基于MAS问题编码的化学教师多重表征转换能力的调查研究

基于MAS问题编码的化学教师多重表征转换能力的调查研究
摘要利用由Yehudit J.Dori提出的多维分析系统（MAS），对有关化学平衡知识的化学问题进行编码，以纸笔测试与个别访谈相结合的方法调查在职教师的3种表征转换能力，并根据调查结果提出相应的建议，为教师三重表征教学策略的实施和“化学平衡”的教学提供有益的参考。

关键词MAS问题编码化学平衡多重表征三重表征宏观表征微观表征
1 问题提出
自1982年A.H.Johnstone［1］教授首先提出化学学习的3种水平以来，出现了不少对化学多重表征转换能力的研究，笔者对相关文献［2～6］进行总结后发现，主要存在以下不足：（1）研究对象方面。

被试基本都是学生，其中以中学生［7～8］和大学一年级化学专业［9～10］的大学生最为常见。

而Kozma［11］、Onno de Jong［12］等虽然提出了针对专家的相关实验研究，但他们指的专家也往往只是大学教授或职前教师。

而一线教师是现代教育教学的实践者，他们是否具备三重表征的思维方式，能否在课堂中主动采用体现化学学科宏观、符号和微观特点的教学方法，都对学生自身三重表征思维模式的培养造成重要的影响。

因此在不断调查学生三重表征水平的同时,有必要从教师的角度进行探讨。

（2）研究方法方面。

大部分研究通过问卷调查法进行，只有国外一些学者借助相关的可视化软件进行实验研究，而采用纸笔测试法的更少。

（3）调查内容方面。

知识点分散，往往以高中所有化学知识为研究背景，而没有选取表征转换更为集中和突出的知识点进行测试。

鉴于此，本研究试图以在职教师为主要研究对象，以中学化学核心概念化学平衡的知识点为测试内容，同时借助于Yehudit J.Dori［13］提出的MAS （Multidimensional Analysis System，多维分析系统）对测试卷进行转换方向和难度水平进行编码，研究一线教师在化学平衡中3种表征之间的转换能力，希望能对教师三重表征教学策略的实施及化学平衡的教学提供一些参考。

2 研究方法
2.1 研究方法和内容
本研究采用的方法为纸笔测试法和个别访谈法。

根据新课程标准和研究的主题，笔者在已有化学平衡测试量表［14］的基础上设计出一份测试卷，共15道
题目，分为3个分量表，分别是分量表A1“宏观 微观”、A2“微观 符号”、
A3“宏观 符号”、涉及的化学内容主要包括化学平衡状态的判定（Ⅰ），影响化
学平衡移动的因素（Ⅱ），化学平衡的相关计算（Ⅲ）以及化学平衡原理的应用（Ⅳ）4个方面。

同时对每一个题目根据表征转换的方向和难度进行MAS编码,
研究一线教师在3种知识表征之间的转换能力。

2.2 研究工具和对象
2.2.1 编码说明
根据问题研究的对象、内容以及问题涉及的难度和表征方式，本研究根据已
有文献［15］设置了3种表征相互之间的转换方向：宏观 微观、微观 符号、宏观 符号,分为单维度和多维度转换。

其中单维度指的是仅包含其中一种上述
转换方向,多维度指的是包含一种以上上述转换方向。

根据解决问题的转换难度分为0、1、2三种水平,具体的MAS问题编码规则如表1所示:
表1 多重表征的MAS问题编码规则［15］
如测试卷中的“题目10”提供的题干主要为同一反应不同条件下的各组分的体积、浓度的变化，要求被试回答这些变化共同代表的化学方程式是什么，只涉及宏观现象（即体积、浓度的变化）向符号（化学方程式）的直接转换，不涉及其他表征类型的转换，根据表1编码该题为002，为单维度转换题；“题目15”在002为主要转换方向基础上，先要求被试回答宏观现象背后的微观粒子变化，再写出对应的化学方程式。

其中过程中涉及的微观表征为主要中介转换，编号为202，为多维度转换题。

整个测试卷的结构见表2:
表2 “化学平衡”测试卷构成表
注：（1）①代表宏观表征；②代表微观表征；③代表符号表征。

（2）“Ⅰ”代表考查的内容为“化学平衡状态的判定”，“Ⅱ”代表“影响化学平衡移动的因素”，“Ⅲ”代表“化学平衡的相关计算”，“Ⅳ”代表“化学平衡原理的应用”。

（3）带“*”为单维度转换测试题，下同。

为确保测试卷的信度和效度，本研究所采用的测试卷是在对已有量表［14］的题目进行相应的修改和增删的基础上设计而成的，题目转换难度和方向保持与编码一致。

选取职前教师共7名进行预测试，要求被试在测试卷中标出他们感觉不清晰或产生不同理解的图或文字表达,并计算完成本测试所需要的总时间。

根据反馈做了相关修改，如：第4题“NO2的浓度”改为“另一种物质的浓度”、第13题的“写出化学方程式”改为“写出热化学方程式”，平均完成时间为20分钟，测试卷的图与文字表达清晰、没有歧义，不影响作答。

