• 文章简介

将宏观、微观、符号三方面融合理解，已成为化学教育的核心范式，该理论历经多年的完善与拓展。这三种表征对学习者而言难度各异，且要求具备较强的综合运用能力，而这一点常被视作学生对化学乃至自然科学态度消极的原因，相关研究也因其对学生学业成绩及未来专业发展的影响受到广泛关注。值得注意的是，化学家、理科教师等“专家”习以为常的符号表征知识，即便对于大学生群体而言，也存在理解不到位的情况，他们对化学方程式中符号含义的认知往往存在偏差甚至错误。此外，近年来的相关研究多聚焦于化学方程式的配平环节，而非帮助学生理解其本质内涵，使得配平、基于方程式的计算等内容沦为脱离概念本质的机械算法，而非建立在真实物质反应认知基础上的知识应用。这种教学与认知的脱节，若不加以解决，将阻碍学生对化学定量领域的学习。基于此，Dr. Martin Rusek 率领团队对于该现象进行进一步分析与理解。

• 研究方法与结论

本研究以查理大学教育学院 11 名不同化学解题能力的大一师范生为对象，采用眼动追踪、回溯有声思维与访谈相结合的混合方法，探究其化学方程式配平能力的影响因素。研究先通过 PNM 测试与表征能力口头预测试评估学生的化学基础概念认知及多表征理解水平；再让学生在“配平化学方程式” 小程序中完成 6 道不同难度的配平任务，同步记录眼动数据；后续结合眼动指标分析、质性编码及统计检验展开数据处理。结果分析聚焦学生对质量守恒定律、微观表征的理解与配平能力的关联，以及不同解题能力学生的策略差异。

实验结果如下：

1. 学生配平得分 4-8 分 (成功率 50%-100%)，仅 5 人满分，按效率分为高效、坚持、冲动、低效四类。3 级方程式配平时长显著长于 2 级，同难度下第二个方程式耗时更短，体现练习效应。耗时与成功率无显著总体关联，但 2 级首试耗时越长成功率越高，3 级总耗时越长成功率越高。

2. PNM 测试总成绩与配平能力无直接关联，但化学计量学、质量守恒定律理解与配平成功率呈中强正相关，微观表征理解相关性较弱。成功组在核心概念测试中表现显著优于失败组。

3. 学生 97.3% 注视时间集中于符号表征，仅 2.7% 用于微观模型，且模型使用时长与配平成功率呈中强负相关。多数学生仅在符号配平遇阻时查看模型，但因缺乏相关教学基础、依赖符号算法等，无法借助模型完成配平。

综述可知，成功组采用系统化策略，分步配平、反复核对；中等组需修正完成配平，因缺乏全面核对易出错；失败组策略混乱，依赖随机试错，频繁出现漏看、计算失误等问题。

图为眼动仪所记录的，学生在配平测试中眼部在各部分停留时间。颜色渐变部分为长时间注视。

• 研究反思

1. 通过上述实验发现，该批受试在程序技能与概念理解脱节严重脱节。化学计量学理解与配平成功率关联最强，而微观表征、质量守恒定律的理解与配平能力相关性较弱。传统教学中，方程式配平常被简化为数学谜题，形成脱离化学本质的伪技能，导致学生仅掌握算法却不理解符号背后的反应实质，这也是学生产生认知误区的重要原因。教学需兼顾算法训练与概念建构，才能实现学生对化学知识的深层掌握。

2. 方程式难度与解题耗时正相关，3 级方程式需更多心智步骤，耗时显著长于 2 级。但耗时与成功率无显著总体关联：2 级方程式首次尝试耗时越长成功率越高，3 级方程式该关联弱化；总耗时对初始方程式的成功率呈负向影响。学生解题策略存在明显分层：成功组采用系统化策略，分步配平、反复核对；失败组依赖随机试错，缺乏固定步骤与有效验证。此外，冲动型学生因操作过快易疏漏，低效型学生因策略不当耗费大量时间却难以成功。

3. 小程序提供的微观表征支持未对配平产生正向作用，反而呈现中强负相关——学生使用微观模型的时长越长，配平成功率越低。这是由于教材与中学教学中微观表征占比低，学生缺乏相关认知基础；学生更依赖符号表征的数学算法，对微观模型的含义理解不足；部分学生认为模型分散注意力。未来教学中需要加强针对微观模型的讲述，提升学生对于微观世界的理解。

• 作者简介

Dr. Martin Rusek目前担任捷克查理大学 (Charles University) 主管科研活动的副院长，博士生导师，长期致力于科学教育，尤其是化学学科教育。具体研究涉及课程分析、开发和实施，教师培训改进以及学生问题解决过程的研究。在各类国际期刊中发文超过四十篇。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2227-7102/14/6/570

• Education Sciences 期刊介绍

主编：Prof. Dr. Daniel Muijs, Queen's University Belfast, UK

期刊主要发表教育类相关文章，设有九个学科栏目，涵盖教育行政与管理、教育哲学与教育学原理、教育史与教育政策、教育技术、教学法、课程与教学论、特殊教育、教师教育以及教育测量与评价等各个方面。期刊目前已被ESCI (Web of Science)、Scopus、DOAJ、CNKI等多个知名数据库收录。

2024 Impact Factor: 2.6 (Q1)*

2024 CiteScore: 5.5 (Q1)**

Time to First Decision: 26.5 Days

Acceptance to Publication: 3.9 Days

*Q1 (126/756) at Category "Education & Education Research" 

**Q1 (256/1620) at Category  "Education"

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/education