（课程与教学论专业论文）学生“电化学”概念的认知发展研究.pdf

中文摘要 化学知识是一个由许多概念构成的系统，它是一种完整的知识体系，各个概念 是形成化学知识体系的单体，这些单体经过组织构成了中学化学内容。电化学是中 学化学学科基本内容中非常重要的一部分，本研究将探讨高三学生、大一学生、大 四学生表征电化学基本概念和应用电化学概念解决问题时存在的差异，从而揭示学 生概念表征和应用的影响因素，探索学生电化学概念认知发展的特点。 在电化学概念表征的研究过程中，我们主要采用测验并且结合访谈法以不同年 级的学生为被试收集资料，通过对收集数据和材料的分析，发现学生的概念表征方 式呈现多样化，不同年级的学生在不同的表征层次上存在差异。根据研究，我们认 为随着年级的升高，经过了知识的积累，学生对电化学基本概念的认知水平发生了 变化；低学生不够关注对概念本质特征的表征。 问题解决是学生认知过程的一个重要组成部分，也是学生概念认知的重要体现。 因此，本文对电化学概念的应用情况进行了实证研究。通过对测验结果的分析，我 们发现三个年级学生在问题解决中应用概念方面存在显著差异。随着年级的升高， 学生对电化学概念应用水平越高。大四学生对概念之间的关系有深刻的认知，应用 概念解决问题时，他们能有效的提取这些知识。高三、大一学生则不具备这样的认 知水平。 一 在研究过程中，我们还发现生活经验、教学设计等对学生的概念表征产生了影 响；在应用概念方面，学生对电化学微观过程的认识不够，学生的电化学概念的认 知结构及其稳定性都影响了概念的应用。 关键词：电化学 概念学习认知发展 a b s t r a c t c h e m i lk n o w l e d g ei sas y s t e mc o n s i s t i l l go fm a n yo ft h ec o n c e p t s ，i ti sac o m p l e t e s y s t e mo fh o w l e d g c ，t h ec o n c e p to fas i i l 酉es y s t e mo fc h e m i c a lh o w l e d g e ，t h e s e o r g 锄娩a t i o n sc o n s t i t u t eas i l l 酉et h r o u g l lt h em i d d l es c h 0 0 lc h e 面s t r yc o n t e n t e l e c t r o c h e m i c a li ss e c o n d 盯yc h e m i c a lc o n t e n to ft h eb a s i cd i s c i p l i i l e sv e 珂i m p o r t 觚t p a r to ft h i ss t u d yw i l le x p l o r et h et h i r dy e 盯s t u d e n t s ，丘e s h m a ns t i l d e n t s ，s e n i o rs t i l d e n t s e l e c t r o c h e m i lr e p r e s e n t a t i o no ft h eb a s i cc o n c e p t s 柚da p p l i c a t i o no fe l e 咖c h e m i c a l c o n c e p tt os o l v et h ep r o b l e mw h e ne x i s t i n gd i f ! f 色r e n c e ss oa sl or e v e a lt h ec o n c e p to f s t l l d e n t sr e p r e s e n t a t i o n 锄da p p l i c a t i o no ft h ei m p a c to ff a c t o 璐，a n de x p l o r et h ec o n c e p t o fc 0 霉皿i t i v ed e v e l o p m e n to fs t u d e n t se l e c t r o c h e m i c a lc h a f a c t e r i s t i c s 1 nt h ec o u r s eo ft h es t u d yo ft h ee 咖c h e m i c a lr e p r e s e n t a t i o n ，w em a i n l yu s et e s t s 柚di n t e r v i e w sw i t ht h es t l l d e n t si nd i f f e r e n t 掣a d e sf o rt h et e s t t og a t h e ri l l f o m a t i o n ， t h r o u g l ld a t ac o l l e c t i o na n dm a t e r i a l sa n a l y s i s ， 矗n d i n gt h e s t i l d e