陳德成 錢揚義

摘要： 根據(jù)認知心理學中的概念結(jié)構的相關理論，在梳理“反應熱”概念群的基礎上，以高二學生（N=480）為被試，通過自由分類任務引出被試對“反應熱”相關概念的認識，再通過多維尺度分析和聚類分析以探查群體的概念組織結(jié)構。研究發(fā)現(xiàn)不同層次的高二學生概念組織結(jié)構存在差異，高分組學生概念總體分類情況較為科學嚴謹，概念結(jié)構化水平較高。研究結(jié)果有助于一線教師開展教學診斷與教學補救，教師應重視把握學生概念結(jié)構的特點，引導學生構建良好的學科概念結(jié)構。

關鍵詞： 反應熱；? 概念組織結(jié)構； 多維尺度分析； 聚類分析

文章編號： 1005-6629（2023）03-0015-08

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

概念是人腦反映客觀事物本質(zhì)特性的思維形式［1］。林崇德認為構成概念的各成分及這些成分之間的關系可以視為概念結(jié)構［2］。概念結(jié)構研究源于上世紀中期心理學家們對概念的探索，主要可概括為社會類概念結(jié)構研究和學科類概念結(jié)構研究。

概念結(jié)構的研究一般要經(jīng)歷概念結(jié)構的引出［3］和表征。概念結(jié)構受很多因素影響，許多研究者為了引出被試的概念結(jié)構采用了多種方法，同時也運用多種數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法表征與分析概念結(jié)構。張積家［4］、王娟［5］等人基于分類學的關系，運用自由分類和多維尺度分析研究了親屬詞、顏色詞等在人的腦海中的組織與分布，從語義的分類關系側(cè)面反映出被試的概念結(jié)構，拉開了國內(nèi)概念結(jié)構研究的序幕。

錢揚義［6］將該概念結(jié)構的研究方法遷移到化學學科中，開展化學“學科關鍵詞”的系列實證研究?；诖?，將概念的組織與分布所形成的語義空間稱為概念組織結(jié)構，以揭示概念間的語義空間關系，可用于定性診斷概念的結(jié)構化程度。王立新［7］、唐文秀［8］、李林燊［9］、林惠梅［10］、麥裕華［11］等人在此基礎上將概念組織結(jié)構解析為概念貯存結(jié)構、概念心理空間結(jié)構、概念分布結(jié)構等。概念結(jié)構的引出均采用自由分類任務，運用多維尺度分析和聚類分析進行表征，目前已經(jīng)研究了離子反應、原電池、氧化還原反應、原子結(jié)構和化學平衡等核心概念。

“反應熱”是“能量”范疇的概念，與“反應熱”關聯(lián)的“化學能”“能量”概念屬于錢揚義提出的100個高中“化學學科關鍵詞”［12］和《新一代K-12科學教育框架》［13］提出的“學科核心概念”，對構建化學學科知識與思維方式具有重要作用。在高中教材中，“反應熱”既作為一個獨立的化學概念呈現(xiàn)，又作為一個包含諸多相關概念的學科主題。

本研究將“反應熱”視作一個學科主題，統(tǒng)攝諸多關聯(lián)概念。學生在學習該內(nèi)容時會面對許多概念，學生對于諸多概念是否能形成較為科學的結(jié)構化認識？這是一個有待研究的問題。本研究以高二學生為被試，以“反應熱”為概念主題，自由分類為測試任務，以多維尺度分析和聚類分析為概念表征的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，具體探討不同層次高二學生“反應熱”概念組織結(jié)構的形態(tài)和特點。

2? 研究方法

2.1? 被試

研究采用大樣本調(diào)查。研究對象為高二學生480人，分別來自廣州5所高中。依據(jù)學生的高一期末考試成績，將學生劃分成高分組（N=240）、低分組（N=240）。在施測時，學生已經(jīng)完成選擇性必修模塊中的“反應熱”知識的學習，尚未開始學習電化學的內(nèi)容。被試基本具備“反應熱”的知識結(jié)構。

