基于社会网络分析法的高中生化学认知结构研究

摘要： 采用社会网络分析法测查高中生“物质的量”主题的认知结构，发现气体摩尔体积、物质的量浓度、阿伏伽德罗常数为核心节点，是展开深入学习的基础，“一定物质的量浓度溶液的配制”是学生突破学习瓶颈的关键。学困生在知识分类和存储时存在障碍，其转化可从摩尔质量、气体摩尔体积着手，落实基本概念；中等生提高应关注气体摩尔体积、阿伏伽德罗定律，重视证据推理能力。

关键词： 认知结构； 社会网络分析； 中心性； 结构洞； 物质的量

文章编号： 10056629（2023）10001707 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

认知结构是个体在固定知识范围内的全部观念和组织［1］，对认知结构的研究聚焦于“知识”和“知识的组织”［2］。学习实际上是不断扩大和完善个体认知结构的过程。不同学习能力的学生，对知识的理解程度和建构过程有差异。研究不同学习者的认知结构对诊断学习困难、实现以学定教具有指导意义。

1 研究背景和意义

研究者倾向于使用图形来表征认知结构，这种图形包括标有概念的“点”和连接点的“线”［3］。从最初的树状图发展为概念图，到后来广泛使用的流程图（Flow Map），认知结构的研究方法不断精细化。然而，以上方法着重表征个体数据，群体特征分析略有不足。由此，Yang［4］等人试图将社会网络分析法（Social Network Analysis，简称SNA）［5］运用于认知结构测查。

社会网络是由节点（社会行动者）和连线（代表行动者之间的关系）组成的整体，认知结构和社会网络具有一定的相似性。社会网络分析法在教育研究中的优势显著［6，7］：网络分析的重点不是独立的个体，而是内部的组织关系；网络分析的对象不是一个单独的样本，而是一个相互联系的整体；网络分析角度不止有定性分析，还有定量分析，如中心性、结构洞、块模型等。孙丹丹［8］、张燕清［9］等人应用社会网络分析法研究优等生群体的数学认知结构，发现良好的数学认知结构节点密集、联系紧密、结构洞少。

物质的量是高中化学计算的基础，中学化学由此进入定量研究的新阶段。已有研究指出“物质的量”“摩尔”“阿伏伽德罗常数”等概念“拗口难懂”，学生也普遍反映知识点抽象、难懂难记，大部分学生处于“部分理解”夹杂着“错误理解”的水平，在物质的量、气体摩尔体积和物质的量浓度上的迷思概念较多［10，11］。也从不同角度表明“概念认识相对割裂、知识网络不成体系”是该主题下学习困难产生的重要原因。研究者提出构建以“物质的量”为中心的概念模型，外显和强化核心概念之间的逻辑关系，加强结构化认识可有效应对以上学习问题［12］。已有“物质的量”学习困难测查主要以个体形式或整体形式展开，缺乏对不同学生群体的比较研究。

因此，本文采用社会网络分析法测查学生“物质的量”主题的认知结构，前期选择半结构化访谈收集数据，最大程度地减少认知结构表达过程中的干扰，以期从学生角度为实际教学提供参考。

2 研究方法

2.1 研究对象

选取陕西省某中学高一（1）班、高一（2）班学生为研究对象，该校为西安市民办普通高中，整体处于全市中等水平，所选班级为平行班，学生成绩属于校内中等层次。参照最近两次测试的平均成绩选出三组学生，每组15人，共45人，其中男生24人，女生21人，每组学生的平均成绩差值为20分左右。

2.2 社会网络分析

2.2.1 认知结构的引出

当学生完成“物质的量”学习内容之后的一周内进行半结构化访谈，提出三个不带有任何提示性和引导性的问题：（1）关于“物质的量”你能想到哪些知识点或概念？（2）你能否具体描述一下上述知识点？（3）你所描述的知识点或概念之间有什么联系？即时录音［13］。

2.2.2 认知结构的外显

将访谈得到的录音数据转化为文本，划分“节点”和“关系”。“节点”为知识点所涉及的名词或名词短语。依据层级语义网络模型，概念之间是有“关系”的，包括从属关系和相关关系等。

