白潔+閆春更+寇向博+周青

摘要：采用流程圖法探測高中生有關(guān)“沉淀溶解平衡”的認知結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，學生的紙筆測驗成績與其認知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、信息檢索率分別顯著相關(guān)；學習成績較高的學生認知結(jié)構(gòu)的完備性好、延伸性強、系統(tǒng)性強、抽象概括水平高；學生“沉淀溶解平衡”認知的主要錯誤集中體現(xiàn)在“平衡影響因素”及“沉淀溶解平衡常數(shù)”方面，最后給出了相應(yīng)的教學建議。

關(guān)鍵詞：沉淀溶解平衡；認知結(jié)構(gòu)；學習困難；流程圖法；教學建議

文章編號：1008-0546（2016）10-0002-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.10.001

一、提出問題

“沉淀溶解平衡”是人教版選修4《化學反應(yīng)原理》第三章“水溶液中的離子平衡”第四節(jié)的內(nèi)容。此前，學生已經(jīng)學習了溶解度、化學平衡等知識，學習了從化學平衡的角度去分析弱電解質(zhì)的電離、水的電離、溶液的酸堿性及鹽類的水解等現(xiàn)象。由于沉淀溶解平衡知識在實際生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究中的應(yīng)用十分廣泛，加之沉淀溶解平衡知識本身涉及的知識儲備較多，導致這一內(nèi)容成為高中化學教學的重難點之一。

目前關(guān)于“沉淀溶解平衡”的教學研究主要集中在教學設(shè)計與反思、教學策略研究、知識分析與習題解答等方面，而對學生具體學習結(jié)果與困難的研究較少。劉瑞東在《高中生化學平衡迷思概念的調(diào)查研究》中對沉淀溶解平衡的迷思概念進行測查，得出學生的迷思概念集中于：學生單純地認定只要是加入固體就不影響平衡系統(tǒng)內(nèi)各溶質(zhì)的濃度；難溶性鹽類易電離或是以為鹽類皆可溶；加入溶劑不影響平衡；以鹽類中所含金屬的活動性大小判斷平衡移動的方向等[1]。許凱旋在其碩士論文中對沉淀溶解平衡的迷思概念以及來源進行分析，并給出相應(yīng)的教學建議[2]。這些研究能夠在一定程度上反映學生關(guān)于“沉淀溶解平衡”學習的真實情況，但大多是對學生認知的片段式、零碎化的反映，未能對學生的學習結(jié)果進行系統(tǒng)地表征和呈現(xiàn)，未能探查有關(guān)具體內(nèi)容的認知結(jié)構(gòu)結(jié)果與學生紙筆測驗成績之間的關(guān)系。因此，本研究針對學生有關(guān)“沉淀溶解平衡”的認知結(jié)構(gòu)進行了測查，呈現(xiàn)了學生相關(guān)認知的圖形化整體表征結(jié)果，比較了學生認知結(jié)構(gòu)及其與紙筆測驗成績之間的關(guān)系，分析了學生存在的學習困難，并給出了針對性的教學建議。

二、研究對象與方法

1. 研究對象

本研究選取西安市某中學高三30名學生進行訪談錄音及紙筆測驗（在高三一輪復習結(jié)束一周后實施訪談錄音）。測驗涉及的學科知識內(nèi)容為人教版高中化學選修4《化學反應(yīng)原理》中的“沉淀溶解平衡”。

2. 研究方法

本研究采取流程圖法[3-5]測查學生相關(guān)認知結(jié)構(gòu)，其基本步驟如下。

第一步，訪談錄音。提出不含任何提示性語言的三個問題：①關(guān)于沉淀溶解平衡你認為有哪些重要的知識點或重要概念？②你對以上所說的知識點或概念能不能描述更詳細（具體）一些？③你能告訴我以上所說的知識點之間有什么聯(lián)系嗎？對學生的回答過程進行錄音。

第二步，轉(zhuǎn)錄并繪制流程圖。將學生的訪談錄音轉(zhuǎn)化成文字形式，并用順序箭頭和回歸箭頭分別表明其中的概念呈現(xiàn)順序和概念重現(xiàn)關(guān)系（見圖1）。例如，在學生1的流程圖中，敘述5提及“沉淀溶解平衡的特征包括：逆、等、動、定、變”，敘述6、7、8、9分別對上述“逆”“等”“定”“變”進行了說明，即出現(xiàn)了“逆”“等”“定”“變”等信息的重現(xiàn)，因此有4個由敘述6、7、8、9指向敘述5的回歸箭頭。

