不同学生关于共价键概念表征深度的研究

不同学生关于共价键概念表征深度的研究＊任红艳　韩晓丽　李广洲＊＊（南京师范大学化学教育研究所　江苏南京　２１００９７）摘要　以加工水平模型为基础提出了共价键概念表征的３个水平：表层水平、中等水平和深层水平。

编制了相关调查问卷，对高一、高二和高三的１６９位学生开展了测查和定量分析，并以不同年级的部分学优生和学困生为对象展开了典型问题的定性分析，深入细致地讨论了不同类型学生在共价键表征深度方面的总体差异及在不同表征水平上的具体差异。

关键词　共价键　电子运动　概念表征　学优生　学困生化学教学中共价键概念一直受到国内外教学研究者的关注，如对利用共价键知识解决化学问题时出现的常见错误进行研究［１，２］，利用不同方式开展的关于共价键的教学研究等［３，４］。

目前，对化学知识的表征研究多数是从宏观、微观和符号三重表征的学科特点出发的，多数研究者钟情于对问题表征的研究，而对知识或概念的表征水平、特点及深度等方面的研究则较为鲜见。

了解不同年级学生在化学键相关概念表征深度方面的差异对教师改进教学具有一定的借鉴意义。

１　研究目的以共价键概念为研究对象，编制“共价键概念表征深度调查问卷”，探查不同年级学生间及同一年级学生之间在共价键概念表征深度方面的差异。

２　研究对象从南京某重点中学高一、高二和高三年级各选取１个普通班学生进行问卷调查，获得有效问卷共１６９份（高一５９份、高二６１份、高三４９份）。

另外，根据相关教师对学生学习情况的综合评价，从各年级中分别选取１０名学优生和１０名学困生作为进一步研究的对象，以便更为深入地反映学生之间知识表征的差异。

３　研究材料３．１　概念表征深度水平的确定最早提出“加工深度”一词的是多伦多大学的克瑞克（Ｆ．Ｊ．Ｍ．Ｃｒａｉｋ，１９７２）。

深度在这里作为一个自明的术语，用以表明被试对所学材料意义加工的充分程度［５］。

对于概念表征的深度，Ｃｒａｉｋ和Ｌｏｃｋｈａｒｔ提出了加工水平模型，共分为三个层次：表层水平（物理加工）、中等水平（语音加工）、深层水平（语义加工）［６］。

Ｃｒａｉｋ（１９７９）指出，加工水平模型有两个主要假设：第一，语义分析能够比非语义分析产生一个更深、更有意义的代码；第二，代码越深，记忆越持久。

从理论上讲信息编码的加工水平有无限多个，各水平之间没有明显的界限。

信息的存储水平在很大程度上取决于它是如何编码的，且其加工水平越深越有可能被提取。

语义分析越多（从刺激中抽取的意义更多），加工程度越深入［７］，概念表征也就越深刻。

因此，本研究根据加工水平模型将共价键概念表征深度分为３个水平，表层水平的表征、中等水平的表征和深层水平的表征（见表１）。

表１　共价键概念表征深度的３个水平表征深度解释第一水平（表层表征）从宏观类比角度表征概念，能简单识别相关概念，语音加工很少，几乎无法激活与所表征概念相联系的其他概念第二水平（中等表征）从符号描述角度表征概念，能够尝试使用部分抽象名词术语，语音加工为主，能够激活部分与所表征概念相联系的其他概念第三水平（深层表征）从本质理解角度表征概念，能够主动调用抽象名词术语解释相关现象，以语义分析为主，能够激活较多与所表征概念相联系的其他概念３．２　概念表征深度细目表及测试问卷的编制从概念心理表征的角度看，要充分理解概念，形成恰当的心理表征，就要全面地认识概念，即不仅知道单个概念的内涵和外延，还要能形成相关概念之间的认知地图。

