基于IMMEX—C问题解决思维过程的评价设计与分析

摘要： 在美国IMMEX理念和技术指导下，基于IMMEX-C （Interactive Multimedia Exercises-China）国内研发平台，结合学校研发“有机燃料”化学问题集的教学与测试，就学生解决问题思维过程开展评价设计与评价分析的实证研究。通过“思维回路图”评价量表中“步长”和“回路”变化情况的评价设计，将学生的解决问题思维过程划分为： 思维混沌状态、思维谨慎状态、思维跳跃状态、思维敏捷状态，对学生解决化学问题思维过程的差异性、发展性做出过程性、真实性评价分析，为评价学生思维过程提供了新的视角。

关键词： IMMEX； 思维过程； 教学评价； 有机燃料

文章编号： 1005-6629（2018）6-0019-09 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

IMMEX （Interactive Multimedia Exercises）即“多媒体互动测训平台”，通过创立一个激励学习的环境，借助于先进的教育技术手段将学生隐含在脑海中的解决问题的思维过程，通过直观的手段展现出来，并通过数学模型进行有效的量化来进行评估。

本课题在美国IMMEX理念和技术指导下，基于IMMEX-C （Interactive Multimedia Exercises-China）国内研发平台，结合学校研发“有机燃料”IMMEX化学问题集的教学与测试，就高中学生化学问题解决思维过程开展评价设计与分析的实证研究。

1 问题提出

评价是教学活动的基本环节，对课堂教学、学生发展起着积极导向和促进作用。长期以来，化学教师教学中注重学业成绩的终结性评价，而忽视对学生学习的过程性评价和学习能力的综合性评价，如何对学生化学问题解决的思维过程进行有效检测和科学评价是值得我们研究的问题。

1.1 研究问题解决思维过程的意义

1.1.1 真实记录学生问题解决的思维过程

学生为解决问题而思维，思维也指向学生的问题解决。但学生头脑中的思维“黑箱”教师并不了解，也无从认识。教师往往凭借经验和推测试图揭开学生解决问题的思维过程，但是，这种认识只是从感性层面来分析，不可能全面、真实反映学生问题解决的思维过程，存在主观性和片面性问题。

IMMEX通过可视化的思维回路图等，

真实呈现学生解决化学问题的思维过程，描绘出学生在问题信息项之间“游走”的足迹，这些都基于对学生解决问题思维过程的真实记录，为教师洞察学生思维过程提供技术支持。

1.1.2 科学评价学生问题解决的思维过程

教育评价通过积累学生过程性学习证据，促进学生学习过程改进。但是，我们对学生的思维过程缺少必要的技术和方法，也没有适切的量表来科学评价学生思维过程，更无法对学生解决问题的思维过程的优劣和特征做出正确判断。IMMEX通过思维回路图等信息项选择和曲线走向，可以清晰再现学生解决问题的思维路径，帮助教师更清晰学生在问題解决过程“怎样思考分析”“选择什么方法”“存在什么问题”“是否优化、稳定”等做出科学分析。

1.1.3 优化促进学生问题解决的思维过程

IMMEX从同一问题解决的多个变式的深化中分析学生的思维变化，思维过程的评价可比较不同学生解决同一问题的思维路径和思维策略选择，监测同一学生解决同一问题的不同变式的思维发展变化趋势。同时也可以监测学生间、班级间问题解决的整体思维状况。

发现、分析、研究学生化学问题解决的思维过程，能深入洞察学生在化学学习中存在的思维障碍和思维局限，对学生在解决问题中存在的主要问题也能更有针对性的把握，教师可以及时调整教学方法，向学生提供个性化的教学干预，不断改进和优化学生的思维方式，促进学生思维向更优化、更科学方向发展。

1.2 IMMEX简介

IMMEX系统由问题集资源库、交互式练习系统、数据分析与评测中心和管理平台多部分组成。问题集资源库包含相关学科问题集，每个问题集都包含若干个同质异形的变式。交互式练习系统为学生提供了一个能够充分展示其思维过程的问题空间，通过比较联想和综合运用已经掌握的知识来解决问题。数据分析与评测中心通过系统记录呈现思维图表和量表，便于教师了解学习和练习进程，对学生及班级问题完成和解决能力做出了量化的分析和评价。管理平台可供教师管理班级学生密码账号、分配学习任务等。

