郭金花 吳星 唐玉露 吳建業(yè)

摘要： 通過對文獻及新課標的研究，先提出高中生化學高階思維結構共包括7個維度的研究假設。在對583名高中生進行問卷調查的基礎上，利用探索性因子分析和驗證性因子分析檢驗假設。結果得到高中生化學高階思維結構共包括“化學實驗思維、化學模型思維、化學微觀思維、化學守恒思維和化學創(chuàng)新思維”5個維度，且測量模型中潛變量之間的相關性表明這5個維度之間是相互聯(lián)系、相互作用的有機整體。

關鍵詞： 化學高階思維結構; 測量模型; 探索性因子分析; 驗證性因子分析

文章編號： 1005-6629（2019）11-0013-07? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

高階思維能力是21世紀的一種高級綜合能力，已成為世界各國核心競爭力的重要標識[1]。要培養(yǎng)現(xiàn)代公民的高階思維能力，首先需要認識高階思維結構。因為一個人的思維能力主要是由他的思維結構決定的，思維能力的強弱是思維結構的質量、水平和完善程度的表現(xiàn)[2]?；瘜W作為自然科學中重要的分支，非常重視思維對科學發(fā)展的作用。在《普通高中化學課程標準》（2017年版）中共有3處強調發(fā)展學生的“高級思維”能力[3]，它是學生獲得“高水平”化學核心素養(yǎng)與“高水平”學業(yè)質量的重要保障。新課標把“化學核心素養(yǎng)”以及“學業(yè)質量”都分成了由低到高的4級水平，如果沒有化學高階思維的支持，要發(fā)展學生“高水平”（尤其是第4級水平）的化學核心素養(yǎng)將只能是一個“美好的愿望”。因此，對高中生化學高階思維結構的研究，將有助于化學高階思維能力的評價指標構建與測量，指導培養(yǎng)化學高階思維能力的課堂教學實踐，從而使“高水平”化學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標在課堂中“落地”。

1? 化學高階思維結構的研究假設

為了便于理解化學高階思維的結構，首先明確化學高階思維的內(nèi)涵，在此基礎上對高中生的化學高階思維結構進行理論分析。

1.1? 化學高階思維的內(nèi)涵

高階思維起源于布魯姆教育目標分類學對認知領域教育目標的六個分類： 識記、理解、應用、分析、綜合和評價。安德森在此基礎上對這六個教育目標進行了修訂，并提出“識記、理解、應用”為“低階思維”，而“分析、評價和創(chuàng)造”為“高階思維”[4]。瑞斯尼克（Resnick）認為高階思維是復雜的、難以預測的。為避免對這一復雜概念的精確界定，Resnick描述了高階思維的基本特征，認為“高階思維能力具有復雜性、不規(guī)則性、解決方法與評價標準的多樣性及思維過程自我調節(jié)性，強調對看似混亂的結構進行意義建構”[5]。鐘志賢認為高階思維是發(fā)生在較高認知水平層次上的心智活動或較高層次的認知能力[6]。

從高階思維的內(nèi)涵來看，其最基本的特征是思維的復雜性和高階性。那么在化學學習中如何體現(xiàn)學生思維的復雜性和高階性呢？我們認為當學生在解決復雜的或具有挑戰(zhàn)性化學問題時需要付出繁重而艱辛的腦力勞動。杜威認為高階思維的發(fā)生就是反思—問題、生成—探究、批判—解決問題的過程，問題是高階思維的最大動力[7]。

綜上所述，結合高階思維的內(nèi)涵與化學學科的特點，對化學高階思維的內(nèi)涵做出如下界定： 化學高階思維是指學生圍繞復雜的或具有挑戰(zhàn)性的化學問題，從宏微結合、變化守恒的視角，借助于化學實驗、化學語言和化學模型，運用證據(jù)推理、分析、歸納、抽象和評價等方法，獲得結構化的化學核心知識、原理，養(yǎng)成創(chuàng)新精神和實踐能力的過程中形成的高水平心智活動?；瘜W高階思維與化學學科一般思維最重要的區(qū)別在于前者以復雜的或具有挑戰(zhàn)性的化學問題解決為主旨。

