作者：秦银霞 东南大学脑与学习科学系，儿童发展与教育研究所
研究生导师：柏毅，夏小俊
【摘要】：绘制、构建和解释给定抽象现象的模型是一项具有挑战性的任务。在这项研究中，学生们参与了基于项目的探究科学(Project-Based Inquiry Science，PBIS)-空气质量学习单元，作为他们化学课程的一部分。研究的目的是确定学生在完成PBIS空气质量学习单元后对化学概念的理解程度。使用他们的前后封闭式问题以及他们的绘图后作业，我们开发了一个说明来检查学生在他们的图纸中表现出的概念理解，并检查他们的图纸与他们的问卷前后测结果之间是否存在相关性。研究对象为436名八年级中学生。结果表明，学习PBIS单元后，对物质状态和分子间距离的概念理解更好。我们根据说明对学生的解释和绘图进行分析，发现学生的问卷后得分与他们在绘图后作业中的回答复杂程度之间存在适度的正相关。研究表明，学生的概念理解应通过不同的评估方法进行评估，以更好地评估学生的概念理解。即使在问卷后的封闭式问题中取得成功的学生，也很难通过绘图作业来表达他们的概念理解。该说明可以帮助教师和教育工作者评估学生的概念模型，并可以作为评估他们化学理解进展的评估工具。使用规则教学可以提高评估质量，促进教师的发展。
【关键词】：探究科学；概念理解；构建模型
前言
壹
让学生参与开发和使用模型，鼓励他们反思自己对科学知识和科学家如何工作的理解，并增强概念理解。它是追求真实科学学习的核心组成部分。
绘制、构建和解释给定抽象现象的模型是一项具有挑战性的任务，可以通过支持性教学材料来学习。文献中的一些例子是EIMA框架（参与、调查、建模、应用）、GEM框架（生成、评估和修改周期）或学生建模活动，例如，这些活动提供了开发和修订水循环模型的机会，作为探究的重点，或在开发和修订模型的同时参与意义构建的活动。使用这些框架（和教学材料）可以提高学生对科学实践的参与度，并为有意义和积极的学习提供基于建模的脚手架。
在这项研究中，学生参与了基于项目的探究科学（PBIS）-空气质量学习单元，作为化学课程的一部分。通过一个检查学生社区空气质量的项目，他们构建了调查和解释科学现象的模型。在PBIS空气质量学习单元的背景下，本研究通过开发和使用图纸和解释中描述的模型来考察中学生对化学概念理解的各个方面。
该单元与《k-12框架》的建议保持一致，具体而言，该单元强调开发和使用模型的科学实践；让学生参与推理活动，而不是死记硬背；并提供日常经验的相关示例，以呈现抽象和孤立的事实。它还与“基于建模的教学”（MBT）的方法一致，即学生创建和使用学生首次学习的基本课程概念的模型。
贰
文献综述
2.1化学理解和建模
化学理解包含四个层面:宏观、亚微观、符号和过程层面(Dori & Hameiri, 2003)。亚微观是迄今为止最复杂的层次。解释可视化帮助学生理解动态和互动的本质;促进在化学理解的宏观、微观、符号和过程层面之间建立联系;并避免强化替代想法。创建、使用、评估和修改模型对于获得对现象的概念性理解是必要的。因此，开发和使用模型是21世纪学习化学的基本科学实践。
2.2学生基于绘图的建模
创建科学模型可以用新颖的方式解释自然现象和表达抽象概念。绘画可以被视为富有表现力的建模，其中学生创建模型来传达他们的想法。这个过程允许学生表达自己的心理表征并呈现它们，从而更好地理解正在研究的现象和过程。绘画作为一种科学学习工具的好处正在得到证明，包括提高参与度，加深学生的理解，发展概念理解，以及使用多种模式，如视觉和文本模型，来解释现象。几项研究表明，绘画可以在某些条件下增强有意义的学习，例如学习科学概念和过程，学生和教师应该将绘画纳入他们的战略库。有必要学习课程材料（为学生提供构建解释以及开发和使用模型的重要机会），以确定它们是否影响中学生对化学的概念理解，正如他们的图纸和解释所体现的那样。
研究目的
叁
这项研究的目的是确定学生在完成PBIS空气质量学习单元（为学生提供发展解释和模型的机会）后，在概念上对化学的理解程度。使用他们的封闭式前和封闭式后问题以及绘画后作业，我们开发了一个说明来检查学生在绘画中体现的概念理解，并检查他们的绘画与问卷前和问卷后的结果之间是否存在相关性。
基于这一目的，我们衍生出以下研究问题，研究问题1和3与学生对化学的概念理解有关，研究问题2是关于开发一个说明来检查学生的概念理解:
1.通过学习PBIS空气质量学习单元，你在化学概念理解方面有哪些收获?