2 研究设计与实施

2.1 问题集设计

IMMEX问题集编制是评价的基础，通过交互式的、多变式的解决问题的情境，为学生提供探究、开放解决问题的思维空间。

“有机燃料”的问题描述是： 有机燃料是使用有机物经过一系列的化学反应过程而生成的可以燃烧的材料。如： 用动物粪便可发酵生成甲烷气体，用植物种子发酵生成乙醇，农作物的桔秆可生产木煤，生活垃圾也可生产有机燃料等。有机燃料是社会发展的需要，也是目前所倡导的无污染的清洁能源。现在有一种有机燃料，我们只知其含C、 H、 O三种元素中的两种或三种，让此有机燃料在氧气中充分燃烧，请你帮助我们一起通过对燃烧以后的产物进行定量分析，推测并确定该有机燃料的组成。

“有机燃料”的菜单及信息项设计如表1所示。

2.2 研究班级选择

组织高三（4）、 （5）、 （6）班79名学生，结合高三“有机化学”专题，开展复习教学和测试，共耗时2节课，学生在课内共完成12个变式。

2.3 研究实施过程

本问题集变式共有14个，其中变式1、 3、 4、 7、 9为较低难度的，变式2、 6、 11为中等难度，变式5、 8、 10、 12为较高难度，变式13、 14为很高难度的，研究实施过程是：

第一课时： 给所有学生分配变式1相同的任务，发现学生思维过程的表现，就学生思维的差异有一定的认识。

在学生完成的基础上，给学生再分配3、 4、 7、 9同等难度变式，观察思维过程发展状况。完成变式后教师可以组织学生按照思维表现分组，进行讨论交流。

第二课时： 分配2、 6、 11等7个较高难度变式，逐渐增加变式难度，观察变式的差异性、发展性、稳定性，教师可以对学生突出的问题表现进行分析和个性干预，也可以针对不同学生的思维状况推送分配不同的变式。

课外练习： 课后回家布置变式13、 14，不做评价分析。

教师对教学测试以后的数据进行个案分析和统计分析，就不同学生、不同班级之间学生思维过程的差异性和发展性做出评价分析。

2.4 结果分析方法

思维回路图（图1），是利用图形化形式描绘出学生在问题信息项之间“游走”的足迹，是真实、直观反映学生问题解决的思维过程。其中并排的小圆圈代表了化学问题中的各信息选项，选项之间的连线则代表了学生对信息项选择的路径，连线的高度代表选项的先后顺序。

为了更清晰、准确评价学生的思维过程，我们以思维回路图的“步长”和“回路”为变量具体计数，通过“步长”和“回路”的组合将学生思维过程分为四种状态，即： 思维混沌状态、思维谨慎状态、思维跳跃状态、思维敏捷状态（见表2），从学生解决问题所表现的思维状态，就可以具体分析评价学生解决问题的思维过程的特点。

3 结果分析

通过对学生问题解决的思维过程“步长-回路”的监测和分析，一般解决“有机燃料”这个问题需10次左右步长，1～2次回路。结合学生个案和班级整体、结合思维回路和思维路径来分析解读学生解决化学问题的思维过程差异性、发展性。

3.1 个体特征分析

学生化学问题解决的思维过程存在很大差异，下面选取几位学生思维过程表现做个案分析。

（1） 处于“思维混沌状态”的学生步长一般在20以上，回路也在4次以上。图2是W同学的在“有机燃料”问题中第12个变式的思维回路图，从图像中可直观反映来回选择很多很繁杂，图像高度也很高，颜色也很多。在解决“有机燃料”问题的最后一个变式，其思维过程的步长数为68，回路数为13.5，说明该学生在解决此化学问题时还没有理清思路，对信息选项无法做出判断和选择。

对W同学的“思维回路图”中选项的具体分析发现，学生对关键信息“实验测定装置”、“有机燃料的质量”反复多次选择，对干扰信息“H2O2的体积”、“CuO的质量变化”、“MnO2质量”等也多次选择，在“实验数据”的信息提取上存在明显的不足，而对“图书馆”信息资源没有充分利用，说明学生没有建构起问题解决的规则，形成科学的解决问题的思维策略。

（2） 处于“思维谨慎状态”的学生在解决问题时往往会比较小心谨慎，按部就班，很多信息选项都会逐一点击，生怕遗漏重要信息。因此，表现出对信息项会选择较多，每个选项点击次数并不多，来回反复的过程较少。如，图3是C同学在“有机燃料”问题中第1变式的思维回路图，其步长数达31，回路数仅2.5。尤其我们可以看到在实验数据的选择上，在思维路径图中的后半段呈现直线上升。对后半段每个选项都逐一选择。可以说其思维过程特点是谨慎有余、思考不足，花费了很长时间和代价，对干扰信息和关键数据没有做出正确判断，需要在此思维过程中改进、优化。

