在有机化学课程中应用系统综合题提高和评估学生的系统思维能力
TAMARA N. HRIN*#, DUScaron;ICA D. MILENKOVIĆ#, MIRJANA D. SEGEDINAC#
and SAScaron;A HORVAT
Faculty of Sciences, University of Novi Sad, Trg D. Obradovića 3, 21000 Novi Sad, Serbia
(Received 11 August, revised 28 September, accepted 27October2016)
摘要：
科学教育领域的许多研究都强调，系统思维是一种非常重要的高级思维技能，应该在课堂上加以培养。然而，更多的是关注评估系统思维技能的不同方法，而不是关注它们的增强。考虑到这一点，本研究的目的不仅是验证中学生的系统思维能力，而且帮助学生在复杂的发展过程。为此，我们构建了新的教学和评估工具——系统综合问题[SSynQs]，并在有机化学课上进行了一个实验(E)和一个对照(C)组的实验。即E组和C组的教学方法相同，但所选有机化学内容的修改方法不同。结果表明，采用新教学方法(E组)的学生在三种不同类型的系统思维中的表现得分均高于采用传统教学方法的C组学生。组间最大的差异是在系统思维结构的最复杂维度——程序系统思维的第二级。在此同时，还观察了结构系统思维和程序系统思维的I级。
关键词：评估工具；教学工具；中学化学教育；系统方法；高阶思维。
介绍：
在科学教育文献中，培养学生高阶思维技能（HOTS）、1-3或高阶认知技能（HOCS）4,5的中心目标已被广泛接受。尽管提供确切定义是一个挑战。对于高阶思维技能，Resnick6指出了它们的非算法性、多样性和复杂性。根据这个符号，HOT应该包括各种不同的技能。因此，这些技能包括问题解决、5,7决策、3,5,7批判性思维、5,7提出复杂问题的能力、1,3,7生成论证和系统思维的能力。3,7
在我们看来，索尔兹伯里提出了系统思维的一个非常详细的定义。8本文作者将系统思维定义为思考系统中存在的所有概念和关系的能力，以便有效地构建这些关系。此外，Evagorou等人9简化了这个定义，将系统思维描述为个体理解和解释复杂系统的能力。此外，系统可以被视为一个实体，通过各部分之间的相互作用而存在和发挥作用。10系统一词非常广泛，出现在几个领域：社会系统、技术系统和自然系统。近年来，人们已经认识到，我们周围的许多现象都是复杂自然系统的例子（例如，生态系统、水循环、新陈代谢、混合物、有机化合物等）。因此，对复杂系统的理解和系统思维在科学教育中受到越来越多的关注。然而，当研究人员认识到学生对复杂系统的理解有限时，真正的问题就出现了。12为了解决这个问题，Gulyaev和Stonyer13提议建立一个综合课程，并开发一种基于地图模型的教学方法。然而，应该提到的是，科学教育文献只提供了一些关于学生如何成为优秀系统思考者的实证研究，9以及如何通过教学提高系统思维技能。在这个目标中，经常使用计算机模拟。关于小学生，Evagorou等人9研究了模拟对学生在一个科学（生物学）主题中的系统思维技能的影响，即沼泽的生态系统。此外，在中学生物课程中，同样的教学方法在培养学生的系统思维能力方面是有效的，但只有结合可持续发展教育（ESD）背景下的具体课程。14除了模拟，一个专门设计的电脑游戏似乎在生物课上也是有效的。15此外，阿萨拉夫和猎户座10在地球科学课上提出了一种略微不同的方法来提高学生的系统思维能力。这些作者认为有必要将传统的课堂环境转变为专门设计的课堂——一个基于多学科的学习项目。这些课程应包括知识整合活动，以及户外学习活动。
