原子結構相關化學學習個案范文
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摘要基于對被試的細致考察設計了概念學習方案,追蹤其學習過程并收集到系列概念圖;剖析概念圖節點、命題、層級的變化趨勢以及組塊的成長軌跡,動態、細致地呈現了被試對21個化學概念的學習,揭示并解釋了其概念建構、重構的認知變化過程與細節。
關鍵詞化學概念概念學習個案研究概念圖概念建構原子結構
概念是事物本質特征的反映,是任何一個學科知識體系最基本的構成元素。化學概念是從大量化學事實及邏輯思維結果中概括出來的,深刻地反映了化學過程的本質特征[1]。在學習者的認知結構中,概念充當知識網絡中的“節點”,只有掌握化學概念才能幫助學習者建構起清晰的學科知識體系。
所謂概念學習(又稱概念形成)是指個人在學習環境中掌握同類事物共同的關鍵特征的過程。面對概念學習的復雜性,研究者們的視角也從對概念學習的一般特征的宏觀了解轉向對個體的、詳細的概念學習過程的審視;同時,學習者在概念學習過程中認知變化的特殊性使得對個體概念學習的研究成為對群體研究的一項必要補充[2]。本研究追蹤記錄并分析了被試TY對21個原子結構相關化學概念的建構、重構過程。
1被試
通過訪談被試就讀學校的教師、家長以及與被試的交往,獲取關于被試的基本信息。
被試TY,16歲,女,南京某重點中學應屆初中畢業。她自信、活潑,興趣廣泛,和同學關系親密;她平時善于提問、學習較為主動并有自己的學習方式,成績優秀。總體而言,TY擁有濃厚的學習興致、敏捷的思維、良好的學習習慣以及對自己較為準確的判斷。初中階段的化學學習中,TY學習的教材是人民教育出版社出版的義務教育課程標準實驗教科書《化學》九年級(上下2冊)。
2前測
從形式思維水平、元認知水平、相關化學知識與科學本質觀4個緯度來考察TY。前測所基于的假設如下:首先,由于中學化學中的原子結構相關概念對個體的思維發展水平提出了一定的要求,所以設計了以美國坦普爾大學教育學院教育心理系編制的“形式思維評價量表”的自然科學部分為平臺的前測。其次,元認知在個體的概念學習中發揮評價、協調、監控等作用,所以考察TY的元認知水平。第三,科學本質觀在一定程度上影響學生對抽象概念的學習,測查TY對自然科學所持有的態度,為概念學習提供參考。最后,以自編習題考查了TY的相關前化學知識。
為了全面、詳盡地收集有效資料信息,前測的實施以紙筆測驗為主,結合使用半自由式訪談、深度訪談、觀察、實物演示等方法。
在形式思維水平測試中,TY得25分,處于形式運算階段(23分及以上)。訪談進一步體現出被試思維的批判性、深刻性、周密性。元認知水平測試表明TY對自我的認識清晰、肯定;對實踐任務能夠做到有意識歸類、分析并尋找恰當方法;在具體的認知活動中TY的計劃性較強。被試的科學本質觀介于知識本質觀與現代的科學本質觀之間,并且比較接近后者;TY對自然科學知識持有開放、靈活的觀點。前化學知識測試表明TY已初步具備相關化學知識。
基于前測,參考人民教育出版社出版的普通高中課程標準實驗教科書《化學》(必修1、必修2)以及《物質結構與性質》,設計了概念學習方案;鑒于TY在思維發展水平與元認知測試中的良好表現,將學習的難度稍作提高,以便最大限度地考察其概念學習過程。
3研究程序
特意將研究安排在暑假。其時,TY剛參加完當年南京市中考并自信滿懷地等待某示范高中的錄取通知。整個研究期間TY的學業負擔小、學習熱情高;此外,主試隨時關注被試情感變化并適時引導,確保整個研究在TY較為平緩、良好的情感背景下進行。研究時段的安排也充分保證所關注的是TY有意義學習過程中的積極的思維變化,而非消極的應付式的機械學習。具體研究安排參見表1。
表1被試基本學習情況一覽(a)
日期(7月)1日2日4日5日
學習時間/min50403030
主要學習內容能層及其表示符號、能級及其表示符號電子云、電子云輪廓圖、磁量子數原子軌道、能量最低原理、自旋量子數、電子排布式、軌道表示式、Pauling不相容原理、Hund規則構造原理,主量子數、角量子數、磁量子數、自旋量子數(以第
