评估学生对通用化学的理解与概念映射

Joseph S.Francisco

“我不认为化学领域中应该有任何联系。”第二作者在准备开始大学教学的第一学期时就听到了这一言论。这个想法多久会在化学专业学生的脑海中回荡？

从建构主义的角度来看，学生和教师在从事化学课程时必须考虑这个问题。概念之间的联系很重要？怎样做才能增强这些连接的构造？与上述观察相似的结果以及我们随后的反思是本研究的驱动力。本文介绍了概念图如何被学生用作替代学习技术，以及化学教授如何用作替代化学评估工具，以提高学生在化学入门课程中的概念理解。

背景

原理和研究问题

这项研究的目的是调查学生对化学概念的概念理解如何通过使用替代性学习和评估技术来改变：概念图。通过替代学习技术，概念映射为学生提供了一种在重要化学概念之间构建含义的独特方法，而不是使用死记硬背的学习方法或记忆方法。通过评估，教授将概念映射用作评估学生在概念之间建立联系的能力的一种方法。此外，学生和助教（TA）使用概念图作为反思学生在概念之间的联系的机会。基本假设是，学生在努力理解化学概念时会遇到困难。我们进行这项研究的前提是要使学习发生，学生必须构建并反思概念和经验以产生个人理解。因此，通过提供概念图作为替代学习工具，我们假设学生将对化学概念进行反思，而他们的反思可能会增进理解。

化学教育者经常遇到这样的问题：知道学生在化学方面遇到哪些困难以及如何解决这些困难。因此，我们假设概念映射还可以通过提供有关学生对化学概念理解的信息源，为教授和助教提供一种评估学生对化学概念的当前理解的方法。通过在大学的杂学教室中使用概念图，当学生利用时可以提供更多的学习机会。当教授和助教利用概念图作为评估学生理解力的一种方法时，这些概念图或学习和教学可能会得到改善。

本科教育中的这些可能的改进是该研究结果的示例，该研究本身是一个较大的研究项目的一部分。整个项目使用基于行动的研究团队来实施变更，调查变更的结果，然后使用调查结果来增强机构提供的教育机会。有关这项研究的更多详细信息，请参见Krockover等。

为了鼓励学生使用概念图，在大学化学课程中的各种情况下都引入了概念图，包括家庭作业，实验室和评估机会。以下研究问题指导了本研究：

1.学生对概念的理解会影响他们在评估中的表现吗？

2.概念图可以帮助学生连接化学概念吗？

3.概念图会影响学生用于学习的策略吗？

建构主义视角

我们的理论观点是基于建构主义学习理论的。建构主义是一种认知的学习模型，它假定知识是由个人产生的，并且他的知识接受背景，态度，能力和经验的影响。因此，知识的建构取决于个人经验与私人理解的相互作用。作为教育者，我们必须意识到学生的理解，并为学生提供机会以更轻松地创建和检索适当的概念。

研究设计

行动研究模型

选择了行动研究作为该研究的合适模型。行动研究是计划，行动，观察和反思的四个阶段的模型。在每个周期内，将在课程中引入特定的创新，收集和分析数据，并计划适当的修订。在每个阶段的周期之后，通过评估上一个周期的结果，重新组织并继续进行另一个周期，继续进行重新设置。有关这项研究的更多细节计划在以后的出版物中发表。

概念图

我们选择概念图作为行动研究周期中的工具，以帮助学生构建和反思他们的化学知识，并在概念之间建立联系。简而言之，概念图是理解的惯常表示。学生通过绘制链接关键概念的链接（放在称为节点的盒子中）来显示这种理解，如图1所示。单词或短短语写在链接上，以提供概念之间关系的实质。另外，关键概念之间的连接通过在链接的一端绘制箭头来显示具有方向性。图1提供了入门级化学专业学生绘制的概念图的示例，以表示他们对基本原子结构所涉及的化学原理的知识结构。

图1中的概念图A显示了一个完善的概念图，其中包含所有概念之间的链接。链接之间的众多联系表明，学生似乎已经建立了联系紧密的知识库。概念图B显示该学生的概念显然被分为两组独立的知识。同位素，元素和质量数的概念相互关联，但与另一组概念（中子，质子和原子序数）没有明显联系。许多概念之间显然缺乏联系，为教授和学生提供了有关需要改进的特定学生概念的反馈。

