中学生氧化还原反应学习心理的实证研究与反思大陆和台湾经验

1 问题的提出 氧化还原反应是化学重要的基本理论，也是中学化学课程的学习重点和 难点。氧化还原反应包括以“得失氧元素”、“元素化合价变化”、“电子转移”为 标志的 3 个学习阶段，涉及反应物和产物类型、反应类型、反应特征和本质 反应进程等内容及其相互关系，拥有庞大而复杂的学习内容。许多教师围绕 氧化还原反应的教学，探讨了大量有助于突破教学重难点的方法，设计了大 量优秀教学案例，在课堂教学实践层面取得了丰富成果。 学生对不同类型知识的学习，要满足不同的学习条件，经历不同的学习 阶段。学生对氧化还原反应知识的学习，必须满足概念和原理知识的学习条 件，经历概念发展的学习阶段。深入认识学生在氧化还原反应知识学习过程 中的认知状态及其变化机制、阶段发展等学习心理范畴内容，更有助于研究 者和教师设计适合学生的课程和教学内容，选择相应的教学方法。因此，有 必要系统地总结研究者对于中学生氧化还原反应知识学习心理的实证研究成 果。值得考虑的是，我国大陆和台湾地区同是华人社会，两岸中学生在课程 内容和社会文化等因素的影响下，在语言和概念学习、学习心理发展等方面 容易存在较大的相似性。因此，也有必要系统地总结两岸研究者在该研究主 题上的研究成果，促进化学学习心理研究的发展。 2 研究方法 通过中国知网查询大陆学术文献，通过台湾科学教育期刊文献数据库、 硕博士论文数据库查询台湾学术文献。文献类型包括期刊论文、会议论文、 硕博士学位论文等形式。通读论文的主要内容，筛选出偏重研究中学生氧化 还原反应知识学习心理的实证研究文献，最后共得文献 22 篇。其中，期刊 论 文 7 篇 ， 会 议 论 文 1 篇 、 硕 博 士 学 位 论 文 14 篇 ; 大 陆 文 献 17 篇 ， 占 77.3%，台湾文献 5 篇，占 22.7%。根据不同的研究内容，将这些文献归类 为新课学习、问题解决、阶段发展这 3 个研究角度。部分文献涉及多个研究 角度，新课学习研究角度有 4 篇次，占 18.2%，问题解决研究角度有 10 篇 次，占 45.5%，阶段发展研究角度有 11 篇次，占 50%。 3 研究进展 3.1 新课学习的研究 新课学习研究角度关注学生正式学习氧化还原反应知识时，如何形成和 建立相关概念的定义，认识概念系统的内部关系。研究文献较少，包括 3 篇 大陆文献和 1 篇台湾文献。 对外部信息进行各种加工，并且形成个人长时记忆的表征形式，是信息 加工的重要过程。丁伟[1]提出氧化还原反应概念的内部表征形式，具有命题 符号表征、知觉符号表征和综合表征这 3 种表征类别，共 10 种表征形式。 研究者以自由联想的方式，调查上海高二学生的氧化还原反应概念内部表征 形式。研究发现学生使用了多元化的表征形式，其中主要使用文字语言描述 表征形式，极少使用图像表征形式。此外，高质量的概念内部表征具有表征 类别多元化、表征形式多重化、精致程度更高、更趋于概念本质这几个特点。 而要形成高质量的概念内部表征，学生需要通过自我解释等方式，主动地对 概念进行深度加工，变换出适合个人长时记忆的概念内部表征形式。 概念学习包括概念获得和概念应用两个阶段，概念获得包括概念形成和 概念同化。邓阳[2]比较概念形成和概念同化这两种方式，对湖北高一学生学 习氧化剂和氧化产物这两个概念的影响。研究结果显示：(1)概念同化方式比 概念形成方式能够获得更好的学习效果。(2)概念同化方式在宏观的化合价表 述上比微观的电子转移(偏移)表述能够获得更好的学习效果。(3)不同学业水 平学生在概念形成上学习效果的差异不显著，而概念同化学习效果有显著差 异。概念的内部结构、不同的概念学习方式和学生的学业水平共同影响着概 念的动态难度。 詹 耀宗 [3] 参 考坎 贝尔 进化 认识 论的 观点 ， 从 替代 选择 器 (Vicarious Selectors)的内容、结构、运作机制和元系统转换的角度，以个案研究的方 式探讨台湾 3 位高二学生氧化还原反应概念形成机制。