高中生化学高阶思维结构的测量模型研究

2019-12-05郭金花吴星唐玉露吴建业

化学教学 2019年11期

郭金花吴星唐玉露吴建业

摘要：通过对文献及新课标的研究，先提出高中生化学高阶思维结构共包括7个维度的研究假设。在对583名高中生进行问卷调查的基础上，利用探索性因子分析和验证性因子分析检验假设。结果得到高中生化学高阶思维结构共包括“化学实验思维、化学模型思维、化学微观思维、化学守恒思维和化学创新思维”5个维度，且测量模型中潜变量之间的相关性表明这5个维度之间是相互联系、相互作用的有机整体。

关键词：化学高阶思维结构; 测量模型; 探索性因子分析; 验证性因子分析

文章编号： 1005-6629（2019）11-0013-07 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

高阶思维能力是21世纪的一种高级综合能力，已成为世界各国核心竞争力的重要标识[1]。要培养现代公民的高阶思维能力，首先需要认识高阶思维结构。因为一个人的思维能力主要是由他的思维结构决定的，思维能力的强弱是思维结构的质量、水平和完善程度的表现[2]。化学作为自然科学中重要的分支，非常重视思维对科学发展的作用。在《普通高中化学课程标准》（2017年版）中共有3处强调发展学生的“高级思维”能力[3]，它是学生获得“高水平”化学核心素养与“高水平”学业质量的重要保障。新课标把“化学核心素养”以及“学业质量”都分成了由低到高的4级水平，如果没有化学高阶思维的支持，要发展学生“高水平”（尤其是第4级水平）的化学核心素养将只能是一个“美好的愿望”。因此，对高中生化学高阶思维结构的研究，将有助于化学高阶思维能力的评价指标构建与测量，指导培养化学高阶思维能力的课堂教学实践，从而使“高水平”化学核心素养的培养目标在课堂中“落地”。

1 化学高阶思维结构的研究假设

为了便于理解化学高阶思维的结构，首先明确化学高阶思维的内涵，在此基础上对高中生的化学高阶思维结构进行理论分析。

1.1 化学高阶思维的内涵

高阶思维起源于布鲁姆教育目标分类学对认知领域教育目标的六个分类：识记、理解、应用、分析、综合和评价。安德森在此基础上对这六个教育目标进行了修订，并提出“识记、理解、应用”为“低阶思维”，而“分析、评价和创造”为“高阶思维”[4]。瑞斯尼克（Resnick）认为高阶思维是复杂的、难以预测的。为避免对这一复杂概念的精确界定，Resnick描述了高阶思维的基本特征，认为“高阶思维能力具有复杂性、不规则性、解决方法与评价标准的多样性及思维过程自我调节性，强调对看似混乱的结构进行意义建构”[5]。钟志贤认为高阶思维是发生在较高认知水平层次上的心智活动或较高层次的认知能力[6]。

从高阶思维的内涵来看，其最基本的特征是思维的复杂性和高阶性。那么在化学学习中如何体现学生思维的复杂性和高阶性呢？我们认为当学生在解决复杂的或具有挑战性化学问题时需要付出繁重而艰辛的脑力劳动。杜威认为高阶思维的发生就是反思—问题、生成—探究、批判—解决问题的过程，问题是高阶思维的最大动力[7]。

综上所述，结合高阶思维的内涵与化学学科的特点，对化学高阶思维的内涵做出如下界定：化学高阶思维是指学生围绕复杂的或具有挑战性的化学问题，从宏微结合、变化守恒的视角，借助于化学实验、化学语言和化学模型，运用证据推理、分析、归纳、抽象和评价等方法，获得结构化的化学核心知识、原理，养成创新精神和实践能力的过程中形成的高水平心智活动。化学高阶思维与化学学科一般思维最重要的区别在于前者以复杂的或具有挑战性的化学问题解决为主旨。

1.2 化学高阶思维结构理论分析

林崇德在分析国内外对思维结构研究的基础上，提出思维结构应包括思维的目的、思维的过程、思维的材料、思维的品质、思维的自我监控和思维的非认知因素等六大结构要素[8]。由于高阶思维是思维水平的高级表现，钟志贤在此基础上将高阶思维结构归纳为问题求解、决策、批判性思维和创造性思维四个维度[9]。姜玉莲通过探索性结构方程建模（ESEM）构建高阶思维结构模型，论证了高阶思维结构包括创新性思维、决策能力、元认知与反思性评价、问题解决能力、同伴情感支持、自我效能感、批判性思维、自我调节学习等8个因素[10]。可见，姜玉莲认为高阶思维不仅包括智力因素，还应包括非智力因素。这一点与林崇德对思维结构的认识是一致的。

