高中生化学知识架构及其与问题解决关系研究

邓峰 林颖 陈泳蓉 刘丽珍

摘要：使用概念图法调查高二学生关于“电化学”主题的知识架构，结果表明内容方面倾向于记忆实体知识，侧重电化学的基本概念和统摄原理，而对于电化学的原理应用和表征不太敏感。组织结构方面多为多层发散型，表明高中生脑海中可以建立起相同知识内容的纵向关联，但不能形成高关联程度的网络结构。高中生的电化学知识架构水平与其解决电化学问题的能力存在正向相关关系，知识架构水平越高的学生更倾向于能够解决电化学问题。

关键词：电化学；知识架构；问题解决

知识架构（Knowledge Framing）是外界信息与个体经主观能动作用后，个体脑海中形成的知识经验结构，能反映个体掌握学科知识点、组织及表征的信息[1-2]。良好的知识架构有利于深化学生对学科知识的理解，重视知识关联结构化有利于促进学生从学科知识向学科核心素养转化[3]。

“电化学”是中学化学学科中知识体系的核心主题，也是理解化学学科、培养化学思维、形成化学观念的主要载体之一，还与金属活动顺序、氧化还原反应、电解质电离、离子反应以及能量变化等知识交叉融合，是对多个学科知识点的综合运用[4]，其知识内涵的深广度同时也决定了其知识架构的考察价值和核心地位。

目前，对于学生知识架构的测查研究已逐渐丰富，测查工具亦趋于成熟，研究者们通常使用概念图、流程图等工具来测查学生关于特定主题下的知识架构[5]，有研究指出有机化学主题的知识架构水平是影响其问题解决成绩的关键因素，且在成绩变化中占很大比例[6]。而就“电化学”主题而言，国外仍停留于对单个知识点的迷思概念的定性分析[7-12]，而国内则注重电化学认识水平模型进阶式定量分析[13-15]。

相对而言，国内外研究者对“电化学”主题概念知识间结构关系的关注依旧不足，对其与问题解决关系的研究更是稀缺。因此，实施高中生的电化学知识架构水平及其与问题解决关系的探查研究具有重要意义。基于此，本研究将致力于解决两个研究问题：（1）高中生关于“电化学”的知识架构如何；（2）高中生的“电化学”知识架构与其问题解决关系如何。

1 研究设计

1.1 研究对象

基于方便取样，选取广州市某重点中学40名高二选考化学的学生为研究对象。该校为广东省的重点学校之一，学生整体处于中等偏上水平。所有学生学习的教材均为2019年人教版教材，并已经完成高中化学选择性必修1第四章“电化学”主题相关概念的学习。学生按照自愿原则完成问卷，平均用时30～40min。

1.2 数据收集

本研究采用开放性问卷和纸笔测试为主要数据收集方法，并结合半结构化访谈为辅进行数据补充，具体步骤如下。

首先，编制并发放《高中生电化学知识架构调查问卷》，问卷包括两个问题：“当听到电化学时，你会想到什么”和“请列举并解释与电化学有关的内容，并使用图形与带说明的箭头表示这些内容之间的关系。”使用该开放性问卷有助于研究对象深入描述其脑海中知识的真实水平，以全面探查高中生“电化学”主题的知识架构组织情况。

接着，进行半结构化访谈。由于“电化学”是对原电池、电解池等知识的综合性概括主题，在高中阶段的教科书和实际教学中并未存在该词。为避免出现参与者对问卷题目理解出错或不透彻的情况，依照40位学生绘制的概念图内容，引导学生对其绘制的概念图进行解释，实现相互验证，以获取真实而有效的数据。访谈主要从以下问题延伸展开：“你所理解的‘电化学’是怎样的”“能不能解释一下你画的概念图”“对于概念图的内容你还有什么要补充的吗”“你觉得你画的概念图中最核心的概念是哪个”和“你在考试解题中有无使用这些内容”，在访谈过程中依据被访谈者的回答进行延伸、拓展或转换。另外，通过对其观点进一步追问，能完善某些学生可能无从下笔、无法准确表征脑海里“电化学”主题相关知识等情况以减少数据遗失。

最后，基于已有研究设计对应的纸笔测试对研究对象进行测查。编制高中生“电化学”主题纸笔测试卷，以测查诊断对象在该主题下的问题解决能力水平。其设计题型包括选择题和填空题，各题考察内容则分别侧重于不同种知识组分或针对不同种组分间联系的理解与运用。后续通过对比不同对象间知识架构水平与其纸笔测得分情况，从而探查两者间关系如何。