通过学生的访谈资料 研究者认为替代选择器包括：(1)关键概念。处于中心位置，由原理概念属性 的命题陈述归纳而成，用于判断相关概念命题。(2)辅助概念。处于周围位置， 代表多种不同属性的命题陈述，用于理解和陈述关键概念。在概念形成过程 中，这 2 种概念产生相互作用，关键概念会选择辅助概念，辅助概念会支持 形成关键概念。替代选择器元系统转换是让整个概念结构从复杂到简单的精 炼过程。 考 虑 到 学 生 的 个 性 心 理 ， 冯 姣 姣 [4] 探 讨 歧 义 容 忍 度 (Tolerance of Ambiguity))对河南高一学生氧化还原反应概念学习的影响。该研究界定的歧 义容忍度指学生的认知结构与新知识存在差异性时，学生对两者共存的包容 、 接受的心理倾向。研究结果显示相对于低歧义容忍度学生，高歧义容忍度学 生更能够接受新概念，甄别与加工新旧知识，达到概念深层加工水平，并且 有助于认知过程本体概念的内容。 由上述可知，研究者分别对概念内部表征形式、概念获得的方法和机制、 个性学习心理这几个主题开展具体探讨。该研究角度并不受研究者注目，这 可能因为深入地刻画学生头脑中建立和联系氧化还原反应相关概念的过程是 较困难的。氧化还原反应概念系统的复杂性导致学生的学习具有复杂性。不 同概念获得的具体过程、概念间交互作用的方向和强度究竟为何，以及更多 细致的研究内容和结果尚鲜见详细报道。微观发生法是一种聚焦学生认知变 化的发生期间，通过收集多方面精细信息，理解认知变化机制的研究方法。 该方法可以作为该研究角度获得深入研究结果的研究方法。因此，研究者可 以更深度地应用信息加工心理学，结合课堂教学实践情况，持续关注和探索 学生学习氧化还原反应知识时知识形成的变化路线、速度和来源等微观发生 过程及其机制。 3.2 问题解决的研究 问题解决研究角度关注学生应用氧化还原反应知识解决相关问题时，如 何对问题情境作出反应，如何通过思维操作从问题的初始状态到达目标状态。 研究文献较多，包括 10 篇大陆文献。 理解和表征问题是问题解决的首要环节。丁伟[5]系统研究上海高二学生 在氧化还原反应分类问题和推理问题解决时的内部表征历程和应用机制。研 究者发现学生分类问题解决的关键步骤是信息转译和判断环节，主要使用知 觉符号表征类别的各种表征形式;推理问题解决的关键步骤是包含复合判断的 推理环节，主要使用命题符号表征类别中以化学符号表征形式为主的各种表 征形式。 原型是知觉符号表征类别中的一种表征形式。米广春[6]了解通过学习材 料而分别具有文字原型、图像原型、文字-图像原型的山东高一学生在氧化还 原反应知识不同学习水平的表现。研究结果显示具有不同原型的学生在简单 再认水平的表现没有显著差异，但是在复杂再认、分类、应用水平存在显著 差异。在复杂再认和分类水平，文字-图像原型学生依次优于图像原型和文字 原型学生;在应用水平，文字原型学生依次优于文字-图像原型和图像原型学 生。笔者认为丁伟[7]对问题解决内部表征历程的研究结果，可以解释米广春 的研究结果。 在更微观的问题解决过程研究层面，黄静等人[8]通过出声思维方法，了 解福建高一学生在解决氧化还原反应综合应用推断题时，问题表征在动态过 程、表征广度、表征有效度这几方面的特点。研究结果显示学生使用了多种 信息表征方式，均以文字语言描述表征为主。研究者认为学优生更能结合个 人较完善的知识结构，深层表征问题信息，学困生更倾向使用个人知识结构 的孤立知识，浅层表征问题信息。 李秀滋[9]研究上海高中各年级学生在氧化还原反应原理的应用、简单计 算和复杂计算这 3 种问题解决水平的特点。研究者认为高一、高二学生是使 用新手式的表征，高三学生是使用专家式的表征，学生对氧化还原反应知识 的掌握能力影响着相应的问题解决能力。 姬广敏等人[10]通过出声思维方法，探讨山东高一学生在解决氧化还原 反应识记、理解和应用水平问题时的典型行为。