2.2? 研究工具

2.2.1? “反應熱”概念群

依據(jù)高中新課標、各版本新教材以及相關文獻選取得到一定數(shù)量的“反應熱”的相關概念。通過一線教師和大學專家基于相關性評定得到，即判斷目標概念與“反應熱”的聯(lián)系緊密程度，以得到最后的概念群。其中，在56位中學一線教師參與的篩選中，一線教師對各概念進行評定，評定等級為5個等級“關系很不緊密（1分）”“關系不緊密（2分）”“關系一般（3分）”“關系較緊密（4分）”“關系十分緊密（5分）”，保留4分以上的概念。將一線教師篩選得到的概念交予大學學科專家進行評定，大學專家需要對所得的概念進行“是”或“否”評定，即判定是否能納入“反應熱”概念群。該概念群的確定具有一定的專家效度和權威性，見表1。

2.2.2? 測試任務

學生需要完成自由分類任務。任務要求按照個人實際的看法將40個概念自由分類，分類無對錯之分。規(guī)定每個概念只能歸入一個類別中，概念不得重復、漏選。概念分類的類別數(shù)以及分類依據(jù)由個人決定。自由分類任務的目的是為了引出被試的概念組織結(jié)構，該組織結(jié)構以“分類”的結(jié)果呈現(xiàn)。

學生在學習完“反應熱”內(nèi)容后需要填寫自由分類調(diào)查問卷，不可翻閱課本。限時40分鐘完成。

3? 數(shù)據(jù)分析

多維尺度分析與聚類分析是反映概念間的語義組織關系的重要表征手段。多維尺度法處理的一般是表示事物之間的接近性（proximity）的觀察數(shù)據(jù)，既可以是實際距離，也可以是主觀評判的相似性。其目的是要發(fā)現(xiàn)決定多個事物之間“距離”的潛在維度，用較少的變量對事物之間的相似性（或稱“距離”）作出解釋［14］。多維尺度分析能形象地從三維空間上描述概念的組織維度、具體分布與集群，聚類分析可在此基礎上了解具體的分類以及分類的依據(jù)。在概念結(jié)構表征過程中，多維尺度分析一般被先用于初步表征概念組織結(jié)構。由于人頭腦中的概念組織結(jié)構具有多維可能性，因此多維尺度分析表征得到的組織結(jié)構有二維或三維的可能，具體取決于實際的擬合情況；在通過多維尺度分析得到概念的坐標后，可采用聚類分析基于概念的坐標值進行系統(tǒng)聚類，以更直觀地了解分類情況。

數(shù)據(jù)分析的總程序主要包括以下幾步：第一，錄入問卷結(jié)果，將調(diào)查結(jié)果轉(zhuǎn)化成量化的矩陣；第二，借助多維尺度分析探索學生的概念三維結(jié)構，獲取概念在腦海中分布的空間結(jié)構（坐標）；第三步，依據(jù)坐標值進行聚類分析，獲取學生具體的概念分類。下面將具體介紹多維尺度分析方法和聚類分析在該研究中運用的實施程序。

多維尺度分析的步驟：（1）二級記分與矩陣轉(zhuǎn)換：將自由分類問卷的結(jié)果通過編程軟件和Excel轉(zhuǎn)化成“40×40”規(guī)格的相異矩陣，依據(jù)是：當概念P與概念Q被學生歸為一類，則這兩個概念在矩陣中交叉處的值為0；若不在同一類，交叉處的值則計為1。將“40×40”的相異矩陣導入SPSS 26.0中，采用多維尺度分析方法分析。（2）模型擬合檢驗：Stress數(shù)值越大說明模型擬合越差，一般規(guī)定大于0.2為擬合度差；RSQ是擬合優(yōu)度指標，數(shù)值越接近1，表明模型擬合越好［15］。（3）確定維度最優(yōu)解，并獲得二維圖。該圖譜可將各概念之間的聯(lián)系在二維圖中反映出來，各概念在圖譜中呈點狀分布。如果概念間存在高關聯(lián)，則聚集成團；若關聯(lián)度低，則會疏離。最后對二維圖中的概念分布情況進行描述，確定維度的名稱［16］。

聚類分析的步驟：（1）依據(jù)多維尺度分析得到的各概念的具體三維坐標數(shù)值為依據(jù)，運用“系統(tǒng)聚類法”呈現(xiàn)概念聚類情況。運用瓦爾德聚類法，以“平方歐氏距離”為測量區(qū)間來測度概念間的相似性，得到聚類譜系圖。（2）在譜系圖中，基于不同的尺度以確定“反應熱”概念的具體分類情況并對類別進行命名［17］。