n t s c o n c e p to f r e p r c s e n t a t i o nm e t h o d sb e c o m i n gd i v e r s i l f i e d s t l l d e n t si nd i f ! | f b r e n t 掣a d e sd i f ! f ：e r i n d i f ! f e r c n tl e v e l so fr e p r e s e n t a t i o n i l ld i f ! f e r c n t l e v e l s0 fr e p r e s e n t a t i o n ，a c c o r d i l l gt 0t h e s t l i d y w et h i n kt h a tw i t ht h eg r a d eh i g l l e ra n dt h el 【i l o w l e d g ea c c u m u l a t e d ，s t l l d e n t s c o n c e p t so nb a s i ce l e c t r o c h e m i c a li t e m sc h a n 窖e s t i l d e n t si nl o w e f 擎a d e sh a v e n i tp a i d e n o u 功a t t e n t i o nt 0t h er e p r c s e n t a t i o no ft h en a t u m lf e a t i l r e so ft h ei t e m s s o l v i l l gt h ep f o b l e mi s 觚i n l p o n a n tp 稚i l lt h e 咖d 锄l s c 0 印i t i v ep f o c s ，a l s 0 柚 i m p o n a n tm a n i f c s t a t i o no ft l l es t u d c n t s c o 掣l i t i o no nt l l ei t c m s t h e r e f 0 r e ，t h ep a p e r f o c 惦o nt h ee m p i r i c a lr e s e 鲫c hi nt h ea p p l i c a t i o no fe l c c t r o c h e m i c a li t e m s t h r o u 曲t h e 柚a l v s i so nt h et e s tr e s u l t s ，w ef 0 蚰dt h a to b v i o u sd i v e r s i t yl i e si nt h ei t e ma p p l i c a t i o nt o s o l v ep r o b l e ma l o n gt h es t l l d e n t si nt l l r e e 铲a d e s t 1 l eh i 曲e rt h e 伊a d e s 盯e ，t h eh i g l l e r t h el e v e lo ft h es t i l d e n t s e l e c t r o c h e m i c a li t e ma p p l i c a t i o ni s t h es e n i o rs t i l d e n t si n c 0 u e g eh a v eg o tap r o f o u n dc o g o n i t i o no nt h er e l a t i o n s h i p 锄o n gt h ei t e m s w h e n a p p l i c a t i i l gm ei t e m st os o l v ep r o b l e m s ，t h e yc 锄b e e f f e c t i v et 0t a k eo u ts u c hk n o w l e d g e t h es t u d e n t si l lg r a d e3i l lh i 曲s c h o o l ，a n dt h o s ew h o 御e6 c s l l n l e ni l ic o l l e g eh a v e n t r c a c hs u c ha c 0 伊i t i v el e v e l i nm i sp a p e r w ea l s of o u n dt h a tl 讹e x p e r i 即c e s ，t e a c h i n gp l a n i n gd e s i 印t a k e 卸 i m p a c tt 0t h er e p r e s 如t a t i 伽0 ft h ec o n c e p t ，i nt h e 勰p e c to fi t e ma p p l i c a t i o n ，s t l l d e n t s u n d e r s t a n d i i l gi i lt h ep r o c e s so