高中生“化學反應原理”核心概念相異構想的調查與轉化

摘要:以建構主義學習理論為指導，對高中生“化學反應原理”核心概念的相異構想進行了初步調查，并分析了產生這些相異構想的原因，結合教學實踐提出了轉化這些相異構想的策略。

關鍵詞:相異構想;探查;原因;策略

文章編號:1005-6629(2010)09-0022-04 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B

1 背景與意義

學生在學習某一項化學知識之前，頭腦里并非一片空白。這些“未經專門教學，在同其他人進行日常交際和積累個人經驗的過程中掌握的概念，其內涵受狹隘的知識范圍限制，往往被不適當地擴大或縮小”，這就是所謂的“前概念”。學生正式學習某一學科前形成的前概念，有些與科學概念一致，有些與科學概念相悖，這些偏離或背離科學概念的觀點與認識即為“相異構想”。

建構主義學習理論認為，學習是學生主動地將原有經驗和新信息進行對比、分析、批判、選擇和重建知識結構的過程。教學是為了促進學生從舊觀念向新觀念轉變，教師的任務則是選擇能有效促使學生發(fā)生觀念轉變的教學策略。學生原有的相異構想不但是教學要改變的對象，而且是概念教學的起點。建構主義的“概念變更”學習觀，是把學生原有的知識經驗作為新知識的生長點，引導學生從原有的知識經驗中生長新的知識。因此，研究學生原有的觀念和思維方式，弄清其對學習和理解新知識會造成什么樣的障礙與影響，是實現(xiàn)概念轉變的前提。

在選修模塊《化學反應原理》學習之前，學生通過日常生活的觀察和體驗以及初中和必修2課程的學習，已積累了有關化學反應原理的初步概念，這是我們進行教學設計的起點和基礎。在學生已有的概念中，有的與即將學習的新概念相容，這將有利于新概念的“同化”;而有的是錯誤的或者雖正確但停留在認識的表象或局部，這對新概念的“順應”帶來沖突和障礙。了解這些“前概念”中的“相異構想”，將有利于提高新概念教學的針對性和有效性。

2對象與方法

本調查對象為我校2008級高二選修化學的學生，分別選取一個理科實驗班和一個理科普通班學生為樣本，在選修模塊《化學反應原理》學習之前，根據《高中化學課程標準》和《化學反應原理》教材教學內容以及學生生活經驗和學習經歷，選取十二個核心概念，設計調查問卷，并進行問卷調查和回收，通過計算機作結果統(tǒng)計，對照問卷內容和統(tǒng)計結果作分析研究。共回收有效問卷96份。

3內容與結果

3.1關于對鍵能與反應熱、鍵能與物質能量關系的認識

20.9 %的學生認為“生成物鍵能越大，反應熱越大”。這一片面認識可能是由“反應物分子斷開化學鍵后的原子重新組合成生成物分子放出能量”得出，未能全面理解反應物鍵能與生成物鍵能和反應熱的關系。30.3 %的學生認為“鍵能越大，物質的能量越高”，誤認為鍵能是物質本身含有的能量，對鍵能與共價分子的穩(wěn)定性關系認識模糊。

3.2關于對石墨與金剛石穩(wěn)定性的認識

25 %的學生認為“金剛石比石墨穩(wěn)定”。這與“金剛石硬度大”、“石墨質軟”兩者巨大的硬度反差給學生產生的強烈印象有關。

3.3關于反應熱與反應途徑關系的認識

高達88.5 %的學生已認識到反應熱只與反應的起始狀態(tài)有關。但仍有9.4 %的學生認為“相同條件下，使1 mol碳先燃燒生成一氧化碳，再將一氧化碳繼續(xù)燃燒生成二氧化碳放出的熱量比1 mol碳直接燃燒生成二氧化碳放出的熱量多”。這可能與“二步反應放出的熱量比一步反應多”的想法有關。

3.4關于對催化劑的認識

13.6 %的學生認為“催化劑在反應前后質量和化學性質沒有變化，表明它在反應過程中沒有變化”。說明這些學生對催化劑定義中“反應前后質量和化學性質保持不變”、“改變化學反應速率”印象深刻，而對催化機理知之甚少。