第三步，基于流程圖的變量統(tǒng)計和內(nèi)容分析。變量統(tǒng)計涉及認知結(jié)構(gòu)的五個核心變量即廣度、豐富度、整合度、信息檢索率、錯誤描述，內(nèi)容分析主要從質(zhì)性評價的角度對學生的認知結(jié)構(gòu)進行評價。

三、結(jié)果與討論

1. 個體認知結(jié)構(gòu)差異分析

根據(jù)流程圖計算認知結(jié)構(gòu)變量的方法如下：①廣度：用流程圖中的知識點數(shù)目表示，即學生1、2、3認知結(jié)構(gòu)廣度依次為20、12、4。②豐富度：以流程圖中回歸箭頭的總數(shù)來表示，如學生1認知結(jié)構(gòu)的豐富度為17。③整合度：用[豐富度/（廣度+豐富度）]的值來表示，如學生1認知結(jié)構(gòu)的整合度為17/（17+20）=0.46。④錯誤數(shù)：出現(xiàn)錯誤敘述的知識點總數(shù)，如學生1認知結(jié)構(gòu)的錯誤數(shù)為2。⑤信息檢索率：表示被試回憶知識時的效率，用（廣度/時間）的值表示。如學生1認知結(jié)構(gòu)的信息檢索率為20/191=0.104。

表1展示了3名學生“沉淀溶解平衡”認知結(jié)構(gòu)變量的統(tǒng)計結(jié)果。

由表1可見，學生1“沉淀溶解平衡”認知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、整合度、信息檢索率均明顯優(yōu)于學生2、3，說明學生1“沉淀溶解平衡”的相關(guān)知識最為完備，知識間的聯(lián)系豐富、整合度高，具有更高的信息檢索效率即其認知結(jié)構(gòu)的可利用性更強。

結(jié)合圖1內(nèi)容可見，學生1的認知遵循了（括號內(nèi)為所包含的知識點數(shù)目）：沉淀溶解平衡的概念的內(nèi)涵與外延（4）、基本特征（5）、影響因素（3）、平衡常數(shù)（6）、應(yīng)用（2）的邏輯順序，條理分明且覆蓋知識點最為全面。學生1首先描述了對沉淀溶解平衡的輪廓性認識，即研究對象為難溶電解質(zhì)，溶解度小，飽和狀態(tài)，屬于化學平衡等，這些輪廓性認識是學生建立清晰、穩(wěn)固的“沉淀溶解平衡”認知結(jié)構(gòu)的重要著力點，有助于學生將新舊概念相聯(lián)系，通過清晰的邏輯關(guān)系與有意義的聯(lián)系實現(xiàn)新知識結(jié)構(gòu)的“自然生長”，也有利于學生完善或拓展對飽和溶液、化學平衡等知識的原有認知。學生1的認知結(jié)構(gòu)中遺憾地出現(xiàn)了兩條錯誤敘述，分別是對Ksp和Q的定義表述，均忽略了相關(guān)離子的系數(shù)。

學生2按照沉淀溶解平衡的概念內(nèi)涵（2）、基本特征（1）、平衡常數(shù)（2）、影響因素（5）、應(yīng)用（2）等順序進行了表述，覆蓋知識點較為全面但存在局部缺陷。與學生1相比，學生2認知結(jié)構(gòu)并不存在明顯的結(jié)構(gòu)性缺陷，但存在認知結(jié)構(gòu)的平衡性失調(diào)現(xiàn)象，即更多關(guān)注了沉淀溶解平衡的具體影響因素，較為忽視對概念內(nèi)涵、平衡特征和平衡常數(shù)的認知。另外，同樣是對于沉淀溶解平衡影響因素的認知，學生2更多地基于具體案例進行說明（如敘述7、8），相比之下，學生1的相關(guān)認知的抽象概括水平較高（如敘述11、12）。

學生3主要從沉淀溶解平衡的平衡常數(shù)（1）、影響因素（3）兩方面進行表述，其認知存在較為明顯的結(jié)構(gòu)性缺陷，即對沉淀溶解平衡的概念內(nèi)涵、基本特征、應(yīng)用等內(nèi)容沒有明確的建構(gòu)。與學生2相似，學生3對沉淀溶解平衡影響因素的敘述也對案例或情境的依賴性較強即抽象性水平略低，如敘述3“加水，平衡正向移動”其實是濃度因素的具體化體現(xiàn)，敘述4“絕大多數(shù)沉淀溶解為吸熱過程，升溫，平衡正向移動”同樣關(guān)注了“大多數(shù)情況”“升溫”這一情境或案例的具體結(jié)果。