化學高阶思维结构应在一般性高阶思维结构的基础上，突出化学学科特征。《普通高中化学课程标准》（2017年版）中规定了不同学生应达到的“学业质量水平”和“化学核心素养水平”，对学生的思维能力要求应该蕴含在其中，它是我们提出化学高阶思维结构的主要依据。化学高阶思维结构是高层次、较完善的思维结构，应该对应着“学业质量水平”和“化学核心素养水平”的最高水平，因此接下来，我们将对以上两个“水平”中的第4级水平（最高水平）进行分析，提取化学高阶思维结构要素（见表1）。从表1的分析中，我们得出高中生化学高阶思维的结构要素包括化学实验思维、化学模型思维、化学微观思维、化学守恒思维、化学创新思维。这五个结构要素是具有化学学科特征的智力要素，但是根据林崇德、姜玉莲等的观点，认为高阶思维结构还应包括非智力要素。由于化学高阶思维仍然属于高阶思维的范畴，因此，我们把姜玉莲高阶思维结构中的“思维的自我调节”和“自我效能感”也归属为化学高阶思维结构的非智力要素。最后，一共构建了7个结构要素。

表1 化学高阶思维结构要素的分析与提取

“学业质量水平”和“化学核心素养水平”中第4级水平描述关键词分析提取化学高阶思维结构要素

实验方法、仪器分析、分离提纯、实验方案、控制变量、完成实验、实验结论等化学是一门实验科学，化学实验作为一种能动的实践活动方式，不仅是一种感性活动过程，更重要的是一种理性思维过程。学会运用实验的方法分析和解决化学复杂问题是对学生思维能力的高层次要求。化学实验思维

建构模型、选择模型、解释或解决复杂的化学问题等作为接近原型的重要手段，模型认知被化学学科广泛运用。学会建立模型、运用模型分析和解决化学复杂问题是对学生思维能力的高层次要求。化学模型思维

微观结构、微粒间作用力、预测物质的性质、宏观与微观结合的视角等化学是在原子、分子的层次上研究物质的一门科学。学会从微观结构分析和解决化学复杂问题是对学生思维能力的高层次要求。化学微观思维

对立统一思想、能量转化、能量储存和释放等很多化学问题蕴含着对立统一思想：化学反应中有物质被消耗，就有物质生成，且原子的种类和个数不变;氧化还原反应中有元素得电子，就有元素失电子，且得失电子总数相等;溶液中有阳离子就有阴离子，且电荷总数相等。另外，化学反应中总伴随着能量的转化，且能量保持不变。因此，学会从守恒的角度分析和解决化学复杂问题是对学生思维能力的高层次要求。化学守恒思维

探究课题、探究方案、优化方案、处理实验信息、反思、质疑、新的设想、无机物的制备、有机物的合成等科学探究、无机物的制备、有机物的合成等都是以实验为手段进行的实践活动，活动中着重体现了学生反思、质疑、调整和优化等创新思维的能力。以综合性、探索性和求新性为特征的创新思维是对学生思维能力的高层次要求。化学创新思维

2 研究设计

2.1 研究方法

我们对化学高阶思维结构进行了上述假设，但假设是否成立，需要设计问卷，分析数据进行检验。由于研究之前并不能明确所设计的化学高阶思维结构观察变量和潜在变量之间的关系，因此我们采用SPSS（25.0）软件对已获得的数据进行探索性因子分析（Exploratory Factor Analysis，简称EFA）。探索性因子分析主要是通过“降维”的方法找出影响观察变量的因子个数，以及各个因子和各个观察变量之间的相关程度。但探索性因子分析缺乏对实际数据与理论模型拟合情况的检验，因此继续利用AMOS（21.0）软件对已获得的数据进行验证性因子分析（Confirmatory Factor Analysis，简称CFA）。验证性因子分析是在先前探索性因子分析获得已知因子的情况下，检验所搜集的数据资料是否按事先预定的结构方式产生作用，从而决定因子的理论模型拟合实际数据的能力[11]。

2.2 问卷设计

化学高阶思维结构中的智力因素维度依据《普通高中化学课程标准（2017年版）》中“学业质量水平”和“化学核心素养水平”的第4级水平对思维的要求进行编题;非智力因素维度借鉴方平教授的“自我调节学习量表”和Schwarzer的“自我效能量表”，结合化学学习中的行为倾向、情感参与进行编题。在此基础上，我們形成了“化学高阶思维结构”的初始量表。每一个化学高阶思维结构维度分别编制6个相关问题（即观察项目或观察变量），因此初始量表共设计了42个观察项目。该量表使用李克特7点计分法，从“非常不同意”到“非常同意”7个等级，依次记为1到7分。

