摘要 采用出声思维技术对30名高中生书写化学方程式的问题解决过程进行了测查，并根据测查结果绘制其问题解决行为图，以研究高中生有关化学方程式认知结构的发展水平。研究结果表明：高中生化学方程式认知结构的发展水平可以划分为信息记忆水平、程序操作水平、理论整合水平3个层次，其中从程序操作水平发展到理论整合水平是高中生化学方程式认知结构发展的关键期；同一年级的中学生，其化学方程式认知结构发展水平呈现出不同的层次，但随着年级的升高和化学知识的丰富，中学生化学方程式认知结构发展水平总体上不断提高。
关键词 高中生 化学方程式 认知结构 发展水平 行为图 出声思维
化学作为一门在原子、分子水平上研究物质变化及其应用的基础自然科学，从宏观层面上研究物质的性质和变化，从微观层面上揭示物质的构成和反应机制，而化学方程式作为一种重要的化学用语，以符号的形式科学、简明地表达了物质间的变化规律，成为联结宏观与微观的桥梁［1］。已有研究表明，学生对化学方程式的学习和运用会直接影响到他们学习化学的水平［2］。那么，学生关于化学方程式书写和运用的知识，即学生头脑中有关化学方程式的认知结构是如何构建的，其发展水平分为那几个层次？本文采用出声思维技术对30名高中生书写化学方程式的过程进行了测查，并根据测查结果绘制其行为图，以研究高中生化学方程式认知结构的发展水平。
1 研究假设
所谓认知结构，简单地讲就是学生头脑中的知识结构，是学科（教材）知识结构通过个体的思维活动内化为其心理结构的过程。由于个体的知识经验不同，思维参与的程度不同，因而其认知结构呈现出不同的层次水平。我们认为，中学生化学方程式认知结构的发展水平分为3个层次：（1）信息记忆水平。学生刚开始学习化学方程式时，一般是经过对宏观现象的观察，建立符号联系，然后结合微观信息进行理解记忆。学生头脑中主要是进行宏观、微观和符号三重表征信息的整合。处于这一水平的学生，通常把化学方程式看作是“描述”化学反应的信息符号，主要采用“记忆”的方式学习化学方程式，倾向于通过“背诵”的方法书写化学方程式。（2）程序操作水平。随着学生“记忆”的化学方程式的增多，学生在头脑中对如何书写化学方程式的知识不断进行整合，形成一定的规律或程序。处于这一水平的学生，往往依据有关的反应规律，按照一定的操作程序和步骤，程式化地完成化学方程式的书写。（3）理论整合水平。处于这一水平的学生，能够理解和把握化学反应的实质，将化学方程式与有关的化学理论进行整合。他们在书写化学方程式时通常摆脱了程式化的书写方式，能够灵活运用有关的理论知识完成化学方程式的书写。
学生化学方程式认知结构的发展水平决定了他们书写和应用化学方程式解决问题的过程和方式。据此，我们可以通过观察和分析学生书写和应用化学方程式解决问题的行为，测查和研究学生化学方程式的认知结构发展水平。
2 研究方法与程序
2.1 研究对象
被试来自研究者所任教的普通高级中学高一（1）班、高二（5）班和高三（1）班的学生，3个班学生总人数基本相等，各年级均是按照学生的学习成绩随机等组编班。
2.2 研究方法
研究方法则采用基于出声思维的个案研究和小范围研究测试相结合的方法。
2.3 研究材料
自编口语报告问题任务材料(见附录)，其中包括3个问题，被试学生必须做答。布鲁纳认为，学生的认知生长是以反应日益独立于刺激的直接性为特征的 ［3］。据此，第一题主要考查学生已学过的化学方程式，在学习该化学方程式时教师给出了直接刺激（化学实验）；第二题是要求学生根据题目给出的相关信息（间接刺激），写出有关反应的化学方程式；第三题不再给出相关的信息，直接要求学生书写复杂反应的化学方程式。
另外，为了解不同年级学生的学习情况，我们还分别选取了3套化学试题以测试学生的化学学习情况：高一新生入学考试化学试题、高一下学期期末检测化学试题、高二下学期期末检测化学试题。
2.4 研究程序
首先，由研究者作为主试，用与学段相应的化学试题对学生进行测试，然后利用SPSS 11.0软件包对测试结果进行聚类分析，将学生分为3类。再根据学生平时的化学学习状况将他们分成3类。两种分类中皆属于优或差的学生就构成了典型学优生或学困生的选择范围，再结合学生的具体特点（被选学生应具有较好的心理素质和口头表达能力，以增加测试结果的可靠性），在此范围内每班选取学优生5人，学困生5人。
