高中生“醛”心智模型的测评

姚凤凤

一、问题提出

心智模型是长时记忆中的元素与外界世界或刺激物交互作用所产生的内在表征，会随外在人、物、事等的变动而改变，具有动态性。学生在科学学习过程中建构的心智模型往往是有缺陷、不准确的，这些有缺陷的心智模型（或称为非科学心智模型）一方面反映了学生在相关领域化学学习中的学习特征、学习困难，另一方面还可能进一步影响学生后续的认知建构与发展。对学生在特定课程内容学习中的心智模型进行科学测评，有助于丰富教师对学生的认识，为教师开展教学改革提供参考，为学生的概念转变提供重要支撑。本研究以高中化学“醛”的知识内容为对象，测查学生的相关心智模型建构情况。

二、研究对象与方法

心智模型的测查途径有访谈法、纸笔测验法、问卷调查法等。本研究采用二阶诊断测试题法和课堂实录法进行研究。二阶诊断测试题法主要指对学生“醛”学习情况进行测试，并辅以课堂实录法，课堂实录法通过对“烃的含氧衍生物—醛”的课堂教学进行了录音，并进行分析处理，找寻教师讲授和学生“醛”心智模型的联系，综合进行质性研究。

Treagust （1988）在进行传统测验法的改进中发展了二段式测验工具，用以揭示学生更深层次的认知信息，二段式测验包括两部分：①评价学生的具体知识，要求学生根据题干进行作答;②评价学生对知识的理解，要求学生对第一部分的答案给出解释。本研究二阶诊断测试题的编制采用Treagust（1995）的流程（如图1所示）。被试对象为榆林市某省级标准化中学高三年级两个平行班的85名学生，测试时间为一轮复习“醛”结束一周以后（所用教材为人教版选修5）。

在正式完成试题编制前，访谈任课教师以及化学学业成绩排前、中、后的学生各2名，以深入搜集学生迷思概念，形成初稿，委请2位专家检核内容效度，修正后进行小范围试测（30人），最终问卷有15道题目，问卷编制的双向细目表见表 1。完成编制后以班级为单位进行集体测验，共85名学生参加测试，回收有效测验卷80份，回收率为94.1%。

三、数据分析

1.“醛”心智模型的的类别及其分布情况

（1）“醛的定义、结构和分类”的心智模型类型及分布

学生持有的“醛的定义、结构和分类”心智模型测查结果见表2，其中“课程模型”指相对完整且正确的学生心智模型。

由表2可见，“课程模型”表明总体上学生对醛的定义、分类、通式的关注不多（呈现比例均未超过20%），对“醛-官能团-醛基”的认识最为深刻（呈现比例达100%）。不过，在“醛基”与“醛”的关系认识中，有近半比例的学生出现了将“含有醛基的化合物等同于醛”的迷思概念。同时，有32.5%的学生认为“饱和醛或一元醛的通式为CnH2nO”，这进一步反映了学生在“醛”的核心概念建构中，对于有机物的结构和组成之间联系的认识不够清晰和准确，出现了“结构”和“组成”的“失联”。此外，多达32.5%的学生不能说出醛的分类方式，在醛的分类上，大部分学生能从烃基的饱和程度方面对醛进行分类，能从醛基数目角度对醛进行分类的学生人数次之，依据烃基的不同对醛进行分类的人数最少。反映出学生对醛的认知更多局限在概念内涵要素“醛基”的认识中，对于除“醛基”以外的其他内涵要素（如对应烃基的类型、醛基的个数等）的认识或关注不够。值得一提的是在实际情境中大部分学生又能正确判断甲酸甲酯不属于醛，却意识不到自身对醛的错误定义。还有个别学生从醛的化学性质出发定义醛，如“醛：能发生银镜反应的物质。”