一、
二、三周期元素為例)
學習結果呈現CM1CM2CM3CM4
學習性質新概念學習
表1被試基本學習情況一覽(b)
日期(7月)6日10日11日12日17日
學習時間/min5560503530
再學習內容(被試本次學習中重點加工的內容)構造原理、全滿半滿規則(以第四周期元素為例)磁量子數、自旋量子數、原子軌道之間的關系電子云輪廓圖與原子軌道之間的關系原子軌道與4個量子數之間的關系,4個量子數與電子排布式、軌道表示式、電子排布規則之間的關系精確節點間的連接詞
學習結果呈現SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
學習性質被試嘗試改變硬幣的位置、重新認識概念之間關系,修正、完善概念圖
概念學習共進行了9次,前4次為基于方案的新概念學習,后5次通過自由學習逐步完成對難點概念的重構。每次學習后,主試要求TY基于她所理解的概念繪制(或制作)概念圖,并針對某些細節對TY進行深度訪談。
前3次為被試學習后自由繪圖;第4次主試參與被試作圖過程,引導TY思考每一步概念圖的繪制;在第5至8次學習中,研究者采用借助于硬幣等實物搭建概念圖的形式幫助TY實現對部分概念的理解轉變。以上共涉及21個概念。
4概念學習分析
追蹤研究中,收集到TY建構的9個概念圖:CM1、CM2、CM3、CM4為TY繪制的概念圖,SCM1、SCM2、SCM3、SCM4為TY借助實物搭建的概念圖,CM5為TY最后一次繪制的終結版美工概念圖。結合概念圖的特征,從節點、命題、層級3個維度分析其變化趨勢;在考察被試的概念圖建構行為的基礎上,揭示TY頭腦中組塊的成長軌跡。
4.1節點分析
節點是針對概念圖圖表結構而言的?？紤]到TY所做概念圖的特征,本研究中節點是指被試概念圖中箭頭(牙簽)所指向的或從箭頭(牙簽)出發的原子結構相關概念的重要術語名詞。筆者又將節點細化為以下小類別:
“已學概念數”指的是截止到此次學習為止TY所接觸到的原子結構相關概念的數目。在其概念圖中節點位置處正確呈現出來的概念稱為“有效節點”,其數目即為“有效節點數”。將TY每次概念圖中的有效節點與已學習概念相比較,將遺漏部分稱為“遺漏節點”。本研究中“聯想屬性”本質是關于某一概念TY所能想到的相關屬性,不同概念圖中同一概念的聯想屬性不完全相同。聯想屬性依附于節點而存在,將其作為對節點研究的輔助考察。概念圖節點特征情況詳見表2。表2概念圖節點特征情況(a)
概念圖CM1CM2CM3CM4
已學概念數7101720
有效節點數55511
遺漏節點名稱能層、能級能層、能級、電子云、電子云輪廓圖、磁量子數能層、能級、電子云、電子云輪廓圖、磁量子數、原子軌道示意圖、能量最低原理、自旋量子數、電子排布式、軌道表示式、泡利不相容原理、洪特規則軌道表示式、電子排布式、電子云、電子云輪廓圖、構造原理、主量子數、角量子數、磁量子數、自旋量子數中國論文聯盟編輯。
數量25129
聯想屬性
數量11141812
不當表述能級電子云圖不同能量級的電子云圖
備注TY將新學概念視為已知概念的聯想屬性
表2概念圖節點特征情況(b)
概念圖SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
已學概念數2121212121
有效節點數1919202020
遺漏節點
名稱電子云、
電子云輪廓圖
電子云、
電子云輪廓圖電子云電子云電子云
數量22111
聯想屬性數7771010
備注TY解釋:將“電子云”視為繪制“電子云輪廓圖”和“原子軌道”的工具,所以不在概念圖中呈現。
圖1表明,從CM1到CM4有效節點數、遺漏節點數、聯想屬性這3個變量都呈現出較大的變幅,在SCM1之后的概念圖中它們的變化都較為平緩。為何出現前后截然不同的節點變化趨勢?這里又映射出TY怎樣的認知變化細節?