2.2.2 调查对象和实施
发放教师测试卷35份，收回有效测试卷30份，调查对象均为有教学经历的在职教师，分别来自广东省的广州、东莞、江门、珠海等城市，教龄在6～14年不等。

本测试于2010年的寒假中进行，测试时间为20分钟。

测试卷收回后，对测试卷进行统计分析并针对特定问题进行了相应的访谈。

3 调查结果与讨论
3.1 测试成绩的统计
对被试在测试中的回答情况进行相应的评分，统计回答的正确率。

其中正确率指主要转换方向上的正确率。

统计结果如表3所示：
表3 测试卷正确率统计表
3.2 讨论
3.2.1 教师宏观表征与微观表征间转换能力的分析
根据Mary B. Nakhleh［9］的结论，大部分学生在处理化学问题时会先使用三重表征的宏观表征去尝试解决问题，遇到困难时他们才会主动联系其他两种表征。

而调查［10］显示，学生难以在多种化学学习水平之间进行转换，尤其在宏观表征和微观表征之间的转换存在较大的困难。

那么在职教师在这两种表征转换之间又有什么特点呢？
第1、4、5、12、14题属于对教师宏观表征与微观表征间转换能力的调查。

涉及的内容包括了化学平衡状态的判定、相关计算和化学平衡原理的应用3个方面。

其中第1题（100）1和第5题（200）是表征转换方向相反的两道题，但考查的内容都是不同实验条件与微观粒子分布情况的联系，正确率分别是66.7%和60.0%，两者相差并不大。

第14题（110）以化学平衡计算为考查内容，由微观粒子数目的变化判断哪种反应物过量，问题先要被试根据题目要求写出对应的化学方程式，再去判断哪种物质过量，正确率为73.3%。

第12题（202）要求被试利用化学平衡移动的原理解释实验现象中黄绿色向蓝色转化的宏观原因，由于符号的介入，正确率更是达到了83.3%。

对于第4题（222），被试的回答并不理想，虽然跟第14题同属化学平衡的相关计算，但经统计分析发现，36.7%的老师由于没有正确写出对应的方程式，导致选了比正确答案0.06 mol/L大一倍的C选项0.12 mol/L。

由以上调查结果，大致说明了2个问题：
（1）教师的宏观→微观转换能力与微观→宏观转换能力基本一致
大量的研究指出，学生的宏观→微观转换比微观→宏观困难，且有明显的差异。

从第1、5题可以看出，教师虽然同样是宏观→微观转换要比微观→宏观困
难，但相差的程度并不明显（66.7%>60.0%），可以认为，教师宏观→微观和微观→宏观转换能力是基本一致的。

（2）正确符号表征的介入有利于宏观和微观表征的相互转换
第12和14题在编码上属于二维度的转换题，一是题目已经给出化学方程式，一是要求被试先写出相应的方程式。

对于第12题，教师基本上可以根据题目给出的方程式解释实验现象中颜色变化的原因；对于第14题，只要教师能够写出正确的方程式，判断哪种物质过量是没有问题的，相反的，方程式书写错误最多的第4题，正确率仅为56.7%。

可见，正确的化学方程式、化学式表征的介入对于提高教师宏观 微观转换水平是很有帮助的。

3.2.2 教师微观表征与符号表征间转换能力的分析
第2、3、7、8、13题属于对教师微观表征与符号表征间转换能力的调查。

涉及的内容包括了平衡状态的判定、影响化学平衡移动的因素和平衡原理的应用3个方面。

第3（020）、8（010）题考查的是对化学平衡原理的应用。

第3题中教师根据已知的化学方程式描述其对应的微观粒子状态的能力是具备的，正确率达到了76.7%，而第8题根据微观粒子数目解释方程式数字的意义，正确率更是达到了80.0%。

第2题（012）虽然涉及到方程式、图像，但属于定义性的结论,是认知性学习目标的较低水平——知道和辨认，因此正确率达到了80%以上。

而13题（112）属于对影响平衡移动因素的综合理解，属于认知性学习目标的较高水平，正确率普遍不高。

奇怪的是，同样是探讨方程式对应的微观粒子变化的第7题（021），正确率却相比第3题的76.7%低了将近25%：
问题7（MAS NO.021）密闭容器中，对于反应N2（g）+3H2（g）2NH3（g）
①达到平衡时体系的压强会发生变化吗？为什么
②下列哪种情况说明反应达到了平衡？（）
A:1个氮氮三键断裂的同时，有3个H-H键形成
B:1个氮氮三键断裂的同时，有3个H-H键断裂
C:1个氮氮三键断裂的同时，有6个H-H键断裂
D:1个氮氮三键断裂的同时，有6个H-H键形成
第7题考查的是教师对化学平衡平衡状态的判定，从第1、5题可以看出，教师对于平衡状态的判定这一知识点是掌握的，从第7题的第1小题的正确率80.0%也可以看出，多数老师知道化学平衡时，反应的正、逆反应速率是相等的，体系的压强不会发生变化。