上述有关“醛的定义、结构、分类”的心智模型从整体上表明，大多数学生在有机物的学习中，善于从概念内核的关键要素（“醛基”）去把握概念（“醛”），能够在一定程度上解决概念应用类问题，但这种略显“粗糙”的理解反映了相当比例的学生并未意识到科学术语（通过语音或文字来表达或限定科学概念的约定性语言符号，是思想和认识交流的工具）的价值，在概念学习中的抽象性思维能力较为薄弱，在概念建构过程中思维的逻辑性、缜密性较差。

（2）“醛的物理性质”的心智模型类型及分布

学生持有的“醛的物理性质”心智模型主要涉及物质的宏观层面，表3呈现了学生关于“醛的物理性质”的心智模型测查结果。

学生对物理性质的认识主要借助于实验、实物观摩的手段以及日常生活经验的迁移应用。从表3可见一半学生对甲醛的状态认识失准。对甲醛状态记忆错误的学生进行访谈，发现学生对甲醛的状态依托于生活实物（油漆）的状态，且存在很大的误区，究其原因有二，一方面学生对甲醛这种物质缺乏直观的观察，因为在性质探究中选用液体乙醛进行实验;另一方面也反映出学生日常生活经验的匮乏，未养成勤观察、善思考的习惯。60.0%的学生认为乙醛的密度比水大。在实验过程中，学生可以观察到乙醛是无色有刺激性气味的液体，且易溶于水，但对乙醛与水的密度大小比较没有直观的实验作为判断依据。访谈发现部分学生根据乙醛的结构简式猜想乙醛的密度大于水，这来自于气体与空气密度比较的负迁移。10.0%混淆了醛与芳香烃的气味。可见学生对前概念的模糊理解直接影响到后续知识的掌握，容易产生负迁移。通过分析问卷，发现大部分学生在醛类颜色的记忆方面没有错误，也有少部分学生表示不知道甲醛和乙醛的颜色。在醛类颜色的记忆中，教师可通过创设情境、联系生活等来强化记忆。

（3）“醛的化学性质”的心智模型类型及分布

表4呈现了学生关于“醛的化学性质”的心智模型测查结果。

從课程模型结果看，学生对乙醛的化学性质认识最为深刻的为催化氧化和燃烧氧化（呈现比例达80%），大多数学生对乙醛的银镜反应、乙醛与新制氢氧化铜的反应有较为准确的理解，超过半数的学生对乙醛的加成反应关注不足。

60.0%的学生不能说出醛在有关的性质反应中所体现出来的是醛的氧化性还是还原性。研究发现学生存在的问题主要有学生在应用氧化还原相关知识的时候习惯性的背口诀，还有一部分学生学习相当机械化，必须把所有元素化合价标好后才能根据化合价升降对相应物质性质进行判断，而他们在标碳元素的化合价时存在较大的困难，从而导致判断错误。25.0%的学生不知道醛能使酸性高锰酸钾溶液褪色。学生在之前已经学习了醇具有还原性，能够使酸性高锰酸钾溶液褪色，也能和重铬酸钾溶液发生氧化还原反应，反应过程中乙醇先被氧化为乙醛，乙醛进一步被氧化为乙酸。这说明持有该心智模型的学生不能够将已有知识与新学知识进行有效融合，对知识的迁移应用能力不足。

多达65%的学生不能明确描述常见醛的反应的反应条件以及相关物质的具体制备过程。学生大都侧重于去记忆实验现象和相应的化学方程式，对反应发生的条件以及具体过程都不太重视。如不知醛与新制Cu（OH）2悬浊液的反应需要在碱过量的环境下进行。在访谈中，发现学生对银氨溶液的制备过程记忆模糊，也不能利用化学方程式进行表征。

40.0%的学生不能根据宏观现象或微观原理灵活地推断产物。如部分学生认为乙醛与氢氧化铜反应生成氧化铜或铜。还有学生认为银镜反应生成了气体氨，故书写化学方程式时标有气体符号，学生没有考虑到反应的实际情况或不清楚氨生成的条件。另有12.5%的学生不能正确书写氢氧化二氨合银，如认为在氢氧化二氨合银中氨的存在形式是铵根离子，所以在化学方程式的书写过程中出现错误的产物分析。