概念图A

概念图B

图1.化学专业学生绘制的概念图的示例。概念图A显示了关联的知识结构；概念图B显示紧密相关的概念之间缺乏联系。

概念图B的另一个有趣的方面是，可以将两个独立的知识集分类为宏观的或微观的。同位素，元素和质数一词具有定义，这些定义描述了个人真实世界（即宏观世界）中的概念。中子，子和原子序数这些术语的定义要求个人直观地看到那些看不见的概念，即微观世界中的麦粒肿。概念图B表示该个人尚未在这些知识类别之间建立联系，这对化学系学生而言是一项重要技能。

概念图为学生提供了将几种重要的学习策略纳入他们的学习习惯的机会。首先，概念图提供了有关特定主题的个人知识结构的视觉轮廓。通过绘制概念图，学生可以在视觉上与自己构建的知识结构进行交互。另一个重要的策略是识别知识结构中可能存在的缺陷的能力。通过检查他们的概念图，学生可以识别未连接的概念。对教授和学生而言，能够在这些视觉地图上进行反思以获取有关学生的概念理解的信息的能力很重要。有关在大学和大学教室中使用概念图的其他信息，请访问一个有用的网站。

http://www.wcer.wisc.edu/NISE/cl1/flag/ (9).

正如本期刊中简要回顾的那样，概念图在化学教室中已被专门用作指导或学生复习的方法或实验室前和实验室后活动，以及评估方法。概念图也已用于物理学和生命科学中，以评估学生的理解并为主动学习提供机会。在这项研究中，我们调查了概念图的两种用途，作为学生的主动学习机会和评估工具。

焦点小组协议

在研究的最后一个周期中，使用了焦点小组讨论（每组2或3个学生）作为一种获取学生对使用概念图的影响的观点的技术。此类讨论包括选择研究过程中产生的特定主题，然后为参与者组织机会以回应这些主题并听取他人的回应。这种格式使参与者有机会根据其他参与者的意见发表评论。通过这种方式，参与者可以更清楚地描述他们关于某个话题的立场，从而提供更多数据，并交叉检查先前收集的数据。脚本用于指导焦点小组讨论。这些问题确保了所有学生都拥有一个共同的核心，但是随着他们出现，我们也可以自由探索其他问题。

实施周期

表1提供了有关主题，概念图的使用以及在所有三个研究周期中收集的数据的信息。本节讨论在大型大学化学课程中用于实现概念图的过程。

第一周期。在第一学期入学的学生，理工科专业的入门级化学课程是第一

周期的主题。由于严格的要求，这些参与者具有类似的学术能力。

表1 概念图的使用信息

a所有参与者均为化学专业工程科学一年级的学生。

课程的通用标准和共同的职业目标，为学习提供了一个统一的参与者群体。在接受任何概念图分配之前，参与者在演讲和朗诵期间重新进行了构造概念图的培训。该课程的教授在几次演讲中演示了概念图的构造，并强调了它们作为学习工具的重要性。此外，助教（通常是化学研究生）通过提供书面概念图构建指南和机会来指导学生构建概念图。在朗诵期间练习概念图的构建。

概念图分配首先在热力学单元中实施。涉及概念图的作业包括每周的家庭作业以及实验室前和实验室后的练习。从热力学单元开始，学生每周的作业包括传统的教科书问题以及一张概念图的构建。概念图由与热力学相关的五到十个术语组成。要求学生分别制作一张地图，然后在每周与他们的助教举行的背诵会议上将其与其他学生的概念图进行比较。这些每周的作业在随后的主题中继续进行，然后在学期结束前两周终止。实验室前和实验室后的概念图仅在两个与热力学相关的实验室中分配。在每个热力学实验室之前，都希望每个学生都构造一张概念图，作为实验室的准备工作。在第二个热力学实验室之后，通过小组合作构建了实验室后的概念图。由八名学生组成的小组被分配了四组不同的热力学概念。两个学生组成的小组为每组绘制了一个概念图。完成这些操作后，两个子组将概念图组合在一起，创建了一个较大的概念图，其中包含两组热力学项。最后，将两个较大的概念质量合并为一个整体的实验室后概念图，其中包含最初分配给八名学生的所有热力学术语。

第一个周期收集的数据来自两个研究机构dent和TA来源。学生的数据来源包括为实验室后练习绘制的概念图，在课程中的不同时间记录的总体课程分数以及调查（附录BW）。助教还通过填写免费答复调查表（附录CW）提供了数据来源。