從學生1、2、3認知結(jié)構(gòu)的質(zhì)性比較可見，學習成績較高的學生（學生1）認知結(jié)構(gòu)的完備性好、延伸性強、系統(tǒng)性強、抽象概括水平高；學習成績中等的學生（學生2）認知結(jié)構(gòu)的完備性較好、平衡性欠佳、抽象水平不高，存在局部認知缺陷；學習成績較低的學生（學生3）認知結(jié)構(gòu)的完備性差，較多的認識缺陷可能是導致其成績低下的內(nèi)在原因。

2. 認知結(jié)構(gòu)變量和學業(yè)成績的相關(guān)性分析

表2是用SPSS20.0軟件處理的學生認知結(jié)構(gòu)變量與學業(yè)成績的相關(guān)性統(tǒng)計結(jié)果。

由表2可見，學生的學習成績與其“沉淀溶解平衡”認知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、信息檢索率等變量分別顯著相關(guān)。這說明具有高學業(yè)水平的學生對相應(yīng)知識的掌握越完整、知識點之間的聯(lián)系越多，從而越容易提取相關(guān)知識。結(jié)合圖1中三名學生認知結(jié)構(gòu)的質(zhì)性比較可見，學生1認知結(jié)構(gòu)中知識點數(shù)目多且聯(lián)系緊密，其信息檢索率明顯高于學生2、3的主要原因在于其認知的條理性和清晰性更強。較高的信息檢索率也是其認知結(jié)構(gòu)可利用性的保證，即檢索率越高的學生在問題解決中對相關(guān)知識的提取會更加有效，問題解決效果更好，成績也更為突出。

學生認知結(jié)構(gòu)的廣度分別與豐富度、整合度、信息檢索率等顯著相關(guān)，導致這一結(jié)果的原因可能是由“沉淀溶解平衡”內(nèi)容本身的特征決定的?！捌胶馓卣鳌薄捌胶獾挠绊懸蛩亍钡染忻鞔_的“團化”現(xiàn)象：即學生一旦能回憶起平衡的基本特征有“逆”“等”“動”“定”“變”，往往能進一步引出每個具體特征的表現(xiàn)；學生一旦能回憶起平衡的影響因素有溫度、濃度，也往往會分別就溫度、濃度因素進一步說明。上述知識點間的內(nèi)在聯(lián)系成為學生在回憶該領(lǐng)域知識時有效的“信息提取線索”，增強了其認知結(jié)構(gòu)的可利用性。

3. “沉淀溶解平衡”認知結(jié)構(gòu)的內(nèi)容分析

對30名學生關(guān)于沉淀溶解平衡的認知結(jié)構(gòu)流程圖中的知識敘述進行歸納，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

沉淀溶解平衡的特征：有56.67%的學生認知涉及沉淀溶解平衡的特征，總體比例不是很高。談到“逆”這一特征的學生最多，其百分比為36.67%，但也有少數(shù)學生認為沉淀溶解平衡時不再有沉淀生成?？梢?，部分學生在對沉淀溶解平衡特征的認知中，不能很好地將宏觀結(jié)果（靜態(tài)的沉淀量）與微觀本質(zhì)（動態(tài)的沉淀溶解與沉淀生成的平衡）區(qū)分開來。

沉淀溶解平衡的影響因素：有86.67%的學生敘述內(nèi)容涉及沉淀溶解平衡的影響因素，總體比例最高，說明學生對該類知識內(nèi)容掌握豐富。其中提到溫度、濃度影響因素的學生分別占70.00%、50.00%，但談到溫度、濃度對平衡的具體影響的學生較少，僅分別占43.34%、26.67%，且錯誤描述所占比例較大，而且部分學生談到了壓強和催化劑。其原因可能是學生將化學平衡的影響因素機械地遷移到沉淀溶解平衡的認知中，只注意到二者的共性而忽視了沉淀溶解平衡的特殊性；部分學生將平衡的影響因素與速率的影響因素混淆。在談到溫度對平衡的影響因素時不少學生默認了沉淀溶解為吸熱的過程而得出“溫度升高，平衡右移”的錯誤推論，只有少數(shù)學生能覺察到這一推論中隱含的邏輯錯誤，選擇了諸如“溫度升高，平衡向吸熱方向移動”等概括性強而正確的表述方式。綜上可見，學生對沉淀溶解平衡影響因素的認知受一般化學平衡知識的影響較大，且對沉淀溶解平衡的特殊性認識不足，學生傾向于記憶一些結(jié)論明確的知識點，但往往忽視了這些結(jié)論成立的條件（特定的情境）。