3.5關于對化學反應限度(化學平衡狀態(tài))的認識

13.5 %的學生認為“化學平衡狀態(tài)就是化學反應停止的狀態(tài)”，表明這些學生對化學平衡狀態(tài)的認識還停留在宏觀層面。另有13.5%的學生認為“化學平衡狀態(tài)就是反應物和生成物一樣多的狀態(tài)”，說明這些學生對化學平衡狀態(tài)各物質的濃度關系還缺乏認識。

3.6關于對鹽酸和醋酸的認識

高達63.5 %的學生認為“鹽酸的導電性比醋酸強”，說明相當多的學生將電解質溶液的導電性強弱與電解質的強弱等同起來。36.4%的學生認為“鹽酸和醋酸分別與等物質的量的氫氧化鈉中和后，溶液呈中性”，說明較多的學生認為“酸堿中和所得溶液呈中性”，對“中和”的本質以及鹽溶液的酸堿性規(guī)律缺乏認識。

3.7關于對溶液導電性的認識

13.5 %的學生認為“在其他條件相同時，相同濃度的稀鹽酸和稀硫酸溶液的導電能力相同”，表明這些學生將電解質溶液濃度與電解質溶液離子濃度混同起來。8.4 %的學生認為“在其他條件相同時，分別溶解10 g食鹽的1 L溶液和10 L溶液導電能力相同”，表明這些學生錯誤地認為溶液導電性強弱決定于溶液中離子數目的多少。

3.8關于對溶液酸堿性的認識

50 %的學生認為“中性溶液就是pH=7的溶液”，這主要因為在初中學生就熟悉用pH判斷溶液的酸堿性，但忽視了這一標準的溫度條件。

3.9關于對碳酸鈉溶液的認識

雖然學生都知道Na2CO3溶液顯堿性，但23.9 %的學生認為“碳酸鈉溶液中鈉離子和碳酸根離子濃度比為2:1”，表明這些學生對Na2CO3溶液顯堿性的原因即CO32-的水解還不理解。

3.10關于對溶液中復分解反應的認識

45.9 %的學生認為“只有生成水、沉淀和氣體的反應才能進行”;另有35.4 %的學生認為“難溶于水的鹽和堿之間不可能發(fā)生復分解反應”。表明初中歸納概括的復分解反應條件和規(guī)律已成為學生頭腦中的“鐵律”，而并不理解這些條件和規(guī)律的實質。

3.11關于對原電池的認識

11.4 %的學生認為“原電池就是實用的化學電源”，表明這些學生對原電池和化學電源的關系并不清楚。21.9 %的學生認為“原電池中陽離子向負極遷移，陰離子向正極遷移”，表明這些學生將原電池中離子的遷移方向與電解池中離子的遷移方向相混同。36.8 %的學生認為“原電池的電極必須是兩種不同的導電材料”，表明教學中歸納的有關原電池的構成條件對學生認識不同電池形成了思維定勢。

3.12關于對電解的認識

20.8 %的學生認為“電解質溶液導電時，電子從電源負極通過溶液回到電源正極”，另有33.2 %的學生認為“電解質溶液導電的過程就是陰陽離子定向移動的物理變化”。表明這些學生對電解質溶液導電的機理、通電后電解質溶液發(fā)生的變化并不理解。

4原因分析

4.1源于生活經驗的直覺推理

學生頭腦中相異構想概念的形成首先來源于自己的生活經驗和直觀感受，以生活常識先入為主。其次，來自通過自己單憑直覺的推理，對名詞、規(guī)律、定理進行錯誤推廣。如“金剛石比石墨穩(wěn)定”，“鹽酸和醋酸分別與等物質的量的氫氧化鈉中和后，溶液呈中性”，就是這樣的典型。