但第7题的第2小题描述反应发生的成键和断键情况时，正确率就比较低了。

许多老师能够知道化学反应达到平衡时的几大特征，但如何从微观层面解释这几大特征，仍然是比较困难的。

结合第8题对部分教师进行了访谈，主要是想要了解他们是如何理解化学方程式的角标和系数的，以及他们如何在课堂中讲清楚这一类问题。

得到以下几种回答：
（1）对于化学计量数，他们一般不会详细说明，时间花得更多的是如何教会学生配平对应的化学方程式；
（2）角标指的是该物质中有多少个相同的原子，化学计量数指有多少个相同的分子；
（3）只会在讲化学反应与能量时提到成键和断键情况。

由此可知，化学教师在讲述化学方程时一个很大的问题是：将化学方程式中的化学计量数看成了纯粹的数学计算问题，配平就是对数字的组合，而没有真正将方程式的内涵及其包含的信息传递给学生。

对于教师反复强调的内容，学生能够记住，但涉及到化学反应中具体的键结构变化，教师并没有在平时教学中涉及太多，学生的理解也只能停留在记忆的层面上。

因此，对于教师在微观表征与符号表征间的转换，有以下2个特点：
（1）教师在处理微观粒子数目和方程式之间的关系是没有问题的，但处理化学键变化、组合与方程式的转换是存在困难的；
（2）教师往往把化学方程式看作是数学计算问题，而缺乏对方程式所蕴含的微观信息的深刻理解。

3.2.3 教师宏观表征与符号表征间转换能力的分析
第6、9、10、11、15题属于对教师宏观表征与符号表征间转换能力的调查。

涉及的内容包括了平衡状态的判定、影响平衡移动的因素和平衡原理的应用3个方面。

第6（001）、9（021）题分别考查的是压强和催化剂对化学平衡移动的影响，属于记忆性的问题，只要清楚化学平衡移动的本质是正逆反应速率的不同就可以比较轻松地回答出这类问题，正确率均在70%以上。

第10题（002）主要涉及了反应中各物质物理、化学性质的变化与方程式的互相转换，第11题（121）在第10题方程式的基础上对生成物C的平衡体积分数变化趋势进行相关解释，从结
果看，两题的正确率都在50%以下。

这两道题正确率较低的原因有2个：一是对于化学平衡问题来说，关于物质的质量、浓度和体积变化的题目本来就比较复杂，更何况要正确回答第10题，需要根据各物质宏观性质的变化，结合相关曲线进行回答，而11题对于体积分数变化的解释更要有扎实的微观理论知识，正确率就更低了；二是宏观表征虽然是3种表征中比较容易接受的表征，但向其他两种表征转换时，教师均存在较大的困难。

第15题属于对化学平衡状态的判定，正确率只有56.7%。

问题15（MAS NO.202）一定条件下，在密闭容器中通入一定量的A2和B2无色气体，一段反应后反应达到平衡状态，生成AB3气体，若以○代表A原子，●代表B原子（不考虑粒子大小）。

①以下选项能正确表示反应由起始状态达到平衡状态的是？（）
A: c、d B:a、b C:a、d D:c、b
②请你用○●表示该方程式：
这一题考查的是可逆反应的初始和平衡状态的判断，问题首先要求被试判断两态的粒子分布状况，这属于宏观→微观的转化，从调查结果来看，70.0%的被试选择了正确答案C。

而第15题主要考查“宏观→符号”转换，正确率为56.7%。

可以看出，对于平衡状态的判定，老师们能够判断始态和平衡态体系的粒子分布情况，但再以特定图符表示方程式的第15题第2小题，正确率就下降了12.3%。

下面是针对此题对某一被试B1进行的访谈：
T:老师您好，可以解释一下你做这一题时的思路吗？
B1:嗯，题目说通入一定的A2气体和B2气体，那么初始状态的体系中应该只有A2分子和B2分子，平衡时是肯定有反应物和生成物粒子存在。

T：你的意思是平衡时有3种不一样的粒子？
B1：对，化学平衡是一种动态平衡，那么平衡时肯定有A2、B2和生成的AB3气体分子。

T：为什么动态平衡表明一定有反应物和生成物呢？
B1：动态平衡表示反应物既消耗也有生成，所以有反应物和生成物。

T：我看到你选了正确的答案C，请问你是怎么作出选择的呢？
B1:很简单啊，数一数就知道了。

T：但我看你的第2小题，写成了，为什么会这样写呢？
B1：也是数出来的，方程式左边是a图的粒子，右边是d图的粒子，然后约去重复的粒子。

T：A2分子和B2分子的图符为什么都两两结合？。