化學(xué)語(yǔ)境下高中生化學(xué)元建模知識(shí)的測(cè)評(píng)研究

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》闡述“模型認(rèn)知”時(shí)，既從認(rèn)知層面要求學(xué)生需充分理解模型的本質(zhì)、模型的目的、模型的檢驗(yàn)和修改以及模型的多樣性；又從實(shí)踐層面強(qiáng)調(diào)學(xué)生需具備建立和使用模型的能力［1，2］。Schwarz（2009）認(rèn)為元建模知識(shí)（Meta-modelingKnowledge，MK）是對(duì)科學(xué)如何工作和如何創(chuàng)造的本質(zhì)反映，包括模型的本質(zhì)、模型的目的以及評(píng)估和修改模型的標(biāo)準(zhǔn)［3］。Belzen（2010）等整合已有的理論框架，在此基礎(chǔ)上增加了模型的多樣性維度［4］，受到廣泛認(rèn)可。Schwarz提出，科學(xué)需要元建模知識(shí)來(lái)開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確的認(rèn)知論，并通過(guò)實(shí)證研究證實(shí)元建模知識(shí)是建模實(shí)踐所必需的知識(shí)［5］。因此，了解學(xué)生化學(xué)元建模知識(shí)的水平并促進(jìn)其發(fā)展是培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。以測(cè)評(píng)工具為切入點(diǎn)對(duì)已有研究進(jìn)行梳理可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究大都利用科學(xué)模型本質(zhì)觀調(diào)查問(wèn)卷對(duì)學(xué)生元建模知識(shí)展開(kāi)測(cè)評(píng)［6］?？茖W(xué)模型本質(zhì)觀問(wèn)卷所得到的調(diào)查結(jié)果具有普遍性，但也有明顯缺點(diǎn)?！澳Ｐ汀币辉~對(duì)中學(xué)生而言較為抽象，自評(píng)量表有效性會(huì)受到影響。美國(guó)《國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》指出，建模實(shí)際上是一種在真實(shí)學(xué)科情境中的科學(xué)認(rèn)知實(shí)踐。Clough和Driver（1986）［7］等國(guó)外學(xué)者和王磊等［8］國(guó)內(nèi)學(xué)者也都提到，個(gè)體對(duì)給定任務(wù)的解釋不能脫離有關(guān)任務(wù)語(yǔ)境，需要關(guān)注具體任務(wù)情境在學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜關(guān)系知識(shí)中的作用。“語(yǔ)境”一詞在科學(xué)教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，一般存在兩種不同含義：一是指測(cè)量題干中的任務(wù)特征［9］；二是指學(xué)習(xí)情境［10］。本研究中“化學(xué)語(yǔ)境”為測(cè)量題干中的化學(xué)任務(wù)特征。信息只有在具體情境中被使用，才能被組織成有意義的、相互聯(lián)系的事實(shí)和概括化的內(nèi)容，才成為知識(shí)。因此，在具體的任務(wù)語(yǔ)境中去測(cè)評(píng)學(xué)生的化學(xué)元建模知識(shí)，能夠在一定程度上回應(yīng)傳統(tǒng)模型本質(zhì)觀問(wèn)卷所忽視的語(yǔ)境問(wèn)題，測(cè)量學(xué)生頭腦中的元建模知識(shí)而非他們所記憶的信息，為教學(xué)中促進(jìn)元建模知識(shí)的理解提供具體指引。2研究設(shè)計(jì)與實(shí)施2.1元建模知識(shí)測(cè)評(píng)理論框架研究采用Belzen等（2010）提出的元建模知識(shí)理論框架。該框架從模型的認(rèn)知成分出發(fā)，將元建模知識(shí)劃分為模型的本質(zhì)、模型的多樣性、模型的目的、檢驗(yàn)和修改模型五個(gè)方面［11］。該框架受到研究綜述的認(rèn)可［12］，比較經(jīng)典。其中，模型的本質(zhì)和模型的多樣性反映的是學(xué)生對(duì)模型的理解；模型的目的、檢驗(yàn)和修改模型則是建模過(guò)程的重要組成部分，反映的是學(xué)生對(duì)建模的理解。