2.如何根据学生的回答质量来评估他们的解释和绘图?
3.如果有的话，学生的学习成果和他们的解释和绘图之间的相关性是什么?
四
方法
4.1研究方法
使用混合方法进行了数据分析。数据收集阶段包括问卷前和问卷后。通过问卷收集了定量和定性数据。在预问卷中，包括了闭式问题，而后问卷包括闭式和开放式问题。从问卷中收集的数据对封闭式问题进行了定量分析，对开放式问题进行了定性分析。首先，我们对五份封闭式问卷（附录中列出）的五份封闭式和封闭式问卷的正确和错误答案进行了评分。其次，定量阶段包括使用依赖样本T检验的SPSS分析，以确定两种时间测量之间是否存在显著差异。
学生的绘图数据集是一组复杂的数据，试图简化编码方案或避免需要更多解释的代码可能会导致绘图意义的丧失。考虑到分析学生图纸的编码方案的复杂性，决定在开发说明（编码方案）并将其应用于最终图纸时使用谈判协议方法。在一系列将说明应用于学生图纸的会议上，一名研究人员独立地对图纸进行了编码，并通过讨论和协议确定了最终类别。
通过许多图纸，我们将类别分配给图纸和解释作为定性步骤，然后我们分析频率作为定量步骤。因此，类别是演绎和归纳发展的。编码方案是根据研究目标制定的，指出哪些单词和解释必须出现才能达到最大可能的分数。基于对化学的四个理解水平，对学生的解释和图纸进行了分析：宏观、亚微观、过程和符号。如果包含的化学理解水平在科学上不正确，则没有得分。
在我们的分析中，我们还关注了学生对系统和环境的描述；我们这里指的不是学生的系统思维，而是学生关注这个概念的重要性。框架强调了这一点。
虽然任何比整个宇宙更小的真实系统都会与其他（外部）系统相互作用并依赖其他（外部）系统，但从概念上隔离一个系统进行研究通常是有用的。为此，科学家和工程师想象了有关系统和其他一切之间的人为边界。然后，他们详细检查系统，同时将边界外事物的影响视为作用于系统的力量或物质和能量流过系统。（p.92）
4.2研究设置——PBIS空气质量学习单元
PBIS空气质量学习单元是为美国八年级中学生（14岁）设计的，旨在学习化学。这是一门市售的课程，通过学生的合作和头脑风暴与框架紧密一致，基于驱动性问题——“什么影响了我社区的空气质量？”。它将学科内容与科学实践相结合。
教师们教授PBIS空气质量学习单元2个半月，解决了以下主要问题：“什么是空气？”、“什么是污染物，它们如何进入空气？”和“如何改善空气质量？”在本单元中，学生检查他们社区的空气质量，并通过引入化学内容（如物质及其性质、物质状态、原子-分子、混合物、溶液、酸、碱等）来改善空气质量提出建议。此外，学生学习了化学理解的表征水平——宏观、微观、过程和符号，并使用模型和建模实践来澄清他们对所调查的科学现象的解释。学生与视觉模型（例如，在学习过程中修改的优质和劣质空气的草图）、类比（例如，解释化学中混合物概念的不同品种花的
）、概念模型（例如，形成不同原子和分子的球和棒模型）演示模型（约瑟夫·普里斯特利显示空气中氧气的实验；检查空气占据空间并具有质量和体积的杯子和纸巾实验）、数学模型（计算每个样本中的颗粒物量）等进行互动。因此，学生通过参与有意义的现实世界问题和构建自制模型来构建他们的概念理解，以回答他们想要调查的特定研究问题。
4.3研究参与者
我们研究了美国东北地区10所农村公立学校的436名8年级中学生(14岁)。PBIS空气质量单元的实施持续了大约2.5个月。教师有17年的科学教学经验中位数。
4.4研究工具