2.3 样本调查

由于化学高阶思维对学生的思维水平要求较高，因此必须选择优秀的高三学生作为调查对象。这部分学生经过三年的化学学习，其化学思维已经达到了较高的水平，他们的测查结果能够较好地反映高中生的化学高阶思维结构。选择扬州市市区排名前三的四星级高中，对583名高三选修化学的学生进行问卷调查，回收有效问卷561份，回收率96.2%。将有效样本随机分成两半，一半（281份）做探索性因子分析，另一半（280份）做验证性因子分析。

3 化学高阶思维结构测量模型的探索与验证

3.1 探索性因子分析

对281份问卷数据进行KMO和Bartlett初始检验，得出样本的KMO=0.892，Bartlett球形检验的X2值为6062.087，自由度为980，P=0.000，达到极显著的水平，表明量表适合进行探索性因子分析。利用主成分分析方法，提取公共因子，得到初始因子载荷矩阵，再通过最大方差旋转法得到旋转因子载荷矩阵。对于因子分析的结果，根据项目载荷值小于0.4，共同度小于0.30，且公共因子不少于3个观测指标，每个观测指标不能横跨两个或两个以上公共因子的标准，剔除问卷中的不合适项目[12]，共剩余21个项目。对余下项目再次进行因子分析，此时样本的KMO=0.896，Bartlett球形检验的X2值为4267.095，自由度为210，P=0.000。可见删除21个（共42个）观测指标后，量表的KMO值有所增大，X2值和自由度显著下降，表明量表更适合做探索性因子分析。

最后依据特征值大于1的标准，确定了5个因子。从碎石图（见图1）也可以看出，前5个因子呈现明显的陡坡，从第6个因子开始，坡度平缓，说明前5个因子已经能够解释大部分的总方差。数据结果显示，5个因子的累积方差贡献率达到了75.14%。因子载荷值和共同度如表1所示。除了MX1的因子载荷略小于0.7外，其余20个观察项旋转后的因子载荷均大于0.7;各因子的共同度均大于0.5。说明提取5个公因子是非常合理的，且每个观察项都对相应的公因子做出了较大的贡献[13]。

图1 碎石图

表2 旋转后的成分矩阵和公因子方差统计

观察项目因子载荷

12345共同度

SY5：实验方法的选择0.8150.791

SY4：实验方案的设计0.8130.795

SY2：实验试剂的选择0.7870.766

SY3：控制实验变量0.7830.761

SY6：实验装置的选择0.7720.745

SY1：熟练掌握实验基本操作0.7300.641

SH2：“电荷守恒”法解决问题0.8600.853

SH3：“得失电子守恒”法解決问题0.8390.812

SH1：溶液中离子浓度的大小关系0.8260.802

SH4：陌生氧化还原反应的离子方程式书写0.7420.773

WG4：化学变化与能量变化的本质0.8480.771

WG2：微粒间作用力的判断0.8380.785

WG1：元素周期律的应用0.8340.771

WG3：物质性质的解释或预测0.8050.709

CX3：问题解决创新方法的运用0.8700.82

CX2：科学探究0.8630.874

CX1：无机物的制备与有机物的合成0.8280.831

MX3：运用“三行式模型”解决问题0.7650.679

MX4：建构“缩放或放缩模型”解决问题0.7340.588

MX2：建构“价层电子对互斥模型”解决问题0.7320.634

MX1：运用“晶胞模型”解决问题0.6960.579

注：提取方法为主成分分析法。旋转方法为Kaiser正态化最大方差法，旋转在6次迭代后已收敛。

表2中5个因子均来自初始问卷的原有假设因子。因此，把第一个因子共6个项目命名为“化学实验思维”，第二个因子共4个项目命名为“化学守恒思维”，第三个因子共4个项目命名为“化学微观思维”，第四个因子共3个项目命名为“化学创新思维”，第五个因子共4个项目命名为“化学模型思维”。而初始问卷中的原有假设因子“思维的自我调节”和“自我效能感”中的大部分观察项目横跨了其他因子，这样萃取出的公共因子均不足3个观测指标，不符合成为独立因子的标准，因此将这些项目全部删除。分析原因，“化学实验思维”、“化学守恒思维”等5个思维过程中都需要“思维的自我调节”和良好或不良的“自我效能感”，说明这两个假设因子均“渗透”在其他5个因子中，与其他5个因子具有高度的相关性，不能作为一个独立因子存在。通过探索性因子分析最终得到的这21个项目组成了“化学高阶思维结构”的正式问卷。

