陳文藝　占小紅

摘要： 基于思維模型理論，通過問卷測試高中生構(gòu)造異構(gòu)問題解決的過程，歸納刻畫出高中生針對不同問題建構(gòu)的思維模型，對其建構(gòu)的思維模型進(jìn)行思維品質(zhì)的水平劃分。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，了解高中生構(gòu)造異構(gòu)問題解決思維模型的類別和水平特征，以期為高中構(gòu)造異構(gòu)教學(xué)實踐提供建議。

關(guān)鍵詞： 高中生; 構(gòu)造異構(gòu); 問題解決; 思維模型

文章編號： 10056629（2020）08001807

中圖分類號： G633 8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 引言

1.1? 問題的提出

思維模型是個人憑借外部活動逐漸建立起來的、會隨著個人內(nèi)部思維過程的改變而不斷更新的基本的概念架構(gòu)、概念脈絡(luò)，是個人內(nèi)部思維過程本質(zhì)特征的總和或整體。它呈現(xiàn)了主體能動地反映客體的一種符號性技能，是一種特別的思維方式[1]。思維模型也是解決問題的一種方法，可以展現(xiàn)原型客體的某種本質(zhì)特性，解決學(xué)習(xí)過程中的一些類似問題[2]?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將“模型認(rèn)知”列為高中化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。課程目標(biāo)中提出： 能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思考框架[3]?？梢娝季S模型的建構(gòu)在高中化學(xué)的學(xué)習(xí)和問題解決過程中十分重要。

有機(jī)化學(xué)中的同分異構(gòu)體可以劃分為各種類別，包括構(gòu)造異構(gòu)體和立體異構(gòu)體[4]。本研究中的構(gòu)造異構(gòu)體指碳鏈異構(gòu)、位置異構(gòu)、官能團(tuán)異構(gòu)，它們在高中化學(xué)同分異構(gòu)體知識體系中處于核心位置，是高中化學(xué)教學(xué)的重點和難點，也是高考考查的熱點。有學(xué)者在研究中提到[5]，大部分高中生在概念上對構(gòu)造異構(gòu)體都有清晰明確的認(rèn)識，可是一旦遇到書寫構(gòu)造異構(gòu)體的問題時，就會處于思維混亂的狀態(tài)，表現(xiàn)為無序、重復(fù)、遺漏和錯誤書寫。或者是具有一定的思維模型，但是思維模型的建構(gòu)水平不高，不能順利地解決此類問題。

為問題解決建模適用于內(nèi)部思維復(fù)雜、但是思路清晰并且能夠用模型表達(dá)的有關(guān)問題[6]。構(gòu)造異構(gòu)相關(guān)問題就屬于這個范圍，適合并且需要建立思維模型。對于同一個構(gòu)造異構(gòu)問題的解決，不同高中生的思維模型有差異，其模型建構(gòu)的水平也有差異。促使高中生掌握此類問題解決的思維模型，并在學(xué)習(xí)過程中靈活運用思維模型解決問題是高中化學(xué)構(gòu)造異構(gòu)教學(xué)的重要任務(wù)。

查閱文獻(xiàn)可知，大多數(shù)文獻(xiàn)以同分異構(gòu)體的教學(xué)設(shè)計、教學(xué)方法和解題方法為研究重點，關(guān)于高中生解決此類問題的內(nèi)部思維和心理機(jī)制的研究并不多。有學(xué)者提出了構(gòu)造異構(gòu)問題解決的思維模型，但是僅僅將特有的思維模型作為解題的方法策略，并沒有深入針對高中生建構(gòu)的思維模型做過特征研究[7]。對高中生在解決不同構(gòu)造異構(gòu)問題時建立的不同思維模型進(jìn)行細(xì)致的刻畫，探討構(gòu)造異構(gòu)問題解決思維模型的應(yīng)用情況是極其重要的。為此，本研究通過探索高中生在構(gòu)造異構(gòu)問題解決時頭腦中建構(gòu)的思維模型及其特征，為促進(jìn)高中生構(gòu)造異構(gòu)問題解決能力發(fā)展提供參考。

