化学师范生概念理解的眼动研究*——以“化学平衡”为例

史海媚 王宇洁 张瑞娟 薛 亮

（陕西师范大学化学化工学院 陕西西安 710000）

一、问题的提出

概念是一切知识的基石，人的所有思维活动都离不开概念作为基础的支持，对概念的正确理解将有助于解决“是什么”的科学问题。在化学学习中，化学概念是将化学事实、化学原理等经过比较、分析、归纳、综合等方法，抽象而成的理性知识，它主要反映的是化学现象的本质属性，是化学知识的重要组成部分。［1］也正是因为化学是一门起源于实验又依赖于实验的自然学科，并且目前众多学者普遍认可由约翰斯顿教授提出的化学具有三重表征（宏观水平、微观水平、符号水平）的特点，而作为化学知识的一个分支，化学概念也同样具有着三重表征的特点，这就导致学习者在学习化学概念时，尤其是初学化学概念时，由于微观世界不可见、宏观世界直观易感知、化学学习经验少等一系列原因，常常出现在化学概念的三重表征之间存在转换困难的问题。［2］因此在化学教学中，抽象繁杂的化学概念也被认为是最不好理解和掌握的地方。化学平衡作为化学学科中一个重要的概念，目前在教育教学研究中已达成一个共识：化学平衡不仅是“变化观念与平衡思想”培育的主要载体，而且该主题所包含的概念抽象且理解难度较大，在教学中，教师难以把握化学平衡的本质，导致学生学习这部分知识时迷思概念覆盖面较广。［3］

进一步分析发现，目前关于化学概念理解的测查主要是基于问卷调查法及访谈法实施，研究对象也主要以学生为主，鲜有研究聚焦于职前或职后教师。而不难看出，正处于教师培养关键阶段的化学师范生作为未来一线化学教学的主力军，肩负着培养年轻一代的责任，其专业知识水平直接影响着未来的教学质量。针对主观研究手段的局限性，在教育领域，眼动追踪技术是一个很有力的研究工具，它能打破传统的研究方法，更真实地检测被试者在学习、解决问题等过程中的诸如注意力、学习效果甚至是心理变化具体表现，可以更客观、科学地分析被试者的眼动数据和真实感受，能够精确定位到其所感兴趣的区域。［4］

基于以上分析，本研究不拘于传统研究的视角与范式，借助可以客观分析学习认知过程的眼动追踪技术，试图解决以下问题：1.化学师范生的化学平衡概念理解现状；2.不同概念理解水平的化学师范生在解决化学问题时存在哪些差异，认知过程的眼动注意模式有什么规律；3.基于概念理解的差异，如何提高师范生的化学概念学习水平。

二、实验部分

1.实验设计

采取量化研究与质性分析相结合的实验方式。选取100名大三年级化学师范生进行化学平衡概念理解水平的测查，基于Rasch模型分析试题难度与被试能力之间的关系后，根据测试成绩的相对高低分为高水平和低水平概念理解组；采用随机分层抽样方法在两个概念理解水平的基础上各选取8名被试参与眼动实验，通过完成化学平衡相关测试题时的眼动注视模式来进一步分析不同概念理解水平的化学师范生在解决概念问题时存在的认知差异。

2.研究对象

调查对象为陕西某高校大三年级化学师范专业100名大学生，其中男生21人，女生79人，平均年龄22.26（SD=1.03），所有被试均已完成了化学基础专业课程（无机化学，分析化学，有机化学，物理化学，结构化学）的学习，具备一定的学科知识。所有被试双眼矫正视力或裸眼视力均在1.0以上，无散光等视力问题，具备顺利进行眼动实验的基本条件。

3.测试材料

（1）化学平衡概念理解水平量表：在李玲玉开发的化学平衡概念量表的基础上进行修订，［5］综合两名具有17年教学经验的一线中学化学教师与一名大学化学教学论教师的意见，最终确定15道化学平衡概念理解测试题，每题2分，总分30分，均为单项选择题，考查知识点涉及化学平衡的定义、平衡常数、勒夏特例原理等。该量表小范围初测结果经Rasch模型分析得到被试的信度为0.81，项目信度为0.91，说明学生的能力分布较广，量表可信度高，可进行正式实验。