因此，若要形成关于共价键概念的深度表征，仅仅知道共价键的定义是不够的，还需要从共价键的形成条件、电子运动状态、键长、·１６·２０１１年第９期 化　学　教　育＊＊＊教育部人文社会科学研究规划青年基金项目“中学化学教学专家系统的设计与开发（课题批准号：０９ＹＪＣ８８００５４）”通迅联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｇｕａｎｇｚｈｏｕ＠ｎｊｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ键角、键能、极性键和非极性键、σ键和π键等不同视角进行理解。

本研究以表１所述的３个表征水平为基础，参照《普通高中化学课程标准（实验）》（２００３）中认知性学习目标的水平，根据共价键概念的具体教学目标以及各年级的实际情况，编制了“共价键相关概念表征深度调查问卷”，细目表见表２所示。

从各年级分别选取１个班进行初测，根据测试及访谈结果对部分题目进行修改，并征求相关学科教学专家的意见，最终形成正式的测试问卷。

需要说明的是，因为共价键概念涉及的内容较多，并具有相应的知识梯度，高一学生还没有学习化学选修３（物质结构与性质），同时考虑到测试时间的限制，高一年级的测试问卷与高二和高三年级稍有不同，以第一水平问题为主，涉及个别第二水平的问题。

表２　共价键概念表征深度细目表表征深度题号考查内容分值（共３０分）第一水平（表层表征）１．１１．２１．３知道共价键形成及表示形式对极性键和非极性键概念的识别对共价键的识别及存在判断２２２第二水平（中等表征）２．１２．２２．３对键的极性与分子极性、分子形状关系的初步认识对σ键和π键的存在及特点的了解学生对共价键形成过程的进一步认识２２４第三水平（深层表征）３．１３．２３．３对共价键与物质性质关系的判断及说明对共价键形成本质（电子云）的理解应用共价键相关概念说明化学反应能力差异４８４４　结果统计与分析４．１　调查结果的定量描述 根据上述评分标准对各年级学生的答题情况评分并进行统计，所得结果如表３所示。

表３　共价键概念表征深度统计结果水平年级人数平均分标准差独立样本ｔ－检验年级比较ｔ显著性水平（双侧）表层表征高一高二高三５９６１４９１．６４３．７６３．６９１．４１０１．６１０１．４３２高二／高一高三／高一高三／高二７．７４７７．６８７－．２３２．０００．０００．８１７中等表征高二高三６１４９５．８４６．５３１．８２３１．２４３２．２８９．０２４深层表征高二高三６１４９１２．７８１４．３３３．２７６１．９８３２．８６５．００５ 从表３可见，不同年级学生之间在不同表征水平上存在差异。

从显著性水平可以看出，高二、高三年级与高一年级之间在表层表征存在极为显著的差异，且高二、高三年级在该表征水平上远远优于高一年级；另外，高二和高三年级在表层表征上不存在显著差异，但在中等表征和深度表征上存在显著差异，这说明高二和高三年级在表层水平上都能对概念进行很好的表征，但随着表征的深入，两年级学生之间出现差距。

比较高三与高二年级的平均分和标准差可以认为，高三年级在中等表征和深层表征上均优于高二年级，并且表征水平越高，其表征深度的差异越大，也就是说高三年级更易在较深层次上对概念进行表征。

为了能够更加细致地分析不同类型学生表征深度上的差异，我们选择了问卷中的相关问题进行深入分析，对不同年级学优生和学困生共价键概念的表征深度情况进行了具体分析。

４．２　典型问题的定性分析每个年级都有２０位学生（学优生、学困生各１０名）作为典型问题定性分析的对象。

下面选择问卷中的一个简答题（如下）来探查学生对共用电子对运动情况的认识。

问题：有人认为，在Ｈ２分子中，形成Ｈ－Ｈ键的两个共用电子是位于两个氢原子核之间固定不动的，这种说法对吗？你认为这两个共用电子是如何运动的？分析探查结果发现，除了１７位高一学生（其中学困生有８人）未对此作出解释之外，几乎所有的其他学生都认同共用电子是不断运动的而非静止的，但在具体回答共用电子如何运动时却出现很大的差异。