4? 結(jié)果與討論

4.1? 多維尺度分析結(jié)果

高分組學生的“反應熱”概念組織結(jié)構選擇三維度解。模型擬合結(jié)果顯示Stress值為0.14057，RSQ為0.91022，擬合程度良好。將三維結(jié)構圖依次投射成3個二維平面圖，如圖1～圖3所示。（1）從圖1的維度1來看，以維度1的左右半?yún)^(qū)以及各概念的相對位置坐標值為參考，可以發(fā)現(xiàn)：維度1的左半?yún)^(qū)概念主要描述化學反應中的物質(zhì)及物質(zhì)變化，其中包含物質(zhì)變化的條件和參考標準，右半?yún)^(qū)的概念側(cè)重化學反應中的能量變化，因此維度1可命名為“物質(zhì)變化及其條件/能量及其變化”。（2）從圖2的維度3看，上半?yún)^(qū)的化學概念側(cè)重描述產(chǎn)生反應熱的種類以及計算的相關規(guī)律，下半?yún)^(qū)的化學概念主要側(cè)重化學反應過程中物質(zhì)的能量屬性和條件屬性，因此維度3可命名為“反應熱的表征/能量與條件”。（3）從圖3的維度2看，左半?yún)^(qū)概念主要描述化學反應過程中的變化，包括物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化，右半?yún)^(qū)的概念側(cè)重化學反應呈現(xiàn)出的特點，如反應類型、反應條件以及對化學反應結(jié)果的表征，因此維度2可命名為“化學反應中的能量與物質(zhì)變化/反應熱的表征”。

低分組學生的“反應熱”概念組織結(jié)構選擇三維度解。模型擬合結(jié)果顯示Stress值為0.16123，RSQ為0.90668，擬合程度良好。將三維結(jié)構圖依次投射成3個二維平面圖，如圖4～圖6所示。運用上述的分析方法，可以發(fā)現(xiàn)：（1）圖4的維度1可命名為“物質(zhì)變化及其條件/能量及其變化”。（2）在圖5的維度3中，上半?yún)^(qū)的化學概念側(cè)重描述產(chǎn)生反應熱的種類以及計算的相關規(guī)律，下半?yún)^(qū)的化學概念主要側(cè)重化學反應過程中物質(zhì)的能量屬性和條件屬性，因此也可命名為“反應熱的表征/能量與條件”。（3）在圖6的維度2中，左半?yún)^(qū)概念主要描述化學反應過程中的變化，包括物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化，右半?yún)^(qū)的概念側(cè)重化學反應呈現(xiàn)出的特點，如反應類型、反應條件以及對化學反應結(jié)果的表征，維度2可命名為“化學反應中的能量與物質(zhì)變化/反應熱的表征”。

對比高分組和低分組學生的二維圖，總體上兩類學生的概念三維分布有一定相似性，主要的相似性體現(xiàn)在兩類學生的概念組織結(jié)構的三個維度基本一致，均可解讀為：“物質(zhì)變化及其條件/能量及其變化”“反應熱的表征/能量與條件”和“化學反應中的能量與物質(zhì)變化/反應熱的表征”，說明兩類學生基本熟知“反應熱”模塊的知識，能從物質(zhì)變化與能量轉(zhuǎn)化兩個方面認識該主題概念。但也體現(xiàn)出多處差異：（1）綜合分析圖1至圖3，高分組學生的概念集群效果較好，概念總體分布有一定的區(qū)分性，結(jié)構化水平較高。而通過分析圖4至圖6，低分組學生的概念集群效果較差，大部分概念在各個維度的投射圖中的兩兩距離較近，表明低分組學生的分類數(shù)較少，缺乏對概念間的關系作更深入的思考。（2）低分組學生部分“相對概念”存在認知偏差，如把“反應物/生成物”“反應物總能量/生成物總能量”割裂看待，在圖4、圖5、圖6中可以明顯看到兩兩概念距離較遠，分處不同區(qū)域。（3）如圖1至圖3，高分組學生將“量熱計”“溫度計”單獨分成一類，在二維圖中觀察到這兩個概念彼此靠攏，距離其他概念很遠，說明該群體學生認為“量熱計”“溫度計”作為工具。而低分組對于“量熱計”“溫度計”的分類稍有不同，這兩個概念在維度1和維度3中與能量相關的概念聚集在一起。通過分析低分組學生填寫的分類理由并結(jié)合訪談，發(fā)現(xiàn)這是由于他們認為“量熱計”與“溫度計”是測量反應熱的工具，與能量變化有關，因此未作為“工具”處理單獨分成一類。