1.3 數据分析

使用Excel 2019和SPSS 25.0软件对问卷数据进行分析，包含以下2个方面：（1）从知识架构的内容与结构两个角度出发，通过分析词语联想内容及其绘制的概念图，对比标准参照图来评估学生对“电化学”概念知识内容的具体内涵丰富程度，其组织结构水平则通过概念图分析法进行评价，基于结构评分法分别统计并赋分概念图中涵盖的有效节点、命题和层次，以此诊断学生头脑里知识间关联整合的结构层次。（2）通过卡方检验与Pearson相关分析探查知识架构与问题解决的关系，尤其关注学生知识架构水平与纸笔测试得分之间的相关性，以及两者之间准确性是否存在显著性差异。

2 结果与讨论

2.1关于“电化学”知识架构的分析结果

2.1.1知识架构的架构内容分析结果

高中生关于“电化学”主题联想的知识架构主要由“原电池”“电解池”“金属的腐蚀”“金属的防护”“电极反应式的书写”和“氧化还原反应”六部分组成。据统计，43%的学生问卷都能完整涵盖六种主要知识组分（见图1），可见高中生在电化学知识的宽广度层面表现得较为突出，知识覆盖延展度高。

为更直观呈现频次的高低，将其绘制成柱状图见图2。六种知识组分中频次最高的为“原电池”。其中，92.5%的学生都提及到“化学电源是原电池的应用之一”，这是从生活应用视角认识原电池，表明储存于高中生头脑中的知识与课程标准的内容要求相契合[2]，即认识化学能与电能相互转化的实际意义与重要应用。然而提及工作原理的频次不多，涉及定义内涵和构成条件的学生仅有一半左右，阐述“双液原电池需要盐桥”等装置类型类的词句则是更少。相似地，就“电解池”而言，87.5%的学生都能提及电镀、电解精炼铜和电冶金等生活应用知识，认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。然而仅一半的学生对电解池的工作原理熟悉，且仅有27.5%的学生提及电解反应背后蕴含的本质。可见，学生对电化学两大内涵的认识更侧重于应用价值，而较易忽视其实质原理。

图2高中生“电化学”主题的联想内容统计

在应用层面，有40%的学生能够正确将“金属的腐蚀”类型分为化学腐蚀与电化学腐蚀，且有65%的学生能进一步将电化学腐蚀分為析氢腐蚀和吸氧腐蚀，这说明高中生从分类观角度学习的金属腐蚀知识更具逻辑性。相比而言，学生较少提及两种腐蚀方式的不同适用条件及其对应的微观原理，这很大程度上是微观现象的不可见性导致的。与之相似的是，大多数学生能将“金属的防护”的方法分为物理方法和化学方法，进而将化学方法分为牺牲阳极法和外加电流法。但仅有37.5%的学生能够标注清楚电化学防护方法背后蕴含的本质原理，并与已掌握的原电池和电解池模型知识相联系，实现化学知识结构化、系统化。

在表征方面，电极方程式可用于衡量高中生使用化学术语表征电极反应事实的能力，一定程度上能够反映高中生的微观探析和模型建构能力。结果表明学生对“电极反应式的书写”的普遍掌握程度较低，无论是涉及“电子守恒、质量守恒、电荷守恒”的守恒观，还是书写方程式时考虑到的环境思维或电极放电顺序，统计结果均不超过50%。而已有研究显示[12]，学生在电极反应方程式书写上存在的问题最大，在书写时容易割裂地看待问题，难以在综合考虑环境思维的同时系统运用三大守恒和放电顺序等知识，可见其本身综合性之强和难度之高。通过深度访谈，将其具体归因于学生难以判断是哪种物质真正参与了电极反应，以及产生了何种电极反应产物。因此，教师在教学过程中应着重注意引导学生书写电极反应式的过程，建构反应物和生成物推导模型，梳理其遵循的配平规律，将书写步骤程序化、模型化。