2.各类心智模型不同科学化程度的学生比例

为了更加准确地测量学生“醛”心智模型的分类情况与学生对“醛”的掌握，本文將利用理解水平层次，针对每一类非科学心智模型进行更深层次科学化的分析。

将学生所持有的心智模型分为4个理解水平层次，结合实际，按理解准确程度依次为 “Partial Understanding：PU”（局部理解）;“Partial Understanding With Specific Misunderstanding：PMU”（局部错误理解）;“Specific Misunderstanding：MU”（错误理解）;“No Understanding：NU”（不理解）。如在“组成-结构”失联模型中，将“知道醛的结构与组成，但认为饱和醛或一元醛的通式可书写为CnH2nO”界定为 PU 水平，而直接说不清楚醛的结构与通式的理解水平归类为 NU 水平。8类非科学心智模型中不同科学化程度的学生比例数值见表5，分布特征如图2所示。

综合表5和图2可得，学生对“醛”心智模型的构建中非科学化程度的倾向性和结构都有所区别。“乙醛物性迷思模型”认知中，近半数（43.20%）学生的认识达到了PU水平，说明学生对乙醛物理性质的认识虽然有缺陷，但大多仅表现为认知的不完整性，其整体认知效果仍较好。另外，在“组成-结构失联模型”“甲醛物性迷思模型”认知中，学生认识PMU水平以上的比例（即PU、PMU水平比例之和）为81.40%、74.60%，说明学生对醛类的结构与组成认识整体上处于存在缺陷和局部错误的层面，其整体效果仍可以接受。相比之下，“反应环境迷思模型”和“反应产物迷思模型”认知中，更大比例的学生（32.40%、40.50%）的相关认知处于NU水平，整体效果较差，如有相当比例的学生（32.40%）不能理解反应环境的重要性，有相当比例的学生（40.50%）对反应产物更多是死记硬背。“氧化还原迷思模型”“分类标准缺失模型”认知中，多半比例处于低认知水平（NU、MU）。在“醛基-醛关系迷思模型”“反应产物迷思模型”这两类认知中，学生认知处于NU、MU较低水平的比例之和与处于PU、PMU较高水平的比例之和基本相当，说明学生在各水平的分布总体上表现得更加“离散”，学生的认知缺陷情况更加复杂。

四、研究结论

本研究得到以下主要结论：

第一，学生在“醛”内容学习中，建构出3类共8种非科学心智模型，具体包括在“醛的定义、结构和分类”中建构了“醛基-醛”关系迷思模型、分类标准缺失模型、“组成-结构”失联模型，在“醛的物理性质”中建构了甲醛物性迷思模型、乙醛物性迷思模型，在“醛的化学性质”中建构了氧化还原迷思模型、反应环境迷思模型、反应产物迷思模型。

第二，对8种非科学心智模型进行更深层次的科学化程度分析后发现，学生在“乙醛物性迷思模型”认知中整体表现较好;在“组成-结构失联模型”“甲醛物性迷思模型”的认知水平仍可以接受;在“醛基-醛关系迷思模型”“反应产物迷思模型”认知中“较好”和“较差”的表现基本相当;在“氧化还原迷思模型”“分类标准缺失模型”“反应环境迷思模型”“反应产物迷思模型”认知中的表现最差，存在问题突出。

第三，相应的教学启示如下：重视有机物概念教学中“科学术语”的学习价值，不仅要把握概念的核心要素，还要注意概念建立与术语形成过程中的逻辑性、系统性和科学性，提升学生思维的严密性、精细化和批判性水平;重视实验、信息技术等多种教学手段的综合运用，丰富学生对有机物的感性认识，强化物质感性认识和概念理性思维的结合;积极创设真实情境，加强化学与生活的联系，提升学生运用化学知识发现、解决问题的意识和能力，增强化学认知结构的可利用性。

本文得到北京师范大学中国基础教育质量监测协同创新中心自主课题资助。

（收稿日期：2018-12-15）