1.2? 研究目標(biāo)

本研究期望通過測試卷測試，從高中生的回答中觀察其外顯表現(xiàn)進(jìn)而推測其內(nèi)隱思維，歸納刻畫出學(xué)生在構(gòu)造異構(gòu)問題解決時頭腦中建構(gòu)的不同思維模型，并從科學(xué)性、有序性[8]、縝密性、靈活性[9]等思維品質(zhì)的綜合表現(xiàn)進(jìn)行水平分析，揭示高中生在思維模型類別、思維模型水平方面的特征和差異，為高中生完善其思維模型、準(zhǔn)確高效地解決構(gòu)造異構(gòu)問題提供指導(dǎo)，為教師在教授構(gòu)造異構(gòu)相關(guān)知識時提供教學(xué)建議。

2? 測試卷的編制和相關(guān)說明

根據(jù)課標(biāo)和考綱對構(gòu)造異構(gòu)知識的要求，參考?xì)v年高考真題編制《高中生構(gòu)造異構(gòu)問題解決測試卷》。內(nèi)容覆蓋碳鏈異構(gòu)、位置異構(gòu)、官能團(tuán)異構(gòu)（包括烴類構(gòu)造異構(gòu)和烴類含氧衍生物構(gòu)造異構(gòu)）三個方面。測試卷初步完成后，征詢了兩名高中化學(xué)特級教師、一名高?；瘜W(xué)教育專家的意見，并進(jìn)行修改。測試卷細(xì)目如表1所示。

3? 研究實施

鑒于高中生對構(gòu)造異構(gòu)知識的學(xué)習(xí)和吸收具有階段性，是一個動態(tài)變化的過程。選取筆者實習(xí)所在高中的部分高二、高三年級學(xué)生作為被試。被試的化學(xué)學(xué)業(yè)水平為該市高中學(xué)生的平均水平。

本研究的測試以閉卷的方式進(jìn)行，答題時間為30分鐘。共發(fā)放測試卷149份，回收了149份，回收率100%。剔除空白、題目未作答完全或者不能辨認(rèn)年級性別等無效測試卷，得到有效測試卷142份，其中高二70份，高三72份;男生63份，女生79份。

4? 結(jié)果分析與討論

4.1? 基于測試結(jié)果對學(xué)生構(gòu)造異構(gòu)問題解決思維模型的歸納構(gòu)建

在書寫構(gòu)造異構(gòu)體時通常會用到一些方法和策略，比如順序規(guī)則、等效氫法、定一移二、基團(tuán)組合、基團(tuán)接入和基團(tuán)嵌入等。本研究主要參考這些方法和策略，對學(xué)生的回答進(jìn)行分析，刻畫出學(xué)生構(gòu)造異構(gòu)問題解決的思維模型。

高中生在構(gòu)造異構(gòu)問題解決時建構(gòu)的思維模型具體而言有差異，但很多思維模型的本質(zhì)是相同的，可以根據(jù)相同的本質(zhì)（即關(guān)鍵特征）分類歸納刻畫出有限類別的思維模型。

以刻畫問題1的思維模型1定一移二為例。絕大部分學(xué)生對問題1的解決都是按照主鏈碳原子數(shù)依次減少的思路進(jìn)行書寫，但在主鏈碳原子數(shù)為5、支鏈數(shù)為2的構(gòu)造異構(gòu)體書寫時有差別，表現(xiàn)為先固定其中一個支鏈的位置，再移動另外一個支鏈（定一移二）或者將兩個支鏈同時移動，同時取代在相同或者不同的碳原子上（基團(tuán)組合），可以分為兩種思維模型。

問題1的思維模型1定一移二的外顯表現(xiàn)如圖1所示，

根據(jù)學(xué)生的外顯表現(xiàn)推測其內(nèi)隱思維： 首先分析碳骨架，發(fā)現(xiàn)C7H16為碳鏈結(jié)構(gòu)。然后分析C7H16可能存在哪種類型的構(gòu)造異構(gòu)體，發(fā)現(xiàn)是碳鏈異構(gòu)。最后按照主鏈碳原子數(shù)依次減少的順序書寫構(gòu)造異構(gòu)體。在書寫主鏈碳原子數(shù)為5、支鏈數(shù)為2的構(gòu)造異構(gòu)體時先固定其中一個支鏈的位置，再移動另外一個支鏈。