然后，进行出声思维录音。要求学生一边完成口语报告的问题任务，一边尽可能地说明其解决该问题时的思考细节。研究者一边实时录音，并在不影响学生思路的情况下适当地提问或提示，一边实时记录被试学生的特征性行为。录音结束之后，研究者根据实际情况又及时向被试学生提出了一些问题。
最后，逐一分析被试书写化学方程式的情况与录音材料，对被试的出声思维录音重新进行语句整理、转译及编码，并绘制出其行为图［4］，以便对不同学生化学方程式认知结构发展水平进行测查和研究。
3 研究结果与讨论
3.1 学生书写H2和O2反应的化学方程式分析
为了研究不同被试基于直接刺激而建构的化学方程式的认知结构发展水平，我们逐一分析被试完成问题任务1的情况与录音材料，并根据上述原始材料绘制出其行为图。根据绘制的行为图统计得下表1：
说明：A、B、C分别表示高一、高二、高三的学生，其中*指学优生。以下表格同。
然后，我们选取每个水平层次最为典型的被试作为研究对象，对其行为图进行详细的分析研究，以期能够更加准确地测查高中生化学方程式认知结构的发展水平。根据表1中不同水平层次各年级人数的分布情况，我们在每一水平层次人数最多的年级，选择其中思路最清晰、行为最简单的被试作为研究对象，具体分析其思维过程。在问题任务1中，我们选取的典型被试是SA5（高一学优生，编号5#）、SB8（高二学困生，编号8#）和SC1（高三学优生，编号1#）。
被试SA5完成问题任务1的出声思维录音节录见表2：
对应解决该问题的行为图如下：
由图1可以看出，该被试的问题行为图最为简单。该被试明确了解题目标后，马上搜索相关的反应。接着，他靠记忆“背诵”出了氢气和氧气反应的化学方程式。他又以质量为量度“背诵”出了反应物和生成物的数量关系，并“幸运”地得到结果。这表明该被试认为化学方程式是一个用以描述宏观化学反应的信息符号，反应物、生成物之间的依数性关系，也仅仅是以质量或者个数为量度的数字符号。学习化学方程式就是“记忆”化学方程式，书写化学方程式也就成了“背诵”化学方程式。
被试SB8完成问题任务1出声思维录音节录见表3：
对应解决该问题的行为图如下：
由图2看出，该被试的问题行为图相对较为复杂。该被试读完题即明确了解题目标，然后确定了把化学方程式作为解题工具。接着，她按照先写出反应物、生成物，再进行配平，最后确定反应条件的程式化的步骤完成了化学方程式的书写。最后，她又按照用化学方程式解题的程序化步骤，计算出了结果。这表明该被试将化学方程式的书写当做一个程式化的操作过程。
被试SC1完成问题任务1出声思维录音节录见表4：
由图3看出，该被试的问题行为图很简捷。该被试读完题就激活了认知结构中相应的知识组块——质量守恒定律，据此对问题信息进行选择性编码；再激活质量计算公式，迅速得出答案。然后，又从化学方程式的角度对问题进行编码、操作，得出答案，从而对计算结果进行对照评价。该被试没有书写化学方程式，而是依据质量守恒定律就直接解决了问题。该被试在评价计算结果时，又应用化学方程式计算出结果，与应用质量守恒定律得出的结果进行对照评价，这表明该被试已将化学方程式和有关的理论知识有效地进行整合，他可以灵活运用化学方程式或者化学方程式蕴含的某些信息去解决问题。
3.2 学生书写H2S和Pb(CH3COO)2反应的化学方程式分析
为了研究不同被试书写较为复杂的复分解反应类化学方程式的水平，我们仅让学习过相应知识的高二、高三学生作为被试，首先让被试阅读题目给予的新信息，再书写有关的化学方程式。逐一分析被试书写化学方程式的情况与录音材料，对被试的出声思维录音重新进行语句整理、转译及编码，并绘制出其行为图。根据绘制的行为图统计得下表5：
由图4看出，该被试的问题行为图相对较为复杂。该被试读完题目后，在没有仔细分析题干所给信息的情况下，就贸然确定了所给信息是干扰信息。然后，在老师的提示下，她才得出了Pb(CH3COO)2属于弱电解质的结论。接着，她严格按照程式化的步骤完成了化学方程式的书写。最后，她又按照书写离子方程式的程序化步骤，写出了离子方程式。这表明该被试书写化学方程式的过程，完全是一个程式化的操作过程。