例如有描述文本：“物质的量的符号是n，单位是摩尔，与物质的量有关的公式有：n=N/NA、 n=m/M、 c=n/V”，则节点有：物质的量、符号n、单位摩尔、公式、n=N/NA、 n=m/M。学生由物质的量直接联系到符号n、单位摩尔、公式，由公式联系到n=N/NA、 n=m/M、 c=n/V，即“物质的量”和“符号n”关系记为“1”，“物质的量”和“单位摩尔”关系记为“1”，“物质的量”和“公式”关系记为“1”，“公式”和“n=N/NA”关系记为“1”，“公式”和“n=m/M”关系记为“1”，“公式”和“c=n/V”关系记为“1”。

“1”表示两个节点之间有关系，重复出现多次的“关系”不累计。此外，确定节点时专有名词、公式不拆分；要统一标准，表示同一意思的词语应划分为相同的节点，如标准状况、标况等描述应划分为“标准状况”节点；单位、符号等没有确定意义的名词不单独列出，与具体名称或字母连用，如单位摩尔、符号M。最终获得包含每位学生的“节点”及“关系”的一维数据表格。

然后，使用Power Query将一维数据对称化，转化为二维数据——关键词共现矩阵，矩阵中“行”和“列”内容一致，包含学生提到的所有节点，单元格中的数字代表两个词语之间的关系。上述数据处理流程如图1所示。

正式分析文本之前，从学优生、中等生、学困生中各随机选取一个访谈文本，由笔者和另外一名研究者进行背对背分析［14，15］。以学生X为例，两位研究者划分的节点数为65和60，相同的节点是60，则节点编码信度为（60+60）/（65+60）=0.96；分别以两位研究者所划分的节点构建关键词共现矩阵，产生的关系数为79和65，其中相同的关系为58，则关系编码信度为（58+58）/（79+61）=0.83。试测后，结合“物质的量”内容特点，商讨和补充更为详细的编码规则，节点编码信度和关系编码信度分别为0.92和0.84，较为符合研究需要。之后，由笔者统一对全部数据进行处理，获得45个样本的关键词共现矩阵，存储为Excel。

2.2.3 认知结构的表征

将每组学生的15个矩阵进行叠加汇总，得到学优生、中等生、学困生3个矩阵。依次将3个矩阵导入Ucinet6.0获得后缀为“.##d”“.##h”的两个文件，用Ucinet6.0打开“.##h”文件即可得到三个学生群体的中心性、结构洞、块模型数据。

（1） 中心性。

“点度中心性”指的是与某一节点有直接关系的其他节点的数目，点度中心性的值越大，说明该节点越处于中心地位。在社会网络中，该点具有较高的“权力”，在认知结构中，该点处于核心位置，属于重点知识。如图2所示，点B处于核心位置。

“中间中心性”指某一节点成为其他节点之间“桥梁”的次数。在社会网络中，中间中心性较高的点往往扮演着“中介”或“中间人”的角色。在认知结构中，这些节点连接了该主题下的核心概念与边缘概念，成为学生学习的瓶颈。换言之，如果教师在完成基础教学之后，对中间中心性较高的节点进行重点讲解，将有助于学生强化概念之间的联系，增强认知结构的稳固性。以图2所示的五节点网络关系图为例，点B成为“桥梁”共10次，中间中心性更高，见图3。

“接近中心性”描述了某节点与其他节点的接近程度，以两点间的距离来衡量，其值为路径长度的倒数。接近中心性值越小，接近程度越低，则该节点对其他节点的依赖程度越大。在社会网络中，该节点处于网络的边缘。在认知结构中，掌握该节点需要的知识储备越多。如图3，A、 B、 C、 D、 E点与其他各点的距离之和分别为8、 5、 6、 9、 8，说明点D距离其他各点更远。

（2） 结构洞。

结构洞［16］指的是两个节点之间的“非冗余关系”。在社会网络中，成为结构洞的节点，往往处于信息交流的把控地位。在认知结构中，对结构洞的有效掌握，有利于节点之间产生更丰富的联系，促进形成良好的认知结构。如图4所示，节点F、 D都和C有关，但两者没有直接关系，相当于有一个空洞，这两个节点产生联系必将通过节点C，则C为一个结构洞。点E和点A可以直接产生信息交流，对于B来讲，A与B的关系和E与B的关系则是冗余的，点B不能视为结构洞。