圖1的外顯表現(xiàn)中有兩個關(guān)鍵特征，筆者將具有表2所示關(guān)鍵特征的思維模型歸納為問題1思維模型1定一移二，并刻畫如圖2所示的思維模型。

具體表現(xiàn)按照主鏈碳原子數(shù)依次減少的順序（7/6/5/4）書寫。主鏈碳原子數(shù)為7/6/5/4的構(gòu)造異構(gòu)體至少寫出2類，且必須包含主鏈碳原子數(shù)為5這一類。在書寫主鏈碳原子數(shù)為5、支鏈數(shù)為2的構(gòu)造異構(gòu)體時，先固定其中一個支鏈的位置，再移動另外一個支鏈。

按照上述方式，基于學(xué)生解決測試卷中4個問題的外顯表現(xiàn)歸納構(gòu)造出了有限的思維模型類別，如表3所示。將每個問題中具有和表3不同外在表現(xiàn)的思維模型歸納為思維模型0，并對每名學(xué)生的思維模型種類做了判斷編碼。

1思維模型1定一移二、思維模型2基團(tuán)組合

2思維模型1定一移二、

思維模型2基團(tuán)組合

3思維模型1碳鏈結(jié)構(gòu)基團(tuán)嵌入、

思維模型2碳鏈結(jié)構(gòu)基團(tuán)接入、思維模型3脂環(huán)結(jié)構(gòu)基團(tuán)接入

4思維模型1羧酸類/甲酸酯類接入羧基/酯基、

思維模型2羧酸類/甲酸酯類接入甲基、

思維模型3酯類（非甲酸酯）嵌入酯基、

思維模型4酯類（非甲酸酯）接入甲基

在歸納過程中得出建構(gòu)構(gòu)造異構(gòu)問題解決思維模型的一般思路： 分析碳骨架→分析構(gòu)造異構(gòu)類型→搭建主鏈/環(huán)（此處考慮順序規(guī)則： 碳鏈減碳法，碳環(huán)大到小或者小到大）→接入/嵌入官能團(tuán)（定一移二、基團(tuán)組合）→確定結(jié)構(gòu)簡式。

根據(jù)一般思路建構(gòu)構(gòu)造異構(gòu)問題解決的一般思維模型如圖3所示。

4.2? 基于測試結(jié)果對學(xué)生構(gòu)造異構(gòu)問題解決思維模型水平的區(qū)分

思維品質(zhì)包括思維的科學(xué)性、有序性、縝密性、靈活性等方面，綜合這四個維度對高中生在構(gòu)造異構(gòu)問題解決時建構(gòu)的思維模型水平進(jìn)行劃分，形成高中低三水平，如表4所示。

高思維模型很適合解決此問題。學(xué)生在解決問題時思維縝密，基本沒有重復(fù)和遺漏。嚴(yán)格按照思維模型中的順序進(jìn)行思考作答?；蛘邔W(xué)生在解決問題時某些步驟沒有嚴(yán)格按照筆者歸納的思維模型中的順序，或者跳過了某些步驟，但是整體上可以看出學(xué)生的思路與此模型相符，且問題得到非常好的解決。

中思維模型與問題解決匹配程度一般。學(xué)生在解決問題時思維縝密性一般，存在個別答案重復(fù)和遺漏。按照思維模型中的順序進(jìn)行思考作答。或者學(xué)生在解決問題時某些步驟沒有嚴(yán)格按照思維模型中的順序，或者跳過了某些步驟，但是整體上可以看出學(xué)生的思路與此模型相符，且問題得到較好的解決。

