左思遙 閆春更 樊紅 張暉英 周青
摘要:該研究以二階式診斷法為主要方法,對學(xué)生學(xué)習(xí)“吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)”“燴變”“中和熱與燃燒熱”“熱化學(xué)方程式”“蓋斯定律”概念的心智模型進(jìn)行測量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)學(xué)生共建構(gòu)了13種非科學(xué)模型,可歸納為概念缺陷型、符號缺陷型和判斷缺陷型。學(xué)生關(guān)于熱化學(xué)的學(xué)習(xí)困難為概念建構(gòu)困難、條件把握困難和符號書寫困難。根據(jù)學(xué)習(xí)困難,作者提出了相應(yīng)的教學(xué)建議。
關(guān)鍵詞:熱化學(xué);學(xué)習(xí)困難;心智模型;教學(xué)建議;非科學(xué)模型
文章編號:1008-0546(2021)06-0002-05 中圖分類號:G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2021.06.001
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》[1]對化學(xué)反應(yīng)與熱能的內(nèi)容要求為:“認(rèn)識化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化,恒溫恒壓條件下化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱可以用燴變表示,了解蓋斯定律及其簡單應(yīng)用。”高中化學(xué)熱化學(xué)知識是發(fā)展學(xué)生“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)的載體,是發(fā)展學(xué)生從能量角度認(rèn)識化學(xué)變化并且解決實(shí)際問題能力的知識基礎(chǔ)。在初中階段,學(xué)生能從化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中觀察或體會到化學(xué)反應(yīng)伴隨著能量變化;在高中階段,學(xué)生通過化學(xué)反應(yīng)與熱能知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí),其認(rèn)知水平要上升到“能運(yùn)用化學(xué)計(jì)量單位定量分析化學(xué)變化及其伴隨發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化”。學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)中伴隨著能量變化的認(rèn)識從初中到高中的跨度很大,對學(xué)生的認(rèn)知水平要求較高,一直以來是高中化學(xué)的重難點(diǎn)。突破熱化學(xué)難點(diǎn)關(guān)鍵步驟之一是要了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。國內(nèi)外的研究者一直嘗試找出學(xué)生的熱化學(xué)學(xué)習(xí)困難。武超[2]發(fā)現(xiàn)學(xué)生對抽象知識“能量”存在迷思。W.Wiji和S.Mulyani采用DToM-POE方法測出學(xué)生預(yù)測、觀察和解釋反應(yīng)△H的能力有欠缺,大多數(shù)學(xué)生不理解所使用符號的含義,他們傾向于記憶概念,無法將宏觀結(jié)果與符號聯(lián)系起來[3]。
心智模型(Mental Model)是個(gè)體對外在事物內(nèi)在表征后形成的概念框架,又是一種動態(tài)的內(nèi)在運(yùn)作機(jī)制[4]。目前已有研究表明,洞察學(xué)生的心智模型有助于教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難,學(xué)習(xí)最重要的是心智模型的改變[5]。心智模型已被廣泛運(yùn)用來測查學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。例如,薛琳[6],陳曉娜[7],陸旖旎[8]通過測查高中生心智模型分別分析了離子平衡,鹽類水解,甲烷等知識中學(xué)生存在的學(xué)習(xí)困難。本文擬通過測查心智模型的方法測查學(xué)生學(xué)習(xí)熱化學(xué)的學(xué)習(xí)困難,以期為熱化學(xué)教學(xué)提供有針對性的教學(xué)建議。
一、研究過程
1.研究對象
研究對象為陜西省某中學(xué)高二年級的兩個(gè)班,共83人。
2.研究方法
本研究采用的方法是二階式診斷法。二階式診斷法由測試題與作答理由兩部分組成。本文在二階式診斷法基礎(chǔ)上增設(shè)“信心指數(shù)”環(huán)節(jié),結(jié)合作答理由來探測學(xué)習(xí)者的想法。
