学生化学抽象概念认知发展研究

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摘要：以电化学概念的表征和问题解决为主要研究内容，使用测验、访谈的方法展开研究，探查不同年级学生在电化学核心概念表征中存在的差异，揭示不同年级学生在电化学问题解决中存在的问题。在研究的基础上，为化学抽象概念的学习提出了可供借鉴的结论和建议。

关键词：电化学；概念表征；抽象概念；测验法

文章编号：1005-6629（2012）11-0036-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1、问题提出

化学教学在遵循思维发展规律的前提下，在学生概念的形成发展方面起了怎样的作用，还有哪些问题和不足，如何加以改进？如何缩短这种发展进程，以及有效地提高学生化学学习的思维水平？这些都是概念研究中亟待解决的问题。鉴于我国在学生抽象概念学习尤其是电化学概念学习方面的研究较少，尤其是关于概念认知发展方面的研究甚少，本文将试图围绕以上问题，根据认知发展的有关理论，采用文献法、实验法、访谈法等，揭示学生在学习以电化学概念为代表的抽象概念时存在的心理认知因素以及学习特点，为电化学概念系统的教学提供可借鉴的建议。

2、研究思路

2.1 测验编制

本研究主要使用自行编制的测验卷“电化学基本概念测验”。在测验编制过程中，与化学教师、化学教育专家进行探讨，对试题进行了详细论证，保证了测验卷的内容效度。经计算，测验的内在一致性信度系数分别为0.765和0.805，基本符合探索性研究的需要。

本测验选取被试200名，分别为：72名湖北省重点高中高三学生（男女比例约为2：1），他们在高三之前初步学习的是铜-锌原电池和电解饱和食盐水，但没有深入分析和理解；88名某师范院校化学系本科一年级学生（男女比例约为3：5），他们已在铜-锌原电池和电解饱和食盐水的基础上，经过了大量的练习理解相关概念；40名该师范院校化学系大四年级学生（男女比例约为3：5），他们已在高中的基础上学习了多种原电池和电解池及应用，并从电势的角度理解电池。测验和访谈时间总共为45分钟。

2.2 测验数据处理

根据电化学概念在电化学知识系统中的作用，本研究将原电池、电解池、正极、负极、阴极、阳极界定为电化学基本概念。将“电化学基本概念测验”中的基本概念分三组，分别为：原电池/电解池、正负极、阴阳极。基本概念评分标准如表1所示。学生以一种表征形式回答且正确给1允错误给0分，用两种表征形式回答且表述正确给2分。数据统计采用SPSS统计处理。

3、研究内容及其结果分析

本研究对“电化学基本概念测验”的总分进行了描述性统计和方差分析，具体结果如表2、表3所示。

由表2可知：整体上看，三个年级在三组基本概念测试中表征形式的数量差异不大，其中大一学生表征形式最多。数据显示，每个学生每个概念的表征测试得分均不高，如“原电池/电解池”的表征中高三学生平均得分为2.31，大一学生为2.59，大四学生最低只有2.28。由表3可知：只有高三学生与大一学生在表征形式的数量上存在显著差异；大一学生与大四学生、大四学生与高三学生之间表征形式数量不存在显著差异。造成这种结果的可能原因是大一、大四学生虽然全面学习过电化学的相关知识，但是他们只是对与高中学过的知识更加理解了，并没有利用大学学习的燃烧电池、电势等知识提高认知水平。

为了进一步分析不同年级学生中存在的迷思概念及三组基本概念表征层次的差异，本研究按照学生理解程度，将学生电化学基本概念的表征分为浅、中、深三个层次。浅层次表征指对概念的外在特征进行的表征，它属于例证性表征，如有学生认为“负极是Zn”；中等层次表征指通过部分例题总结出的规律性表征，如有学生认为“负极指活泼金属”；深层次表征指对概念本质、内在特征的表征，如有学生认为“失去电子的电极是负极”。在此基础上，探讨不同年级学生表征形式的特点，并对电化学概念表征作更具体的统计分析。

3.1 “原电池”与“电解池”概念的表征

对学生原电池/电解池的表征进行了分类，将从电池的组成等方面描述的为浅层次表征，从电池的功能角度定义的为中等层次表征，从能量转换的角度和能否发生自发的氧化还原反应等角度定义的为深层次表征，并对不同年级三种层次的表征进行了统计分析，结果如表4和表5所示。

