麥裕華 李景寧

(1華南師范大學化學與環(huán)境學院 廣東廣州510006;2廣州市協(xié)和中學 廣東廣州510160)

1 問題的提出

在人的長期記憶中，學科知識的各種概念和命題能夠根據(jù)一定的關(guān)系形成相互聯(lián)系的知識結(jié)構(gòu)。人的頭腦中知識結(jié)構(gòu)的內(nèi)容、組織形式和組織水平、信息被提取的難易程度，對學習知識和解決問題起重要的作用。各種官能團和各類有機物的結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)、各種典型的有機反應(yīng)機理均屬于陳述性知識，是大學有機化學課程的重要學習內(nèi)容。這些陳述性知識與有機合成路線設(shè)計等程序性知識共同成為解決有機合成問題的重要知識基礎(chǔ)。通過大學有機化學課程的系統(tǒng)學習，學生會對各種官能團和各類有機物的化學性質(zhì)，尤其是它們的轉(zhuǎn)化規(guī)律有宏觀、整體的認識，這種認識是一種復雜、體系化的知識結(jié)構(gòu)，本文稱之為有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。學生在大學有機化學課程的學習中，應(yīng)該識記有機化學教科書要求的大量有機反應(yīng)，形成良好的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)，了解一定的有機合成路線設(shè)計原則和方法，具備一定的有機合成問題解決能力。

大學有機化學課程紙筆測驗有選擇題、填空題、論述題和有機合成題等形式。這些試題在大多數(shù)情況下只能考查學生對有機物化學性質(zhì)的識記和理解，不易判斷學生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。換言之，常見的紙筆測驗評價的是學生的有機物化學性質(zhì)知識的內(nèi)容和數(shù)量，而非有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的內(nèi)容、組織形式和組織水平，這對于了解學生的有機化學學習狀態(tài)顯然是不夠的。由于缺少評價學生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的方法，發(fā)展合適的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)評價工具有重要的意義。

2 知識結(jié)構(gòu)的評價方法

心理學家Goldsmith等［1］提出知識結(jié)構(gòu)評價的3個步驟:引出知識(knowledge elicitation)、表征知識(konwledge representation)和評價知識結(jié)構(gòu)(assessing knowledge representation)。這3個步驟的含義是:(1)“引出知識”是指教師通過一定的方法，使學生表現(xiàn)出對某一學科某些主題知識結(jié)構(gòu)的理解;該步驟注重的是教師選擇哪一種合適的知識結(jié)構(gòu)評價方法和對測試題目、實施環(huán)節(jié)進行適當?shù)脑O(shè)計。(2)“表征知識”是指學生在教師設(shè)計的測試環(huán)節(jié)中按照既定程序表現(xiàn)出自己的知識結(jié)構(gòu)。(3)“評價知識結(jié)構(gòu)”是指教師根據(jù)一定的評價標準對學生外化的知識結(jié)構(gòu)進行科學、合理的評價。

筆者認為，適宜、良好的學生知識結(jié)構(gòu)評價方法應(yīng)該具備以下3個功能:(1)定量評價學生知識結(jié)構(gòu)中信息的正誤、數(shù)量和連結(jié)情況;(2)定量區(qū)分不同學業(yè)水平學生群體的知識結(jié)構(gòu);(3)定量比較學生與教師知識結(jié)構(gòu)的相似程度。

概念圖是一種常用的知識結(jié)構(gòu)評價工具。概念圖的提出者Novak［2］認為概念圖能夠清晰地呈現(xiàn)人們掌握的各種概念和命題，以及由此組織的知識結(jié)構(gòu)。在概念圖的評價方法上，常用的方法可以歸類為“根據(jù)概念圖的成分評分”和“與標準概念圖作比較”兩大類。在第一類中，Novak等人提出的評價方法是最經(jīng)典的評價方法;他們對命題、層次、橫向聯(lián)系和舉例這4個成分分別進行評分，所得結(jié)果簡稱N-G分數(shù)。在第二類中，Goldsmith等人提出的相似指數(shù)(closeness index，簡稱C值)是較著名的評價方法，C值是利用數(shù)學的集合理論比較兩個概念圖，從而計算出它們的相似程度。