(1)科學(xué)模型的確定
本研究根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的內(nèi)容要求,參考人民教育出版社選擇性必修課程選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》(2007版)第一章《化學(xué)反應(yīng)與能量》的內(nèi)容,結(jié)合5位骨干教師及2位教學(xué)論專家的建議,將熱化學(xué)知識分為五個(gè)主題,“吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)”“燴變”“中和熱與燃燒熱”“熱化學(xué)方程式”“蓋斯定律”,并確立了其科學(xué)模型,其內(nèi)涵見表1。
(2)二階式診斷法
二階式測試題圍繞熱化學(xué)的核心知識編制而成,試題結(jié)構(gòu)參考伊紅玉[9]、甘珍[10]的熱化學(xué)測試題的結(jié)構(gòu)。測試題包括5道選擇題和4道簡答題,見表2。
(3)試卷質(zhì)量檢驗(yàn)
采用Cronbach內(nèi)部一致性系數(shù)檢驗(yàn)評價(jià)工具進(jìn)行信度分析,α系數(shù)為0.813(大于0.800),該試題的信度良好。試卷發(fā)放83份,回收有效試卷83份,回收率為100%。
二、結(jié)果與分析
1.吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)
學(xué)生學(xué)習(xí)吸、放熱反應(yīng)的心智模型的測查是通過學(xué)生畫能量變化曲線圖,描述吸、放熱反應(yīng)概念以及判斷吸、放熱反應(yīng)來測查,結(jié)果見表3。
有81.2%的學(xué)生能夠正確畫出吸、放熱反應(yīng)的能量變化曲線圖。有18.8%的學(xué)生也能畫出能量變化曲
表3 學(xué)生吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)的心智模型類型與比例線圖,但是把“吸熱反應(yīng)”畫成了“放熱反應(yīng)”。這18.8%的學(xué)生沒有理解吸、放熱反應(yīng)能量變化曲線的含義,產(chǎn)生了圖形混淆。
有52.0%的學(xué)生能夠掌握吸、放熱反應(yīng)的概念,能正確判斷各類吸、放熱化學(xué)反應(yīng)。有18.8%的學(xué)生認(rèn)為“吸熱反應(yīng)是反應(yīng)物的總能量大于生成物的總能量的反應(yīng),放熱反應(yīng)是生成物的總能量大于反應(yīng)物的總能量的反應(yīng)”。這18.8%的學(xué)生對吸、放熱反應(yīng)產(chǎn)生了迷思概念,將吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)混淆。雖然,這部分學(xué)生能夠意識到生成物與反應(yīng)物之間的“能量差”,能夠認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)伴隨能量變化,比初中的認(rèn)識有所提升,但是并沒有達(dá)到高中階段準(zhǔn)確判斷吸、放熱反應(yīng)的要求,不能理解吸熱反應(yīng)是反應(yīng)物的總能量“小于”生成物的總能量,產(chǎn)生了概念混淆。通過分析學(xué)生在試卷上書寫的解題思路,發(fā)現(xiàn)學(xué)生混淆概念的原因是機(jī)械記憶概念內(nèi)容,學(xué)生的認(rèn)知水平?jīng)]有達(dá)到高中階段理解吸、放熱反應(yīng)內(nèi)涵的層次。產(chǎn)生圖形混淆和概念混淆的學(xué)生數(shù)量相等,說明概念混淆與圖形混淆之間互相影響。有29.2%的學(xué)生不能判斷各類吸、放熱化學(xué)反應(yīng),他們錯(cuò)誤地認(rèn)為在加熱條件下進(jìn)行的反應(yīng)是吸熱反應(yīng),認(rèn)為反應(yīng)條件是判斷吸放熱反應(yīng)的條件,學(xué)生沒有形成從能量差角度判斷吸放熱反應(yīng)的觀念,還停留在宏觀現(xiàn)象表層判斷反應(yīng)類型的水平,產(chǎn)生了判據(jù)迷思。
2.焓變
由表4可知,有47.7%的學(xué)生能夠掌握焓變概念,能用符號正確表達(dá)吸、放熱反應(yīng)。有12.0%的學(xué)生沒有建構(gòu)起“焓變”的概念。有40.3%的學(xué)生遺漏了“恒溫、恒壓條件下”,認(rèn)為焓變是生成物與反應(yīng)物的總能量之差或是認(rèn)為反應(yīng)熱是焓變,這部分學(xué)生認(rèn)為在任何條件下焓變與反應(yīng)的熱效應(yīng)兩個(gè)數(shù)值都相等。通過分析學(xué)生在試卷上書寫的解題思路,發(fā)現(xiàn)持有非科學(xué)模型的學(xué)生認(rèn)為焓等同于能量,忽略了焓是與溫度、壓力有關(guān)的狀態(tài)函數(shù),只有等溫等壓下,焓變的數(shù)值等于反應(yīng)物與生成物之間的能量差。