借鑒Belzen等（2010）的水平劃分［13，14］，將每個(gè)維度劃分為三個(gè)水平，以進(jìn)一步反映模型作為產(chǎn)品以及科學(xué)方法的認(rèn)識(shí)論觀點(diǎn)。如表1所示，水平1關(guān)注模型的表征；水平2則將模型視為某物的媒介，并專注于創(chuàng)建過(guò)程；水平3是理解模型在科學(xué)中用于得出和檢驗(yàn)關(guān)于原型的理論假設(shè)。水平1和2都指向“模型的描述性”，水平3則指向“模型的預(yù)測(cè)性”。2.2測(cè)評(píng)工具設(shè)計(jì)與質(zhì)量檢驗(yàn)2.2.1測(cè)評(píng)工具設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)“化學(xué)元建模知識(shí)測(cè)評(píng)問(wèn)卷”，共25個(gè)題項(xiàng)。五個(gè)維度各設(shè)計(jì)5個(gè)題項(xiàng)，一個(gè)非語(yǔ)境任務(wù)和三個(gè)語(yǔ)境任務(wù)，還有一個(gè)開(kāi)放式題目，用于解釋前面語(yǔ)境任務(wù)題項(xiàng)選擇的原因?；瘜W(xué)語(yǔ)境是指任務(wù)題干中所提供的化學(xué)模型的說(shuō)明和解釋，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮如下因素：首先，經(jīng)過(guò)專家咨詢保證化學(xué)模型任務(wù)具備檢測(cè)到水平3的能力，不是只能區(qū)分低層次的理解。其次，為保證化學(xué)語(yǔ)境的多樣性，參考Harrison（2000）［15］、Kruger（2018）［16］等人的研究，從模型的表征形式、模型的功能以及模型的內(nèi)容主題對(duì)化學(xué)模型進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。最后，考慮到中學(xué)生的認(rèn)知水平，從中學(xué)化學(xué)教材不同的主題內(nèi)容中對(duì)模型進(jìn)行篩選。最終每個(gè)維度的三個(gè)語(yǔ)境任務(wù)對(duì)應(yīng)三類不同的化學(xué)模型（如表2所示）。以“模型本質(zhì)”維度兩個(gè)試題示例如下：非語(yǔ)境任務(wù)試題：你認(rèn)為模型和它的原型的關(guān)系是什么？A.展示原型的樣子B.適當(dāng)?shù)卣故玖嗽偷闹匾矫鍯.展示了對(duì)原型的假設(shè)語(yǔ)境任務(wù)試題：原子核外電子的排布可用下圖的電子層模型來(lái)表示，你認(rèn)為該模型和真實(shí)的電子排布有什么關(guān)系？A.展示了原子核外面的空間結(jié)構(gòu)B.展示了原子核外電子在能量不同的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)C.是科學(xué)家根據(jù)研究對(duì)原子核外電子的排布做出的理論假設(shè)為避免對(duì)學(xué)生的語(yǔ)境任務(wù)作答起到暗示的作用，將5個(gè)非語(yǔ)境題項(xiàng)集中放到問(wèn)卷的最前面。2.2.2效度分析為了保證學(xué)生對(duì)任務(wù)反應(yīng)過(guò)程的有效性，研究選取了3位高校專家和4位中學(xué)教師對(duì)量表內(nèi)容進(jìn)行效度評(píng)價(jià)。專家組成員根據(jù)每個(gè)條目及研究概念的相關(guān)性從低到高分別進(jìn)行1至4分的評(píng)分，評(píng)定者間一致性為0.85。用評(píng)分為3或4的專家數(shù)除以專家總數(shù)得到條目水平的內(nèi)容效度指數(shù)，得到問(wèn)卷的SCVI為0.979，內(nèi)容效度良好。根據(jù)專家意見(jiàn)對(duì)內(nèi)容效度較低的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行修訂。2.2.3信度分析為檢驗(yàn)問(wèn)卷信度，第一輪試測(cè)在省一級(jí)示范性普通高中M中學(xué)高二年級(jí)某班隨機(jī)抽取30人，發(fā)放30份問(wèn)卷，回收有效問(wèn)卷29份。統(tǒng)計(jì)得到元建模知識(shí)五個(gè)維度的四個(gè)任務(wù)的Cronbachalpha值分別為0.523、0.518、0.534、0.468和0.498，整體不夠理想。