3 反應(yīng)圖與反應(yīng)圖的評價

受概念圖［2］和相關(guān)研究［3-4］的啟發(fā)，筆者結(jié)合有機物使用連線表示相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的書寫習慣，提出用反應(yīng)圖評價學生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)想。筆者［5］認為反應(yīng)圖(reaction map)是通過合理排列有機物，利用帶有箭頭的連線連結(jié)，呈現(xiàn)有機物相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)示意圖，制作反應(yīng)圖的過程稱為反應(yīng)構(gòu)圖(reaction mapping)。學生制作的各類有機物的反應(yīng)圖可表現(xiàn)出有機物轉(zhuǎn)化規(guī)律的知識在個人的頭腦中的結(jié)構(gòu)化程度。

筆者仿效Novak等人提出的N-G分數(shù)，提出反應(yīng)圖的評價方法，定量評價學生個人和不同有機化學學業(yè)水平的學生群體的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。反應(yīng)圖上出現(xiàn)的每一個有機物各計1分，“有機物分”是反應(yīng)圖上所有有機物的總數(shù)目。根據(jù)兩個有機物間的連線和箭頭，判斷有連線的兩個有機物是否存在著轉(zhuǎn)化關(guān)系。如果連線合理(有機物存在轉(zhuǎn)化關(guān)系、箭頭方向正確)且反應(yīng)條件書寫正確，記為1分，“正確反應(yīng)數(shù)”是正確連線的數(shù)目。如果連線不合理(有機物不存在轉(zhuǎn)化關(guān)系、箭頭方向錯誤)或反應(yīng)條件存在科學性錯誤，記為0分，“錯誤反應(yīng)數(shù)”是錯誤連線的數(shù)目。如果連線合理，但是反應(yīng)條件缺少部分內(nèi)容，記為0.5分，“錯誤條件數(shù)”是這類連線的數(shù)目?！胺磻?yīng)分”是反應(yīng)圖上所有連線可以獲得的總分數(shù)，定義為“正確反應(yīng)數(shù)+0.5×錯誤條件數(shù)”。由于已經(jīng)對反應(yīng)圖上每一個節(jié)點(有機物)和每一條連線(有機反應(yīng))進行評分，加和所得到的總分即為反應(yīng)圖的評價結(jié)果，即:反應(yīng)圖總分=有機物分+反應(yīng)分。反應(yīng)圖6個評分項目可以從內(nèi)容和結(jié)構(gòu)的角度對學生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)進行定量評價。

評卷教師需要制作一幅包括各類有機物多種轉(zhuǎn)化關(guān)系的反應(yīng)圖作為標準反應(yīng)圖。在對學生的反應(yīng)圖進行評分時，如果發(fā)現(xiàn)學生的反應(yīng)圖呈現(xiàn)的有機物轉(zhuǎn)化思路跳躍性太大，學生沒有書寫一些應(yīng)該出現(xiàn)的中間產(chǎn)物和轉(zhuǎn)化步驟，評卷教師應(yīng)該默認學生已了解這些內(nèi)容，并且將缺少的這部分內(nèi)容補充計算在該學生反應(yīng)圖各評分項目的得分中。

4 研究方法

為了解反應(yīng)圖能否成為一種有效的學生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)評價工具，筆者在大學本科有機化學課程進行試探性的教學實踐和實證研究。研究對象是華南師范大學化學專業(yè)大學二年級2個班共95名學生。