fm i c o e l e c t i d c h e m i s t r yi sn o te n o u 曲，a n ds t u d e n t s c o 印i t i v es t n l c t l l r eo ft h e ”e l e c t r o c h e m i c a l c o n c e p ta n di t ss t a b i l i t yb o t ha f f e c tt h e a p p l i c a t i o n0 ft h ei t e m s k e yw o r d s ：e l e c t r o c h e m i s t r yc o n c 印tl e 砌：i 1 1 9c o 印i t i v ed e v e l o p m e n t 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明 确说明并表示谢意。 作者签名： 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学 位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 弓弘 v名爱私f 告 日期：趁鱼垒益箩 华东师范大学硕士学位论文学生“电化学”概念的认知发展研究 学生“电化学一概念的认知发展研究 1 研究背景 1 1 问题提出 化学概念是通过对自然界中具有共同特征的众多化学现象进行概括总结的 结果，是用精炼的语言文字描述的，它可以是化学事物、化学原理、化学方法、 化学反应规律等。在学习者的认知结构中难以形成清晰的化学概念，则谈不上真 正掌握化学变化的内在联系及其规律。当代著名的心理学家和教育家布鲁纳指 出：“不论我们教什么学科务必使学生理解学科的基本结构”。【1 】 电化学是中学化学学科基本结构中非常重要的一部分，也是大学物理化学中 重要的组成部分。它从化学的角度促使学生了解电能与化学能是可以转化的，引 导学生认识电化学现象的本质。对于原电池及电解池的深刻认识有助于学生理解 电能与化学能之间的转化。原电池与电解池所涉及的概念有：原电池与电解池的 概念，构成原电池及电解池的条件，电流产生的原因，正负极与阴阳极的判断， 电解质溶液中的变化，电极反应及电池反应。这些概念理解得是否准确，掌握得 是否熟练，应用得是否灵活，对学好电化学这部分内容起着决定性的作用。因此 教师在教学中，特别是在化学概念教学中，要对学生进行学习方法的指导、培养 和训练，最终提高学生的自学能力。学生在认识和了解有关概念后，不能仅仅停 留在记住概念的认知水平上，而是要将所学的各种概念变成自己的学习武器，解 决实际问题，形成良好的认知结构，促进对化学学科的认识。 目前的研究大多是从不同侧面和层面揭示了电化学的概念学习与教学的规 律。而学生的学习往往是进行大量的试题训练，然后反复操练，进而达到熟练的 程度。教师没有对科学概念的教学进行研究，在学生如何理解概念、学习时遇到 什么困难以及学生学习概念的心理机制如何等方面都一无所知的情况下进行教 学，教师只能是一味让学生读概念，背概念，然后就是大量习题训练。这样的学 习效果可想而知，学生在训练之后，碰到类似的题目却不会做。以前的难点依然 是难点。这样的学习过程中，学生的学习心理机制到底怎样，又遇到了哪些问题 呢? 笔者对此做了详细的研究。 然而，对不同阶段学生学习电化学概念方面的研究还比较匮乏。深入探讨学 生的内部思维过程，从认知角度系统研究不同阶段学生电化学概念学习过程的规 律是这一主题研究的发展趋势。本文将试图围绕以上问题，根据认知的有关理论， 采用文献法、实验法、调查法等科学研究方法开展研究工作，揭示学生电化学概 念学习存在困难的心理认知因素和电化学概念学习过程的特点，为电化学概念系 统的教学和教材的编写提供切实有效的建议。 华东师范大学硕士学位论文 学生“电化学”概念的认知发展研究 1 2 国内外研究综述 化学概念是化学学科基本结构中非常重要的一部分，也有学者认为化学概念 是化学知识网络中的骨架。它不仅有利于学生对事实性知识的理解和应用，更有 利于使所习得的知识网络化、系统化，并且对物质及变化的认识不再停留在感性 认识阶段，它能使学生更深刻、更准确地认识物质变化的规律，有利于学生透过 现象看本质。更重要的是在概念形成的过程中，通过激发学生学习兴趣，改变学 生的学习方式，发展学生的逻辑思维能力，有利于提高学生的科学素养。这正是 新课程所倡导的。因此，这方面的研究受到了国内外化学教育工作者的重视。认 真总结这些理论与实践研究成果，有利于建立科学的概念学习理论，而且为学生 “电化学概念学习与教学的系统研究提供依据，奠定基础。 1 2 1 认知发展理论 长期以来，心理学家对认知发展进行了多方面的研究，其中最有影响的当推 皮亚杰的研究，他提出的认知发展阶段论至今仍对学校教学产生着广泛的影响。 皮亚杰的认知发生论，揭示了主体认知结构的建构机制。他认为：一定的“图 式”( 认知结构) 与客体之间有“同化 的关系和非同化的“顺应 关系。所谓 “同化，指主体把外界刺激纳入到已经形成或正在形成的图式中去； “顺应 指主体受到外部刺激，原有的图式不能同化新的刺激，主体就要改变原有的图式， 以适应环境的变化。