（2）眼动实验试题：共3道单选题，均改编自高中化学人教版必修2化学平衡课后习题与相应高考试题。依次考察化学平衡状态的判定、化学平衡移动的影响因素、化学平衡概念的迁移应用。克隆巴赫系数α的值为0.85，试题信度较高。

4.实验仪器

眼动追踪技术所采用的仪器是Tobii Pro Nano眼动仪和Tobii Lab1.152.3002软件来收集眼动数据，该眼动仪的准确度≤0.3°，精确度≤0.1°，采样率≥60Hz.采用红外遥感式设计，被试需要距离电脑屏幕约50 cm，无需固定被试的头部就能准确收集阅读轨迹等眼动数据，实验过程中参与者只需确保视线不离开电脑屏幕即可。

5.实施过程

（1）化学平衡概念理解水平测试

安排100名被试分别在两间安静的会议室里，通过纸质版的形式进行化学平衡概念理解测试，答题时间为30分钟，最少答题时长不得低于10分钟，测试后收回有效试卷100份，试卷回收率100%。

（2）眼动实验流程

实验正式开始之前，首先向被试简短介绍实验过程及注意事项，在其完全放松的状态下，引导其坐在眼动仪屏幕前进行眼动仪定标与校准，最后进行模拟测试与正式实验。被试在作答过程中大声说出解答思路与所选答案，主试在一旁进行记录，完成测试后对被试进行简短的口语访谈，了解被试解决问题时的主观感受与信息加工过程。

6.数据分析

研究所用到的化学平衡概念理解水平量表与化学平衡相关测试题的质量分析主要在Winsteps软件中操作完成，眼动数据由眼动仪自带的Statistics功能将所有眼动数据以Excel形式输出，最后使用SPSS17.0软件进行处理分析。

三、实验结果

1.化学师范生对化学平衡概念理解水平的问卷调查分析

为了全面了解化学师范生对化学平衡概念的理解水平，首先对100名被试的得分情况进行整体分析，将总体得分绘制成分布直方图，如图1所示。

图1 化学平衡概念测试成绩分布直方图

经过SPSS软件的数据统计得出，本研究的所有被试的测试平均得分为23.7分（满分30分），从整体来看，化学师范生在对平衡概念的总体把握上基本达到了要求，这对于职前教师来说是理所应当的。但出乎意料的是，其中仍然有少部分被试（得分率＜60%）的化学平衡概念的理解水平差强人意。作为未来一线化学教师，其专业水平亟须进一步提高。

2.眼动数据分析

由于试题难度与被试能力分布相当，将得分在24分（80%）以上可认为是能够熟练掌握概念含义，划分为高理解组；得分在18分（60%）以下被视为平衡概念理解上存在较大障碍，划分为低理解组。收集两组各8名被试的眼动数据并分析。

（1）总注视时间

注视时间是指在注视状态下，视线在刺激点上的持续注视所占用的时间，大多数认知过程和信息获取都发生在注视期间。通过分析被试在认知过程的注视时间来判断其注意力的分配情况，进而对其认知加工的困难程度进行深入分析。［6］从表1中的统计结果可以看出，虽然概念理解程度的不同并未引起总注视时间的显著差异，但从整体上可以看出，高理解组作答所花费的时间少于低理解组，说明其信息加工速率高，所投入的认知努力较少，能够排除干扰准确提取出关键信息从而成功解决问题。

表1 不同概念理解水平师范生总注视时间的对比分析结果

（2）热点图

与注视时间呼应，在眼动实验中常以热点图来展示被试的视觉注意力分布情况，其中包含多种颜色：红色表示被试最为感兴趣的区域，该区域注视点最多、注视时间最长，黄色次之，绿色最少，其间有很多过渡层次。［7］选择高理解组与低理解组被试在解决化学平衡概念状态的判定（图2）、平衡移动的影响因素（图3）、化学平衡概念的迁移（图4）这三类试题中的眼动热点图进行分析。