在本质方面，经过初三和高一对“氧化还原反应”的学习，高中生已经能够从多个知识维度对其进行认识。92.5%的学生能从反应类型的视角来认识电化学反应，95%的学生可以从微观本质视角定义电极反应的区别，实现了从元素认识水平过渡到微粒认识水平的进阶。不过，能意识到“氧化还原反应实则为电化学知识背后的统摄性原理，具有理论性指导地位”这一水平的学生极少，这意味着其仅能从宏观、微观两个维度建立起对电化学的认识，而未能拔高对已学知识的认识，从整体维度综合完善地认识电化学知识。

2.1.2知识架构的结构分析结果

高中生电化学知识架构中知识之间的组织关联情况可以反映其知识架构的结构化水平，因此本研究对每张概念图的类型、数目及百分比进行分析和统计，得出高中生绘制的电化学概念图类型大致分为以下四种类型：散点型、单层发散型、多层发散型和多层聚类型，统计结果如表1所示。

具体而言，水平较低的散点型概念图缺乏使用连线来表示两者之间关系，图中的每个知识内容各自散开分布，因此这类概念图呈现无序化，较为零散杂乱。如上表中例图所示，该学生无法建立原电池、电解池等概念及其应用之间的联系。统计结果显示，仅有三位高中生绘制的概念图为散点型，这与他们难以将“电化学”主题内容结构化，导致脑海里的知识呈孤立性记忆有关。

第二类为单层发散型概念图，其有效知识节点数一般大于三个，但结构上仅为单层层次。简而言之，这类概念图常以一个核心概念为中心点，其他知识内容围绕此中心点发散，呈现单层网状结构。绘制这类概念图的高中生对电化学的知识内容掌握较丰富，但其各概念间的逻辑联系和层次结构较单薄，缺乏横向或纵向维度的逻辑联系。

而与单层发散型相比，多层发散型概念图更像是在其基础上发展与延伸，增添了上下层的纵向关系结构，弥补了纵向维度的发展联系。这种概念图内的电化学有效节点数一般大于5个，且层次为2层以上的概念图。但此类概念图仍缺乏横向维度的逻辑联系，因此这类概念图以核心概念为中心点发散后延伸开来，呈现多层网状结构。统计结果可看出，大部分高中生均绘制出多层发散型的概念图结构，这证明储存于高中生头脑中关于电化学主题的知识内容较多，且能较好地组织知识层次关系，表现为水平较高的知识层次结构，但不同知识类目下的知识内容间无法建立起横向的逻辑联系。

多层聚类型则是高级知识层次的概念图，其不仅涵盖的知识内容数目丰富、而且各个层次结构完善，关系紧密。该结构层级的聚类性不仅体现于其存在的纵向发展联系，也体现在不同概念类目下知识内容建立的横向联系。

整体而言，接近一半的学生关于“电化学”主题的概念图倾向于多层发散型（45.0%），其次分别为多层聚类型（32.5%）和单层发散型（15.0%），而结构化水平低的散点型占比最低（7.5%）。这表明高中生在有限时间内，关联知识的有效节点较多，并且层次结构丰富，脑海中可以建立起相同知识内容的纵向关联，但结构层次主要体现为发散性网络状，不同知识点之间水平连接的能力较低，不能形成高度相关的网络结构。

为形成高中生电化学知识架构图，笔者通过概念图分析法详细统计高中生绘制的电化学概念图各知识组分间的横向联系情况，统计结果如表2所示。据此可知，“氧化还原反应”“原电池”和“电解池”三种成分的联系次数最多，高达88%，这主要是氧化还原反应对原电池和电解池知识具有统摄性的指导作用，而原电池和电解池之间在能量维度、物质转换维度和电极方面都具有关联，因此三者较易建立起联系。此外，“电解池”与“电极反应式的书写”、“金属的腐蚀”与“金属的防护”的联系均达到20次以上，同时学生也能够建立起“原电池”“电解池”与“金属的防护”的联系（共达10次），可见他们脑海中能够梳理出电化学防护方法背后支持的本质原理，从而实现知识间的联系。

为直观地展示高中生在“电化学”主题的知识架构情况，将表2的统计结果绘制成图3的知识架构图形式呈现。其中，双向箭头“↔”用来代表两种知识组分间的联系组合，并通过线条粗细和颜色深浅程度来表示两个知识组分的联系频率均值，而三角形“∆”则可代表三种知识组分间的联系组合。