新的刺激与主体原有的图式相互作用时，总试图用原有的图 式去同化，如果获得成功，便得到认识上的暂时平衡。这种由平衡到不平衡再到 平衡的动态过程，就是认知结构发展的过程。 皮亚杰认为，学习并不是个体获得越来越多外部信息的过程，而是学到越来 越多有关他们认识事物的程序，即建构了新的认知图式。他认为，通过练习，也 许可以教给儿童某种知识，但这种知识很快就会被遗忘，除非儿童能够理解它， 也就是说，除非儿童能够把它同化到他已有的认知图式中去。这种同化只有在儿 童积极参与建构时才有可能发生。皮亚杰认为，进化在本质上是理性的，智力的 进化就是机体与其环境之间达到更高水平平衡的一个平衡化过程，概念发展归因 于平衡本身的内部需求，而阶段发展变化的实质是形成图式的逻辑结构的变化。 皮亚杰认为概念发展产生于活动图式，实际上活动的内化就是概念化，也就是把 活动图式转变为名副其实的概念，哪怕是非常低级的概念。而概念发展的动力， 按照皮亚杰的观点，来自于不平衡，也就是教育领域所说的“认知冲突状态， 揭示儿童认知发展的阶段特征的实验研究大多是基于这一理论。i z j 裴利芳在总结前人研究的基础上，研究学习困难学生的认知因素时，发现学 习困难学生的知识结构联系质量不高，这是因为相关知识问题没有建立联系，或 是某种联系建立得不够完善。这种知识结构可视为低强度或者低联系程度的结 2 华东师范大学硕士学位论文 学生“电化学”概念的认知发展研究 构。没有联系的知识不能被激活，而联系微弱的知识不统一被激活，这两部分知 识就属于学生没有掌握的知识；问题解决与信息的加工水平紧密相连，加工活动 主要表现为对给定信息的确定、对加工活动的管理及产生活动的数量等等；在基 础知识水平相同、学习能力与成绩之间的关系上，元认知水平越高，则其学业成 绩越好；学习困难学生之所以在学习上表现低效，部分原因是因为他们缺少元认 知技能，不能积极地监控并随之调节认知加工过程。1 3 j 从心理学的角度来看，“认知方式 是表明一个人知觉、思维、记忆和问题 解决等方面表现形式的一种概括。自2 0 世纪4 0 年代威特舍对“场依存性一独立 性 进行了开创性研究以来，人们将f d i 认知方式的研究推向各个领域中去， 成果颇丰。其中把表征作为现代认知心理学的一个核心概念，有其重要的意义。 著名的认知心理学家安德森认为，“通过多种方式应用我们从自己的经验中获得 知识，认知才得以进步。理解知识如何应用的前提是理解它如何在人脑中表征 的。 西蒙也曾指出，“表征是问题解决的一个中心环节，它说明问题在头脑中 是如何呈现的、如何表现出来的。 在化学教育领域中，对化学概念表征的研究 成为一个重要的课题，成为研究化学概念认知的基础。 1 2 2 化学概念学习的研究重点 关于化学概念的学习的研究，国内已有许多研究者对其作过较多的有意义的 探讨，主要是一些基于各类学习理论的教学研究，学生化学概念理解的方式以及 问题解决的相关研究等。 ( 1 ) 化学概念的教学研究 李广洲等在结合国内外有关化学概念教学的研究情况的基础上，对高中学生 化学概念掌握和问题表征程度的关系进行了实证性的探索和研究。设计并在江苏 省7 所不同类型的学校进行了有关化学概念掌握的研究测试，同时选取优生和学 业不良学生进行有关化学问题的口语报告作业。对化学问题有不同层次的表征： 文字表征、具体表征、抽象表征、形象表征和数字表征。研究结果表明：学生化 学概念理解水平显著影响其解题时的表征程度( 包括表征时间的长短和表征正确 率的高低) ，化学概念掌握好的学生，不仅表征时间短，而且表征正确率高；化 学概念掌握差的学生，不仅表征时间长，而且表征错误率高。【4 l 杜伟宇等在总 结前人研究的基础上，提出了概念改变的三步教学策略：让学生直面错误概念， 引发其认知冲突；促进建构活动，提供具体类比，教学生如何检验假设。1 5 j 谢祥林等人指出化学基本概念学与教的一般方法原理，概念表述的是一类事 物共有的本质属性，是从一定角度对同类事物进行观察而得出事物共同的本质。 学生学习的化学基本概念都是已知知识。建构主义学习理论认为学生并不能通过 简单的记忆和背诵而获得概念，学生要获得概念必须执行认知的全过程，经历自 3 华东师范大学硕士学位论文 学生“电化学”概念的认知发展研究 身对概念的建构，构建起概念中各要素之间的联系。其一般的过程是：学生获得 一定量的信息，对信息进行质疑、抗争，而后通过已经具有的知识整合，从而获 得新知识，形成新理解，最后，通过应用而得到巩固。归结起来，学生学习化学 概念的一般过程是：概念构建，辨析、理解，应用巩固，组织精化四个阶段。他 们认为概念建构是化学概念学习的最重要的阶段。学生学习过程中概念建构阶段 的一般模式如图所示。1 6 j 用原有方法理解发现事物本质属 性( 构建意义) 。j 至璧篆。； 尝试用新的方法理解发现事物本 质属性( 构建意义) 图1 学生概念构建的一般模式 概念建构过程的一般模式表明：学生形成化学概念，首先要对概念进行构建。 概念的形成并不能无中生有，学生必须通过一系列观察获得信息，必须拥有一定 的事实材料。事实材料的多少和获得顺序及组合方式都会直接影响学生对概念的 构建。