免出现根本无法理解试题而胡乱作答的现象。

3.3 研究工具

研究工具为自编的调查问卷和半结构访谈纲要，采用二段式诊断题的形式，以较好地探查学生的心智模型，并有利于进行统计。对二段式诊断题的编制，我们主要采用的是Treagust的流程[13]。分析高中化学课程标准中有关氧化还原反应的内容，界定相关概念的含义及其关系，根据课程标准的要求制作概念图。综述国内外近三十年关于氧化还原反应相异构想和氧化还原心智模型的文献，并结合对高中生和三名化学教师的访谈，获得学生对氧化还原三重表征心智模型的相关信息，初步确定9种心智模型类型，并编制了调查问卷初稿。使用SPSS19.0对问卷测试结果进行统计分析，得到的结果Cronbach α=0.87，大于0.80，测试结果具有较好的信度。在对问卷初测的结果进行分析后，将心智模型类型修订为11种。进一步测试，得到的结果Cronbach α=0.83，大于0.80，因此可以认为我们的测试结果具有较好的信度。

4 结果与讨论

4.1 高中各年级学生氧化还原反应三重表征心智模型类型及其分布

对于高中各年级学生在每道题目上的回答情况，只统计≥5%的数据。统计结果显示，对于氧化还原概念，高中生共具有11种心智模型，不同年级的心智模型分布不同，详见表2、表3和图1。

4.2 高中各年级学生氧化还原反应三重表征心智模型的影响因素分析

使用单因素方差分析，检验高中各个年级中各类心智模型上的人数比例是否具有差异性，目的是分析高中各年级学生氧化还原反应三重表征心智模型的主要影响因素。

为了便于比较，对心智模型进行了编号，电荷模型编号为1，电子模型编号为2，化合价模型编号为3，科学模型编号为4，可逆模型编号为5，氢气模型编号为6，燃素模型编号为7，顺序模型编号为8，形式模型編号为9，氧气模型编号为10，氧氢模型编号为11。

高一年级学生持有心智模型人数比例的单因素方差分析，F值为19.635，p<0.001，说明组间具有显著性差异，即不同的心智模型在高一年级中的分布具有显著性差异。其中，科学模型和燃素模型、顺序模型、电子模型差异不是非常明显。这说明，影响高一学生判断氧化还原反应的最主要因素有质量守恒定律、电子得失顺序和哪种元素得失电子等。与此同时，科学模型的人数百分比明显高于氧气模型、形式模型、电荷模型、氧气模型和可逆模型，其中电荷模型和可逆模型都属于符号表征，这说明学生的符号表征是比较完善的，没有显著干扰学生的概念判断。

对高二年级学生在各种心智模型上的人数百分比进行单因素方差分析，结果如表5所示。根据单因素方差分析（ANOVA），F值为44.395，p<0.001，说明组间具有显著性差异，即不同的心智模型在高二年级中的分布具有显著性差异。具体而言，科学模型和电子模型差异不是非常明显。这说明，影响高二学生正确判断氧化还原反应的最主要因素是：学生不清楚哪种元素得失电子。

就高三年级学生持有各心智模型类型的人数比例进行单因素方差分析，F值为210.176，p< 0.001，组间具有显著性差异，即不同的心智模型在高三年级中的分布具有显著性差异。结果表明，高三年级中，科学模型的人数百分比显著高于其他模型上的人数百分比，这说明大多数学生基本上能够正确判断氧化还原反应，具有科学的心智模型，在此概念理解上没有显著性的影响因素。

4.3 高中各年级学生使用心智模型的偏好分析

高中各年级学生中都存在很多类型的心智模型，那么不同年级的学生在遇到问题时，倾向于使用哪种心智模型解决问题呢？对此我们进行了对应分析，对学生在各心智模型上的人数百分比进行了加权处理，以年级为行，模型为列，对应分析的结果如表4、表5所示。

从摘要表中可以看到，第一维度解释了列联表中83.5%的数据，第二维解释了列联表中16.5%的数据，这两个维度可以说明全部数据，这是非常理想的。卡方值为459.462，p<0.001，说明行列维度间具有较强相关，这为分析不同年级和心智模型间的关系提供了统计依据，可以进行对应分析，得到的对应分析图如图2所示。

首先，使用总体观察法对对应图进行解读，同一象限内的点具有较强的相关或偏好。从图中可以看到，心智模型和年级位于不同的象限内，因此我们可以判断，不同年级的心智模型具有差异。高一年级和电荷模型、氢氧模型、氧气模型在同一个象限，说明这些心智模型出现在高一学生中的几率很大。高三年级和科学模型在一个象限内，说明高三年级的学生在问题解决时，首先想到的是科学模型。