4.2囿于表象或局部的認知

認識過程同個體的生理和心理發(fā)展過程是有很強的相關性，個體認識事物的過程也是有階段性的，學生學習化學概念也是一個漸進的、遞進式的過程。由于教學要求的階段性、學生認知能力的限制性和學生知識背景的局限性，學生對化學概念的認識，往往停留在表象或局部，未能深入到概念的本質。溶液中復分解反應“只有生成水、沉淀和氣體的反應才能進行”，“難溶于水的鹽和堿之間不可能發(fā)生復分解反應”;“中性溶液就是pH=7的溶液”;“化學平衡狀態(tài)就是化學反應停止的狀態(tài)”，就是概念表象化的體現(xiàn)。

4.3不恰當的類比遷移

類比是推理的一種重要方式，是人們認識新事物或做出新發(fā)現(xiàn)的重要思維形式。但類比的結果是否正確，還需要經過實踐檢驗。學生在學習一些化學概念時，運用類比思維可得到很大幫助，但有時用其他概念來類比推理一些化學概念時，會導致錯誤的結論。“原電池的電極必須是兩種不同的導電材料”，“原電池中陽離子向負極遷移，陰離子向正極遷移”，就是因為未能把握概念間的本質屬性而導致的錯誤遷移。

此外，教學中教師迫于應試需要，為利于學生掌握和應用，過分地突出某一現(xiàn)象和結論，而忽視了其他方面和條件，也是學生產生相異構想的重要原因。

5轉變對策

5.1充分了解和揭示學生原有的觀念和思維方式

了解學生知識、經驗的狀況以及思維習慣，尤其是了解學生已有概念中那些不全面甚至錯誤的想法與觀點，是進行科學教育的基礎和前提。

可采用各種診斷措施，如學前調查、課堂提問、討論交流、課后談話、作業(yè)和練習批改等，主動搜集反饋信息，有針對性地了解學生的這些相異構想，對我們在教學中有的放矢地設計教學是至關重要的。

學前調查主要基于教師教學實踐經驗積累的把握，因而調查的內容和結果并不全面和準確，只能幫助我們大概了解學生的相異構想。從建構主義的角度看，由于不同學生的原有經驗和建構方式不同，對相同內容所取得的學習結果也不盡相同，以積極的態(tài)度對待這種差異，可以豐富我們的教學資源。教學中設計針對性問題，通過交流討論，讓學生有機會表述自己的思想和見解，這樣不僅可促進學生更全面地理解知識，還可誘導學生暴露相異構想。隨著概念的不斷建構和發(fā)展，已有的相異構想轉化的同時又有可能伴生或衍生新的相異構想，教師要通過作業(yè)、練習、考試等各種反饋渠道，及時監(jiān)控學生相異構想的變化，并不斷調整和優(yōu)化教學策略。

5.2設置開放教學情境，引發(fā)學生的認知沖突

從心理學角度看，凡經過否定質疑的知識，在學生中才有較高的確信度，所以，轉變相異構想的有效教學策略之一是，教師在教學過程中創(chuàng)設能引起學生產生認知沖突的教學情境，以其無力解決的“沖突”動搖其頑固的相異構想，感到必須修正原來的錯誤觀念或模糊認識，以此為契機和動力，指導學生進行認知順應，形成與科學觀念一致的新概念。

例如，在原電池原理的教學中，可設計以下問題:請以反應2H2+O2=2H2O 為基礎，設計一個原電池。由于問題的開放性，學生在頭腦中檢索、再現(xiàn)原電池的形成條件時，必然涉及電極材料、電解質溶液、電極反應、電池電流回路等問題，接著，再設計以下系列問題進行追問:如果電解質溶液是KOH溶液，電極反應如何表示?在導線構成的外電路中電子流和電流的方向如何?在電解質溶液構成的內電路中“電流”的方向如何?如果電解質溶液是H2SO4溶液，情況又將如何?可以從哪些角度判斷原電池的正負極?通過學生自主思考、討論乃至爭論和教師的評價，可有效地轉化“電極材料必須是兩種不同的材料”、“電極反應就是電極自身的反應”、“原電池中陽離子向負極移動，陰離子向正極移動”等相異構想。