但Leach（2000）等人指出，學(xué)生回答的高度情境化有可能會(huì)降低Cronbachalpha值［17］，因此這樣的結(jié)果仍然在可接受范圍內(nèi)。2.3測(cè)試對(duì)象正式測(cè)試在M中學(xué)高二年級(jí)中隨機(jī)抽取了六個(gè)平行班，共發(fā)放問(wèn)卷300份，回收問(wèn)卷283份，剔除無(wú)效問(wèn)卷21份，得到有效問(wèn)卷262份。從性別上看，男生有效作答人數(shù)為137人，女生有效作答人數(shù)為125人。2.4數(shù)據(jù)處理首先，對(duì)學(xué)生正式測(cè)試的選擇題答案計(jì)分，選水平1、水平2、水平3答案的學(xué)生計(jì)分分別為1至3分，將數(shù)據(jù)輸入量化分析軟件SPSS24進(jìn)行處理。分別分析學(xué)生的元建模知識(shí)整體理解水平以及五個(gè)維度上語(yǔ)境對(duì)其理解水平的影響。為了揭示學(xué)生在不同語(yǔ)境中選擇選項(xiàng)的原因，按照學(xué)生提交問(wèn)卷的序號(hào)對(duì)學(xué)生進(jìn)行編碼，對(duì)被試的每個(gè)維度的開(kāi)放式問(wèn)題的回答作定性分析。3分析與結(jié)論3.1學(xué)生化學(xué)元建模知識(shí)的整體理解處于描述性水平在參與調(diào)查的262份有效樣本中，學(xué)生所表現(xiàn)出的元建模知識(shí)整體理解水平分布見(jiàn)圖1所示，均值為2.28，標(biāo)準(zhǔn)差為0.194，表明學(xué)生的元建模知識(shí)整體理解水平大體位于水平2，學(xué)生在認(rèn)識(shí)化學(xué)模型時(shí)，主要是對(duì)模型“描述性”的認(rèn)識(shí)，將模型視為某物的媒介?！澳Ｐ偷念A(yù)測(cè)性”側(cè)重于模型在科學(xué)中用于得出和檢驗(yàn)關(guān)于原型的理論假設(shè)，而結(jié)合學(xué)生在開(kāi)放題中的回答以及王祖浩等人的研究［18］可以看出，我國(guó)化學(xué)教師在化學(xué)教學(xué)中更傾向于直接提供模型，而不是鼓勵(lì)學(xué)生建立模型，即使有建模實(shí)踐，也往往停留在模型構(gòu)建和模型應(yīng)用階段，缺乏對(duì)于模型的批判性評(píng)價(jià)與修正。3.2學(xué)生元建模知識(shí)不同維度下的理解水平存在差異在比較學(xué)生元建模知識(shí)不同維度下的理解水平時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不符合正態(tài)分布，因此簡(jiǎn)單的維度均分未必能客觀地反映學(xué)生的表現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)處理均采用非參數(shù)檢驗(yàn)方法。以各維度得分中位數(shù)為因變量，4個(gè)題項(xiàng)作為預(yù)測(cè)變量，分別進(jìn)行多元回歸分析，決定系數(shù)R2分別為0.873、0.798、0.862、0.996和0.841，均大于0.80，說(shuō)明回歸模型均能解釋因變量80%以上的變異量，后續(xù)分析合理。將每個(gè)學(xué)生各題項(xiàng)的原始得分代入各自的回歸方程，可以計(jì)算每個(gè)學(xué)生在“元建模知識(shí)各維度”的預(yù)測(cè)值，以此來(lái)表示學(xué)生元建模知識(shí)各個(gè)維度的真實(shí)理解水平，最終計(jì)算結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，學(xué)生元建模知識(shí)各個(gè)維度的理解水平位于水平2和3之間。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ头矫娴木底罡?，模型目的方面均值最低。為進(jìn)一步探尋元建模知識(shí)各維度的預(yù)測(cè)值的差異性，進(jìn)行成對(duì)分析，如表3所示。學(xué)生在元建模知識(shí)不同維度下的理解水平的確存在顯著性差異，在檢驗(yàn)?zāi)Ｐ头矫娴睦斫馑斤@著高于其他四個(gè)維度，在模型目的維度的理解水平顯著低于其他三個(gè)維度。這表明學(xué)生元建模知識(shí)在不同維度上的獲得過(guò)程的不一致性，可能并不是一個(gè)整體性的過(guò)程。