低思維模型不太適合問題解決。學(xué)生在解決問題時思維縝密性較差，存在較多答案重復(fù)和遺漏，思考作答順序無規(guī)律。

以表4作為基礎(chǔ)，對測試卷中4個問題涉及的11個思維模型作了詳細(xì)的思維模型水平劃分說明。將學(xué)生構(gòu)造異構(gòu)問題解決的思維模型水平高、中、低分別賦分3、 2、 1，并對每名學(xué)生每個問題的思維模型水平做了判斷編碼。由于在區(qū)分思維模型的建構(gòu)水平時，涉及了問題完成與否，準(zhǔn)確與否，那么思維模型水平就會與問題解決能力相對應(yīng)，即高水平的思維模型就意味著高能力。

4.3? 高中生構(gòu)造異構(gòu)問題解決4個方面的思維模型特征分析

將高中生構(gòu)造異構(gòu)問題解決4個方面的思維模型的類別所占比例、每類思維模型的運用水平進(jìn)行統(tǒng)計分析。由于不同學(xué)生運用同一類思維模型的水平不同，故在計算每類思維模型的水平時取所有學(xué)生的平均值，進(jìn)而對思維模型水平做了如表5所示的等級界定。

4.3.1? 碳鏈異構(gòu)

由表6可知，絕大多數(shù)學(xué)生在碳鏈異構(gòu)問題的解決上都能構(gòu)建出思維模型，可能原因是這種純粹考查碳鏈異構(gòu)的問題比較簡單，在構(gòu)建思維模型上不存在困難。構(gòu)建思維模型1的人數(shù)比例與思維模型2相差不大，思維模型1與思維模型2的模型水平都處于等級A，這兩類思維模型在此問題解決上沒有優(yōu)劣之分。

4.3.2? 位置異構(gòu)

由表7可知，絕大多數(shù)學(xué)生在位置異構(gòu)問題的解決上也都能構(gòu)建出思維模型，原因與碳鏈異構(gòu)相似構(gòu)建思維模型1的人數(shù)比例要遠(yuǎn)大于思維模型2，可能原因是定一移二的方法相較于基團(tuán)組合來說在位置異構(gòu)的問題解決上有序性更強(qiáng)，固定一個取代基再去移動另外一個取代基的方法比起同時移動兩個取代基更容易操作，更易被學(xué)生接受。但在模型水平上，思維模型1與思維模型2都處于等級B，原因一是學(xué)生對于書寫聯(lián)苯為母體的構(gòu)造異構(gòu)體比較陌生，相關(guān)經(jīng)驗積累較少;二是學(xué)生解決此問題時思維的縝密性較差，常出現(xiàn)重復(fù)和遺漏構(gòu)造異構(gòu)體的情況。

4.3.3? 烴類構(gòu)造異構(gòu)

由表8可知，絕大多數(shù)學(xué)生都能構(gòu)建出解決烴類構(gòu)造異構(gòu)部分1（碳鏈結(jié)構(gòu)）的思維模型。構(gòu)建思維模型1的人數(shù)比例要遠(yuǎn)大于思維模型2，可能原因是對于簡單官能團(tuán)是嵌入主鏈中的構(gòu)造異構(gòu)體，移動官能團(tuán)碳碳雙鍵（模型1）比移動甲基（模型2）的可操作性更強(qiáng)。該部分的兩類模型的水平等級均為A，原因是學(xué)生已經(jīng)具備碳鏈異構(gòu)與位置異構(gòu)的相關(guān)知識，此處新增的官能團(tuán)碳碳雙鍵對學(xué)生來說難度不算很大。

在烴類構(gòu)造異構(gòu)部分2（脂環(huán)結(jié)構(gòu)）的構(gòu)造異構(gòu)體書寫上，大約一半的學(xué)生未能構(gòu)建出思維模型。這部分學(xué)生忽視了脂環(huán)結(jié)構(gòu)的存在，說明學(xué)生在書寫構(gòu)造異構(gòu)體時，存在思維盲點，只想到了鏈烴的異構(gòu)體，忽略了環(huán)烴的可能性。且此部分的思維模型水平等級為B，因為考慮到學(xué)生的脂環(huán)結(jié)構(gòu)的思維模型是較混亂的，有序性和縝密性不強(qiáng)，導(dǎo)致問題未能得到很好的解決。