1.2? 化學高階思維結構理論分析

林崇德在分析國內(nèi)外對思維結構研究的基礎上，提出思維結構應包括思維的目的、思維的過程、思維的材料、思維的品質、思維的自我監(jiān)控和思維的非認知因素等六大結構要素[8]。由于高階思維是思維水平的高級表現(xiàn)，鐘志賢在此基礎上將高階思維結構歸納為問題求解、決策、批判性思維和創(chuàng)造性思維四個維度[9]。姜玉蓮通過探索性結構方程建模（ESEM）構建高階思維結構模型，論證了高階思維結構包括創(chuàng)新性思維、決策能力、元認知與反思性評價、問題解決能力、同伴情感支持、自我效能感、批判性思維、自我調節(jié)學習等8個因素[10]。可見，姜玉蓮認為高階思維不僅包括智力因素，還應包括非智力因素。這一點與林崇德對思維結構的認識是一致的。

化學高階思維結構應在一般性高階思維結構的基礎上，突出化學學科特征。《普通高中化學課程標準》（2017年版）中規(guī)定了不同學生應達到的“學業(yè)質量水平”和“化學核心素養(yǎng)水平”，對學生的思維能力要求應該蘊含在其中，它是我們提出化學高階思維結構的主要依據(jù)?；瘜W高階思維結構是高層次、較完善的思維結構，應該對應著“學業(yè)質量水平”和“化學核心素養(yǎng)水平”的最高水平，因此接下來，我們將對以上兩個“水平”中的第4級水平（最高水平）進行分析，提取化學高階思維結構要素（見表1）。從表1的分析中，我們得出高中生化學高階思維的結構要素包括化學實驗思維、化學模型思維、化學微觀思維、化學守恒思維、化學創(chuàng)新思維。這五個結構要素是具有化學學科特征的智力要素，但是根據(jù)林崇德、姜玉蓮等的觀點，認為高階思維結構還應包括非智力要素。由于化學高階思維仍然屬于高階思維的范疇，因此，我們把姜玉蓮高階思維結構中的“思維的自我調節(jié)”和“自我效能感”也歸屬為化學高階思維結構的非智力要素。最后，一共構建了7個結構要素。

表1? 化學高階思維結構要素的分析與提取

“學業(yè)質量水平”和“化學核心素養(yǎng)水平”中第4級水平描述關鍵詞分? ? 析提取化學高階思維結構要素

實驗方法、儀器分析、分離提純、實驗方案、控制變量、完成實驗、實驗結論等化學是一門實驗科學，化學實驗作為一種能動的實踐活動方式，不僅是一種感性活動過程，更重要的是一種理性思維過程。學會運用實驗的方法分析和解決化學復雜問題是對學生思維能力的高層次要求?；瘜W實驗思維

建構模型、選擇模型、解釋或解決復雜的化學問題等作為接近原型的重要手段，模型認知被化學學科廣泛運用。學會建立模型、運用模型分析和解決化學復雜問題是對學生思維能力的高層次要求?；瘜W模型思維

微觀結構、微粒間作用力、預測物質的性質、宏觀與微觀結合的視角等化學是在原子、分子的層次上研究物質的一門科學。學會從微觀結構分析和解決化學復雜問題是對學生思維能力的高層次要求?；瘜W微觀思維

對立統(tǒng)一思想、能量轉化、能量儲存和釋放等很多化學問題蘊含著對立統(tǒng)一思想： 化學反應中有物質被消耗，就有物質生成，且原子的種類和個數(shù)不變;氧化還原反應中有元素得電子，就有元素失電子，且得失電子總數(shù)相等;溶液中有陽離子就有陰離子，且電荷總數(shù)相等。另外，化學反應中總伴隨著能量的轉化，且能量保持不變。因此，學會從守恒的角度分析和解決化學復雜問題是對學生思維能力的高層次要求。化學守恒思維