通过使用问卷前和问卷后来评估学生的概念理解，问卷包含五个封闭式问题，以及问卷后仅包含一个开放式问题。这五个封闭式问题侧重于将知识应用于新情况，改编自美国科学促进协会。这些项目的选择是基于化学和化学教育专家对问题是否充分评估，以引起化学概念理解以及构建和使用模型。
问卷后中的开放式问题与学生的绘画和对我们在日常生活中观察到的常见现象的概念模型的解释有关。这个问题也基于美国科学促进协会提到的一个项目。图1显示了给学生的情况和指示。
图1 改编自AAAS的开放式问题
发现
伍
5.1学习PBIS空气质量学习单元后，化学概念理解的方面
如图2所示，在前测和后测的问题1，t(409)=8.19，p < 0.001；问题2，t(417)= −4.46，p < 0.001；问题4，t(414)= −4.89，p < 0.001之间存在显著差异。前测和后测的问题3和5之间没有发现显著差异，t(418)= −1.45，p > 0.05；t(413) = −0.63，p > 0.05（分别）。
图2 问题1、2和4的问卷前和问卷后之间的显著差异（p < .001）
与预问卷相比，问卷后显示问题2和4的成功率显著提高，这些问题涉及物质状态和分子之间的距离。结果表明，在学习了PBIS单元后，在概念上更好地理解了物质状态和分子之间的距离。
此外，在问题3和5中，问卷前和问卷后的结果没有显著变化。这些问题在概念上对学生来说更难。此外，问题1显示，与问卷前相比，问卷后的成功率有所下降。图3显示了学生在问卷前和问卷后对问题1的回答百分比。我们可以看到选项B（正确答案）的显著下降，而对选项D的响应增加，我们在讨论部分进一步讨论这一结果。
图3 学生在问卷前和问卷后回答问题1的百分比（选项B是正确的）
5.2根据学生的回应质量来评估学生的解释和图纸的说明
学生的书面解释和绘图有助于深入了解学生对科学现象的概念理解。我们设计了一个评分标准，根据每位学生答案的复杂程度，为他们的解释和绘画打分。题目分数是根据答案中包含的解释、绘图、科学正确地整合四个化学理解水平、科学正确地整合与压力和/或温度(宏观)、分子的距离和/或速度(微观)的关系以及系统周围方面的内容来确定的。表1给出了最终的说明。
表1 评估学生答案复杂程度的说明
复杂程度非常低
该类别涉及学生仅根据一个化学理解水平（宏观、微观、过程、符号或系统）对现象做出正确的解释，并且没有提到绘图。此外，答案可以通过图纸正确包括或代表一个级别的化学理解（宏观、微观、过程、符号或系统-未标记），并且没有提到任何解释。在图4中，我们可以看到，这名学生（2,050,155）没有对科学现象写任何解释。学生只画了一个凹陷的瓶子，上面有一个向内箭头和一些颗粒。因此，这幅画代表了非常低的复杂程度。
图4 复杂程度非常低——学生回答2,050,155
学生答案的另一个例子（20,100,367）如图5所示，学生提到“分子变得更紧密”，学生添加了一幅画。然而，学生并没有将瓶子描述为凹陷，这是该现象的基本和基本方面。因此，在这种情况下不考虑象征性代表性水平。此外，图纸和解释中没有提到其他级别，如宏观、过程和系统环绕。因此，解释和绘图属于“非常低的复杂程度”类别。
图5 复杂程度非常低——学生回答20,100,367
复杂程度低
该类别涉及学生根据任何两个化学理解水平来描述对现象的正确解释，但没有提到图纸，或者没有提到解释，但图纸正确代表了任何两个化学理解水平。
例如，学生2,080,270比较了冷却前后的瓶子；即，通过图纸显示了化学理解的过程水平。此外，学生显示瓶子有凹痕（显示从外面应用在瓶子上的箭头），即化学理解的象征性水平，见图6。