研究工具包括筆者自編的半開放式反應(yīng)構(gòu)圖測試題和有機化學課程期中考試試卷，例見圖1。學生需要盡可能多地尋找出圖1中7個有機物之間存在的各種轉(zhuǎn)化關(guān)系，并且將這些轉(zhuǎn)化關(guān)系制作成反應(yīng)圖。學生可以在作答時添加其他有機物作為原料或中間產(chǎn)物。有機化學課程期中考試試卷以醛和酮、羧酸、羧酸衍生物［6］為命題范圍，其中的填空題有24題(共24分)，要求學生填上列舉的化學方程式中缺少的反應(yīng)物或生成物，以便完成化學方程式;有機合成題有4題(共30分)，要求學生按照指定的主要原料合成指定的產(chǎn)物。期中考試試卷符合有機化學課程教學重點和難點的要求，全卷的總難度是0.74，填空題和有機合成題的難度均是0.67，難度設(shè)置適中。

圖1 半開放式反應(yīng)構(gòu)圖測試題中的有機物

本研究分2個階段進行。在第一學期，本文第二作者向參與本研究的學生介紹反應(yīng)圖的基本內(nèi)容，學生經(jīng)歷一個學期的反應(yīng)構(gòu)圖訓練，熟悉反應(yīng)圖的設(shè)計與制作步驟。在第二學期，學生系統(tǒng)學習醛和酮、羧酸、羧酸衍生物的課程知識。筆者在有機化學課程期中考試前對學生進行反應(yīng)構(gòu)圖測試，了解學生的醛和酮、羧酸、羧酸衍生物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。反應(yīng)構(gòu)圖測試時間是30分鐘。筆者使用前面定義的反應(yīng)圖評分方法對學生制作的反應(yīng)圖逐一評分，并通過學生的有機化學課程期中考試成績了解學生的有機化學學業(yè)水平。所有研究數(shù)據(jù)均使用SPSS 10.0軟件進行統(tǒng)計和處理。

5 結(jié)果與討論

5.1 不同組別學生的得分情況

筆者將95名學生的有機化學課程期中考試成績從高至低依次排序，劃分為高分組(名次在全體學生的前27%，共26人)、中間組(共43人)和低分組(名次在全體學生的后27%，共26人)。3個組別的反應(yīng)圖得分和期中考試成績?nèi)绫?所示。

表1 3個組別的反應(yīng)圖得分和期中考試成績

由表1可知，高分組在反應(yīng)構(gòu)圖測試和期中考試中均表現(xiàn)最好。高分組的反應(yīng)圖平均總分是25.52分，中間組、低分組的平均總分分別是22.23分、16.96分，高分組與低分組相差8.6分。高分組與低分組在有機物分、正確反應(yīng)數(shù)的平均分分別相差約3分、5.5分，這表示2個組別的反應(yīng)圖平均相差3個有機物和5.5個有機反應(yīng);這2個因素綜合在一起，使得2組的反應(yīng)圖平均總分有較大的差距。除了錯誤反應(yīng)數(shù)和錯誤條件數(shù)，表1內(nèi)各評分項目的平均分均存在如下關(guān)系:高分組＞中間組＞低分組。3個組別在錯誤反應(yīng)數(shù)、錯誤條件數(shù)的平均分均較小，表明學生對有關(guān)的課程知識均存在一定的錯誤記憶。另外，3個組別的期中考試成績有明顯差異，高分組與中間組、低分組的平均總分分別相差10.6分、27.5分;其中高分組與低分組的填空題相差6.8分，有機合成題相差11.6分。