4.2? 聚類分析結(jié)果

為了更加清晰地了解兩類高二學生的概念具體分類情況，依據(jù)兩類群體的多維尺度分析得到的各個概念的三維坐標進行聚類分析。高分組、低分組兩類高二學生的聚類情況見圖7和圖8?；诓煌某叨龋梢缘玫讲煌木垲惤Y(jié)果。因此在譜系圖中結(jié)合實際情況，選取最優(yōu)的尺度以去確定較合適的聚類情況。高分組學生以5為尺度，低分組學生以3為尺度進行分析。

比較兩類學生空間維度與具體聚類見表2。

高分組學生對“反應熱”概念群的概念分類呈7類，分類結(jié)果比較科學嚴謹。在物質(zhì)變化層面，主要聚焦始末物質(zhì)變化和反應條件，體現(xiàn)較好的變化觀；在能量變化層面，主要聚焦反應熱的微觀本質(zhì)和反應熱的表征計算，與教材中的內(nèi)容的設計安排較為契合?！胺磻獰岬奈⒂^本質(zhì)”分類表明高分組學生有較強的微觀意識，能有效區(qū)分產(chǎn)生反應熱的宏觀原因與微觀原因，具有一定的“宏微結(jié)合”視角；“始末物質(zhì)變化”分類表明其具有較好的變化觀。低分組學生對“反應熱”概念群的概念分類呈6類。在物質(zhì)變化層面，主要聚焦變化規(guī)律和反應條件；在能量變化層面，缺少更加具體的二次分類。此外，部分具體分類存在偏差，如在類別“變化條件”處出現(xiàn)“中和反應”概念與三種條件分為一類的情況。

兩類學生的具體聚類的結(jié)果以及所含概念存在差異，能明顯地看到高分組學生學習“反應熱”的時候能基于三重表征的視角。從高分組學生的“始末物質(zhì)變化”分類看，他們對“始態(tài)與終態(tài)”的認識比較深入，間接表明他們對于蓋斯定律的理解比較到位。從高分組學生“能量”和“能量轉(zhuǎn)化”的分類結(jié)果看，他們具有較好的能量觀和變化觀。而低分組學生的具體聚類沒有體現(xiàn)出“反應熱”的本質(zhì)。從低分組學生的“能量種類與能量變化”的分類結(jié)果看，相比于高分組學生，低分組學生將能量類概念和能量變化類概念雜糅，無法有效區(qū)分靜態(tài)的能量形式與動態(tài)的能量轉(zhuǎn)化，變化觀有待增強。

5? 結(jié)論與建議

5.1? 研究結(jié)論

（1） 不同層次的高二學生“反應熱”概念組織結(jié)構存在差異，高分組學生概念總體分類情況較為科學嚴謹，概念結(jié)構化水平較高，能基于宏微視角對概念進行分類，同時具備良好的變化觀和能量觀。低分組學生概念總體分類情況較為一般，“反應熱的微觀本質(zhì)”理解有待加強，有待形成變化觀、能量觀與微觀視角。