研究显示，随着年级的增长，学生对原电池和电解池的深层次表征所占的比例越高，浅层次表征所占的比例越低。大四学生低、中等层次表征明显减少；高三和大一学生的三种表征层次的人数差异不大。这说明低年级学生对原电池与电解池的表征层次比较分散，没有形成稳定的概念认知结构，而高年级对概念的理解相对较为深刻。

3.2 “正极’与“负极”概念的表征

通过测验分析，对学生正极/负极的表征层次进行定义和分类，将根据外部特征的描述定义为浅层次表征，从金属电极活泼性的角度来进行描述的定义为中等层次表征，从电极反应类型和电子得失角度描述的定义为深层次表征。对不同年级三种层次的表征进行了统计分析，具体结果如表6所示。

可见，经过高三复习之后的大一学生和学习了电化学的大四学生对正负极的表征相对较为深刻。高三学生刚刚学习电化学，他们表征知识主要以形象生动的图形和记忆概念为主；经过系统复习后的大一和大四学生以抽象的深层次表征为主。

3.3 “阴极”与“阳极”概念的表征

为了深入地了解不同学生对阴阳极概念的认知特点和认知差异，将从外部特征描述的定义为浅层次表征，如电极与外部电源的连接方式；从金属电极活泼性变化角度描述的定义为中等层次表征；从电极反应类型和电子得失角度描述的定义为深层次表征。对不同年级三种层次的表征进行了统计分析，结果见表7。

可见，随着年级升高，学生浅层次表征所占的比例越来越大；三个年级的中等层次表征都比较低，高三和大一学生规律性表征的人数比大四学生多；深层次表征没有表现出随年级升高所占比例越高的现象。不同年级学生对阴、阳极概念的表征程度不一样，低年级学生较多地从与外部电源的连接方式、电极的活泼性等角度表征，而高年级学生较多地从电子得失的角度进行表征。从数据上看大四学生从电子得失的角度去表征也比较少，针对这一现象，对部分学生进行了补充访谈，发现他们因为修习了学科教学论课程，因而倾向于选择教材上最没有争议的表征形式。

4、结论与启示

4.1 结论

根据以上测试结果以及访谈分析，可以得出如下结论：

（1）不同年级在同一概念的表征层次上存在差异。随着年级的升高，经过了_一个发展变化的积累和量变时期，学生对电化学基本概念的认知结构发生了变化。这种变化具有一定的稳定性，表现在不同年级学生概念表征层次出现一定的差异，其中低年级学生缺少对概念本质特征的表征。

（2）微观过程的认知有助于促进学生对概念本质的表征。对电化学微观过程没有深刻认识的学生，其注意力分散在问题的表面特征上，不能深入到问题的本质，其表征也不完善。

（3）在不同阶段的基本概念学习中，大一学生经过高考前的复习，他们对概念的理解相对丰富，此时是改善和巩固学生理解概念的重要时期；而对于刚刚学习基本概念的学生，他们对概念的理解相对单一，基本靠死记硬背，或是记下口诀。

4.2 启示

第一，在概念教学中，在学习概念的初期应重视基本概念的建立，以避免学生产生错误概念。教师不仅要把概念看作重要的基础性知识，而且要视概念教学为一种手段，用于促进学生对关键性概念和概念性思想的更深层次的理解。教师要能够识别从具体主题中产生的核心概念、深层内容和原则，需要不断地、反复地对核心概念的教学进行实践。

第二，为加强学生对电化学微观过程的本质理解，应在进行化学实验并观察宏观现象的基础上，通过对宏观现象的分析逐步迈入微观世界；另外用形象的图片、模型、动画等形式对微观过程进行模拟，以直观的形式反映微观世界。

第三，在教学过程中，师生应克服只从外部特征理解电化学概念的形式。教师提供合理、恰当的变式，对于学生灵活、准确地掌握化学概念本质特征是非常必要的，有助于学生完善概念认知结构。

综上所述，在教学过程中，教师必须从学生实际出发，研究学生学习化学概念的心理特点，优化教学思路和具体策略，引导学生正确建立化学概念和使用化学概念，从而培养学生分析问题和解决问题的能力，全面提高化学教学质量。