圖1概念圖節點特征變化
為此,查看了CM1、CM2、CM3,發現在這些概念圖中新概念并沒有全部體現在節點中,有的被遺漏,有的則以聯想屬性的形式出現——在CM1中,TY將“能層”、“能級”作為“核外電子”的聯想屬性,在CM2中將“電子云示意圖”作為“能級”的聯想屬性,在CM3中將“電子排布式”、“軌道表示式”作為“能級”的聯想屬性。將新概念視作為已知概念的聯想屬性是TY采取的概念學習方式之一。新的命題的意義的出現,最典型的反映是新舊知識之間構成一種類屬關系[3]。TY采取的這種學習方式在奧蘇貝爾的意義學習理論中被稱為類屬學習或下位學習。這是一種較為省力的學習,在這種學習中TY只需將“能層”、“能級”作為“核外電子”運動的深化認識(相關類屬),將“電子云示意圖”作為“能級”特例(派生類屬)來記憶。用已有概念包容新概念的過程是TY對新概念的初步加工。
在CM4的繪制中,主試參與TY作圖過程,引導她將新概念從聯想屬性中解放出來,作為獨立的概念呈現;在之后的概念圖中,TY借助于硬幣等實物搭建概念圖,做圖方式的轉變進一步引導她完成對各概念獨立性的認識。所以在CM4、SCM1中,有效節點數明顯增加,聯想屬性相應降低。學習策略的轉變(主試引導做圖、實物搭建概念圖)對概念學習具有促進作用。SCM1之后,TY的概念圖中節點變化大大減少,此階段TY學習的重心已經轉移到對概念內涵、外延的精加工上。
4.2命題分析
從某種意義上說,概念圖是以命題的形式表征概念間有意義關系的網絡結構圖[4]。對命題的剖析使得我們對概念圖的分析更接近其本質。本研究中,對“命題”的界定遵循這樣一個原則:在2個節點之間出現的(由箭頭或牙簽構成)的意義關系屬于命題,不同位置聯想屬性之間的意義關系屬于命題;節點與聯想屬性之間的意義關系不屬于命題,相同位置的不同聯想屬性之間的關系不屬于命題。
筆者對命題的分析首先是查找出某概念圖中所有的命題并記錄為“命題總數”;再找出其中的不當命題的數量并記錄為“錯誤命題數”;將某一概念圖與之前一次的概念圖相比較,在相同節點之間所出現的新意義(新命題)記錄為“創新命題”;將CM5終結版美工概念圖作為標準概念圖,結合每次學習內容在其中找出該次學習所對應的命題數稱為該次學習所應達到的“標準命題數”。詳見表3。
表3表明,在CM1至CM3中有效命題數增加較為緩慢,同時此期間錯誤命題數一路攀升,創新命題數鮮有變化。有效命題數第一次上升出現在CM4中,隨后在SCM1中持續上升。學習方式的靈活多變是這2次學習的重要特征——在CM4中主試參與被試做圖,引導TY嘗試著將新概念作為獨立成分容納到其概念圖中;SCM1中TY第一次嘗試著用實物(大小不等的硬幣和牙簽)搭建概念圖,這一充滿趣味性的學習策略帶來概念圖中創新命題數第一次達到最高點。同時在這2次學習中被試概念圖中的錯誤命題數都維持在零。
表3概念圖命題特征情況
概念圖CM1CM2CM3CM4SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
標準命題數7918212222222222
命題數469101617182222
有效命題數456101616182222
錯誤命題數013001000
創新命題數002030230
有效命題數的第二次攀升出現在SCM3和SCM4中。這一階段TY學習的重心是修正、深化對概念的認識。盡管這一階段概念圖中節點數變化不大,但對概念內涵、外延的思考帶來TY對概念之間關系的再認識,進而帶來這一階段創新命題數一路升至第二個最高點。在SCM2中被試出現一處錯誤命題,但隨著被試認識的深化這一錯誤很快便得到糾正,并且之后的概念圖中錯誤命題數一直保持在零。
4.3層級分析
對概念圖中層級的劃分依據以下標準:從同一節點出發的不同箭頭(或牙簽)指向相同的下一層級;從同一層級出發的不同箭頭(或牙簽)指向相同的下一層級;相同位置聯想屬性歸屬于它們的附屬節點所在的層級;相鄰的不同位置聯想屬性之間構成一個層級差。概念圖中的最大層級數為該概念圖的層級數。統計情況見圖2。圖2概念圖層級數變化
層級結構作為概念的展現方式,較大程度受制于使用者對概念圖的呈現方式。在SCM3中便由于被試概念圖呈現方式的變化引起層級數的略下降。排除這一主觀因素,宏觀來看,在TY的整個概念學習中,前期層級數增加顯著,這部分由于隨著學習的進行被試接觸到的概念顯著增多,部分源于被試對概念之間關系的逐漸領悟;后期層級數并沒有停止變化而是緩慢增加,這表明對概念內涵、外延的思考有助于被試進一步理清概念之間的層級關系;反之,對概念層級關系的明晰也有助于被試從本質上認識各概念本身。
4.4組塊分析