表４是各年级不同类型学生给出的几种较为典型的回答。

·２６·化　学　教　育 ２０１１年第９期表４　不同类型学生对于共用电子运动情况的认识高一高二高三学困生﹡离开氢原子核﹡围绕两个质子交替运动﹡来回伸缩﹡电子对在一定范围内绕Ｈ－Ｈ体系旋转﹡电子在一定范围内任意振动﹡两核间上下或来回振动﹡以两个Ｈ原子之间连线为轴（以键为轴）旋转﹡在Ｈ－Ｈ中心位置振荡平衡（ｓ轨道振动）中等学生﹡绕原子核高速旋转﹡按一定频率做往返运动﹡在两原子核间做微小颤动﹡共用电子会发生热运动，但由于核力作用，电子对会以一定频率振动﹡不断在两核之间振动，形成密布的电子云﹡随机运动，只不过在两核之间出现概率更大﹡两个电子自旋相反，在同一能级轨道中运动﹡共用电子不停运动并且在Ｈ２分子轨道中运动﹡是以波函数方式在一定范围内运动，无规则，两核间几率密度较大学优生﹡在两原子核间来回运动﹡绕两氢原子核运动﹡在一定区域内无规则运动﹡共用电子是不断运动的且处于一个相对动态平衡状态﹡电子对无规则运动，且在核外产生电场中运动﹡在两Ｈ原子形成的ｓ－ｓ键的电子云范围内不停地做无规律的高速运动﹡在形成的σ成键轨道内高速运动﹡在具体的区域里呈概率地出现，具有一定的电子云形状﹡在１ｓ和１ｓ形成的分子轨道中无规则运动，方向相反﹡在形成的σ成键轨道里运动﹡在两个Ｈ原子附近无规则运动，轨道重合部分出现的几率大﹡在电子云重叠部分运动概率最大，由测不准原理知无法确定具体运动电子运动状态的描述具有高度的抽象概括性。

而目前我国的初中（包括新高一）学生大多数（５６．４％）处于具体思维到形式思维的过渡阶段［８］（Ｌａｗｓｏｎ称其为后具体阶段），具体化、形象化仍是这些学生的思维特点之一。

高一学生思维方式的直观性和电子运动状态的抽象性之间存在着极为明显的冲突。

因此，从表４中不难发现，绝大部分高一学生（无论是学优生还是学困生）无法正确理解电子运动状态，他们都不可避免地求助于类比方式，即将其较为熟悉的宏观世界物体运动类比于微观世界中的电子运动。

如大多数学生认为共用电子是在两原子核之间且运动具有一定的规律，使用“交替运动”、“来回伸缩”、“往返运动”、“微小颤动”等描述宏观物体运动方式的形象化词汇来表征微观电子的运动状态。

对这种类比的依赖主要缘于对日常生活中无处不在的宏观物体运动的观察和解释以及初中物理（力学部分）中学习的经典物理学理论已经在学生的认知结构中深深扎根，当学生试图理解并描述看不见、摸不到的电子运动时，宏观物体及其运动作为“锚”就自然产生了。

当然，教师在教学过程中可能无意识的表述不当或者教学课件制作中的简单化处理也会引发学生产生这种类比。

表４中，我们也发现有个别高一学优生开始提及电子是无规则运动的，但其对“无规则运动”的表征仍仅限于简单的语音加工水平。

可见，绝大多数的高一学生处于表层表征水平。

我们认为，这种看似错误的类比阶段的存在是合乎于学生的心理认知水平的发展的，当学生进一步理解电子运动状态时将能够主动将其屏蔽或者丢弃。

随着知识表征水平的提高，高二学生开始学习能级、电子云、轨道、价键理论、杂化轨道理论等知识，对共用电子的运动形式有了进一步的认识，如能够知道共用电子在两个原子核的周围空间运动且没有规律或随机的。

而这一阶段也是不同类型学生产生分水岭的关键时期。

从表４可见，学困生仍处于依赖宏观类比的表层表征；而中等学生开始向中等表层过渡，在其描述中不仅有“振动频率”、“两核间振动”等宏观类比，但也同时出现了“电子云”、“随机运动”和“概率”等抽象名词术语，他们处在概念转变的过程中。