获得的事实材料有多方面的属性，从事实材料中得到的信息可能是十分庞 杂的，有些对概念的形成是无用的，这要求学生按一定的方向选择对概念形成有 用的事实材料的属性。对事实材料的属性选择以后，学生就要用一定的科学思维 方法处理信息。这时学生可能会用已有的思维方式对所选取的材料进行概括，这 个过程也可以说是“同化”。例如，学生在学习物质的量浓度的概念时，需要用 形成溶液质量分数时用到的思维方法。然而，当学生用原有的思维方式建构概念 遇到困难时，就必须尝试用新的思维方式去处理信息( 即“顺应”学习) ，例如， 学生在学习氧化还原反应的概念时，对于所观察到的化学反应，他们首先按以前 的经验给这些反应分类，但他们会觉得这种学习没用新的东西，即只是知识的练 习，而非新知识的学习，此时他们必然会产生用新的方式去理解这些反应的动机。 在教师的指导下，对这些反应从元素化合价( 氧化数) 的角度去观察，如果发现 这些反应其实只有两类，这时学生基本上就形成了对氧化还原反应的实质内容的 认识。此时学生应能对所选择的信息形成概括，应能用自己的语言进行概述或接 受前人的描述的语言形成概念，从而完成概念的建构过程。在教师的指导下对学 4 华东师范大学硕士学位论文学生“电化学”概念的认知发展研究 生的多种概括进行综合，形成简明的定义，从而使学生完成氧化还原反应和非氧 化还原反应概念的学习。在概念的建构过程中学生会认识到同一事物可以从不同 的角度进行认识，这时学生的思维能力会得到相应的发展，学生学到的不仅是概 念知识，还有新的思维方法。从学生能力发展的角度来看，真正能促进学生发展 的不是知识，而是获得知识的方法。 作为概念的建构，这只是概念学习的第一步，然而这一步又是概念学习中最 关键的一步。如果学生只能背诵概念，那么他实际上并没有掌握概念，其思维能 力也没有得到应有的发展，在后续的学习中，他只能接受性、记忆性地学习。这 就是我们常见到的学习现象一背概念，这种现象导致学生一旦遇到问题条件发生 变化时，则不能灵活地运用概念解决问题( 或是说上课听老师教时好像都懂了， 但遇到题目却不会做) 。 ( 2 ) 化学概念的理解研究 如果对化学概念没有清晰的认识，就谈不上形成化学的思维方法，掌握有效 的化学学习方法。直面中学阶段较难的知识点，容易导致概念理解不深刻，概念 应用水平较低。奥苏伯尔从认知结构的完善或成熟程度的角度来研究错误概念产 生的原因。他认为，当学生认知尚不成熟，心理准备尚未充分的情况下，强迫学 生进行概念学习，必然会使学生产生错误的概念。【7 j 何景申提出化学概念学习要理解内涵熟悉外延、抓住综合典型例子进行识 记、适当地对比记忆、在应用中学习概念等要点。【8 j 王涛在归类理论指导下，认 为化学概念学习既要运用生动直观的形象以获得概念的各种属性，又要分析化学 概念的关键属性，以将有关的信息具体化、抽象化；既要掌握概念，又要学会迁 移、应用，以逐渐形成网络化的概念结构。【9 】张竹云认为化学概念学习要充分应 用奥苏贝尔的有意义学习理论，即要让学生在学概念时主动、积极地与以前头脑 中的知识建立联系( 上位的、下位的、并列的) ，从而不断充实、完善其化学知 识结构。【1 0 】 胡胜利、周爱保认为化学概念是以命题、表象、产生式和图式等方式表征的。 化学概念表征有表象优先性、丰富性、相关性、个体性、可变性等特点。学习者 对化学概念理解的本质是形成恰当的心理表征，用“正确度 、“深度 和“速 度 等概念，对化学概念的表征可作更为精致的描述。随着化学概念表征次数的 增加和后继学习对原有概念的影响，化学概念的理解程度会不断加深，其表征的 正确度会越来越高，深度会越来越好，速度会越来越快。【1 1 l 丁伟、王祖浩在高中 化学概念学习的认知研究中，通过测验对学生氧化还原概念学习进行了研究，认 为优秀生能够运用氧化还原反应及相关概念，认知结构较为牢固和稳定，知识联 结网络配置合理；后进生则倾向于用一些氧化还原相关概念的非本质特征进行判 5 华东师范大学硕士学位论文学生“电化学”概念的认知发展研究 断。他们探讨了促进教师在教育实践中进行有效教学的几个关键行为，即清晰授 课、多样化教学、引导学生自主学习和引导学生投入任务学习过程。1 1 2 j ( 3 ) 问题解决中概念的学习研究 在上世纪最后2 0 多年的时间里，国内外研究者着手研究学科问题解决。国外 的研究较早，且有着较深厚的心理学研究基础。在众多学科中，数学、物理等学 科领域的研究相对较早，化学领域的研究相对较晚。在国外对化学问题解决研究 中，阿会莫等人( 1 9 7 9 ) 提出化学问题解决的四个阶段，即识别问题一选择适当信 息一孤立信息发生组合一验证结论；纽瑞本和皮克瑞( 1 9 8 7 ) 在研究学生概念理解 对化学问题解决的影响时，发现概念理解能力并不等于数据运算能力；纳赫利赫 和密契尔( 1 9 9 3 ) 发现许多学生虽能熟练运用算法解决问题，却对其中的意义理解 甚少；魏德林( 1 9 9 8 ) 在研究如何提高化学问题解决技能时，提出运用图表式网络 来使学生掌握滴定计算及实验数据处理方法，能帮助学生理解问题解决的过程等 这些都进一步促进了有关化学问题解决的研究和发展。在问题解决上，专家拥有 的概念及规则较容易使用及灵活转变，因此常常能做出最佳的选择来解决问题。 