研究者也了解到学生的氧化 还原反应认知水平不会影响其简单氧化还原反应方程式的书写表现，但是会 显著影响其复杂氧化还原反应方程式的书写表现。这种影响与学生氧化还原 反应的理解和应用水平有关。 氧化还原反应知识的问题解决是知识丰富领域的问题解决。结合化学学 科知识，丁伟等人[11]、仇兴叶[12]、郑文昌等人[13，14]、谢巧兵[15]分别 对各地高一学生在氧化还原反应知识的学习困难或学习障碍点进行探讨。研 究结果较一致地显示，在学生的认知层面，对化合价缺乏准确认知和判断， 对概念间联系缺乏多元和深层表征，是导致氧化还原反应学习出现学习困难 的成因。 由上述可知，研究者具体探讨问题解决的信息表征形式、思维操作过程、 解题能力和水平这几个主题。问题解决的经典研究方法是使用出声思维，分 析个别学生在问题解决不同阶段的思维过程和所需时间，抽象出学生的思维 操作，并且?LL 制相应的问题解决行为图。而这类深入了解学生思维操作过程 的研究较少，较多的研究是根据学生群体的答题情况，推测学生可能遇到的 解题困难和总结解题表现。这两类研究分别从微观、宏观层面展现学生的学 习过程和结果，都有其研究价值，但把这两类研究充分融合起来的综合性研 究却较鲜见。因此，研究者可以通过更严谨的研究设计，从不同角度聚焦研 究内容和获得研究证据，共同认识学生的问题解决过程和结果。 3.3 阶段发展的研究 阶段发展研究角度关注学生在不同的学习阶段，氧化还原反应知识的认 知水平和学习结果有何表现、特点和变化规律。研究文献较多，包括 7 篇大 陆文献和 4 篇台湾文献。 米广春[16]对上海具有高三水平的大一新生，谢兆贵[17]对江苏高三学 生，程昭[18]对湖北高一、高三和大三学生的氧化还原反应概念内部表征形 式也开展了类似丁伟[19]的研究。研究结果也与丁伟[20]的研究结果相似， 学生主要使用文字语言描述表征形式，但随着年级的增加，增加使用语言回 路、样例和图形表征形式。 徐群策[21]使用概念图，对江苏高一学生在一学年内学习氧化还原反应 知识的过程和结果进行跟踪研究。研究者认为不同学业水平学生有不同的概 念转变情况，归纳出学优生具有“渐进期――突变期――高原期”，其余大多 数学生具有“渐进期――高原期――突变期”的变化特点。 李秀滋[22]了解上海高中各年级学生在氧化还原反应概念辨析、各关系 辨析这 2 个学业水平的具体表现。研究发现不同学业水平、不同性别对高一 学生的学习结果有显著影响，对其他年级学生的学习结果没有显著影响，高 一年级是学生学习氧化还原反应知识的分化期。 徐立[23]探讨江西高中各年级学生在氧化还原反应知识的逻辑思维能力 发展情况。研究发现不同年级学生的逻辑思维能力随年级的增长而增大，而 且存在显著差异。在概念和判断水平上，不同年级学生存在显著差异;在推理 水平上，不同年级和不同性别学生的主效应显著，但是两者不存在显著的交 互作用。 詹耀宗等人[24]从多元观点分析台湾初二、初三和高二学生在氧化还原 反应和燃烧概念学习测验的表现。通过测试结果，研究者认为学生在这 2 个 主题概念的发展并不完整，尚未达到最高级的形式阶段。这导致学生无法掌 握相关主题概念中最关键的核心概念及其结构，继而扰乱概念间的相互关系 和位置，在反应有关的命题陈述时产生错误的概念联结或不当的归类推理。 心智模式是为表征问题情境、预测和解决问题而建立的表征形式。由于 氧化还原反应知识的复杂性，学生也相应建立不同类型的心智模式，不同年 级学生的心智模式存在着演变过程。钟晓兰等人[25]探讨基于多重表征的模 型教学和融入模型教学的认知师徒制教学，对台湾高二学生氧化还原反应知 识学习成效和心智模式的影响。研究者分析 3 个组在 6 种心智模式的比例分 布，确定各组心智模式的演变途径。 江文玮[26]围绕“氧化还原反应”和 “氧化数定义及应用”这 2 个主题，归纳出台湾学生分别具有的 8 种、7 种心智 模式，并且系统地了解高中各年级学生在氧化还原反应 5 个概念上的具体表 现、具有的心智模式类型。