（3） 在解决问题过程中“思维跳跃状态”的学生，表现为思维活跃，信息项的选择数明显较少，但选项的前后反复选择次数较多，回路数明显增多。就图4 Y同学在“有机燃料”问题中第12个变式的思维回路图来看，步长数14，回路数4.5，图像的回路、颜色、高度都较多。

从思维回路图和思维路径图的具体分析来看，Y同学第一个选项就选择了解决此化学问题至关重要的信息“实验测定装置”，该学生思维产生较多回路的是在实验装置和实验数据的选择上来回反复，从“实验装置——反应后氯化钙质量——实验装置——澄清石灰水生成沉淀的质量——有机燃料的质量——相对密度——气体体积——消耗氧气的体积——澄清石灰水生成沉淀的质量——反应后氯化钙质量”，对实验数据的分析理解上产生了一定困惑，思维过程还有待优化，思考的严密、完整性还有待完善。

（4） “思维敏捷状态”的学生一般能善于抓住问题的核心，迅速找到解决问题的关键信息，筛选有用信息、去除无用信息、排除干扰信息，这类学生解决问题的思维过程非常简洁、清晰，一般解决问题的准确率也很高。如图5是H同学解决“有机燃料”问题中第3个变式的思维过程表现，步长数6，回路数0.5，解决问题过程非常简洁，思路清晰。他的思维路径为：“问题描述——有机燃料质量——有机燃料密度——实验装置——澄清石灰水产生的沉淀质量”，如此敏捷的思维过程快速、正确地抓住了问题本质，剔除了干扰和无关信息，寻找到了解决该问题的科学方法。

以上四位同学，他们的思维起点是相同的，所提供的思维信息也都是相同的，学生的思维终点也都是解答“正确”的，但是，我们却看到他们截然不同的思维加工过程。

3.2 个体发展性分析

IMMEX变式的练习可以洞察学生在化学问题解决思维过程的变化和发展趋势。往往刚开始学生对于新的化学问题、新的问题情境，还在尝试、摸索阶段，思维过程往往比较混沌或谨慎，随着学生对化学问题理解的深入和规则的掌握，学生能综合运用化学知识和技能，寻找到问题解决的一般思维过程，并不断自我反思和优化，随着对问题理解的深入，多数学生会优化其思维过程，步长和回路都会减少，思维逐渐活跃、敏捷起來，思维过程就能向着思维严谨、思维跳跃、思维敏捷的方向发展。但也有不少学生不能跨越问题障碍，找不到自身解决问题思维过程中存在的问题，思维过程的发展迟钝或缓慢，甚至有学生还始终停留在思维混沌阶段。

从W同学的12个变式的步长和回路来看，步长最长的多达89次，回路最多的达13.5次，他在“有机燃料”的问题解决从第1变式到最后的变式过程中一直属于“步长”和“回路”都非常多，对信息项的选择非常盲目，始终没有筛选出关键信息，没有理清解决问题的思路，更没有建构起问题解决的思维路径，从该同学解决12个变式发展性来看，处于混沌状态的有9次，占75%，可以判断该学生思维过程的发展性不够好，对问题的解决还没有寻找到可行的思维路径，也表现出，他对自我解决问题的“元认知能力”自我控制有待提高（图6）。

对比Y同学在“有机燃料”12个变式的思维过程情况，对问题解决的思维过程呈现进步的发展趋势，从第1变式的思维混沌状态到思维跳跃状态的发展，处于思维过程跳跃状态的占了58.3%，总体来说，该学生思维过程发展良好，思维活跃，但对问题思考的层次性、严密性有待改进，今后应向着思维敏捷继续发展（图7）。

G同学在“有机燃料”问题的12个变式中，总体从“思维混沌状态”向着“思维敏捷状态”发展，虽然中间出现了反复和改变，有跳跃、有混沌、有严谨，但看得出该学生在解决化学问题的思维过程是在不断调整和优化，最终形成了较为简捷的解决问题的思路，思维过程的发展状态值得肯定（图8）。

从以上三位学生个案分析说明，基于IMMEX-C对学生解决化学问题的思维过程评价能较好反映出学生思维过程的发展趋势，可以让化学教师及时掌握和动态分析学生解决问题的思维变化。但是需要指出的是，分析学生的思维过程不能仅关注第1个变式和最后一个变式的变化，而是更应关注在每个变式中的发展趋势。由于过程中变式难度的改变、方法的改变等因素，学生思维过程发展也会出现一定的波动性，这就需要教师结合问题具体分析了。

3.3 班级发展性评价

对于不同班级在解决化学问题中的思维过程，也可以结合班级在不同化学问题中的表现来分析。下面，就结合学生在“有机燃料”案例中从第1个变式到最后一个变式高三3个班级思维过程的总体状况来分析说明。