【1 3 】 问题解决是学习者将原有的概念和规则加以综合，在新情境中应用并得到新 的认知成果的过程。这种新的认知成果可能是新的规则( 高级规则) ，可能是新 的解决问题策略。【1 4 】心理学家对问题解决提出了各种模式，例如：杜威的问题解 决五步模式；纽厄尔、西蒙的心理处理模式；奥苏贝尔和鲁宾逊的问题解决四阶 段模式；格拉斯的问题解决四阶段模式；基克等人的问题解决四阶段模式。他们 提出的许多阶段都有相似之处，综合各家理论模式，根据问题解决的一般阶段划 分，问题解决系统至少包含以下几个重要环节：发现并明确问题( 识别问题) 、 表征问题、选择并实施策略、反思和评价。1 1 5 j 吴光棣在研究高中化学问题解决的认知策略和教学构建中以“配平氧化还原 反应 教学为例，讲解如何重新构建学生的认知结构。他认为问题解决了，认知 就前进了一步。因此解决问题是构建良好认知结构，培养创新思维的一条重要的 途径。对于学生来说，通过解决问题提出一个在他的原有认知结构中没有的新概 念或新规则或证实一个假设等，都应该是一种创新。这种思维品质和智力本质一 旦形成的话，在未来工作中的潜能将是巨大的。【1 6 】梁宁建采用口语报告技术对 专家和新手解决同类问题的认知活动差异进行分析和评价。结果表明，专家和新 手在解决问题时具有不同的编码程序。专家贮存信息以组块化方式进行，并能熟 练地运用手段一目的分析策略，利用课题中的信息向前解，能正确表征产生式， 最大特点是具有概括性和抽象性。新手贮存信息的形式和数量与专家存在着差 异，在解决问题时较多进行盲目搜索，一般根据课题中的问题回解，其内部表征 6 华东师范大学硕士学位论文学生“电化学”概念的认知发展研究 较零乱，具体细节多，解题速度慢。彻 在我国由于受传统“应试教育观念的影响，化学教学的重点是放在概念的 教学和具体解题能力的培养上，很少对学生化学问题解决能力进行培养。近十年 来，随着“素质教育”的兴起与发展，化学教学开始关注学生化学思维过程与问 题解决能力的培养，对化学问题解决的研究也日益受到重视。 1 2 。3 “电化学一概念学习的研究综述 电化学是高中化学重要的一部分，关于电化学概念的研究，国内外学者已作 了不少研究。国内学者的研究主要集中在电化学概念教学，国外学者的研究主要 集中在电化学的错误概念探查及转变。他们普遍认为化学教育工作者对学生如何 理解电化学非常感兴趣，因为化学家们对有关电化学术语和模型也还有含糊的地 方。如在早期的描述中，电子的流动形成电流。在电流中，电子通过导线移动。 但是，在电池中，带电荷离子的定向移动也能形成电流。那么在电解溶液中的离 子从何而来? 在瑞典化学家阿伦尼乌斯提出他的离子理论之前，化学家们认为： 在电解中，是电流产生了离子。我们现在知道，在电解质溶液中，离子是来自电 离。另外一个有趣的问题是氧化还原反应发生在电极上，其中一个电极叫阳极， 通常定义为氧化反应的地方；另一个叫阴极，通常定义为发生还原反应的地方。 因为没有定义电子来源和去向，所以电极反应的分类也是模糊的。因此，本人对 国内外学者的研究介绍如下。 ( 1 ) 有关电化学概念教学研究 龚秋纹等探讨了中学电化学教学中的两个问题：一是电化学中三类电极如何 构成各种原电池，并正确写出电极反应和电池反应，由反应正确设计出电池提出 了规律性建议，并通过实例分析揭示其中的问题；二是将原电池理论应用于电化 学腐蚀，讨论了析氢腐蚀和析氧腐蚀的可能性及规律，并解释了中学常见的疑难 问题。【1 8 l 陈慧琴等人对电化学中电池电动势、电池反应电势及n c m s t 公式这三者的 相互关系及公式使用条件进行了讨论，指出在讲授电化学时，应给出电池电动势 更宽泛的操作定义。同时，要定义另一个电化学量电池反应电势，用它表示 按电池反应方程式由n e m s t 公式计算出的可逆电池电动势的理论值。另外，指 出化学反应在烧杯中进行时的化学反应方程式与在电池中进行时的电池反应方 程式的异同是非常必要的。1 1 9 】 在电化学教学方面国外也做了不少研究，p e n e l o p ea n nh u d m e 等人指出在目 前化学学习中，有不少学生不能理解关键性的化学概念如摩尔、化学计算、化学 平衡、电化学。学生理解这些概念比较困难有两个主要原因：概念非常抽象和化 学术语是新的。他们在总结前人教学模型的基础上，提出了任务式教学模型。 7 华东师范大学硕士学位论文学生“电化学”概念的认知发展研究 该教学模型包含两部分：电化学调查问卷表( b o x l ) 和电化学期终测验 彻x 2 ) 。b o x l 用于前测，它含有8 个问题，不完全是电化学概念，例如由问题 7 ，8 的分析发现学生很少从微观层面上去理解化学电池，尤其对电解的理解。 虽然大部分学生能记住并应用电极电势，能写出电极反应，但是他们很难确定哪 些离子移动，在哪里可以发生移动，甚至有学生认为离子在导线上与电子的流动 方向相反。这个模型在介绍盐桥时讲解了半透膜的原始作用，而不是盐桥使电路 形成回路，维持电解液呈中性。研究者认为这种教学模型能更有效地纠正学生的 电化学错误概念，减少学生的相异概念，帮助学生形象化理解化学电池微观水平 上发生的现象。