4.3.4? 烴類含氧衍生物構(gòu)造異構(gòu)

由表9可知，絕大多數(shù)學(xué)生都能構(gòu)建出解決烴類含氧衍生物構(gòu)造異構(gòu)部分1（羧酸類）的思維模型。在烴類含氧衍生物構(gòu)造異構(gòu)部分1（羧酸類）的思維模型類別上，構(gòu)建思維模型1和2的人數(shù)相差不大，兩類思維模型的水平都處于等級A。

在烴類含氧衍生物構(gòu)造異構(gòu)部分2（甲酸酯類）構(gòu)造異構(gòu)體的書寫上，一半多的學(xué)生未能構(gòu)建出思維模型。這部分學(xué)生忽略了甲酸酯類異構(gòu)體的存在，說明學(xué)生在官能團(tuán)異構(gòu)上存在思維盲點。構(gòu)建思維模型2的人數(shù)要多于思維模型1，模型1是先碳鏈異構(gòu)再接入甲酸酯基，模型2是先固定甲酸酯基的位置再改變碳鏈結(jié)構(gòu)，可能原因是對于甲酸酯基這種較復(fù)雜的官能團(tuán)，思維模型2的可操作性更強(qiáng)。兩類思維模型水平均處于等級A。

在烴類含氧衍生物構(gòu)造異構(gòu)部分3酯類（非甲酸酯）構(gòu)造異構(gòu)體的書寫上，約三分之一的學(xué)生未能構(gòu)建出思維模型。構(gòu)建思維模型3（嵌入酯基）和思維模型4（接入甲基）的人數(shù)相差不大。但思維模型3的水平處于等級B，思維模型4的水平處于等級A?？赡茉蚴菍τ趶?fù)雜官能團(tuán)是嵌入主鏈中的構(gòu)造異構(gòu)體，接入甲基（模型4）比移動官能團(tuán)酯基（模型3）的可操作性更強(qiáng)。

在此題上可以看到，羧酸類部分問題解決完成得最好，其次是酯類（非甲酸酯）部分，最后是甲酸酯類部分?？赡茉蚴囚然绕瘐セ膶W(xué)習(xí)時間要早，學(xué)生先入為主，在書寫構(gòu)造異構(gòu)體時落下羧酸類的情況很少。而甲酸酯基是酯基中最不常見也是最容易被忽視的點，所以此部分問題解決情況較差。

5? 總結(jié)與建議

5.1? 研究結(jié)論

本研究通過文獻(xiàn)研究法，為構(gòu)造異構(gòu)問題解決思維模型的研究奠定基礎(chǔ)。研究歸納總結(jié)了學(xué)生在構(gòu)造異構(gòu)4個問題上的思維模型，并根據(jù)建構(gòu)構(gòu)造異構(gòu)問題解決思維模型的一般思路總結(jié)出一般的思維模型。

對于較簡單的碳鏈異構(gòu)問題，思維模型沒有優(yōu)劣之分。在一般難度的位置異構(gòu)問題上，如果是書寫含兩個取代基的構(gòu)造異構(gòu)體，定一移二的思維模型比基團(tuán)組合更有效。構(gòu)造異構(gòu)問題如果在碳鏈異構(gòu)和位置異構(gòu)的基礎(chǔ)上又增加了官能團(tuán)異構(gòu)，那么問題難度會加大，能否進(jìn)行官能團(tuán)的相互轉(zhuǎn)化成為問題解決的關(guān)鍵。對于主鏈含簡單官能團(tuán)（如碳碳雙鍵）的構(gòu)造異構(gòu)問題，基團(tuán)嵌入的思維模型比基團(tuán)接入的可操作性更強(qiáng)。對于主鏈含復(fù)雜官能團(tuán)（如酯基）的構(gòu)造異構(gòu)問題，基團(tuán)接入的思維模型比基團(tuán)嵌入的可操作性更強(qiáng)。

5.2? 研究建議

（1） 引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)并幫助其完善構(gòu)造異構(gòu)問題解決的思維模型。