图2为旋转后的因子载荷散点图，将各公因子之间、各公因子与相应变量之间的关系进行了展现。

图2 旋转后因子载荷图

3.2 验证性因子分析

接下来运用AMOS 21.0统计软件对通过探索性因子分析得到的化学高阶思维结构模型进行验证性因子分析。依据探索性因子分析得到的观察变量与相应的潜变量建构测量模型，将另一份有效样本形成的SPSS文件导入，根据AMOS软件运算结果提供的修正信息，对模型予以进一步修正，依据MI（Modification Indices）值大于4的标准，从MI最大值开始修正，每次修改一条路径，最后共建立了e3与e6、 e7与e8、 e9与e12等10组残差项之间的相关，得到如图3所示的修正模型图。

从图3中可以看出，5个潜变量之间均存在着中度的正相关关系，相关系数介于0.35～0.7之间，因素负荷量均在0.64～0.93之间，在可接受和理想范围内。从标准化因素负荷量结果还可以看出各个观察变量在相应潜变量中的重要性，数值越大，越重要[14]。例如：潜变量“模型思维”对“晶胞模型”（MX1）、“价层电子对互斥模型”（MX2）、“三行式模型”（MX3）、“缩放或放缩模型”（MX4）4个指标的因素负荷量分别为0.68、 0.68、 0.77、 0.74，说明“三行式模型”这个观察指标对“模型思维”的影响最大，也最重要。同样，在“化学微观思维”中“微粒间作用力的判断”（WG2）指标最为重要;在“化学实验思维”中“实验方案的设计”（SY4）指标最为重要;在“化学创新思维”中“科学探究”（CX2）指标最为重要;在“化学守恒思维”中“陌生氧化还原反应的离子方程式书写”（SH4）指标最为重要。

图3 化学高阶思维结构的测量模型

在反复测试和修正模型后发现，修正模型的适配度与初始模型相比得到了显著提升。除了RMR指标未达标外，其余各项指标均已达到拟合优度模型水平（见表3）。表明修正后的模型具有良好的拟合性，反映出了修正模型与实际观察数据之间良好的适配情形，说明模型的外在质量较佳[15]。

表3 整体模型适配度检验摘要表（初始模型+修正模型）

统计检验量χ2/dfRMRRMSEAGFIAGFIIFITLICFIPGFIPNFIPCFI

适配标准<2<0.05<0.08>0.9>0.9>0.9>0.9>0.9>0.5>0.5>0.5

初始模型拟合指数2.7340.0780.0790.8530.8110.9260.9120.9250.6610.7570.789

初始模型适配判断否否是否否是是是是是是

修正模型拟合指数1.3920.0660.0370.9270.9000.9840.9800.9840.6780.7610.792

修正模型适配判断是否是是是是是是是是是

3.3 信度与收敛效度分析

进一步对修正模型每个构面（潜变量）的信度与内在收敛效度进行检验。通过标准化因素负荷量以及非标准化因素负荷量可以计算出5个潜变量的组成信度（CR）与平均变异数萃取量（AVE），计算公式分别为：

组成信度=（标准化因素负荷量）2（∑标准化因素负荷量）2+∑测量误差 AVE=（因素负荷量）2（∑因素负荷量）2+∑测量误差

计算结果见表4。CR值是所有测量变量信度的组合，表示潜变量指标的内部一致性，CR越高，表明潜变量的内部一致性越高。AVE反映了每个潜变量所解释的变异量中有多少来自于该潜变量中所有题目，若AVE越高，则表示潜变量有越高的收敛效度，理想值需大于0.5（Fornell and Larcker， 1981），0.36～0.5为可接受门槛。从表4可见，本模型的各潜变量的CR值均大于0.7，除了“化学模型思维”的AVE略小于0.5，但也在可接受范围内，其余潜变量的AVE均大于0.5。说明该模型各个潜变量具有良好的信度与收敛效度，也说明模型内在质量及潜变量的潜在特质均较佳[16]。