沉淀溶解平衡常數(shù)Ksp及相關(guān)知識：沉淀溶解平衡常數(shù)為Ksp，該模塊教學要求學生掌握Ksp的計算與應(yīng)用。從表3可知，有83.33%的學生敘述內(nèi)容涉及沉淀溶解平衡常數(shù)Ksp及其相關(guān)知識，總體比例很高，但談到Ksp計算的學生只占36.67%。有10.00%的學生認為“Ksp越大，沉淀的溶解度越大”，這說明學生對溶解度、溶度積常數(shù)概念間的關(guān)系不夠清楚。

沉淀溶解平衡的應(yīng)用：只有46.67%的學生敘述內(nèi)容涉及沉淀溶解平衡的應(yīng)用，總體比例較低。其中20.00%的學生敘述內(nèi)容涉及沉淀的轉(zhuǎn)化，16.67%的學生敘述內(nèi)容涉及沉淀溶解平衡的其他應(yīng)用，只有個別學生能聯(lián)系生活實際，舉例說明沉淀溶解平衡在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用。這說明很少有學生能夠?qū)⒅R與具體生活情境相聯(lián)系，側(cè)面反映了學生對知識的綜合應(yīng)用能力較差，這就要求教師在教學過程中應(yīng)加強化學與生活的聯(lián)系。

四、結(jié)論與建議

本研究通過對學生“沉淀溶解平衡”認知結(jié)構(gòu)的測查，得出以下結(jié)論：①學生的紙筆測驗成績與其“沉淀溶解平衡”認知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、信息檢索率分別顯著相關(guān)。②學習成績較高的學生認知結(jié)構(gòu)的完備性好、延伸性強、系統(tǒng)性強、抽象概括水平高；學習成績中等的學生認知結(jié)構(gòu)的完備性較好、 平衡性欠佳、抽象水平不高，存在局部認知缺陷；學習成績較低的學生認知結(jié)構(gòu)的完備性差，較多的認識缺陷是導致其成績低下的內(nèi)在原因。③學生“沉淀溶解平衡”認知的主要錯誤集中體現(xiàn)在“平衡影響因素”及“沉淀溶解平衡常數(shù)”方面。其原因主要有兩方面：學生將一般化學平衡知識機械地遷移于“沉淀溶解平衡”學習中；學生傾向于記憶有情境背景的案例式結(jié)論性知識，但往往忽略這些知識其成立的條件。據(jù)此，提出以下若干教學建議。

（1）合理發(fā)揮前概念（或已有認知）的積極作用，盡量消除其不利影響。沉淀溶解平衡教學中，可以充分利用學生已有認知中“溶解度”“飽和溶液”“化學平衡”等概念，建立清晰而豐富的新舊概念間聯(lián)系，準確把握沉淀溶解平衡的內(nèi)涵與外延。同時，可采取多種策略強化學生對沉淀溶解平衡的特殊性認識，避免由一般化學平衡知識到沉淀溶解平衡知識的負遷移。

（2）積極創(chuàng)設(shè)教學情境的同時，重視提升學生認知建構(gòu)的抽象性水平。積極有效的情境創(chuàng)設(shè)顯然有助于學生對抽象知識的學習，但教學不僅應(yīng)重視“抽象知識情境化”，更應(yīng)該關(guān)注“情境知識抽象化”，二者兼顧方能讓學生在順利理解沉淀溶解平衡知識的基礎(chǔ)上，合理地把握知識的本質(zhì)，理解知識是怎樣的以及為什么是這樣。

（3）重視宏觀與微觀相結(jié)合的教學，重視學科理性思維與感性體驗的融合。只有這樣，才能更好地實現(xiàn)沉淀溶解平衡知識的教學價值，讓學生在學科理性思維的發(fā)展中建構(gòu)科學知識，在科學知識形成的體驗中習得認識世界的學科視角和解決具體問題的學科素養(yǎng)，誠然，實現(xiàn)這一目標的最大挑戰(zhàn)還在于有效教學資源的開發(fā)。

參考文獻

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