（2） 概念組織結(jié)構的影響因素。影響學生概念組織結(jié)構形成與變化的因素有多種，主要有以下幾點原因：第一，理解概念定義與概念間關系的“首因效應”。學生在初學“反應熱”主題內(nèi)容時，對概念的理解與辨析決定概念組織結(jié)構能否順利形成。同時，概念間的關系的把握也會影響概念結(jié)構的形成。第二，學習習慣與思維品質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn)，高分組學生的概念結(jié)構的結(jié)構化程度優(yōu)于低分組學生，高分組學生對于概念的分類比較科學，因此可以推測：高分組學生在學習過程中較為注重對概念的辨析，在分類任務中思考問題較為全面，與其體現(xiàn)出的學業(yè)成績有較為直接的關聯(lián)，體現(xiàn)出高水平的思維品質(zhì)和學習能力。第三，遺忘與復習。遺忘是學生學習過程的特性，因此及時的復習是鞏固概念結(jié)構的重要步驟?；跍y試結(jié)果結(jié)合訪談發(fā)現(xiàn)，高分組學生具有良好的學習習慣，能自覺地進行復習，因此概念組織結(jié)構更完善。此外，教師的教學風格、教師的教學思路等均會影響學生的概念結(jié)構，但本質(zhì)原因是對概念的理解與辨析。

5.2? 研究建議

概念組織結(jié)構能反映出學生的概念結(jié)構化水平，符合新課標中提到的“診斷學生結(jié)構化水平”的教學要求。在大單元教學或大概念教學時，學生是否能形成對于諸多概念的結(jié)構化認識是衡量學生學習質(zhì)量和思維品質(zhì)的重要依據(jù)。因此，課堂教學的關鍵在于教師要有意識地引導學生建立概念關聯(lián)，善于運用思維導圖、概念圖、歸納等方法促進學生形成更為科學、更結(jié)構化的認識。為了提升效果，教師還要善于運用多種方法診斷學生的概念結(jié)構化水平，及時糾正學生的認知偏差和減少“迷思概念”，如可用自由分類任務、畫概念圖等，以多元教學評價帶動教學質(zhì)量的提升。

此外，在面對如高分組和低分組兩類不同的學生時，要把握學生概念結(jié)構的發(fā)展規(guī)律，及時了解學生的概念結(jié)構化水平的變化情況，實施補救教學。在實際的教學中，要重點把握學優(yōu)生、學困生的概念結(jié)構特點，課堂教學或者課后作業(yè)設計可增加分層性，滿足不同學生的學習需求，促進不同層次學生的學業(yè)發(fā)展。

參考文獻：

［1］［2］林崇德， 楊治良， 黃希庭. 心理學大辭典［M］. 上海： 上海教育出版社， 2004： 378～380.

［3］Goldsmith T E， Johnson P J， Acton W H. Assessing structural knowledge ［J］. Journal of Educational Psychology， 1991， 83（1）： 88～96.

［4］張積家， 陳俊. 漢語親屬詞概念結(jié)構再探［J］. 語言科學， 2004， （1）： 77～86.

［5］王娟， 張積家， 和秀梅， 等. 傈僳族、普米族高中生基本顏色詞的概念結(jié)構——兼與摩梭高中生基本顏色詞概念結(jié)構比較［J］. 大理學院學報， 2013， 12（7）： 13～19.

［6］［12］［16］［17］錢揚義， 張積家， 羅秀玲， 等. 化學概念與化學“學科關鍵詞”的學習與認知［M］. 北京： 科學出版社， 2009： 168～172.

［7］王立新. 高中師生“離子反應”概念結(jié)構的研究［D］. 廣州： 華南師范大學碩士學位論文， 2018.

［8］唐文秀. 高中師生“氧化還原反應”概念結(jié)構的研究［D］. 廣州： 華南師范大學碩士學位論文， 2019.

［9］李林燊. 高中理科學生“原電池”概念結(jié)構的研究［D］. 廣州： 華南師范大學碩士學位論文， 2020.

［10］林惠梅. 中學師生“原子結(jié)構”概念結(jié)構的研究［D］. 廣州： 華南師范大學碩士學位論文， 2021.

［11］麥裕華. 高中生“化學平衡”概念結(jié)構的研究［D］. 廣州： 華南師范大學碩士學位論文， 2022.

［13］National Research Council. A Framework for K-12 Science Education： Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas ［M］. Washington， D. C： The National Academies Press， 2012.

［14］駱文淑， 趙守盈. 多維尺度法及其在心理學領域中的應用［J］. 中國考試， 2005， （4）： 27～30.

［15］王凱旋. 結(jié)構效度的因素分析和多維尺度分析比較［J］. 貴州師范大學學報（自然科學版）， 2014， 32（1）： 20～24.