印j b u r c i i ia c a r 等人对合作学习是否比传统的教学方式更能促进学生对电化学 概念的理解进行了研究，被试是来自1 1 年级同一个老师所带的班级中的4 1 名学 生。为了测验学生有关电化学的误概念，他们编制了由8 道开放性试题和1 2 道多 项选择题组成的电化学概念测验卷，对学生进行前测，并采访了部分学生。测验 包含以下几个内容：化学电池中的化学反应；电流构成；阴阳极的确定以及它们 的电性；盐桥的作用；金属电极的作用；伏特计的作用；电池电势；半电池和标 准氢电极；电解。该研究发现了2 4 个有关电化学的误概念，部分如“电子经过电 解液到达阴极，再移动到电解液到达阳极，形成完整的电路；质子与电子的相反 流向形成电流；电子不需要离子携带就可以在水溶液中流动；只有带负电荷的离 子在电解液和盐桥中形成电流流向 。 他们将学生分成两组：任意挑选2 1 名学生作为控制组，采用传统的教学方式 进行教学；另外2 0 名学生作为实验组，采用基于建构主义的合作学习方式进行教 学。进行教学指导后，他们对两组学生进行了相同的后测，结果表明接受合作学 习指导的学生在测验中表现出的成绩要明显好于实验组。【2 l j ( 2 ) 电化学概念的错误概念研究 h 孤s j u r g c n 等人对初中学生和高中学生进行电化学测验，该测验中有2 9 个 多项选择题，考查了四个方面的问题：电解；电解液中电荷的移动；阳极和阴极； 负极和正极。研究发现学生基于四个选择性的概念对有关电化学问题进行推理： ( 1 ) 在电解过程中，电解产生离子；( 2 ) 电子是通过电解液从一个电极到达另 一个电极；( 3 ) 阴极总是负极，阳极总是正极；( 4 ) 正负极能带电荷。他们还 建议教学首先应在学生的经验的基础上进行教学和学习电化学概念，其次是可以 适当添加有关的概念术语，使这些术语能与学生头脑中己存在选择性的概念进行 对抗，从而使学生认识到自己的错误。1 2 2 j m j c h a e lj s 锄g e r 等人对学生原电池、电解池和浓差电池存在的误概念进行调 查，他们采用g 锄e t t 和t r e a g u s t ( 1 9 9 2 ) 两位学者关于学生理解原电池和电解误 8 华东师范大学硕士学位论文 学生“电化学”概念的认知发展研究 概念的采访稿，在此基础上对采访稿进行了修改，对1 6 位学完了电化学的大学生 进行了测试( 9 名男生和7 名女生) ，从访谈的结果中讨论了9 个方面的问题：原 电池中阴阳极的确定；理解标准电极的作用；在原电池、电解池和浓差电池三种 电池中对电流的理解；对阴阳极所带电荷的理解；预测原电池的产物和原电池的 电动势；确定电解池中的阴阳极；预测电解池的产物和电解所需要的电动势；确 定浓差电池的阴阳极；预测浓差电池的产物和该电池所需要的电动势。 他们发现学生的误概念与他们已有的想法相似，如电子通过盐桥，电解液能 使电路形成闭合回路，标有正负号的电极代表它们所带的电荷，水溶液在电解时， 水是不会参加反应的。他们还发现学生认为半电极电势是独立的，它可以用来预 测电极反应是否能自发发生；化学电池的电势与离子浓度无关。但是，有错误概 念的学生仍然能正确计算电池电势问题，这与调查所得到的部分有能力解决考试 中的定量问题的学生缺乏对基本概念的理解的观点是一致的。他们最后指出学生 误概念的来源很有可能是学生对与电化学相关自然现象的无知和化学教科书的 误导或错误的描述。【冽 付超群采用白编的访谈材料和“电化学概念测试 问卷相结合的方式进行研 究，访谈材料主要考察原电池的有关概念，测试的内容包括电解质溶液的导电性， 溶液的电中性和电解过程三个方面。通过对学生的访谈，分析学生产生错误概念 的原因。他认为产生错误概念的原因有三个方面：学科知识的负面影响；学生对 书面语的错误理解；教师的错误讲解。如，在高二化学课本第四章第四节原电 池原理及其应用( 人民教育出社，试验修订本必修加选修，2 0 0 1 ) 中有这样的 一句描述：放电时，负极上的电子通过导线流向用电器，从正极流回电池，形成 电流。这里所说的“形成电流”对刚刚接触原电池的高二学生而言就显得比较模 糊，他们本来就己经对电子定向移动形成电流的现象印象非常深刻，因此可能错 误地认为整个回路( 导线中和溶液里面) 中的电流都是电子的移动所致。陋j 1 2 4 有关文献理论评析 通过以上我们对国内外学者所作的相关研究的总结分析，以皮亚杰认知发展 理论为依据，化学概念学习过程阶段研究以及学生学习电化学概念所存在的问 题，为我们将要进行的研究奠定了理论基础，而且相关的研究也都取得了丰硕的 成果。但是，我们也可以看出，许多问题并未得到统一的结论。例如化学概念如 何形成和发展的问题相关的理论，但实际上是化学教育的指导缺乏具体的、可操 作性的措施。因此，较深入地探讨这一问题，具有深远的理论意义和实践意义。 从研究对象上看，关于学生认知思维发展的体系还有诸多不完善之处，特别 是关于个体形式运算思维的发展及其形式运算思维的发展研究，对于从儿童 ( 1 1 1 2 岁以前) 到成人之间的青少年( 1 2 1 8 岁) 时期的个体，即中学生阶段的思维 9 华东师范大学硕士学位论文学生“电化学”概念的认知发展研究 发展的研究显得还很薄弱。也就是说，对于青少年时期( 1 2 1 8 岁) 的化学思维发 展的研究，缺乏对化学教育具有指导意义的研究结论。