被试SC1的行为图如5所示：
解题的关键步骤 □
1：阅读题目
2：断定PbSO4+2CH3COONH4＝Pb(CH3COO)2+(NH4)2SO4属于复分解反应
3：推断Pb(CH3COO)2属于弱电解质
4：该反应的离子方程式为：Pb(CH3COO)2+H2S＝PbS↓+2CH3COOH
5：进行评价：弱电解质和弱电解质反应生成沉淀和弱电解质是完全可能的
学生的问题
Q：题目给出的信息有什么用途呢？
由图5看出，该被试的问题行为图很简捷。该被试读完题目后，就通过对题干所给信息的分析，确定所给反应属于复分解反应，然后根据复分解反应发生的条件推断出Pb(CH3COO)2属于弱电解质，进而写出题目要求的离子方程式，最后用复分解反应的理论对所写离子方程式进行评价。
该被试熟练、迅速地利用复分解反应的相关理论推断出Pb(CH3COO)2是弱电解质。然后，他在没有书写化学方程式的情况下，就直接写出了离子方程式，这表明该被试对于离子反应理论的应用已经达到了自动化的程度。他在书写化学方程式时已经摆脱了程式化的书写方法，而是将化学方程式与化学理论知识进行有效整合，高效地激活、提取各种信息，运用或者重组方程式蕴含的某些信息完成相关化学方程式的书写。
3.3 学生书写FeBr2和Cl2反应的化学方程式分析
为了研究不同被试根据已有理论知识书写较复杂的氧化还原反应化学方程式的水平，我们仅让学习过相应知识的高二、高三学生作为被试完成问题任务3。然后，逐一分析被试书写有关化学方程式的情况与录音材料，对被试的出声思维录音重新进行语句整理、转译及编码，并绘制出其行为图。根据绘制的行为图统计得下表6：
由图6看出，该被试的问题行为图较为简单。该被试读完题目就确定该化学反应属于氧化还原反应，进而确定了氧化剂和还原剂。他没有对反应进行系统的理论分析，只是按照氧化还原反应规律想到了该反应的一种情况。然后，在主试的提示下，他严格按程式化的步骤完成了该氧化还原方程式的配平。这表明该被试没能将氧化还原反应理论与化学方程式进行有效的整合，没能从理论的高度对该反应进行全面、系统地分析，倾向于认为化学方程式是化学反应规律的具体化。因此，他自然地运用程式化的操作方式写出了该反应的化学方程式。
被试SC2的行为图如图7所示：
由图7看出，该被试的问题行为图比较清晰并且层次鲜明。该被试读完题目就确定该反应属于氧化还原反应，进而确定了氧化剂和还原剂，然后根据氧化还原反应的理论分情况进行系统地分析。由于反应较为复杂，该被试在写出反应物和生成物后，又利用电荷守恒的规律对方程式进行配平。这表明该被试既可以把化学方程式与化学理论进行有效的整合，又能够适时把它们 “拆分”，他既可以高效地激活、提取、重组各种信息或利用某些信息片段去分析问题，又可以适时利用程式化的步骤去书写化学方程式。
4 结论
通过对上述所有被试统计数据和典型被试行为图的分析，我们可以得到以下结论：
（1）高中生化学方程式认知结构发展水平可以划分为信息记忆水平、程序操作水平、理论整合水平3个层次，其概括应用水平逐渐提高。
（2）同一年级的中学生，其化学方程式认知结构发展水平呈现不同的层次；随着年级的升高和化学知识的丰富，中学生化学方程式认知结构发展水平总体上不断提高。
（3）虽然高二、高三的学生基本都达到了程序操作水平，但只有少部分学优生达到了理论整合水平。由此认为，从程序操作水平发展到理论整合水平是高中生化学方程式认知结构发展的关键。
参 考 文 献
［1］ 毕华林等.化学教育，2005，26(5）:5154
［2］ Dorothy Gabe1．Improving Teaching and Learning through Chemistry Education Research：A Look to the Future．Journal of Chemical Education ，1999:76
［3］ 施良方.学习论．北京：人民教育出版社，1994：218
［4］ 李广洲等.化学问题解决研究.济南：山东教育出版社，2004：36