第二周期。一年后参加同一入门级化学课程的学生是周期的参与者。

关于概念图的构建的指示与第一周期的指示相似，但有一个重要区别。在第二个周期中向技术援助人员提供了持续的支持。来自第一轮的学生调查和TA问卷调查的反馈表明，关于概念图构建重要性的态度在任务的实用性中起着重要作用。几项TA问卷包括诸如“他们认为他们的学习对他们的学习没有太大帮助”的评论（TA问卷，第8号，1997年）1，以及“他们的时间有限hellip;hellip;他们[他们]所关心的仅仅是解决问题并通过测试”（TA问卷4，1997年）。学生调查通常包含负面反应，例如“概念图hellip;hellip;完全浪费时间”（学生调查272，1997年）和“我认为概念图不是非常有益”（学生调查260，1997年）。因此，在每次员工会议中都为TA安排了时间，以讨论有关概念图的问题，以改善TA的态度，从而影响学生的态度。

图2.示例专家概念图。学生使用专家地图与他们准备朗诵的作业概念图进行比较

在第二个周期中，除传统教科书问题外，还为学生分配了每周概念图。概念图包括与每周主题相关的五到十个术语的列表。要求学生分别构建概念图，然后在课堂讨论中将他们的图与同一朗诵部分的其他学生的图进行比较。课堂讨论后，提供了专家地图以提供进一步的反馈，以帮助学生评估他们的概念图。图2显示了一个专家概念图的示例，该模型作为模型提供给学生，以说明专家可能在概念图中构建的交联程度。告诉学生，专家地图没有显示所有可能的正确链接，但是由于在第一周期中对学生调查提出了建议，因此可以将其用作比较图。例如，一个学生描述了一种沮丧的感觉，“因为我们没有什么可以对照我们的想法来检查我们所有的概念是否正确”。未评估分配为作业的概念图的分数。

在学期初，助教发现许多学生在朗诵之前并没有建立自己的概念图。在工作人员会议上将您的发现报告给教授，并导致在朗诵期间将这些地图作为一个小组项目分配给施工。在进行构建和小组讨论后，将继续提供专家地图以提供其他反馈。概念图在课堂上的实施过程中的这种变化是行动研究灵活本质的一个很好的例子。

概念图还用作学生测验和考试的问题。在本学期的九次测验中，有五个要求学生用与以下主题相关的术语来构建概念图：有效数字，同位素和核子，溶液和浓度，氧化还原以及酸性或碱性氧化物。向学生提供了特定主题的概念，并要求他们提供链接说明。

在此周期中，再次从学生和助教那里收集了数据。对所有包含概念图的测验进行影印，以生成有关测验的学生概念图的档案。第一轮对学生调查（附录D^W）进行了修订，然后用于评估学生对概念图的态度。此外，第四作者收集学生调查问卷时，对一些学生进行了非正式采访。助教通过本学期第四作者的几次非正式访谈和对员工会议的观察提供了数据。

周期三。第三轮课程的参与者是科学和工程专业化学入门课程第二学期的学生，这是第一和第二轮课程讨论的第一学期课程的延续。学生接受了与前两个周期相似的概念图构建和等级培训。

学生为本课程绘制了概念图，包括背诵作业，可选的测验问题和考试。每周以小组活动形式完成的复习作业要求学生构建一个概念图，其中包含与讲座主题相关的6至10个重要术语。没有将等级分配给这些在背诵中构建的概念图，并且没有提供专家图以供反馈。但是，对概念图的讨论产生了朗诵期间为学生提供了反馈。在本学期进行的八次测验中，有三幅测验中的概念图作为可选问题被发现。这些可选图涵盖的主题包括蒸气压，酸碱化学和电化学。学生可以选择构建类似于背诵图的概念图或回答概念性问题。最后，在本学期的四门考试中，有两门考试提出了概念图问题。

在第三个周期中，再次从学生和助教那里收集了数据。数据包括根据测验构建的概念图，学生焦点小组访谈以及在员工会议期间展示的技术援助观察结果。

分析与讨论

本文着重分析以下数据：在第一周期收集的实验室后概念图，在第二周期收集的概念图以及在第三周期进行的焦点小组访谈。分析的结果用于解决研究问题一和问题二。研究问题三将在后续文章中讨论。

概念图的分级过程

随机选择第一周期的五份实验室后概念图进行分析。学生群体用来连接概念的链接短语被编码为正确，正确但无信息，不正确或重复的单词。使用这些代码，对概念图进行了评估，并开发了以下评分算法：

在第2和第3周期中使用该算法对测验中的概念图进行评分。在该算法中，该比率乘以5，因为测验中的概念图问题总共分配了5个点。为了使学生获得有关概念图问题的任何学分，所有术语都必须在图中至少具有一个连接链接。为了说明此算法的使用，由第四作

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