而由学校教学实际所引发 的学生化学概念认知能力发展的大量问题，越来越迫切地要求我们研究学生化学 能力的发展规律，以便为化学教学提供依据。因为我们教育的对象是学生，大多 数人的化学思维的发展是通过受教育来实现的，尤其是通过中小学的教育来奠定 基础的。我们不能够将局部的研究成果直接应用到较大范围的实际的化学教育 中。因此，我们不能仅仅停留在借用现成的理论观点的层面上，而是要研究中学 生的化学思维发展的特殊性。 从研究内容上看，有不少学生不能理解关键性的化学概念如摩尔、化学计算、 化学平衡、电化学。以往的研究对一些化学基本概念很重视，但还未从概念形成 的过程、影响因素，以及从个体获得或掌握概念的一般规律的角度加以充分的研 究。然而，这些概念在化学学科发展的历史进程中，却是化学发展过程中的里程 碑，而且也曾是人类理性认识上的转折点。人类正是通过对这些关键性概念的认 识，使化学思维水平上升到一个新的高度。其中物质的量概念体系这套全新的量 度物质量多少的系统，和质量系统形成鲜明对比，它标志着人类化学思维的高度 发展。 概念学习是学生最重要的学习任务之一，向学生教授概念也成为教师重要的 教学任务，这正如a u s m e i 盯( 1 9 9 2 年) 所说“在所有课程中，几乎大部分时 间都在进行概念教学。像这种体现人类思维方式发生深刻变革的关键性概念，怎 样被个体所认识? 个体的认知过程遵循怎样的发展模式? 个体形成这些概念的 水平是否可以作为其化学思维水平的指标 换言之，个体形成了这些概念是否也 能够引发其化学思维水平上质的飞跃? 我们的化学教学，在遵循思维发展规律的 前提下，在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，以缩短这种发展的进程，更有效地提高化学的思维水平等等都有待于进 一步的研究和探讨。 1 3 本研究的设计思路 1 3 1 研究目标 本研究的目标是借助电化学概念测验，探讨高三学生、大一学生、大四学生 在电化学基本概念表征和问题解决中概念应用中的差异，继而探索学生电化学概 念认知发展的特点，在此基础上提出促进电化学概念的教学启示。基于以上研究 目的，本文期望解决如下具体问题： ( 1 ) 不同年级学生电化学基本概念表征存在的差异及影响学生电化学基本概 念理解的可能原因； ( 2 ) 探查学生在电化学问题解决中应用概念时存在的差异及内在原因； 1 0 华东师范大学硕士学位论文学生“电化学”概念的认知发展研究 ( 3 ) 不同年级的学生电化学概念系统中错误概念有哪些，并对错误概念形成 的原因进行微观探析； ( 4 ) 探讨学生概念学习对问题解决的影响； ( 5 ) 揭示电化学概念学习的认知特点和规律。 1 3 2 研究方法 在本研究中，我们主要采用测验法、访谈法、统计法等多种教育研究方法对 高三、大一、大四学生电化学概念认知差异及影响因素进行探查。 为了揭示和反映不同年级学生电化学概念表征及应用概念的差异，同时考虑 到学生认识概念主要有两方面：对单个概念本身的认识和对相关概念之间关系的 认识，我们根据高中化学教材和大学物理化学有关知识，结合化学教学实际，编 制了两套测验卷：电化学基本概念测验和电化学概念应用测验。在学生 完成测验试卷的基础上，根据预先设计和确定的标准评分，运用统计软件对学生 的测验成绩进行统计分析。 1 3 3 研究对象 本研究对象为高三、大一、大四年级学生。其中高三选取湖北省重点高中学 生，他们在高二下学期学习了电化学知识，大一选取某高校化学系本科一年级学 生，大四是某高校化学系学习了大学物理化学的大四年级学生，研究对象的基本 情况如表1 。 表1 研究对象的基本情况 1 3 4 研究过程 本研究主要分为三个阶段：第一阶段每个年级学生进行两次测验，测验卷为 自编的两套测验；第二阶段通过第一套测验卷结果，分析不同年级学生在电化学 基本概念表征中存在的差异，并探讨差异产生的原因；第三个阶段通过第二套测 验，分析不同年级学生问题解决中应用概念时存在的差异，试图寻找学生电化学 概念的认知特点。 2 “电化学”基本概念表征的比较研究 通过对国内外的文献分析，了解了前人在该研究方向上的工作和成果，发现 大多数研究主要涉及的是电化学教学研究。目前，对不同阶段的学生电化学概念 华东师范大学硕士学位论文学生“电化学”概念的认知发展研究 表征深度的实证研究尚未开展。正如著名认知心理学家j r 安德森( j r a n d e r s o n ，1 9 9 认为“通过多种方式应用，我们从自己的经验中获得的知识， 认知才得以进行。理解知识如何应用的前提是理解它如何在人脑中表征的。，1 2 5 】 因此，我们通过基本概念测验，运用教育心理学统计方法分析不同阶段学生在电 化学概念表征方面的差异，进一步分析学生电化学概念认知发展的特点和规律。 2 1 研究目标 我们在此部分研究中着重探讨以下几个方面的问题： ( 1 ) 不同年级学生电化学基本概念表征特点及存在的差异； ( 2 ) 影响学生电化学基本概念理解的可能原因； ( 3 ) 学生电化学基本概念理解中的错误概念有哪些。 2 2 研究设计 电化学概念是电化学现象、化学过程的本质属性的反映，是电化学学习的基 本单位