探究課題、探究方案、優(yōu)化方案、處理實驗信息、反思、質疑、新的設想、無機物的制備、有機物的合成等科學探究、無機物的制備、有機物的合成等都是以實驗為手段進行的實踐活動，活動中著重體現(xiàn)了學生反思、質疑、調整和優(yōu)化等創(chuàng)新思維的能力。以綜合性、探索性和求新性為特征的創(chuàng)新思維是對學生思維能力的高層次要求?；瘜W創(chuàng)新思維

2? 研究設計

2.1? 研究方法

我們對化學高階思維結構進行了上述假設，但假設是否成立，需要設計問卷，分析數(shù)據(jù)進行檢驗。由于研究之前并不能明確所設計的化學高階思維結構觀察變量和潛在變量之間的關系，因此我們采用SPSS（25.0）軟件對已獲得的數(shù)據(jù)進行探索性因子分析（Exploratory Factor Analysis，簡稱EFA）。探索性因子分析主要是通過“降維”的方法找出影響觀察變量的因子個數(shù)，以及各個因子和各個觀察變量之間的相關程度。但探索性因子分析缺乏對實際數(shù)據(jù)與理論模型擬合情況的檢驗，因此繼續(xù)利用AMOS（21.0）軟件對已獲得的數(shù)據(jù)進行驗證性因子分析（Confirmatory Factor Analysis，簡稱CFA）。驗證性因子分析是在先前探索性因子分析獲得已知因子的情況下，檢驗所搜集的數(shù)據(jù)資料是否按事先預定的結構方式產(chǎn)生作用，從而決定因子的理論模型擬合實際數(shù)據(jù)的能力[11]。

2.2? 問卷設計

化學高階思維結構中的智力因素維度依據(jù)《普通高中化學課程標準（2017年版）》中“學業(yè)質量水平”和“化學核心素養(yǎng)水平”的第4級水平對思維的要求進行編題;非智力因素維度借鑒方平教授的“自我調節(jié)學習量表”和Schwarzer的“自我效能量表”，結合化學學習中的行為傾向、情感參與進行編題。在此基礎上，我們形成了“化學高階思維結構”的初始量表。每一個化學高階思維結構維度分別編制6個相關問題（即觀察項目或觀察變量），因此初始量表共設計了42個觀察項目。該量表使用李克特7點計分法，從“非常不同意”到“非常同意”7個等級，依次記為1到7分。

2.3? 樣本調查

由于化學高階思維對學生的思維水平要求較高，因此必須選擇優(yōu)秀的高三學生作為調查對象。這部分學生經(jīng)過三年的化學學習，其化學思維已經(jīng)達到了較高的水平，他們的測查結果能夠較好地反映高中生的化學高階思維結構。選擇揚州市市區(qū)排名前三的四星級高中，對583名高三選修化學的學生進行問卷調查，回收有效問卷561份，回收率96.2%。將有效樣本隨機分成兩半，一半（281份）做探索性因子分析，另一半（280份）做驗證性因子分析。

3? 化學高階思維結構測量模型的探索與驗證

3.1? 探索性因子分析

對281份問卷數(shù)據(jù)進行KMO和Bartlett初始檢驗，得出樣本的KMO=0.892，Bartlett球形檢驗的X2值為6062.087，自由度為980，P=0.000，達到極顯著的水平，表明量表適合進行探索性因子分析。利用主成分分析方法，提取公共因子，得到初始因子載荷矩陣，再通過最大方差旋轉法得到旋轉因子載荷矩陣。對于因子分析的結果，根據(jù)項目載荷值小于0.4，共同度小于0.30，且公共因子不少于3個觀測指標，每個觀測指標不能橫跨兩個或兩個以上公共因子的標準，剔除問卷中的不合適項目[12]，共剩余21個項目。對余下項目再次進行因子分析，此時樣本的KMO=0.896，Bartlett球形檢驗的X2值為4267.095，自由度為210，P=0.000。可見刪除21個（共42個）觀測指標后，量表的KMO值有所增大，X2值和自由度顯著下降，表明量表更適合做探索性因子分析。

