學生對化學鍵與分子間作用力的理解水平研究案例

羅美玲

摘要：總結(jié)學生學習化學鍵和分子間作用力所面臨的障礙，介紹國外測查學生對化學鍵和分子間作用力理解水平的研究案例，分析研究案例對今后教學、評價、研究的啟示。

關(guān)鍵詞：化學鍵；分子間作用力；學習評價；案例研究

文章編號：1005–6629（2014）1–0036–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學鍵和分子間作用力是化學教學的核心概念，因而需要深刻而全面的理解。然而，與化學鍵和分子間作用力相關(guān)的概念，例如共價鍵、分子、離子、晶格能和氫鍵都比較抽象。為了理解這些概念，學生甚至需要熟悉與化學鍵和分子間作用力相關(guān)的數(shù)學和物理概念，例如軌道、電負性和極性等。根據(jù)相關(guān)研究，化學鍵和分子間作用力被師生公認為是比較抽象、復(fù)雜、難以理解的概念，學生對化學鍵和分子間作用力的核心概念缺乏深入的理解。

1 學生學習化學鍵和分子間作用力所面臨的障礙

學生學習化學鍵和分子間作用力存在的問題主要有：（1）混淆分子內(nèi)的作用和分子間的作用，例如不會區(qū)分分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵[1]；（2）傾向于一般化的結(jié)論和死記硬背而不是科學的理解[2]；（3）通常使用偽概念，學生能正確使用相關(guān)的術(shù)語和概念答題，但不理解其真正的含義[3]；（4）傾向于絕對化的分類和不夠全面的總結(jié)，例如涉及到微粒之間化學鍵的類型，習慣于要么純粹是離子鍵，要么是純粹的共價鍵或金屬鍵[4]；（5）除了幾種常見的物質(zhì)，學生不能真正辨別物質(zhì)的構(gòu)成微粒和相互作用；（6）學生在化學鍵和分子間作用力的學習上存在一些相異概念（alternative conceptions）和迷思概念（misconception）[5]。具體見表1所示。

有研究表明，學生在化學鍵和分子間作用力學習上存在的諸多障礙，并不都來源于學習者的非正式經(jīng)驗和化學鍵概念本身的復(fù)雜性，部分源自于目前教師的教學方式以及評價方式。目前的教學反饋或評價診斷有些本身不夠科學或很難檢測出學生是否真正理解相關(guān)的概念，如以下兩道高考題（以色列教育部組織的入學考試）[6]。

（1）問題和答案都不符合當前的科學研究

哪種材料有更高的熔點——BaCl2還是C（金剛石）？并說明你判斷的理由。

答案：金剛石的熔點高于BaCl2的熔點，因為金剛石中碳原子之間的共價鍵比BaCl2中的離子鍵更強。

一直以來，化學家們認為這類問題是不相關(guān)的，因為學生需要比較不同類型晶體的熔點，但學生不能應(yīng)用定性的理解來回答[7]。因此這種問題的回答僅僅建立在對化學鍵強度未理解欠科學以及過分歸納、記憶的基礎(chǔ)上。

（2）問題和相關(guān)的答案建立在死記硬背的基礎(chǔ)上，不能培養(yǎng)學生的科學思維

Cl2O的沸點比H2O2的沸點低，請解釋這一事實。

答案：Cl2O的沸點比H2O2的沸點低，是因為H2O2分子間的氫鍵比Cl2O分子間的范德華力更強。

對這類問題，學生能回答并能得到高分。但是，會使用正確的術(shù)語并不能表明他們理解相關(guān)的概念，有研究表明，學生似乎依靠死記硬背來判斷哪些元素能形成氫鍵[8]。

國內(nèi)在化學鍵和分子間作用力的考查上存在著類似的問題。因而，一般而言，普通的問題并不能作為評價學生是否理解的診斷工具。盡管有時能揭示學生是否持有迷思概念，但并不能表征學生對核心概念的理解水平，因為學生通過應(yīng)用死記硬背的術(shù)語也能提供正確的答案。

2 測查學生對化學鍵和分子間作用力理解水平的研究案例

為了考查學生對傳統(tǒng)問題和新評價問題的回答，并判斷學生對核心概念的理解水平，以色列學者Tami等人通過測驗法，選取77名11年級學習化學的學生作為被試，對學生關(guān)于化學鍵和分子間作用力的理解水平進行了實驗研究[9]。

先結(jié)合研究參與者（化學權(quán)威專家）的觀點，制定學習目標、學習行為，在此基礎(chǔ)上確立新的評價任務(wù)，然后設(shè)計用于判斷學生對化學鍵和分子間作用力理解水平的測試題。