表4 潜变量的信度与收敛效度

化学模型思维化学微观思维化学实验思维化学创新思维化学守恒思维

CR0.7860.8890.9310.9060.913

AVE0.480.6670.6920.7640.726

4 研究结果与讨论

在文献研究的基础上，提出了化学高阶思维结构的假设，共构建了7个维度。利用探索性和验证性因子分析检验假设后发现，化学高阶思维结构共包括“化学实验思维、化学模型思维、化学微观思维、化学守恒思维和化学创新思维”5个维度，同时得到如图3所示的化学高阶思维结构的测量模型。其中原假设“思维的自我调节”和“自我效能感”不成立。可见化学高阶思维结构具有显著的化学学科特征，学生的非智力因素可以影响化学学习的智力因素，但不能作为独立的化学思维结构存在。根据前面的研究，尤其是表1中对化学高阶思维结构的分析，我们总结归纳了各个思维要素的具体能力要求，并分述如下：

（1）化学实验思维：能对挑战性的化学实验问题的有关信息进行分析综合、抽象概括，以理解实验问题，选择实验试剂、实验装置与实验方法，控制实验变量，形成实验方案，并能安全顺利地完成实验。

（2）化学模型思维：能选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题;能对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应的模型，能指出所建模型的局限性，探寻模型优化需要的证据。

（3）化学微观思维：能分析复杂化学问题中物质化学变化和伴随的能量转化与物质微观结构之间的关系，能依据物质的微观结构，预测物质的性质和在一定条件下可能反生的化学变化，能从宏观和微观结合的视角对物质及其变化进行分类和表征。

（4）化学守恒思维：能依据元素守恒、电荷守恒以及得失电子守恒等方法解决氧化还原反应、溶液中的离子反应、电化学等复杂的化学反应原理问题和化学计算问题;能依据化学变化中能量守恒的原理，提出利用化学变化实现能量储存和释放的有实用价值的思路。

（5）化學创新思维：能根据文献和实际需要提出综合性的探究课题，根据假设提出多种探究方案，评价和优化方案，能用数据、图表、符号等处理实验信息，能对实验中“异常”现象和已有结论进行反思、提出质疑和新的实验设想，并进一步付诸实施;能借鉴数学思维、物理思维创造性地解决复杂的化学问题;能根据文献提出无机物制备和有机物合成的合理思路。

上述5个结构要素并不是彼此独立的，这一点从化学高阶思维结构的测量模型（图3）也可以看出来。模型中5个潜变量之间具有中度的相关性，说明5个结构要素之间是相互联系、相互作用的有机整体。化学微观思维是原子、分子水平上的思维，化学模型中的晶胞模型、原子轨道模型、原子结构模型等都是在微观粒子的基础上建构起来的，因此，化学模型思维与化学微观思维有着千丝万缕的联系。化学守恒中的“元素守恒”“得失电子守恒”“质子守恒”等也是建立在元素、质子、电子等微观粒子基础上的守恒，因此，化学守恒思维与化学微观思维也有着一定的联系。化学创新思维中的“科学探究”要借助于化学实验才能开展，因此它与化学实验思维又有着密切的关系。由此可见，化学高阶思维的各个维度并不是完全独立的，它们之间是相互联系、相互作用的有机整体。

根据探索性和验证性因子分析，我们找到了高中生化学高阶思维的结构。后续将根据化学高阶思维结构制定化学高阶思维能力的评价指标，并根据评价指标编制相应的、有一定挑战性的化学问题，对学生再次实施调查，了解高中生化学高阶思维能力的现状，深入分析化学高阶思维的影响因素，从而使化学高阶思维的研究向纵深发展。

参考文献：

[1][9]钟志贤. 促进学习者高阶思维发展的教学设计假设[J]. 电化教育研究， 2004，（12）： 13～28.

[2]夏甄陶等编. 思维世界导论——关于思维的认识论考察[M]. 北京：中国人民大学出版社， 1992： 3～34.

[3]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018： 13～91.

[4]王帅. 国外高阶思维及其教学方式[J]. 上海教育科研， 2011，（9）： 31～34.

[5]Rupert Wegerif，魏晓玲等. 思维、技术与学习综述（下）[J]. 远程教育杂志， 2009，（6）： 36～45.

[6]钟志贤. 论学习环境设计[J]. 电化教育研究， 2005，（7）： 35～40.

[7][美]约翰·杜威著. 伍中友译. 我们如何思维[M]. 北京：新华出版社， 2010： 80～96.

[8]林崇德. 学习与发展[M]. 北京：北京师范大学出版社， 2003.

[10]姜玉莲，解月光. 基于ESEM的高阶思维结构测量模型研究[J]. 现代远程教育研究， 2017，（3）： 100～103.

[11][12][13]张文彤. SPSS统计分析基础教程（第3版高等学校教材）[M]. 北京：高等教育出版社， 2017： 106～289.