图2 高理解组（a）与低理解组（b）解决平衡状态判断试题的热点图（电子版为彩图）

图3 高理解组（a）与低理解组（b）解决平衡移动试题的热点图（电子版为彩图）

图4 高理解组（a）与低理解组（b）解决化学平衡迁移试题的热点图（电子版为彩图）

在化学平衡状态的判断上（图2），两组被试的注意力分布大致相同，均关注到解题的关键信息，即“正逆反应速率相等”，这也是化学反应达到平衡状态的内在特征。值得关注的是，高理解组的视线加工区主要落在正确答案B选项中，对题干中的其它信息关注较少，所用的作答时间较少，说明高理解组的学生能够快速提取有效信息，不被无关信息干扰；而相比之下，低理解组在选择正确选项之后，还会注意到题干中的其它信息，即“恒温恒容”，认为反应达到平衡的标志还需要考虑具体的条件，并非简单地以速率作为评判依据，作答过程花费时间较多，对于关键信息的提取存在犹豫不决的现象，容易受到干扰，这也说明了对概念的理解不全面将会直接影响问题的解决。

在解答化学平衡移动试题时（图3），两组被试的信息加工模式有明显的不同。在整体上，两组的信息加工区相似，主要集中在“化学方程式”“数字”“影响平衡的措施”等解题关键部分，说明在日常的学习中，被试已经基本掌握了解题的规律，知道哪些因素或条件将会影响化学平衡的移动。具体来看，高理解组的注视区域集中并且范围大，而低理解组的注视区较少且零散，表明对平衡移动的掌握程度会影响被试信息加工的注意力投入，在定位有效解题信息后，高理解组会进一步进行深层次加工，进而选出正确答案；低理解组由于对化学平衡移动的影响因素理解得比较片面，过于依赖勒夏特列原理作为判断平衡移动的依据，因此在刚注意到“浓度”“压强”等字眼时，便快速作出判断，并未真正综合考虑整个反应体系因改变某个条件而引起的其它变化。这也侧面说明了若学生对概念的理解不透彻将会导致其不能在多变的问题情境中顺利地解决化学问题。

综合运用化学平衡原理解决问题，考察的是学生对概念的迁移能力。从热点图（图4）可以看出，高理解组的视觉分布主要集中在选项区，题干中的信息主要关注的是化学方程式，文字性描述信息关注度不高，能直接从解题突破口入手，具有比较高的三重表征转换能力，说明对概念的理解程度高会加快信息加工的速度；低理解组则倾向于从文字信息寻找解题信息，甚至借助图像来辅助作答，加工时间长，所关注的信息比较广泛，无法在第一时间知道自己需要什么信息或者什么样的信息能帮助自己成功解决问题。

（3）轨迹图

眼动轨迹图是注视和扫视的空间和时间序列，能够清晰、真实记录被试的整个认知加工过程，直观反映眼动的时空特征及学习者的视觉浏览过程，一定程度上可以反映被试的心理和思维活动。［8］对比两组被试作答时的眼动轨迹图可以直观看出，高理解组（图5）的眼动轨迹少于低理解组（图6），低理解组会反复观看题干与选项之间的信息，从信息加工策略角度来看，高理解组的信息加工过程清晰、干脆，能够在短时间内作出判断，即使在复杂的问题情境中，高理解组的学生也能利用日常学习时所形成的解题范式进行分析，重点关注解题的关键信息；而低理解组的学生由于对概念的掌握不够透彻，因而会搜索更多的信息来帮助自己作出判断，并且反复在正确选项与其他选项之间反复进行加工，信息加工效率低。