分析表1的數(shù)據(jù)，可知3個組別在反應(yīng)構(gòu)圖測試中有不同水平的表現(xiàn)，而這種表現(xiàn)的變化趨勢與學生在期中考試中的表現(xiàn)的變化趨勢一致。筆者認為學生制作的反應(yīng)圖應(yīng)該與個人的有機化學學業(yè)水平、有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)相互對應(yīng)。如果學生具有較高的有機化學學業(yè)水平和良好的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)，在解決有機物化學性質(zhì)問題時應(yīng)該有良好的表現(xiàn)，制作的反應(yīng)圖應(yīng)該是完整、緊密和復雜的;如果學生具有較低的有機化學學業(yè)水平和欠佳的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)，在解決有機物化學性質(zhì)問題時應(yīng)該有不佳的表現(xiàn)，制作的反應(yīng)圖可能是缺漏、松散和簡單的。換言之，一定有機化學學業(yè)水平的學生具有一定的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)，制作出具有一定內(nèi)容、組織形式和組織水平的反應(yīng)圖，反應(yīng)圖能夠反映學生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。因此，我們能夠通過反應(yīng)圖定量評價學生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。

5.2 不同組別學生得分的差異情況

使用方差分析了解3個組別在反應(yīng)圖得分和期中考試成績的差異是否具有統(tǒng)計學意義，得到表2。表2中的數(shù)據(jù)顯示，3個組別在有機物分存在顯著差異(p＜0.01)，在正確反應(yīng)數(shù)、反應(yīng)分和反應(yīng)圖總分這3個評分項目存在顯著差異(p＜0.001)，在錯誤反應(yīng)數(shù)和錯誤條件數(shù)的差異不顯著。3個組別在有機物分、正確反應(yīng)數(shù)的顯著差異是造成3個組別在反應(yīng)圖總分出現(xiàn)顯著差異的主因。其次，3個組別在期中考試的填空題、有機合成題的得分和期中考試總分存在顯著差異(p＜0.001)。

表2 3個組別在反應(yīng)圖得分和期中考試成績的方差分析

為進一步考察3個組別在具有顯著差異的評分項目上的實際表現(xiàn)，使用Scheffe法對3個組別在這些評分項目的得分進行事后多重比較(表3)。除了有機物分的差異不顯著外，高分組和中間組在正確反應(yīng)數(shù)、反應(yīng)分、反應(yīng)圖總分這3個評分項目均存在顯著差異(p＜0.05)。中間組與低分組在反應(yīng)構(gòu)圖測試的4個評分項目中均存在顯著差異(p＜0.01)，高分組與低分組則均存在顯著差異(p＜0.001)。此外，3個組別之間在期中考試的填空題、有機合成題的得分和期中考試總分均存在顯著差異(p＜0.001)。在2個測試中，中間組與低分組的平均分差均大于高分組和中間組的平均分差，低分組的整體表現(xiàn)欠佳。

表3 3個組別在各評分項目得分的事后多重比較

歸納3個組別制作的反應(yīng)圖的特征可以發(fā)現(xiàn):高分組的反應(yīng)圖出現(xiàn)較多有機物和雙向連線，也有一些交叉連線，反應(yīng)圖大多呈現(xiàn)較緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);中間組的反應(yīng)圖出現(xiàn)的有機物略少于高分組，較少雙向連線和交叉連線，反應(yīng)圖大多呈現(xiàn)次序順延的直鏈結(jié)構(gòu);低分組的反應(yīng)圖出現(xiàn)的有機物基本上是半開放式反應(yīng)構(gòu)圖測試題要求出現(xiàn)的，容易發(fā)現(xiàn)一些連線由于錯誤的反應(yīng)條件而中斷。由此可見，不同有機化學學業(yè)水平的學生群體制作的反應(yīng)圖在內(nèi)容、組織形式和組織水平上存在顯著差異，從而可以推斷不同的學生群體的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)也存在顯著差異。因此，我們能夠通過反應(yīng)圖定量區(qū)分不同有機化學學業(yè)水平的學生群體的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)。