最后依據(jù)特征值大于1的標準，確定了5個因子。從碎石圖（見圖1）也可以看出，前5個因子呈現(xiàn)明顯的陡坡，從第6個因子開始，坡度平緩，說明前5個因子已經(jīng)能夠解釋大部分的總方差。數(shù)據(jù)結果顯示，5個因子的累積方差貢獻率達到了75.14%。因子載荷值和共同度如表1所示。除了MX1的因子載荷略小于0.7外，其余20個觀察項旋轉后的因子載荷均大于0.7;各因子的共同度均大于0.5。說明提取5個公因子是非常合理的，且每個觀察項都對相應的公因子做出了較大的貢獻[13]。

圖1? 碎石圖

表2? 旋轉后的成分矩陣和公因子方差統(tǒng)計

觀察項目因子載荷

12345共同度

SY5： 實驗方法的選擇0.8150.791

SY4： 實驗方案的設計0.8130.795

SY2： 實驗試劑的選擇0.7870.766

SY3： 控制實驗變量0.7830.761

SY6： 實驗裝置的選擇0.7720.745

SY1： 熟練掌握實驗基本操作0.7300.641

SH2：“電荷守恒”法解決問題0.8600.853

SH3：“得失電子守恒”法解決問題0.8390.812

SH1： 溶液中離子濃度的大小關系0.8260.802

SH4： 陌生氧化還原反應的離子方程式書寫0.7420.773

WG4： 化學變化與能量變化的本質0.8480.771

WG2： 微粒間作用力的判斷0.8380.785

WG1： 元素周期律的應用0.8340.771

WG3： 物質性質的解釋或預測0.8050.709

CX3： 問題解決創(chuàng)新方法的運用0.8700.82

CX2： 科學探究0.8630.874

CX1： 無機物的制備與有機物的合成0.8280.831

MX3： 運用“三行式模型”解決問題0.7650.679

MX4： 建構“縮放或放縮模型”解決問題0.7340.588

MX2： 建構“價層電子對互斥模型”解決問題0.7320.634

MX1： 運用“晶胞模型”解決問題0.6960.579

注： 提取方法為主成分分析法。旋轉方法為Kaiser正態(tài)化最大方差法，旋轉在6次迭代后已收斂。

表2中5個因子均來自初始問卷的原有假設因子。因此，把第一個因子共6個項目命名為“化學實驗思維”，第二個因子共4個項目命名為“化學守恒思維”，第三個因子共4個項目命名為“化學微觀思維”，第四個因子共3個項目命名為“化學創(chuàng)新思維”，第五個因子共4個項目命名為“化學模型思維”。而初始問卷中的原有假設因子“思維的自我調節(jié)”和“自我效能感”中的大部分觀察項目橫跨了其他因子，這樣萃取出的公共因子均不足3個觀測指標，不符合成為獨立因子的標準，因此將這些項目全部刪除。分析原因，“化學實驗思維”、“化學守恒思維”等5個思維過程中都需要“思維的自我調節(jié)”和良好或不良的“自我效能感”，說明這兩個假設因子均“滲透”在其他5個因子中，與其他5個因子具有高度的相關性，不能作為一個獨立因子存在。通過探索性因子分析最終得到的這21個項目組成了“化學高階思維結構”的正式問卷。

圖2為旋轉后的因子載荷散點圖，將各公因子之間、各公因子與相應變量之間的關系進行了展現(xiàn)。

圖2? 旋轉后因子載荷圖

3.2? 驗證性因子分析

接下來運用AMOS 21.0統(tǒng)計軟件對通過探索性因子分析得到的化學高階思維結構模型進行驗證性因子分析。依據(jù)探索性因子分析得到的觀察變量與相應的潛變量建構測量模型，將另一份有效樣本形成的SPSS文件導入，根據(jù)AMOS軟件運算結果提供的修正信息，對模型予以進一步修正，依據(jù)MI（Modification Indices）值大于4的標準，從MI最大值開始修正，每次修改一條路徑，最后共建立了e3與e6、 e7與e8、 e9與e12等10組殘差項之間的相關，得到如圖3所示的修正模型圖。