2.1 新評價方式的確立

研究的參與者包括優(yōu)秀化學教師、化學教學領(lǐng)域的研究者、化學課程的開發(fā)者以及資深的化學家，通過科學論壇、集中小組討論、深入訪談來了解收集相關(guān)信息。在（信息）數(shù)據(jù)收集過程中，應(yīng)用了三角互證法。具體而言，為了減少研究解釋的不確定性以及使研究結(jié)論無效性最小化，采用了不同的數(shù)據(jù)來源和多種數(shù)據(jù)收集方法。其具體過程如表2所示。

將科學論壇、深入訪談、集中小組討論中收集的數(shù)據(jù)進行定性整理和分析，具體程序包括下面幾個階段：

（1）把每一份記錄（錄音和筆記）劃分成單元，根據(jù)內(nèi)容，對每一單元進行分類，例如：主要原理、核心概念、評價方法等；

（2）提煉更一般的主題，例如涉及化學鍵、學習目標或教學策略；

（3）根據(jù)選擇的主題，對所有相關(guān)記錄做好標記；

（4）尋找焦距：根據(jù)選擇的主題，重新組織（做好標記的）數(shù)據(jù)內(nèi)容；

（5）在已收集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，堅持自己的主張，將有望促成對研究議題更好的理解。

結(jié)合科學家、優(yōu)秀化學教師以及研究者的觀點，制定了具體的化學鍵和分子間作用力學習目標，主要內(nèi)容如下所述。

（1）提高對化學鍵的理解，化學鍵不能通過嚴格的定義或一分為二的分類來描述；

（2）根據(jù)庫侖定律，所有的化學鍵和分子間作用力都是靜電作用（加減相互作用）；

（3）化學鍵和分子間作用力存在一系列的范圍，根據(jù)靜電作用的強度，存在連續(xù)性；

（4）對于所有的化學鍵都是主要的原則與核心概念，例如引力和斥力、平衡點、鍵能、鍵長和電負性；

（5）培養(yǎng)科學地解釋一些化學現(xiàn)象的能力，意識到定性模型可能解釋一些現(xiàn)象，但并不能解釋所有現(xiàn)象；

（6）知道如果要計算化學鍵相關(guān)的問題，量子力學是公認的科學使用的定量理論。

在集中小組討論中，優(yōu)秀化學教師根據(jù)學習目標開發(fā)了一套學習行為（表現(xiàn)）（learning performances），下面例舉其中的一部分。

（1）用自己的語言解釋化學鍵概念；

（2）指出給定的模型中化學鍵的類型并解釋相應(yīng)的特征；

（3）指出給定模型中最強或最弱的化學鍵并解釋；

（4）例舉與給定模型性質(zhì)或現(xiàn)象相似的其他例子；

（5）畫出與給定模型化學鍵相似的其他分子或晶體；

（6）知道化學鍵存在于不同的情境中；

（7）識別給定分子中包含最強或最弱電子密度的原子或原子團，然后解釋；

（8）說出與給定結(jié)構(gòu)相關(guān)的一類物質(zhì)的特征，并解釋相應(yīng)的特征。

根據(jù)這些學習行為，確立新的評價方式。下面例舉一個新評價問題。

a.在上面燒杯中分別畫出在三種狀態(tài)下的溴分子；

b.溴分子在液態(tài)和固態(tài)通過范德華力結(jié)合在一起，請用自己的語言解釋這種相互作用；

c.溴分子中每兩個溴原子通過共價鍵結(jié)合，解釋分子內(nèi)共價鍵與分子間相互作用的差異；

d.例舉與溴分子存在相似的分子間相互作用的其他物質(zhì)。

2.2 學生對化學鍵和分子間作用力理解水平的測試及結(jié)果分析

在新評價方式確立的基礎(chǔ)上，設(shè)計用于測查學生對化學鍵和分子間作用力理解水平的測試題。總的包括7個開放性問題：4個傳統(tǒng)問題，3個新評價問題。