结构洞的数据结果有四个变量，有效规模（EffSize）、效率（Efficie）、限制度（Constra）和等级度（Hierarc），其中，限制度最为重要，某节点限制度越低，所具有的结构洞越多，越处于控制地位。

（3） 块模型。

块模型将初始矩阵中的各点，经过聚类分析算法重排节点，形成结构上对等的像矩阵。简言之，就是将各个节点集中到更大的点集之中，分析认知网络的内在结构。分析块模型可得不同学生群体对知识点的处理方式和归类模式。

3 结果与讨论

3.1 中心性

分析三组学生认知结构中各节点的中心性，点度中心性和中间中心性的值越大，节点特征越明显，而接近中心性值越小，节点特征越明显。现选取具有代表性的前6组结果进行分析，希望获得更为典型的结论。

3.1.1 点度中心性

点度中心性较高的节点如表1所示。三组学生构建的以“物质的量”为中心的知识体系包括气体摩尔体积、物质的量浓度、阿伏伽德罗常数等节点，说明以上节点是学生整体认为的核心概念，当然此结果与授课教师的强调密不可分。

从A组到C组，气体摩尔体积的点度中心性在下降，说明不同程度的学生对气体摩尔体积的认知差异明显。学优生能够联系到气体摩尔体积的取值、单位、适用对象、影响因素等，如：“气体摩尔体积在标准状况下数值为22.4L/mol”；“气体摩尔体积对象必须是气体”；“气体摩尔体积单位是L/mol”；“气体摩尔体积是22.4L/mol的状态不一定是标准状态，可能是温度升高、气压变化，也可能是气压升高、温度变化”，个别学优生由此展开对阿伏伽德罗定律的讨论。而学困生中有9人能联系到n=V/Vm，仅4人谈到“取值”，2人提到“适用对象”。

教师应重视这一差异，改变教学策略促进该知识点的“落地生根”。如先利用温度传感器、压强传感器探究阿伏伽德罗定律，结合数学函数图像理解理想气体状态方程，进而推理出气体摩尔体积，给知识以真实的发生过程，形成对气体摩尔体积的系统认识。

值得关注的是，A、 B组同时将“摩尔质量”节点放在核心位置，从该节点能够联系到摩尔质量的定义、单位、数值、平均摩尔质量、十字交叉法等。C组学生并未回忆起相关内容。学困生的转化可从摩尔质量入手，如设计概念辨析环节，梳理易混淆物理量；围绕“摩尔质量的计算方法”开展主题研讨等。A组学生出现了“溶液配制”节点，说明学优生更加关注知识的实践，中等生提高可从“一定物质的量浓度溶液的配制”着手。

3.1.2 中间中心性

中间中心性较高的节点见表2。三组学生共同的节点为：定容、称量，其他节点如容量瓶、溶解、洗涤，也与溶液配制相关。说明溶液配制是学生认知结构中的重要桥梁，学生通过该节点能够联系到实验仪器、基本操作、误差分析，以及溶液稀释和混合。强化溶液配制内容能加强认知结构的稳固性，印证了“实验是化学的最高法庭”，实验教学不可省略更不可取代。

A组出现“物质的量”节点，B、 C组未出现，反映出学优生的知识结构更加紧密。A组有pV=nRT节点，说明学优生对阿伏伽德罗定律掌握到位。这恰恰说明A组学生“气体摩尔体积”的点度中心性高于另外两组的原因之一，是与阿伏伽德罗定律建立的联系。因此，中等生提高可关注阿伏伽德罗定律。

特别的是，C组学生出现了“摩尔质量”节点，结合访谈文本发现有学生认为摩尔质量分为气体摩尔质量、液体摩尔质量和固体摩尔质量，其混淆了气体摩尔体积和摩尔质量这两个物理量，基础知识不牢固，认知结构的可辨别性差。应加强学困生对“摩尔质量”和“气体摩尔体积”等概念的辨析，这与前文研究结果一致。