本研究中,組塊分析是對被試做圖過程中相關行為的分析。通過分析這些行為能推測被試概念學習(特別是概念表征)的一些情況。人們認為,在被試的認知結構中相關的概念被編碼到一起,形成一個組塊。本研究中,判斷組塊的具體標準為:TY做概念圖的過程中,一口氣書寫出來的概念名詞被認為歸屬于相同的組塊;在書寫過程中發生思考、停頓等間歇性(間隔時間參考2秒標準)行為時,就認為新組塊出現。(在棋手組塊的相關研究中,simon等人就指定2秒鐘的時間間隔為不同組塊出現的標準,后經實驗證明這一標準是有心理現實的。)
在分辨出所有的組塊之后,將TY終結版美工概念圖中的組塊作為標準組塊并記為A、B、C、D。依據標準組塊中所涉及到的概念,從之前的概念圖中尋找出它們成長的軌跡,并分別記為a1、a2、……b1、b2、……c1、c2、……詳見表4。TY概念圖中具體組塊的組成參見表5。表4組塊變化情況
概念圖前測CM1CM2CM3CM4SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
組塊分
布情況
a1,a2AAAAAAAAA
b1b1b1b1b2,b3b3,b4b2,b5BB
c1c2c1,c3CCCC
d1d2d3DD
表5具體組塊組成
暫時采用組塊及各組塊內容標準組塊及所含概念數中國論文聯盟編輯。
a1原子、原子核、核外電子A5
a2原子核、質子、中子
b1能層及其表示符號、能級及其表示符號
b2能層及其表示符號、主量子數,能級及其表示符號、角量子數
b34個量子數B7
b4能層、能級、原子軌道
b5磁量子數、原子軌道,自旋量子數
c1電子排布式、軌道表示式
c2Pauling不相容原理、Hund規則、能量最低原理C7
c3Pauling不相容原理、Hund規則、構造原理、全滿半滿、能量最低
d1能級、能級電子云圖
d2電子排布式、軌道表示式、能量級電子云圖D2(原子軌道、電子云輪廓圖)
d3電子云輪廓圖
表4表明,組塊A的成長非常迅速。在前測中TY還不能流暢地再現這5個概念;但由于它們之間的關系簡單,并且在TY的長時記憶中又多少儲存有對它們的相關表征;所以TY在第一次學習后便將這5個概念重組成一個組塊。借助于長時記憶進行的信息再編碼不但可以實現組塊擴容,而且降低了被試的認知負荷,有助于被試將注意力集中在新概念的學習上。
組塊B的成長非常緩慢。經歷了前后7次學習才形成的組塊B共包括7個概念,并且它們之間關系錯綜復雜。在第一次學習中受學習內容限制,被試首次形成了組塊b1,這一組塊一直保持到SCM1的實物搭建概念圖中才首次擴容形成組塊b2;隨后被試在概念構圖過程中表現出多個b組塊并存現象,直至SCM4中才再次將多個b組塊整合而成標準組塊B。從組塊b1到b2到b3,我們不僅看到了組塊的擴容而且看到其動態變化。從組塊b4、b5我們發現,TY嘗試著將“原子軌道”融入之前的組塊中,但由于概念間關系交錯復雜,直至SCM4中才為“原子軌道”找到了合適的位置,真正形成一個整體性、有意義的組塊。
組塊C是被試在學習中形成較快的一個組塊,這與組塊內部關系的層級分明有著重要關系。可見,概念數量不是影響組塊化進程的唯一因素,組塊內部關系的復雜程度同樣重要,特別是在前者相同的情況下,后者的影響便成為組塊化進程的決定性因素。
組塊D是較為特殊的一個組塊,其中只包含2個概念。節點分析表明“電子云輪廓圖”一直以來都是TY概念圖中的遺漏節點,直至SCM3中TY才嘗試著將其擺放在“原子軌道”概念的旁邊,但這一行為前后的時間間隔超過了2秒(5秒左右),所以我們沒有將其視為一個組塊。在最后的2次概念構圖行為中,被試不但較為順利地將這2個概念擺放在一起,而且給出了自己的解釋,認為他們之間存在“含90%電子出現概率的電子云輪廓圖稱為原子軌道”,據此我們認為組塊D形成。可見,隨著TY對各概念內涵外延的熟悉、對概念圖層級結構的明朗化,TY可以很快確定組塊。
5研究結論
基于研究與分析,得到以下結論:
(1)概念學習初期,TY采用下位學習對新概念進行初步加工。將新概念視為已知概念的聯想屬性形成對它們的初步認識,學習初期TY采用的這一學習策略有效降低其認知負荷,但也使得TY對新概念的理解較為局限、較多地依附于長時記憶。
(2)非傳統的學習策略能有效地促進概念轉變。主試引導做圖和實物搭建概念圖,這些策略一方面提高TY的學習興趣,一方面促使她拋棄之前繪制概念圖時的定勢、嘗試著從概念本質上來制作概念圖。
(3)組塊研究告訴我們,影響組塊化進程的首要因素是組塊內諸概念之間的關系。隨著概念轉變的實現,TY對概念內涵、外延的思考不斷深化,這些思考促進了她對概念之間關系的理解,進而實現組塊化。
參考文獻
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