3.中和熱和燃燒熱
學(xué)生中和熱心智模型的表現(xiàn)見表5,有37.3%的學(xué)生能夠掌握中和熱概念。這部分學(xué)生能夠全面掌握中和熱概念的內(nèi)涵,對“1mol”“稀溶液”“強(qiáng)酸”“強(qiáng)堿”四個(gè)條件記憶準(zhǔn)確。有23.9%的學(xué)生對中和熱概念的認(rèn)知水平停留在“中和熱”的字面意義上。這部分學(xué)生沒有把握“中和熱”概念的內(nèi)涵,認(rèn)為任何一個(gè)中和反應(yīng)測定的熱量都能被定義成中和熱。有38.8%的學(xué)生雖然能夠意識到“中和熱”概念存在理想條件,認(rèn)為“中和熱是酸與堿反發(fā)生中和反應(yīng)生成1mol水時(shí)放出的熱量”,但是缺少“稀溶液”“強(qiáng)酸”“強(qiáng)堿”這三個(gè)條件。
學(xué)生燃燒熱心智模型的表現(xiàn)見由表5,有40.6%的學(xué)生能夠掌握燃燒熱概念,對“101kPa”“完全燃燒”“1mol”“純物質(zhì)”四個(gè)條件記憶準(zhǔn)確。有25.8%的學(xué)生對燃燒熱概念的認(rèn)知水平停留在“燃燒熱”的字面意義上。這部分學(xué)生沒有意識到“燃燒熱”概念中包含了條件,認(rèn)為任何燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量都能被定義成該物質(zhì)的燃燒熱,對四個(gè)條件完全沒有印象。有33.6%的學(xué)生認(rèn)為燃燒熱是指1mol物質(zhì)燃燒放出的熱量,但是缺少“101kPa”“完全燃燒”“純物質(zhì)”三個(gè)條件。
4.熱化學(xué)方程式
由表6可知,有49.8%的學(xué)生能夠正確書寫熱化學(xué)反應(yīng)方程式。有24.9%的學(xué)生不知道完全燃燒和穩(wěn)定產(chǎn)物的含義。例如,考題①寫出碳完全燃燒的熱化學(xué)反應(yīng)方程式,學(xué)生將產(chǎn)物寫成CO;考題②寫出氫氣完全燃燒的熱化學(xué)反應(yīng)方程式,學(xué)生標(biāo)錯(cuò)產(chǎn)物的狀態(tài)將H2O(1)寫成H2O(g)。這部分學(xué)生判斷目標(biāo)產(chǎn)物錯(cuò)誤或者寫錯(cuò)目標(biāo)產(chǎn)物的狀態(tài),最終不遵循化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際結(jié)果來書寫熱化學(xué)反應(yīng)方程式。有25.3%的學(xué)生不清楚熱化學(xué)方程式怎樣書寫,沒有寫出物質(zhì)狀態(tài)或是沒有寫出焓變△H,產(chǎn)生了符號缺陷。
5.蓋斯定律
由表7可知,有67.4%的學(xué)生能夠掌握蓋斯定律,這部分學(xué)生能夠理解蓋斯定律的含義并進(jìn)行計(jì)算。有20.1%的學(xué)生沒有意識到蓋斯定律是進(jìn)行反應(yīng)熱計(jì)算的依據(jù),不能正確運(yùn)用蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱。有12.5%的學(xué)生對蓋斯定律的認(rèn)知水平停留在字面意義,兩個(gè)不同的概念有相似詞語時(shí),不能準(zhǔn)確區(qū)分二者的不同。這部分學(xué)生沒有區(qū)分“化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行”與“化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱”的差別,不清楚“化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行與物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān),與溫度、壓強(qiáng)、濃度、狀態(tài)等有關(guān)”,認(rèn)為“化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行與反應(yīng)體系的起始狀態(tài)和最終狀態(tài)有關(guān)”,產(chǎn)生了概念混淆。
三、結(jié)論與啟示
根據(jù)學(xué)生持有的非科學(xué)模型的類型,我們進(jìn)行了學(xué)習(xí)困難分析,得出以下結(jié)論:
(1)學(xué)生關(guān)于熱化學(xué)知識共持有13種非科學(xué)模型:
對于吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng),學(xué)生持有3種非科學(xué)模型,分別是吸熱反應(yīng)能量變化曲線圖畫成放熱反應(yīng)的、吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)概念記混、判斷吸放熱反應(yīng)依據(jù)錯(cuò)誤。對于焓變概念,學(xué)生持有2種非科學(xué)模型,分別是缺失焓變概念、缺失等溫等壓條件。對于中和熱和燃燒熱,學(xué)生持有4種非科學(xué)模型,分別是認(rèn)為任意一個(gè)中和反應(yīng)測定的熱量均為中和熱,缺失中和熱概念部分條件、認(rèn)為任意一個(gè)燃燒反應(yīng)測定的熱量均為燃燒熱概念、缺失燃燒熱部分條件。對于熱化學(xué)反應(yīng)方程式,學(xué)生持有2種非科學(xué)模型,分別是產(chǎn)物判斷錯(cuò)誤、標(biāo)錯(cuò)或漏標(biāo)能量狀態(tài)。對于蓋斯定律,學(xué)生持有2種非科學(xué)模型,分別是蓋斯定律功能不明、蓋斯定律概念缺失。
(2)學(xué)生建構(gòu)的非科學(xué)模型整體可分為三類:
第一、概念缺陷型,表現(xiàn)為中和熱、燃燒熱概念條件缺失、焓變概念條件缺失、吸放熱反應(yīng)概念混淆。學(xué)生對概念機(jī)械記憶,沒有理解概念的內(nèi)涵與外延。
第二、符號缺陷型,表現(xiàn)為熱化學(xué)方程式書寫存在△H符號缺陷、違反事實(shí)標(biāo)注物質(zhì)狀態(tài)。學(xué)生不能準(zhǔn)確使用化學(xué)符號。
第三、判斷缺陷型,表現(xiàn)為吸、放熱反應(yīng)判據(jù)迷思。學(xué)生不能準(zhǔn)確判斷化學(xué)反應(yīng),進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)分類。
(3)學(xué)生熱化學(xué)知識學(xué)習(xí)困難分析:
第一、學(xué)生學(xué)習(xí)吸、放熱反應(yīng)時(shí),概念建構(gòu)困難。學(xué)生對吸放熱反應(yīng)的認(rèn)知比初中階段有所提升,但是不能掌握判斷反應(yīng)吸放熱的條件,認(rèn)為反應(yīng)條件為“加熱”就是吸熱反應(yīng)。
第二、學(xué)生學(xué)習(xí)中和熱、燃燒熱、焓變時(shí),條件把握存在問題。學(xué)生不理解完全燃燒的內(nèi)涵,書寫熱化學(xué)反應(yīng)方程式時(shí)寫錯(cuò)目標(biāo)產(chǎn)物;還有學(xué)生認(rèn)為中和熱和燃燒熱就是字面含義,不存在限定條件;學(xué)生認(rèn)為焓等同于能量,忽略焓變是溫度壓強(qiáng)的狀態(tài)函數(shù),只有等溫等壓條件兩個(gè)數(shù)值相等。
第三、學(xué)生書寫熱化學(xué)反應(yīng)方程式時(shí),符號書寫存在困難。學(xué)生沒有標(biāo)物質(zhì)狀態(tài)與能量的意識,沒有理解熱化學(xué)反應(yīng)方程式既能表示物質(zhì)變化又能表示能量變化。
(4)在了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難后,提出以下教學(xué)建議:
第一、強(qiáng)化學(xué)生對熱化學(xué)知識概念內(nèi)涵的理解??梢赃\(yùn)用化學(xué)史等真實(shí)案例,促進(jìn)學(xué)生理解概念產(chǎn)生的過程;可以運(yùn)用類比方式解釋概念的內(nèi)涵,促進(jìn)學(xué)生理解概念的內(nèi)涵。
第二、強(qiáng)化概念界定條件的理解??梢酝ㄟ^探究實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生對中和熱概念條件的認(rèn)識,強(qiáng)化學(xué)生對“中和反應(yīng)反應(yīng)熱”與“中和熱”區(qū)別的認(rèn)識,最終掌握中和熱概念的內(nèi)涵。
第三、強(qiáng)化化學(xué)用語教學(xué)。可以加強(qiáng)熱化學(xué)反應(yīng)方程式內(nèi)涵教學(xué),強(qiáng)調(diào)熱化學(xué)反應(yīng)方程式的作用是既能表明物質(zhì)變化也能表明能量變化,加強(qiáng)學(xué)生對反應(yīng)物與生成物的能量和狀態(tài)、完全燃燒、穩(wěn)定產(chǎn)物的理解。
第四、強(qiáng)化“宏微符”三重表征的融合教學(xué)。培養(yǎng)學(xué)生“宏微結(jié)合”能力并且能將宏觀中體現(xiàn)的能量與微觀中物質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來。
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本文系國家社科基金項(xiàng)目(AHA120008)中小學(xué)理科教材國際比較研究(高中化學(xué)2012)研究成果。
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