根据前面提到的研究，系统思维是学生应该发展的一个非常重要的热点，9,16但也很难衡量。16 Brandstauml;dter等人17表示，除了视频分析之外，评估学生系统思维能力最广泛使用的工具是问卷调查和访谈。这份声明证实了阿萨拉夫和猎户座的一项研究，他们使用了几种不同的定性和定量研究工具以及问卷和访谈。例如，通过分析学生的图画和单词联想，这两位作者得出结论，学生对水循环有不完整的理解，以及许多误解。另一方面，通过观察概念图测试前后分析的结果，Assaraf和Orion10注意到学生识别概念之间关系的能力有所提高。Brandstauml;dter等人17在一篇论文中报告了类似的结果，他们认为计算机和纸笔概念图是分析学生系统思维的适当工具。然而，这些作者向前迈出了一步，观察了系统思维的二维方式——结构和程序系统思维。第一个维度，即结构系统思维，指的是分析系统的基本结构——相关概念及其关系。另一方面，第二维度或程序系统思维指的是对系统元素和子系统中发生的动态和循环过程的理解。17 Dauer等人18观察到了这项研究的重要性，他们将boxand arrow（类似于概念图）作为生物课程的教学和评估工具。尽管这项研究的结果表明学生提高了他们的结构系统思维能力，但作者并没有检查学生的程序系统思维能力。
最新的论文之一是Vachliotis等人19发表的，他研究了中学生在有机化学领域的系统思维能力。为此，作者构建并评估了填空系统评估问题（SAQ）。SAQ由Fahmy和Lagowski20引入，21比它们的前身——系统图——晚了几年。22,23系统图和SAQ在教学和学习化学系统方法（SATLC）中起着核心作用，是基本的教学或评估工具。根据Vachliotis等人的说法，24系统图和SAQ属于更广泛的概念图技术。然而Novak等人25强调层次结构是概念图的主要特征，系统图和SAQ在其结构中不具有概念的层次结构。24相反，系统图和SAQ呈现封闭的概念结构，21其中概念之间的所有关系都向学习者明确。23也就是说，强调新概念和之前获得的概念之间的循环相互关系，系统图和SAQ可以为学生提供比概念图更多的信息。
然而，系统图和SAQ之间的主要区别应该提到。一方面，系统图代表特定教学单元内的所有相关概念，因此包含大量概念。另一方面，与系统图相比，SAQ包含的概念数量较少，因为它们旨在在学生熟悉特定教学主题后有效评估有意义的理解和系统思维。26,27如前所述，在SAQs中，所有概念都是直接或间接相关的，形成一个封闭的结构，21可以遵循各种几何形状。Fahmy和Lagowski20提出了三角形、四边形、五边形和六边形SAQ，具体取决于结构中包含的概念数量。图1给出了五边形SAQ的一个常见形式的示例，其中包含五个概念。面板A-E代表选定的概念集合（如化合物），而x、y、z、q和w则强调概念之间的关系（如试剂、光、催化剂、温度、压力）。
图 1. 五角形SAQ的常见形式
除了几何形状外，SAQ还可以根据其类型来区分。Fahmy和Lagowski20,21提出了各种类型的SAQ，即系统选择题（SMCQ）、系统真/假问题（STFQ）、系统测序问题（SSQ）、系统匹配问题（SMQ）、系统综合问题（SSYNQ）和系统分析问题（SANQ）。在本研究中，SSynQs作为系统思维文献中新的教学和评估 工具。然而，对原始版本进行了一些修改。在Fahmy和Lagowski21版SSynQs中，所有概念都是在特定任务的陈述中提出的，学生应该通过将这些概念放在正确的字段中来绘制（构建）一个图表。也就是说，他们需要确定概念之间的正确关系。另一方面，本文提出的SSYNQ的设计要求通过观察新概念之间定义的关系来识别或识别新概念。此后，学生们将面临未填充或部分填充的SSYNQ（最初的概念已呈现），以填充缺失的概念。
需要注意的是，Vachliotis等人曾将填空SAQ描述为评估学生对有机化学概念的有意义和概念性理解的有效和可靠的工具。19,24在最新的论文中，这些作者19在研究中包括了一个额外的变量，即学生的系统思维能力。据我们所知，这是唯一的在化学教育过程中考虑学生系统思维能力的研究。然而，这项研究19只考虑了对学生系统思维技能的评估，目前尚不清楚如何在课堂上提升这些技能。
方法论
研究目的：