將學生對傳統(tǒng)問題（1-4）與相關(guān)的新評價問題（5-7）的測試結(jié)果通過卡方檢驗進行交叉檢測，具體如下：

問題1和2與問題5（主題：氫鍵）；

問題2和3與問題6（主題：范德華力）

問題4和7（主題：晶體及其性質(zhì)）

下面例舉某個學生對問題1和5的回答：

問題1（傳統(tǒng)問題）：哪種物質(zhì)具有更高的沸點——LiF還是HF？說明理由。

學生回答：HF的沸點比LiF低，因為HF分子間的氫鍵比LiF離子晶體中陽離子和陰離子之間的靜電作用要弱。

盡管這是正確答案，但不知道學生是否理解了什么是氫鍵，根據(jù)學生對問題5（新評價任務(wù)）的回答可以檢測學生是否理解氫鍵。

任務(wù)5（a）：液態(tài)水和固態(tài)水，存在分子間的氫鍵，請用自己的語言解釋什么是氫鍵。

學生回答：氫鍵就是N、O、F原子與H原子之間形成的分子間作用力，當H原子把電子給N、O、F原子時，氫鍵就形成了。

任務(wù)5（b）：例舉存在氫鍵的其他分子化合物，解釋氫鍵為什么存在以及怎樣形成。

學生回答：我的例子是H2O2——在這個化合物中氫鍵存在于O2分子和H2分子之間。

從這個例子可看出，對于傳統(tǒng)問題，學生能作出正確回答，也能說出氫鍵的概念，但并不理解氫鍵的真正含義。因為，H2O2分子中，沒有O2分子和H2分子，更不可能氫鍵存在于O2分子和H2分子之間。其氫鍵在于一個H2O2分子中的氫原子與另一個H2O2分子中氧原子間所形成的分子間作用力。

將學生對化學鍵和分子間作用力理解水平的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，其結(jié)果如表4所示。

從表4可知學生對傳統(tǒng)問題與新評價問題的回答存在顯著性差異。40%～70%的學生能成功回答傳統(tǒng)問題，但在新評價問題中回答錯誤。相反，只有0～8%的學生在新評價任務(wù)中理解較好但不能成功回答傳統(tǒng)問題。這些說明，在許多情況下，傳統(tǒng)問題中盡管學生不理解潛在的核心概念，但能獲得較好的成績。同時也說明，新評價任務(wù)能檢測學生更深水平的理解，學生需要在理解的基礎(chǔ)上應(yīng)用相關(guān)知識來回答問題。因而，新評價問題比傳統(tǒng)問題更能診斷學生的理解水平。

3 研究啟示

3.1 對教學的啟示

3.2 對評價設(shè)計的啟示

為促進和鼓勵課堂教學采取有意義、促進學生概念理解的方式完成，評價就應(yīng)考查學生對核心概念的理解。概念的理解主要表現(xiàn)在兩方面[13]：一是概念之間的關(guān)聯(lián)；二是新的情境下對概念的應(yīng)用。若完全使用封閉式客觀題，如判斷、選擇、填空等，無論學生的回答如何，都很難測查出學生的理解水平。對于教師來說，不了解學生的真實情況，就很難在教學過程中基于學生已有知識幫助學生建構(gòu)新的知識框架，更談不上幫助學生去修正、改變和完善學生頭腦中已有的迷思概念。因此要考查學生對核心概念的理解，應(yīng)當采用含有一定情境的開放式評價方式，如訪談、簡答、任務(wù)報告、繪制概念圖、真實情境下的問題解決等，這將有助于對學生關(guān)于核心概念理解水平的考查。

3.3 對教育研究的啟示

由于研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的評價方式不能測查學生對核心概念的理解水平，因而需要一種新的評價方式。而上述案例中新評價方式的建構(gòu)不是主觀臆斷，而是采用了定性研究。而定性研究所搜集的資料是描述性的資料，被稱為“軟資料”，是在自然場合下得來的資料，帶有很大程度的模糊性和不確定性。為了減少研究的不確定性以及研究結(jié)論的無效性，研究者選取了多種數(shù)據(jù)收集來源（如科學論壇、集中小組討論、深入訪談等）以及較多的不同類型的研究參與者（如優(yōu)秀化學教師、化學教學領(lǐng)域的研究者、資深的化學家等）。此外，對研究收集的資料進行定性分析和整理的縝密程序，尤其是分析所得材料（一些化學專家的觀點）的過程中，堅持自己的主張，否則很容易出現(xiàn)人云亦云或是迷信權(quán)威等不科學的做法。簡而言之，在整個定性研究的過程中，研究者所采用的科學的分析方法值得我們借鑒。

綜上所述，提高學生的科學素養(yǎng)是當前我國科學教育的一個基本目標，對科學概念的理解是科學素養(yǎng)的重要組成之一。學生科學思維能力的發(fā)展也需要以理解重要科學概念作為基礎(chǔ)，因此以核心概念為代表的化學知識的教學與研究應(yīng)該更多地關(guān)注學生對科學概念的構(gòu)建和深層次的理解與遷移應(yīng)用。

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