图6 复杂程度低——学生回答2,080,270
学生20,110种说法属于“化学理解水平低”的范畴。
复杂程度中等
该类别涉及学生根据任何三个级别的化学理解来描述对现象的正确解释，并通过绘图正确表示对科学现象的任何三个级别的化学理解。此外，学生还在他们的图纸中描述了宏观层面的压力、温度、体积、温度-压力或温度-体积（任何一个），以及分子的距离/分布或微观层面分子之间的速度/运动。图7显示了学生203,064的答案。学生（在图7中介绍）指出：
为什么瓶子会凹陷-瓶子在冰箱里时会凹陷，因为寒冷减慢了分子的运动/速度。由于速度变慢了，瓶子收缩了，侧面有凹痕。
图7 复杂程度中等——学生回答203,064
图8中给出了学生2,030,107的另一个例子。学生解释说：
瓶子里的空气变暖了，越来越凉快。凉爽的空气进入瓶子。热能使分子移动得更近以保持热量，因为这个问题说“所有”我没有考虑到水分。
图8 复杂程度中等——学生回答2,030,107
复杂程度高
该类别涉及学生根据任何四个级别的化学理解来描述对现象的正确解释，并通过绘图正确表示对科学现象的任何四个级别的化学理解。例如，学生在解释对现象的微观化学理解水平和绘图时，描述了压力、温度、体积、温度-压力或温度-体积。此外，学生在化学理解的微观层面以及化学理解的过程层面的解释和绘图中描述了分子的距离/分布和速度/运动。
图9 复杂程度高——学生2,080,238
19.96%的学生在“高复杂度”中展示了答案，而35.55%的学生在“低复杂度”中展示了答案。几乎一半的学生在中等或高度复杂度上给出了答案，这表明他们有能力“开发和使用模型”来解释这种现象。
学生回答中的系统环境方面
系统环境很重要，因为它通常与正在检查的系统进行交互。根据我们的计算，只有13.5%的学生回答提到了系统环境。
学生学习收获与学生绘画复杂程度之间的相关性
为了检验学生在问卷中的得分是否与他们在绘图后作业中的答案复杂性水平相关，我们计算了Spearman的秩相关。我们发现，学生在问卷中的分数后与他们在绘图作业中的答案复杂程度之间存在适度的正相关性（r（434）=0.219**，p < 0.01）。
图10 每个级别的学生对绘制任务的答案复杂程度的百分比，根据在后期问卷中正确回答的数量
陆
总结和讨论
学生通常发现很难建立一个抽象现象的模型，这种现象大多发生在肉眼看不见的亚微观层面上。创建模型的挑战体现在问题1的问卷后成功率下降(见上图3)。选项之间的关键逻辑区别在于，选项B建议更改模型以适应观察结果，而选项D建议修复模型/绘图，并考虑不同的预测以匹配绘图。问题1的后问卷成功率降低的另一种解释是，学生必须在后问卷中解释他们选择的选项;他们可能选择了更容易解释的答案。因此，大多数学生选择了选项D，因为他们可能认为选项D更容易解释。
这项研究的重点是在科学课程中实施适当的建模工具，同时牢记学生在解释日常现象时应考虑的方面；这包括系统环境在学生基于模型的解释中的重要性。这项研究将帮助研究人员和教师实现科学学习和实践的教育目标，还将帮助研究人员为学生找到替代方法，以应对在化学课堂上开发和使用模型的挑战。这可能会改善学生在需要绘制和解释抽象现象的作业中的答案。
查阅原文：
Shirly Avargil & Arunika Saxena Research in Science Education
文献DOI:10.1007/s11165-023-10107-8
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