從圖3中可以看出，5個潛變量之間均存在著中度的正相關關系，相關系數(shù)介于0.35～0.7之間，因素負荷量均在0.64～0.93之間，在可接受和理想范圍內(nèi)。從標準化因素負荷量結果還可以看出各個觀察變量在相應潛變量中的重要性，數(shù)值越大，越重要[14]。例如： 潛變量“模型思維”對“晶胞模型”（MX1）、“價層電子對互斥模型”（MX2）、“三行式模型”（MX3）、“縮放或放縮模型”（MX4）4個指標的因素負荷量分別為0.68、 0.68、 0.77、 0.74，說明“三行式模型”這個觀察指標對“模型思維”的影響最大，也最重要。同樣，在“化學微觀思維”中“微粒間作用力的判斷”（WG2）指標最為重要;在“化學實驗思維”中“實驗方案的設計”（SY4）指標最為重要;在“化學創(chuàng)新思維”中“科學探究”（CX2）指標最為重要;在“化學守恒思維”中“陌生氧化還原反應的離子方程式書寫”（SH4）指標最為重要。

圖3? 化學高階思維結構的測量模型

在反復測試和修正模型后發(fā)現(xiàn)，修正模型的適配度與初始模型相比得到了顯著提升。除了RMR指標未達標外，其余各項指標均已達到擬合優(yōu)度模型水平（見表3）。表明修正后的模型具有良好的擬合性，反映出了修正模型與實際觀察數(shù)據(jù)之間良好的適配情形，說明模型的外在質量較佳[15]。

表3? 整體模型適配度檢驗摘要表（初始模型+修正模型）

統(tǒng)計檢驗量χ2/dfRMRRMSEAGFIAGFIIFITLICFIPGFIPNFIPCFI

適配標準<2<0.05<0.08>0.9>0.9>0.9>0.9>0.9>0.5>0.5>0.5

初始模型擬合指數(shù)2.7340.0780.0790.8530.8110.9260.9120.9250.6610.7570.789

初始模型適配判斷否否是否否是是是是是是

修正模型擬合指數(shù)1.3920.0660.0370.9270.9000.9840.9800.9840.6780.7610.792

修正模型適配判斷是否是是是是是是是是是

3.3? 信度與收斂效度分析

進一步對修正模型每個構面（潛變量）的信度與內(nèi)在收斂效度進行檢驗。通過標準化因素負荷量以及非標準化因素負荷量可以計算出5個潛變量的組成信度（CR）與平均變異數(shù)萃取量（AVE），計算公式分別為：

組成信度=（標準化因素負荷量）2（∑標準化因素負荷量）2+∑測量誤差? AVE=（因素負荷量）2（∑因素負荷量）2+∑測量誤差

計算結果見表4。CR值是所有測量變量信度的組合，表示潛變量指標的內(nèi)部一致性，CR越高，表明潛變量的內(nèi)部一致性越高。AVE反映了每個潛變量所解釋的變異量中有多少來自于該潛變量中所有題目，若AVE越高，則表示潛變量有越高的收斂效度，理想值需大于0.5（Fornell and Larcker， 1981），0.36～0.5為可接受門檻。從表4可見，本模型的各潛變量的CR值均大于0.7，除了“化學模型思維”的AVE略小于0.5，但也在可接受范圍內(nèi)，其余潛變量的AVE均大于0.5。說明該模型各個潛變量具有良好的信度與收斂效度，也說明模型內(nèi)在質量及潛變量的潛在特質均較佳[16]。