同時(shí)，這與江奇芹［19］等學(xué)者利用模型本質(zhì)觀問(wèn)卷調(diào)查得到的結(jié)果存在差異性，顯示元建模知識(shí)的語(yǔ)境依賴性。3.3有無(wú)語(yǔ)境下元建模知識(shí)理解的差異分析對(duì)有無(wú)語(yǔ)境的任務(wù)整體得分均值進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示整體不存在顯著性差異。但基于前一節(jié)數(shù)據(jù)分析可知，學(xué)生在元建模知識(shí)的不同維度的理解水平顯示出顯著差異，僅僅比較整體差異可能會(huì)掩蓋不同維度下學(xué)生的心理加工過(guò)程的細(xì)節(jié)，為了進(jìn)一步探索這一現(xiàn)象，對(duì)于各維度學(xué)生的作答情況及選擇原因進(jìn)行分析。無(wú)語(yǔ)境任務(wù)中的高水平作答能顯示學(xué)生對(duì)于元建模靜態(tài)知識(shí)的水平，而語(yǔ)境任務(wù)的高水平作答才能顯示出學(xué)生動(dòng)態(tài)的理解，教學(xué)的理想目標(biāo)應(yīng)該是語(yǔ)境任務(wù)的作答情況優(yōu)于非語(yǔ)境任務(wù)。如圖3所示，“模型本質(zhì)”“模型目的”和“模型多樣性”三個(gè)維度的語(yǔ)境任務(wù)得分均值均高于非語(yǔ)境任務(wù)，說(shuō)明學(xué)生結(jié)合具體化學(xué)語(yǔ)境對(duì)這些維度的動(dòng)態(tài)理解更加深入。而“檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀焙汀靶薷哪Ｐ汀彪m然整體得分更高，但語(yǔ)境任務(wù)得分卻低于非語(yǔ)境任務(wù)，這反映出當(dāng)前中學(xué)化學(xué)教學(xué)中教師強(qiáng)調(diào)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃托薷哪Ｐ偷谋匾?，學(xué)生印象深刻，但是將其轉(zhuǎn)化為有意義情境中的元建模知識(shí)還存在一些困難。“模型本質(zhì)”理解的語(yǔ)境任務(wù)作答水平分布表明，在理論模型電子層語(yǔ)境中，學(xué)生選擇3水平最多，結(jié)合開(kāi)放題作答發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在面對(duì)理論模型時(shí)，可能更容易意識(shí)到科學(xué)知識(shí)的不確定性，從而理解“模型的本質(zhì)是對(duì)原型的理論重建，是一種推測(cè)或假設(shè)”。例如，學(xué)生對(duì)于電子層模型語(yǔ)境選擇水平3選項(xiàng)的解釋為：“原子和電子屬于微觀粒子，人們無(wú)法了解到其真實(shí)的狀態(tài)，所以電子層模型只能是作出一種假設(shè)?！倍鴮W(xué)生對(duì)于氮的循環(huán)語(yǔ)境選擇水平1的解釋為：“現(xiàn)階段的理論是較為完善的，模型展示的是我們看到的既定事實(shí)，不屬于假設(shè)?！边@說(shuō)明某些學(xué)生認(rèn)為科學(xué)對(duì)于宏觀世界的發(fā)現(xiàn)確定性程度大于微觀世界，而在一定程度上忽略了科學(xué)知識(shí)固有的試探性?！澳Ｐ湍康摹崩斫獾恼Z(yǔ)境任務(wù)作答水平分布顯示，在數(shù)學(xué)模型化學(xué)平衡常數(shù)語(yǔ)境中，選擇水平3選項(xiàng)的人數(shù)最多，數(shù)學(xué)模型更為抽象、精確，能通過(guò)計(jì)算發(fā)揮預(yù)測(cè)功能，學(xué)生認(rèn)識(shí)較好。而學(xué)生在圖表模型價(jià)類二維圖語(yǔ)境中的理解多分布于水平2，學(xué)生的解釋是“圖表中有很多箭頭，很清晰地表示出了物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系”，表明學(xué)生在此類語(yǔ)境中容易將模型的目的理解為展示或解釋原型各部分的關(guān)系，從而忽視模型的預(yù)測(cè)功能。“模型多樣性”理解的語(yǔ)境任務(wù)作答水平分布顯示，在理論模型共價(jià)鍵語(yǔ)境中，學(xué)生對(duì)于模型多樣性的認(rèn)識(shí)水平3最多。當(dāng)一種原型對(duì)應(yīng)多種理論模型時(shí)，學(xué)生會(huì)將模型的多樣性理解為是對(duì)原型作了不同的假設(shè)，理解水平最高。