从图表中能明显看到，三个班级都是表现为： 处于思维混沌状态的学生比率减小，而处于思维敏捷状态的学生比率在增加的发展趋势，整体呈现良好的思维发展态势。随着对化学问题理解的深入和方法的探求，学生整体表现对思维过程不断进行优化，较多的学生能寻求可行的思维路径，找到解决问题的方法。

从图像中的具体数据来看，高三（4）班整体发展最好，处于思维混沌状态学生从54.8%递减到12.9%，在3个班中人数最少，而最后处于思维敏捷状态的学生也是最多，占58.1%。也直接反映出班级特点有所不同，因高三（4）是化学提高班，高三（5）和高三（6）是化学平行班，高三（4）班思维跳跃状态的学生人数最多，高三（5）和高三（6）处于思维谨慎状态的学生发展为多，分别从12.5%、 16.7%发展为33.3%、 29.2%，也体现了这两个班学生认真的态度，但思维过程还可以再进一步优化。

从以上班级整体状况来分析，我们可以看到，随着问题的深入和变式的深化，班级整体学生思维过程的表现也呈现发展态势，都在向思维优化的方向而发展。但是，我们也看到，不同班级的发展状况是不同的，有的班级发展、优化的学生人数更多、表现更好，而有的班级思维过程的优化并不显著，还有相当数量的学生思维过程还不够敏捷，需要教师关注不同班级的思维特点，进行有针对性的教学干预。

4 研究启示

IMMEX可以帮助教师了解、分析学生解决问题的思维路径，找出学生化学问题解决思维过程的主要症结，在实施过程中，我们建议：

4.1 把握学生解决问题思维过程的个性特点

学生解决问题的思维过程表现不尽相同。一般在化学复习教学和测试中，教师可以先给学生一个相同变式，且难度为较低为宜，不能给予任何提示和指导，让学生独立运用所学习的化学知识进行问题解决。从第1个变式后，教师可以分析思维回路图等评价报告，并对学生的思维过程特点做出初步判断。

随后，教师可以设计给学生多个变式且难度相当，可以发现学生是否改善其思维过程或稳定其思维过程。在此基础上做深入的过程性、发展性评价分析，对学生解决这一化学问题做出科学评价，把握学生思维过程的基本特点。

一般来说，思维敏捷状态的学生解决问题的思维过程清晰、正确，思维混沌状态的学生思维过程复杂、混乱，但对思维严谨和思维跳跃并无好坏之分，也并不是一定非追求思维敏捷，关键还是发现学生思维的差异特征，教师因势利导、因材施教。

4.2 发现学生解决问题思维过程的主要问题

教师可以分析学生问题解决中存在的主要问题。如： 图10是Y同学的“有机燃料”的思维回路，看似过程简单、思路清晰，但最终却是两次解答都“错误”。究其原因，就是在对“实验测定装置”这一隐含条件上没有正确选择，使其在实验数据的选择上产生偏差，最终没有解决这个问题。

图10 Y同学在“有机燃料”问题中第2个变式的思维回路图

方法的缺失是直接影响学生化学问题解决的关键因素。如，对于学生无法根据问题条件和数据构建模型，无法重新形成完整思路，不能形成完整的图式，教师要引导学生进行双向推理，利用已知条件进行顺向推理，运用未知条件引导思维方向，帮助学生理清解决问题的内在逻辑关系；对于学生不能用不同的思路来解决问题，存在思维定势，教师引导学生寻求多种解题思路，培养扩展性思维，引导学生对不同思维策略的比较与评价，寻求最优策略。

4.3 促进学生解决问题思维过程的优化稳定

对产生问题的原因进行分析、分类，尤其是针对思维混乱、知识缺失或方法偏差等不同学生或不同班级特点，制定集体教学计划或个别干预计划，及时而有效地采取干预和引导，提高教学针对性、科学性、有效性。教师可以根据学生的学习进程，分配不同難度的变式，让学生在已掌握的解决方法的基础上向更高难度的问题去挑战。同时，教师也要引导学生转换思考角度、寻求多种方法，促进学生思维的灵活性。

IMMEX将评价理念和过程贯穿于教学始终，超越了日常化学复习方式，以过程性评价有效促进学生化学知识的理解和应用，促进学生化学思维过程的优化和思维能力的提高。

总之，基于IMMEX能直观地呈现学生脑海中不为人所知的解决问题的思维过程，能有效、科学地诊断分析学生在化学问题解决中的思维过程的差异性、发展性，为评价学生思维过程提供了新的视角。

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