图5 高理解组眼动轨迹图（电子版为彩图）

图6 低理解组眼动轨迹图（电子版为彩图）

四、综合分析与讨论

在学习化学概念的过程中，我们不仅需要准确地描述各种化学概念的实质特征，还要在概念的应用中总结一般规律，并能够熟练地在各种情境中实现概念的迁移。对此，以往的研究将对化学平衡状态的辨识归纳为描述水平，即只需理解平衡特征的字面意义即可解答；将外部条件变化对化学平衡移动产生影响的理解层次总结为规律水平，也就是能利用一般规律解释平衡移动的特点；在概念理解的基础上，学生能够实现将所学的知识迁移到陌生情境中则划分为概念的迁移水平层次。［9］

本研究的眼动结果表明，在描述水平上，两组被试在分析问题与解决问题上花费的时间与认知投入相当，很大的原因是因为化学平衡状态的判断涉及的只是简单的阅读理解过程，这是一个自发的、快速的决策过程，学生平时的经验积累已经形成了良好的思维定势，因而概念理解的差异并不会显著影响被试解决简单的平衡概念问题。在规律水平的测查上，高理解组在综合分析各种因素对平衡移动的影响上比低理解组有更大的优势，其对概念的整体性有着更全面的认识，在压强、浓度、温度等单一条件发生变化促使平衡移动的基础上，高理解组还会关注到这些条件的改变是否会引起其它变化，例如将容积扩大两倍后，压强减小的同时物质的浓度也相应地减少到一半，根据对比平衡后的物质浓度从而推断出平衡移动的方向。结合被试的口述报告，我们还对比出，低理解组在探究平衡移动的方向时，过多地依赖勒夏特列原理进行判断，但在这过程中忽视了适用条件，这也反映出低理解组的学生在平时的学习中，学习化学概念的方式主要以识记为主，不能自主地对概念进行深层次的理解与外延，在眼动热点图与轨迹图中也能看出低理解组在文字性信息上的关注多于高理解组。因而在信息的获取中，低理解组的被试表现出较为混乱的加工过程，不断地在题干与选项中寻找能解决问题的关键信息。由于在平衡概念的辨识与规律的应用中，相比之下，高理解组有着更好的测试表现，这将有利于其在复杂多变、综合性较强的陌生情境中将化学平衡的相关知识点应用自如。

值得关注的是，虽然整体上概念理解水平较高的职前化学教师在不同维度的平衡问题中有着较好的测试成绩，但对正确和错误观念对应的选项有着同等程度的关注，这意味着即使职前教师接受了更高层次的化学专业知识并且有着高程度的概念理解水平，但那些错误的观念仍然根深蒂固并吸引着他们的注意，他们的错误观念仍可能与正确作答竞争，在特定的问题情境下也会使他们做出错误的判断。

五、研究结论与启示

1.研究结论

本研究在利用问卷调查与访谈的方法调查职前教师化学平衡主题概念的理解现状后，借助眼动追踪技术客观分析了概念理解的差异对问题解决的影响，得出以下结论：

（1）职前化学教师对化学平衡的概念理解大部分都达到了优秀及以上水平，基本符合新课程改革对教师专业知识水平的要求。虽然大部分职前化学教师取得了不错的测试成绩，但仍有少数职前教师对部分化学平衡的相关概念，如平衡状态的判断、勒夏特列原理等，在潜意识中仍存在着一定的错误观念。

（2）眼动指标表明，两组被试在某些错误观念的选项上的关注度仍然很高，在信息搜索上，高理解组能有效提取解题关键信息并进行加工，更加能全面分析问题中的所有变量对化学平衡的影响；低理解组则在抽象的符号、图像中提取信息困难，因而更多依赖文字信息来帮助作答。

2.启示

师范生需正视自身的概念理解水平，加强不同阶段化学重要概念的学习。通过访谈得知，师范生在解决中学化学问题时，仍习惯以中学生视角去看待问题，并没有熟练地将大学期间所学的知识与中学化学很好地联系起来，所拥有的知识储备在问题解决上并未表现出优势。因此，化学师范生要有意识地培养并提高自己的高阶思维能力，注重概念的迁移与应用，借此纠正自己的迷思概念。