例如，學(xué)生在解釋共價(jià)鍵理論模型時(shí)提到：“第一種是從成鍵的角度去思考的，第二種是從分子結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行更加嚴(yán)謹(jǐn)、更加清晰的解釋?！薄靶薷哪Ｐ汀崩斫獾恼Z(yǔ)境任務(wù)作答中，學(xué)生對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的模型發(fā)生修改變化的實(shí)質(zhì)原因理解不夠清晰。比如，學(xué)生認(rèn)為苯的結(jié)構(gòu)式模型發(fā)生改變的原因僅僅是研究者習(xí)慣用的符號(hào)表征方式發(fā)生了改變；有的學(xué)生在解釋原子結(jié)構(gòu)模型變化時(shí)回答道：“因?yàn)殡S著科學(xué)家對(duì)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入研究，越來(lái)越多新的發(fā)現(xiàn)被添加至模型中。”學(xué)生并不能清楚地將“把新信息添加到舊的模型中來(lái)建立新模型”和“推翻舊模型所基于的假設(shè)來(lái)建立新模型”區(qū)分開(kāi)來(lái)。4教學(xué)建議4.1關(guān)注模型的認(rèn)知功能，提升學(xué)生模型預(yù)測(cè)性認(rèn)知研究結(jié)果表明，學(xué)生對(duì)于模型“預(yù)測(cè)性”的認(rèn)識(shí)不夠。在具體語(yǔ)境中，學(xué)生在數(shù)學(xué)模型和理論模型語(yǔ)境中對(duì)模型預(yù)測(cè)功能的理解較好，一定程度反映了化學(xué)反應(yīng)原理的教學(xué)中教師對(duì)學(xué)生模型預(yù)測(cè)性的認(rèn)知引導(dǎo)充分［20］，效果明顯，而對(duì)于圖像圖表模型、概念過(guò)程模型的預(yù)測(cè)性認(rèn)知，教學(xué)中還需加強(qiáng)。例如，教師可以利用元素在自然界循環(huán)的圖像圖表模型預(yù)測(cè)元素及其化合物在自然界中轉(zhuǎn)化的過(guò)程及核心化學(xué)反應(yīng)，以及自然條件對(duì)反應(yīng)的綜合影響，形成系統(tǒng)思維。在化學(xué)工藝流程的學(xué)習(xí)中，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)符合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求的物質(zhì)制備、分離和提純的一般性過(guò)程模型，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生多次使用模型預(yù)測(cè)流程中的產(chǎn)品及生產(chǎn)條件，尋求證據(jù)驗(yàn)證觀點(diǎn)，解決實(shí)際問(wèn)題，促進(jìn)元建模知識(shí)向高層次發(fā)展。4.2重視建模實(shí)踐，以反思促進(jìn)學(xué)生模型檢驗(yàn)和修改知識(shí)的發(fā)展研究結(jié)果表明，學(xué)生對(duì)化學(xué)元建模知識(shí)各維度的理解在有無(wú)語(yǔ)境任務(wù)表現(xiàn)上是存在差異的。學(xué)生在檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃托薷哪Ｐ偷睦斫庵?，語(yǔ)境任務(wù)表現(xiàn)更差，啟示教師教學(xué)時(shí)除了強(qiáng)調(diào)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃托薷哪Ｐ偷闹匾?，還需要結(jié)合有意義情境讓學(xué)生深入理解模型修改的本質(zhì)原因。比如，教師在教學(xué)中首先可以利用化學(xué)史素材，分析不同時(shí)代化學(xué)家提出的某類模型為什么會(huì)發(fā)生變化？改變的依據(jù)是什么？然后讓他們?cè)诰唧w的建模過(guò)程中主動(dòng)參與檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃托薷哪Ｐ偷膶?shí)踐活動(dòng)，并在這種實(shí)踐活動(dòng)中及時(shí)進(jìn)行反思，自己檢驗(yàn)和修改模型的依據(jù)是什么，觀察分析和實(shí)踐反思活動(dòng)是促進(jìn)元建模知識(shí)理解的重要方式。