本研究的主要目的是考察SSYNQ对中学生学习成绩的影响。通过对实验组和对照组学生在有机化学领域的系统思维能力进行评估，可以观察到这些学习成果。从确定的研究目标来看，出现了两个研究问题：
1.哪些测试题（常规和/或SSYNQ）可以有效评估中学生的结构和程序系统思维能力？
2.哪种类型的教学方法（传统方法或应用SSYNQ的系统方法）可以更有效地提高学生的结构和程序系统思维技能？
研究样本：
研究样本包括119名能力和社会经济地位混合的高中生（61名男性和58名女性；四个班级）。该实验在2012/2013学年的第二学期进行，主要针对三年级的学生（英美教育体系中的11年级；17-18岁），他们在塞尔维亚一个城市地区的一所高中参加了同样的学习课程：科学和数学。该研究的参与者还包括两名化学教师，他们拥有化学教学硕士学位，并具有与中学生类似的工作经验（10年化学教学经验）。每个老师教两节课。为了达到本研究的目的，我们进行了一个准实验研究设计，包括非随机分配到两个平行组，一个实验(E)和一个对照(C)。需要澄清的是，E组和C组的教学方法在处理新的有机化学内容的时候是相同的，但在复习 类上却不同。即E组学生采用SSynQs治疗，C组采用与E组相同的传统材料教学方法，但没有接受任何系统方法的培训。
在科学教育文献中的许多研究中，都涉及到这种只有后测的研究设计。26-29根据前一学年（第一和第二学年）的平均化学成绩，学生被分配到不同的教学条件下。在5分分级系统中，E组的平均化学等级为4.38(SD=0.63)，C组为4.42(SD=0.70)。选择基于平均成绩而 不是初始测试的组均衡化，以避免霍托恩效应。30,31由于收集的数据不是正态分布 (Shapiro-Wilk检验：E组：W=0.83，p==0.000；C组：W=0.79，p=0.000)，因此采用非参数 Mann-Whitney检验比较E组和C组的中位数。结果显示，研究前E组(平均秩、Mr=58.77、秩和 、SR=3820.00)与C组(Mr=61.48、SR=3320.00)之间差异无统计学意义；U=1675.00的p值大于 0.05(p=0.653)。因此，形成的E组有65名学生，而C组有54名学生。
研究背景：
首先，需要指出的是，在本研究之前，我们对两组(一名E组和一名C组)和一名教师进 行了试点研究。试点研究的设计与本研究相似，并在2012/2013学年的第一学期进行，参与 者样本较少（两个班），他们遵循有机化学课程：“碳氢化合物及其卤素衍生物”。试点研究的主要目的是初步调查SSynQs作为评估和教学工具的效率，检查学生的表现，因为他们的 有意义的学习，26以及可感知到的精神努力。27
在本研究中（2012/2013学年第二学期），学生们学习了有机化学课程：“含氧有机化合物”。本实验选择了一个教学主题“羧酸及其衍生物”作为实验材料，在五个学校班级（一个班级持续45分钟）进行加工。根据理工科普通高中三年级课程规定和推荐教材，对以下内容进行了处理：1）羧酸的一般性质，2）羧酸的分类，3）羧酸的制备及其物理性质，4）羧酸的化学性质和5）羧酸的功能和应用。实验阶段的主要目标是让学生熟悉上述教学单元的基本特征。也就是说，信息的传递和学生知识的积累是通过教师的讲座、讨论部分和实验室工作（传统教学方法）实现的。在这段时间里，依赖于推荐的教科书和课程材料，所有学生都受到了同样的对待，依赖于推荐的教科书和课程材料。
完成这一阶段后，学生被分为E组（两个班）和C组（两个班）。因此，E组的学生由一位化学老师教授，而C组的学生由另一位化学老师思考。两个E组班都选择了一名教师，原因有几个。首先，被选中的教师已经参与了之前的研究，因此在系统方法方面有经验。也就是说，老师熟悉有机化学系统方法的基本特征。除此之外，Ouml;zmen等人32认识到教师可能存在“实验者偏见”，这可以解释为教师可能
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