5.3 反應(yīng)圖總分與期中考試成績的相關(guān)分析

將學生的反應(yīng)圖總分與期中考試的填空題、有機合成題的得分和期中考試總分分別進行相關(guān)分析，具體結(jié)果見表4。表4中的數(shù)據(jù)顯示，學生的反應(yīng)圖總分與期中考試的3項得分分別有顯著的弱相關(guān)。一方面，反應(yīng)構(gòu)圖測試關(guān)注學生對有機物轉(zhuǎn)化規(guī)律的認識，評價學生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)，而且該測試要求學生尋找出在各種有機物轉(zhuǎn)化過程中必需的中間產(chǎn)物來完成反應(yīng)圖，試題綜合性較強，具有一定難度。期中考試的填空題和有機合成題均評價學生識記和靈活運用多個重要、典型的有機物轉(zhuǎn)化規(guī)律的能力，每個小題的命題內(nèi)容都是獨立、分散的知識點，考查面廣、量大。筆者事后分析研究結(jié)果，雖然半開放式反應(yīng)構(gòu)圖測試題和期中考試試卷均以相同教科書的相同章節(jié)作為命題范圍，但是兩個測試的意圖和考查內(nèi)容的差異可能是造成學生的反應(yīng)圖總分與兩道期中考試試題得分的相關(guān)系數(shù)較低的原因。另一方面，期中考試還包括對有機物的命名、有機物結(jié)構(gòu)簡式的書寫、有機物的鑒別以及從光譜推斷有機物等內(nèi)容的考查，這些考查內(nèi)容占將近總分一半的分數(shù);因此，反應(yīng)圖總分與期中考試總分有顯著的弱相關(guān)。綜上所述，學生的反應(yīng)圖總分可以也應(yīng)該作為表現(xiàn)學生有機化學學業(yè)水平的一個參考。

表4 反應(yīng)圖總分與期中考試成績的相關(guān)分析

6 結(jié)論和展望

本文提出了使用反應(yīng)圖評價學生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的方法，通過對高師本科化學專業(yè)學生的教學實踐和實證研究，獲得以下結(jié)論:(1)學生制作的反應(yīng)圖能夠定量反映學生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu);(2)不同有機化學學業(yè)水平的學生群體的反應(yīng)圖以及有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)存在差異;(3)學生的反應(yīng)圖總分與期中考試成績有顯著的弱相關(guān)?？傮w而言，反應(yīng)圖能夠成為一種有效的學生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)評價工具。

隨著后續(xù)課程的深入學習，學生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)會不斷發(fā)展，并能設(shè)計出不同的反應(yīng)圖。這里需要說明的是，反應(yīng)圖僅能反映學生對有機物轉(zhuǎn)化規(guī)律的宏觀、整體認識，而無法反映學生對各種有機反應(yīng)機理、有機合成路線設(shè)計的認識。另外，反應(yīng)圖呈現(xiàn)的是學生對各類有機物的轉(zhuǎn)化規(guī)律經(jīng)過一定思考后的靜態(tài)結(jié)果，不能反映學生在制作反應(yīng)圖時的各種動態(tài)的思維活動。但是，只要比較同一學生在不同的學習階段制作的反應(yīng)圖，仍然能夠?qū)ふ页霾煌磻?yīng)圖的差異，繼而推斷出學生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的發(fā)展，為教師了解學生的有機化學學習狀態(tài)和提高課堂教學質(zhì)量提供參考。

本文只是對學生的有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)評價這一主題進行初步探討，許多問題尚待深入探討。譬如，在半開放式反應(yīng)構(gòu)圖測試題中出現(xiàn)的有機物種類和數(shù)量會對學生的作答產(chǎn)生一定的影響，進而影響到對學生有機物轉(zhuǎn)化知識結(jié)構(gòu)的評價，怎樣命題才能讓反應(yīng)構(gòu)圖測試具有較好的信度和效度?其次，本文方法需對每位學生的反應(yīng)圖逐一評分，評改速度較慢，應(yīng)該使用怎樣的方法來有效提高評改反應(yīng)圖的效率?這些問題都需要進行更深入的研究。

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