學(xué)生在解決構(gòu)造異構(gòu)問題時會自主建構(gòu)思維模型，但如果只是憑借自己的能力來建構(gòu)，那么得到的思維模型可能不適合問題解決，存在不夠簡潔、邏輯混亂等缺點。若在學(xué)生建構(gòu)思維模型時，教師引導(dǎo)并幫助其完善，可以使學(xué)生避免走彎路，并快速高效地建構(gòu)自己得心應(yīng)手的問題解決思維模型。

從構(gòu)造異構(gòu)問題解決的一般思維模型來看，在確定分子式后是分析碳骨架，碳鏈結(jié)構(gòu)和芳環(huán)結(jié)構(gòu)一般而言很容易判斷，但是脂環(huán)結(jié)構(gòu)最容易被忽視。構(gòu)造異構(gòu)問題解決的關(guān)鍵之一在于判斷碳骨架的類型，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建思維模型時要在此處多加強(qiáng)調(diào)，讓學(xué)生理解并記憶雙鍵與環(huán)的相互轉(zhuǎn)化。接下來是分析構(gòu)造異構(gòu)的類型，碳鏈異構(gòu)和位置異構(gòu)相對來說比較容易判斷，官能團(tuán)異構(gòu)難度會大一些。教師在引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建思維模型時要重點強(qiáng)調(diào)常見官能團(tuán)的相互轉(zhuǎn)化，比如羥基和醚鍵、羧基和酯基之間的轉(zhuǎn)化。然后是主鏈/環(huán)的搭建，此處強(qiáng)調(diào)順序規(guī)則的運用。然后是官能團(tuán)的接入或者嵌入，若是單個取代基可直接接入/嵌入，若是多取代基可使用定一移二或者基團(tuán)組合的方式。最后按照順序依次寫出構(gòu)造異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式。

教師可以在課堂上學(xué)生發(fā)言時，讓學(xué)生說出解決問題的思路，或者在課下與學(xué)生溝通，以便更多地了解學(xué)生在解決構(gòu)造異構(gòu)問題時所遇到的思維障礙。進(jìn)而幫助學(xué)生優(yōu)化思維過程，完善思維模型的建構(gòu)。

（2） 注重學(xué)生的思維發(fā)展規(guī)律，最優(yōu)化教學(xué)設(shè)計。

學(xué)生思維模型的建構(gòu)水平依賴于其思維品質(zhì)的發(fā)展。教師在開展構(gòu)造異構(gòu)知識的教學(xué)時，要注重學(xué)生的思維發(fā)展規(guī)律，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計。

有機(jī)物的結(jié)構(gòu)是學(xué)生看不見摸不著的，只能憑空想象，但高中生的抽象思維相對較弱，這樣就給教師的講解增加了一定的難度。如果僅僅憑教師的語言描述，學(xué)生很難直觀感受到構(gòu)造異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)，時常覺得枯燥無味。隨著思維的發(fā)展，高中生已具備了從微觀角度認(rèn)識物質(zhì)多樣性的能力。所以在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)充分利用先進(jìn)的化學(xué)軟件和豐富的教學(xué)資源，選擇一些直觀的動態(tài)模型或者動畫給學(xué)生展示。也可以在課堂上讓學(xué)生利用化學(xué)軟件繪制有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，體驗構(gòu)造異構(gòu)體的多樣性，掌握其互相轉(zhuǎn)化的規(guī)律。

在教學(xué)中注意方法的滲透，傳授學(xué)生在書寫構(gòu)造異構(gòu)體通常會用到的一些方法和策略并引導(dǎo)學(xué)生逐步應(yīng)用，比如順序規(guī)則、定一移二和基團(tuán)組合。使學(xué)生學(xué)會選擇科學(xué)的方法和策略去解決問題，按照一定的規(guī)律來書寫構(gòu)造異構(gòu)體，培養(yǎng)思維的有序性。讓學(xué)生在書寫時注意有沒有重復(fù)或者遺漏，培養(yǎng)思維的縝密性。使學(xué)生了解問題解決的方法和策略有很多，不必拘泥于某種方法，可以靈活運用，追求思維的靈活性。

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