其次，使用向量分析法进行解读。如红线所示，从中心点向高一所在的点连线，使之成为向量，向量正方向为从中心点向年级所在点的方向，然后从不同心智模型所在点向这条向量或延长线做垂线，垂点越靠近向量正向，表明越偏好这种心智模型。由图可以看出，三个年级中，高一学生使用电子模型的倾向性大于科学模型。也可以从中心点和心智模型所在点连线作向量，分析某一个心智模型在年级中出现几率的大小。

再次，可以使用向量的夹角——余弦定理进行解读。如蓝线所示，以中心点向不同年级所在点连线，我们分别连向高三和高二，如果所形成的夹角是锐角的话，说明两者具有相似性，如果是钝角的话，说明两者在心智模型上具有很大的差异。我们发现，高二和高三形成的夹角是钝角，说明高二和高三在心智模型上有差异。依照这种方法连线，可以看出，三个年级在心智模型类型上具有很大的差异。

最后，也可以根据同心圆法进行解读。如以高一所在点为圆心，以不同长度的半径画同心圆，最先出现在半径最小的圆内的心智模型就是高一学生最倾向于使用的心智模型。以心智模型所在点为圆心进行同心圆分析，高一学生最倾向于使用电子模型，然后是化合价模型和顺序模型。

结合各年级学生心智模型的类型及分布，对以上分析方法进行综合判断，我们认为，相对于另外两个年级学生，高一学生在解决问题时，大部分学生比较喜欢使用电子模型、顺序模型和化合价模型，其次才是科学模型；高二学生在遇到问题时，大部分学生比较喜欢使用化合价模型和电子模型，然后才是科学模型；高三大都比较喜欢使用科学模型，只有极少学生使用其他模型。这说明虽然科学模型在高中三个年级中的人数百分比都是最大的，但是只有高三学生在遇到问题时首先想到使用科学模型，而其他两个年级的学生首先想到的是一些错误的心智模型，并且这些错误的心智模型都属于微观表征，说明高中生都知道应该依据微观表征判断氧化还原反应，但是他们的微观表征却存在各种错误。因此，对高中生而言，最需要深化微观表征，从而改善心智模型。

从以上分析可以判断，随着年级的不断升高，学生的心智模型逐渐从宏观模型转向微观模型，对化学知识的理解是不断深入的。

5 研究结论

5.1 高中不同年级学生心智模型的发展是渐进的

各年级学生的心智模型都是多元的，但是随着年级的增高，学生心智模型是不断完善的，呈现渐进性发展的趋势。首先主要表现为年级越高，错误的心智模型越少，在这些错误的心智模型上的人数比例也越少，相应的科学模型的人数比例显著增大。其次，从学生对心智模型的偏爱来分析，高一学生偏爱电子模型、顺序和化合价模型，高二学生偏爱化合价模型，高三学生偏爱科学模型，因此我们可以理解为学生的心智模型是渐进发展的。再次，尽管从高一开始，学生就已经拥有了科学模型，但这并不意味着其他模型都要消失，到了高三也是如此，也有其他的模型存在。这就说明学生的心智模型的发展是渐进的，而不是突变的。

5.2 高中不同年级学生心智模型是情境相依的、不稳定的

如果问题是以二段式诊断题的形式出现，那么学生在很大程度上受限于问题选项，倾向于选择科学模型，如果问题是以半结构访谈的形式出现，那么学生会使用自己偏爱的心智模型回答问题，并且在经过提示后，还是倾向于使用原来的模型。年级越高，学生的心智模型越科学，受情境干扰的程度越小。但总的来看，高中各年级学生的心智模型还是情境相依的、不稳定的。

5.3 高中不同年级学生心智模型的一致性程度不同

心智模型越完善，其一致性程度越高。从统计数据上看，高一学生在回答问题时，出现的心智模型类型很多，在回答相似的问题时，选项也不尽相同，因此可以推测他们使用的是不同的心智模型，因此心智模型的一致性程度较低。反观高三学生，我们发现，他们在回答相似的问题时，出现的选项比较少，因此可以推测，他们使用的心智模型是特定的，其一致性程度较高。这和结论2具有异曲同工之妙，心智模型越完善，一致性程度越高，那么受情境影响越小。

5.4 高中不同年级学生心智模型的影响因素不同

影响高一年级学生氧化还原反应三重表征心智模型的主要因素有四种：将氢元素得失作为判断氧化还原反应的依据、不清楚电子得失顺序、不能判断哪种元素得失电子、不理解质量守恒定律。影响高二学生氧化还原反应三重表征心智模型的主要因素有两种：学生不清楚哪种元素得失电子、将氢元素的得失作为氧化还原反应的判断依据。大多数高三学生在氧化还原反应上都具有科学的心智模型，能正确理解和判断这一概念，不存在显著的影响因素。

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