表4? 潛變量的信度與收斂效度

化學模型思維化學微觀思維化學實驗思維化學創(chuàng)新思維化學守恒思維

CR0.7860.8890.9310.9060.913

AVE0.480.6670.6920.7640.726

4? 研究結果與討論

在文獻研究的基礎上，提出了化學高階思維結構的假設，共構建了7個維度。利用探索性和驗證性因子分析檢驗假設后發(fā)現(xiàn)，化學高階思維結構共包括“化學實驗思維、化學模型思維、化學微觀思維、化學守恒思維和化學創(chuàng)新思維”5個維度，同時得到如圖3所示的化學高階思維結構的測量模型。其中原假設“思維的自我調節(jié)”和“自我效能感”不成立?？梢娀瘜W高階思維結構具有顯著的化學學科特征，學生的非智力因素可以影響化學學習的智力因素，但不能作為獨立的化學思維結構存在。根據(jù)前面的研究，尤其是表1中對化學高階思維結構的分析，我們總結歸納了各個思維要素的具體能力要求，并分述如下：

（1） 化學實驗思維： 能對挑戰(zhàn)性的化學實驗問題的有關信息進行分析綜合、抽象概括，以理解實驗問題，選擇實驗試劑、實驗裝置與實驗方法，控制實驗變量，形成實驗方案，并能安全順利地完成實驗。

（2） 化學模型思維： 能選擇不同模型綜合解釋或解決復雜的化學問題;能對復雜的化學問題情境中的關鍵要素進行分析以建構相應的模型，能指出所建模型的局限性，探尋模型優(yōu)化需要的證據(jù)。

（3） 化學微觀思維： 能分析復雜化學問題中物質化學變化和伴隨的能量轉化與物質微觀結構之間的關系，能依據(jù)物質的微觀結構，預測物質的性質和在一定條件下可能反生的化學變化，能從宏觀和微觀結合的視角對物質及其變化進行分類和表征。

（4） 化學守恒思維： 能依據(jù)元素守恒、電荷守恒以及得失電子守恒等方法解決氧化還原反應、溶液中的離子反應、電化學等復雜的化學反應原理問題和化學計算問題;能依據(jù)化學變化中能量守恒的原理，提出利用化學變化實現(xiàn)能量儲存和釋放的有實用價值的思路。

（5） 化學創(chuàng)新思維： 能根據(jù)文獻和實際需要提出綜合性的探究課題，根據(jù)假設提出多種探究方案，評價和優(yōu)化方案，能用數(shù)據(jù)、圖表、符號等處理實驗信息，能對實驗中“異常”現(xiàn)象和已有結論進行反思、提出質疑和新的實驗設想，并進一步付諸實施;能借鑒數(shù)學思維、物理思維創(chuàng)造性地解決復雜的化學問題;能根據(jù)文獻提出無機物制備和有機物合成的合理思路。

上述5個結構要素并不是彼此獨立的，這一點從化學高階思維結構的測量模型（圖3）也可以看出來。模型中5個潛變量之間具有中度的相關性，說明5個結構要素之間是相互聯(lián)系、相互作用的有機整體?；瘜W微觀思維是原子、分子水平上的思維，化學模型中的晶胞模型、原子軌道模型、原子結構模型等都是在微觀粒子的基礎上建構起來的，因此，化學模型思維與化學微觀思維有著千絲萬縷的聯(lián)系?；瘜W守恒中的“元素守恒”“得失電子守恒”“質子守恒”等也是建立在元素、質子、電子等微觀粒子基礎上的守恒，因此，化學守恒思維與化學微觀思維也有著一定的聯(lián)系?；瘜W創(chuàng)新思維中的“科學探究”要借助于化學實驗才能開展，因此它與化學實驗思維又有著密切的關系。由此可見，化學高階思維的各個維度并不是完全獨立的，它們之間是相互聯(lián)系、相互作用的有機整體。

根據(jù)探索性和驗證性因子分析，我們找到了高中生化學高階思維的結構。后續(xù)將根據(jù)化學高階思維結構制定化學高階思維能力的評價指標，并根據(jù)評價指標編制相應的、有一定挑戰(zhàn)性的化學問題，對學生再次實施調查，了解高中生化學高階思維能力的現(xiàn)狀，深入分析化學高階思維的影響因素，從而使化學高階思維的研究向縱深發(fā)展。

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