从整体上看，高中生电化学知识架构图包含6个知识组分，呈现金字塔形状。而“原电池”和“电解池”作为该知识架构的核心点，其他4个知识组分以其为中心进行发散与延伸。因此，“原电池”和“电解池”也是知识结构的认知固定点，与其他大部分知识组分均存在着或多或少的联系，譬如在表征层面与“电极反应式的书写”有关，在应用层面体现着“金属的腐蚀”和“金属的防护”的本质原理。这也反映出这三个知识组分也属于认知固定点，同时在一定程度上反映了“电化学”主题下知识内容的繁杂性和有序性，以及知识之间横向和纵向关联的深入性。与之不同的是，“氧化还原反应”则为两大认知固定点背后的原理，故与其他三种电化学知识组分并不存在关联组合关系。

2.2 高中生的電化学知识架构与其问题解决关系

为进一步探查知识架构与问题解决能力的关系，笔者借助电化学测试题目对学生问题解决能力进行赋分，并分别统整每道题所考察的具体知识组分种类及其之间联系的总数作为该题对应的知识架构总分，在此基础上对每位学生知识架构中是否包含该题考察知识及联系与其解题错对情况进行卡方检验。由结果可知，3道选择题和5道填空题的显著性p值均小于0.05，即不同知识架构水平的高中生解决电化学问题的能力在统计学上存在显著性差异，由此得到“知识架构水平与问题解决这两种变量间存在关系”的结论。

另外，将每位学生的纸笔测试总分与整个知识架构总分进行Pearson相关分析，结果表明相关系数r=0.350且p=0.027，亦表明两者存在着正向中度相关，电化学知识架构水平越高的学生更倾向于能够解决电化学问题。

3 研究结论与建议

通过调查40名高二学生关于“电化学”主题的知识架构，本研究得出以下两个主要结论：（1）高中生关于电化学的知识架构在内容上倾向于记忆实体知识，侧重电化学的基本概念和统摄原理，而对于电化学的原理应用和表征不太敏感，尤其对“金属的腐蚀”和“电极反应式的书写”知识组分的理解相对不足。而在组织结构上，学生所绘制的概念图倾向于多层发散型，这表明高中生关联知识的有效节点较多，且层次结构丰富，脑海中可以建立起相同知识内容的纵向关联。但不同知识点之间横向连接的能力较低，不能形成高度相关的网络结构；（2）高中生的电化学知识架构的水平与其解决电化学问题的能力存在正向相关关系，不同概念图水平的高中生解决电化学问题的能力存在显著性差异。据此，笔者对电化学和概念架构的相关研究和教学提出以下三点建议：

（1）在研究层面，“电化学”主题知识内涵的深广度决定了其承载着的观念丰富，蕴含守恒观、微粒观、变化观、元素观、模型观、分类观、能量观、辩证观及化学价值观等化学基本观念，后续研究可基于“电化学”主题选择具体要测查的某种或多种学科观念，明确所选择观念的具体定义内涵，形成基本理解并划分水平进阶，详细界定不同层次水平的具体表现后进行数据收集，完善高中生观念水平及组织架构的测查[16]。另外，当前研究主要集中于化学学科各大核心概念的架构，但仍然缺乏对其影响因素或具体影响机理的研究，因此可在已有研究的基础上，尝试研究不同教学策略对学生概念架构水平的影响，提炼具有普适性的结论与策略，以期对学生的学习困难对症下药。

（2）在方法层面，由于概念图的构成要素包含节点、命题、层次及实例等，其绘制过程中能促使学生知识结构外显化和可视化，故本研究利用有效诊断学生头脑里知识间关联整合关系的概念图法测查并评价高中生知识的组织结构，进一步梳理图中每种知识类型的频次及其之间的连接关系。但本研究更多仅限于关注其横向联系方面的统计，对于纵向延伸程度或进阶水平的关注不够深入，其相关结构和层次结构的赋分规则仍有待更多的实证研究进行检验和完善。

（3）在教学层面，大部分学生能从应用、核心、表征三个层面认识电化学，但对于从本质层面认识电化学仍存在一定的学习困难，而背靠氧化还原反应这一统摄性原理可以从反应类型、微观本质上帮助理解电极反应，可见学生鲜少主动将旧知与新知建立联系。因此在教学中教师可基于概念映射方法的价值，采取概念图式教学，显化电化学与相关知识的关联互对性，引导学生进行知识迁移与关联化，以此完善认知网络，这也不失为一种可采取的教学策略与评价方式。

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