5.3通過實驗增強學生的感性認識

感性認識是對事物的直接反映，是心理活動的基礎，也是學生實現(xiàn)相異構想轉變的基礎。相異構想轉變過程中豐富學生感性認識的主要途徑是觀察和實驗，學生通過觀察可獲得更豐富、更生動、更能反映事物共同特征的感性認識。建構主義重視舊經驗在構建新知識過程中的作用，而很多相異構想的形成，恰恰是因為學生缺乏建構新知識所必需的感性經驗。這時，如果我們仍僅按知識的邏輯進行教學，則學生往往難以真正理解，充其量會覺得“似乎有些道理”，可自己原來的認識也是“有道理”的，于是兼收并蓄，可能記住了科學概念的定義，但并沒有真正理解和接受新的概念，同時也保留了原來的“合理內核”，形成一種模糊混亂的認知結構。一旦面臨一些特定的情境，“相異構想”就會自然地成為學生解決問題的依據，這就是相異構想的隱蔽性和頑固性。教學實踐證明，增加讓學生觀察或自己動手做實驗的機會，通過實驗為學生提供必要的感性材料，是糾正相異構想的關鍵之一。例如，向醋酸溶液中滴加KOH溶液，溶液的導電性如何變化?有同學認為醋酸和KOH中和生成了醋酸鉀，弱電解質轉化為強電解質，溶液的導電性應增強。也有同學認為滴加KOH溶液可使溶液中的離子濃度降低，溶液的導電性應減弱。更多同學認為，生成強電解質與稀釋兩個因素共同影響，究竟結果如何不能確定。顯然，這樣的問題僅從學科邏輯解釋，各有各的道理，最終仍舊莫衷一是，而實驗則是化學問題的最高法庭。實驗結果表明溶液的導電性增強，說明中和生成強電解質效應大于溶液水稀釋效應。

5.4讓學生學會科學的思維方法

按照建構主義的觀點，學生實現(xiàn)相異構想向科學概念轉變的主要機制是順應。教學實踐表明，只有在學生認為新概念比舊概念包含更本質的內容，學生才能完全接受新概念，實現(xiàn)相異構想向科學概念的自覺轉化。這時，教師應以分析、比較、歸納、推理等科學的思維方法指導學生自主建立新概念。在教學中不僅要緊緊抓住概念的本質特征，同時也要注意引導學生理解概念的外延。讓學生感知新概念可靠的科學基礎，認知順應才能順利進行。例如，鹽酸和醋酸強弱電解質的比較，可設計以下系列問題:

(1)鹽酸和醋酸的組成和性質有哪些異同?

(2)為什么說鹽酸是強酸、醋酸是弱酸?

(3)如何設計實驗證明鹽酸是強酸、醋酸是弱酸?實驗設計包括藥品(濃度、用量)、儀器(規(guī)格、數量)、操作步驟、觀察現(xiàn)象、記錄數據、處理結果等。

引導學生從電離程度(概念的內涵)、酸溶液的性質表現(xiàn)如c(H+)、 pH、 導電性、與金屬反應產生氫氣的速率等差異以及對應鹽溶液的性質表現(xiàn)差異(概念的外延)，深刻理解電解質強弱的意義。從中學會分析、比較、歸納邏輯推理方法以及變量控制等科學實驗方法。

6 結束語

學生的相異構想，既可以作為學生學習化學知識的感性知識基礎，提供化學知識建構的情境，又可以作為化學概念表征的原型，更重要的是學生的相異構想可以作為化學問題解決的對象。建構主義認為，學習在本質上是學習者主動建構心理表征的過程，是主體以已有的經驗為基礎，通過與外部世界的相互作用而主動建構新的理解、新的心理表征的過程。教學設計必須了解學生原來具有的知識、技能、態(tài)度等，必須與學生原有知識水平和心理發(fā)展水平相適應。在此基礎上，通過教學加強新舊知識的聯(lián)系，才能把新知識納入學生原來具有的認知結構中。通過設計各種促進學習的過程和資源，促進學生的學習與發(fā)展，即通過對教學起點的重構，實現(xiàn)對學習的重構，這是教學設計“學習者中心”和“生本化”的體現(xiàn)，是對原有課程與教學的突破和超越。

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