张丙香[27]融合三重表征和心智模式的内容，结 合科学史的发展，提出 11 种氧化还原反应三重表征心智模式。研究者以山 东高中各年级学生为研究对象，了解不同年级学生在宏观、微观和符号层次 分别具有的心智模式类型，以及不同学业水平学生心智模式的特点。 张育倩[28]对台湾初中七至九年级、高中一至二年级、大学化学系学生 这 6 个学生群体进行测试，系统地了解氧化还原反应 4 个主概念的不同认知 状态、重要类型、综合得到的心智模式在跨年级学生的纵向变化。由此提炼 出 10 种心智模式，研究者更确定跨年级学生心智模式具体的发展历程和概 念演化树，并且对心智模式的解释融贯地作出分析。 由上述可知，研究者的探讨内容包括不同学习阶段的概念内部表征形式 、 概念转变和思维能力情况、心智模式。与其他研究角度相比，该研究角度的 研究最多，这可能因为在某些时间点评价学生群体的认知水平和学习结果， 是相对容易的研究。此外，该研究角度的研究具有宏观视野，展现出学生在 不同学习阶段的学习“限度”、存在的困难、遗留的问题和影响因素，有助于 系统认识学生学习过程和结果的长期变化。学习进阶是科学教育课程设计和 发展的热点问题，学习进阶的确定需要协调课程内容和学生能力与水平的关 系。但上述研究尚未结合所得的研究结果，从学习进阶的角度提出系统的学 生学习氧化还原反应知识的具体进程和水平。因此，研究者可以整合已有的 研究结果，提出具有可行性的学习进阶方案，再进行后续的验证和修订工作， 为现有高中化学课程、教科书和教学的设计提供适当的“反拨作用”。 4 结论和启示 4.1 研究结论 通过分析我国大陆和台湾地区研究中学生氧化还原反应知识学习心理的 22 篇实证研究文献，了解到两岸研究者在该研究主题上所作的努力和成果。 研究者的研究涉及学生正式学习氧化还原反应知识的过程、氧化还原反应问 题解决的过程、不同阶段的认知水平和学习结果，囊括了“新学”、“应用”和 “发展”这 3 方面。这些研究均有助于人们认识学生学习氧化还原反应知识的 心理过程和发展阶段。 在研究内容的选择上，新课学习研究角度的研究偏少，阶段发展研究角 度的研究最多。3 个研究角度都有大陆文献，这显示大陆研究者的研究兴趣 广泛，关注氧化还原反应知识学习的各方面，深耕知识学习的实质和表现。 新课学习研究角度，尤其是阶段发展研究角度有台湾文献，这显示台湾研究 者的研究极其集中，重点关注氧化还原反应心智模式的建构，符合国际科学 教育研究领域的研究潮流。 在研究方法的使用上，研究者使用的研究方法主要结合研究角度的实际 需要而定，不仅有量化的专题测试(常规测试题、二段式测试题等)，也有质 化的个案访谈。 4.2 研究启示 尽管研究者已经对学生学习氧化还原反应的过程和结果开展大量研究， 仍然有许多研究内容值得人们继续探讨。上文已经针对 3 个研究角度的研究 不足，提出专门的研究建议。此外，笔者发现过去的研究较少探讨学生的个 人特质和氧化还原反应知识学习的关系，未能呈现可能影响学生学习的各种 因素。例如，具有不同认知风格、认知策略、建模能力、科学阅读能力等特 点的学生，在学习期间分别会有何具体表现?L具有不同科学认识观的学生如 何接受氧化还原反应知识的发展?L不同教学文本和素材又会对学生产生何种 具体影响?L类似的问题不胜枚举，研究者日后可以围绕多因素间的关系进行 深入探讨。 认知诊断是应用某些特别的统计模型，通过学生在一系列有逻辑关系的 学科问题的反应模式，推断学生个人对学科知识的知识结构和掌握程度。尚 少 见 研 究 者 运 用 规 则 空 间 模 型 (Rule Space Model) 、 知 识 空 间 理 论 (Knowledge Space Theory))等统计模型对学生个人的氧化还原反应知识开展 认知诊断研究。未来有必要充分发挥认知诊断理论的研究价值，深度挖掘学 生的学习信息和促进研究结果的革新。