高中生“鋁及其化合物”學習困難測查與分析

段建方　閆春更　毛永舜　高玲香　周青

摘要：采用問卷調查法了解學生對“元素及其化合物”的學習現狀，用流程圖法測查學生在“鋁及其化合物”知識領域的認知結構，結合紙筆測驗結果梳理學生的學習困難，從而探討其學習成敗的原因并提出相關教學策略。

關鍵詞：元素及其化合物；認知結構；學習困難；教學啟示

文章編號：1008-0546（2017）02-0002-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.02.001

一、引言

元素及其化合物知識是高中化學課程的重要內容。它是化學概念、化學理論在物質認識層面的一種具體體現，同時又為學生對相關概念和理論的學習提供了豐富的感性認識素材。此部分內容具有瑣碎、龐雜等特點，因此學生在學習元素及其化合物知識時存在一定的困難和誤區。認知心理學表明，完善學生的認知結構，有助于發現和解決學生的學習困難。通過認知結構的測查，可以幫助教師更好地了解學生頭腦中的先驗知識、迷思概念以及知識建構與組織方式，從而能夠有針對性地設計更加合理的教學策略幫助學生將以前的知識經驗與將要學習的新知識建立有效的聯系，更好地實現概念轉變[1]。因此，本研究采用流程圖法（Flow Map）測查學生在“鋁及其化合物”知識領域的認知結構并分析其學習困難，并結合學生問卷調查探討其學習成敗的原因，為促進學生有意義學習及提高教師課堂教學效率提供參考。

二、研究方法與過程

1. 研究方法與對象

（1）問卷法

為了調查學生對于元素及其化合物知識的學習現狀，本研究編制了相應的問卷，以某校高一年級共102名學生為研究對象。發放問卷102份，調查完成后，共回收有效問卷100份。在問卷的編制過程中，分別與三位化學教師以及兩位專家進行討論， 以保證問卷的內容效度。對30個學生進行試測，選用克倫巴赫Alpha系數計算一致性，信度系數達到0.801，說明問卷的信度較高。

（2）流程圖法[2，3]

流程圖法是指在研究人員向受試者提出可以自由發揮的問題，它是同時捕獲順序和人思維間的相互關聯，探索學習者認知結構的有效工具。 為了測查學生對于“鋁及其化合物”知識領域的認知結構并分析其學習困難，本研究采用流程圖法，對該校高一年級某一班級中的30名學生進行訪談， 并繪制流程圖以展現學生的認知結構：采用箭頭將知識點依次列出，并對出現重復或者相關的知識點進行回歸連接。通過30名學生的流程圖，對其認知變量進行統計，并采用SPSS20.0軟件進行統計分析。關于認知結構變量的內涵及計算如表1所示。

2. 研究過程

（1）高中生元素及其化合物知識學習現狀調查

通過問卷法調查學生對元素及其化合物知識的觀念、學生學習元素及其化合物所常用的學習方法、學生的課堂效率來了解學生對于元素及其化合物知識的學習現狀。

（1）問卷調查設計情況如下[4]：

1.你認為元素及其化合物這部分內容的特點是（學生對于元素及其化合物知識的看法）

A.內容有趣，有大量演示實驗，貼近生活

B.內容簡單，通過記憶就可以較快掌握

C.內容龐雜，需要記憶大量知識點與方程式

D.內容零散，很難找到內在規律

2.相較于氧化還原反應、離子反應等化學理論，你認為元素化合物知識（學生對于元素及其化合物知識的興趣）

A.更喜歡，因為元素化合物知識更簡單、更有趣，演示實驗豐富

B.更不喜歡，因為元素化合物知識缺乏規律性，內容太龐雜

C.沒有更傾向于哪一部分知識

D.都不喜歡

3.相較于此部分知識的新授課與習題課，你更喜歡（學生對于課堂類型的偏好）

A.新授課 B.習題課

4.你如何掌握大量的化學方程式及不同化合物的性質（學生學習元素及其化合物知識所常用的方法）

A.羅列知識點并進行記憶和背誦

B.根據教師的講解與實驗現象去理解記憶

C.通過做練習題去記憶

D.總結規律，整理記憶

5.你認為課堂演示實驗對元素及其化合物的學習（實驗對于學生學習的幫助）

A.沒有幫助，浪費時間、效率低下，或實驗現象不明顯

B.沒有特定的幫助，更多的只是一種學習興趣的激發

C.有一定的幫助，可以幫助記憶相關的現象與性質

D.有較大幫助，有助于相關知識的深入理解與思考

6.對于元素及其化合物知識，你在課堂上能夠掌握的大概程度是（學生課堂效率的調查）

A.能夠掌握80%左右，課堂上就能夠基本消化教師的講解

B.能夠掌握50%左右，教師講過后能夠掌握大部分知識，存在部分疑惑

C.能夠掌握30%左右，需要課后做題才能進一步掌握

D.課堂存在較多疑惑，需要課下進行多次復習才能掌握

（2）調查結果

完成調查后，將收回的100份有效數據利用Excel進行分析得到如下統計數據，如圖1所示：

通過分析得出學生在元素及其化合物知識的學習現狀：在學生對于元素及其化合物知識的看法方面，絕大多數學生認為元素及其化合物知識內容零散、龐雜、缺乏內在規律，且缺乏對于元素及其化合物知識的學習興趣；在學習方法上，多數學生采取機械記憶或做練習題的方法進行學習，且不善于結合實驗現象進行相關知識的學習；在課堂效率方面，學生課堂效率較低，需要課下花費大量時間進行復習。 而在教學方面， 多數教師忽略了實驗在教學中的重要作用，在實驗教學中不注重對學生思維的引導；部分教師本末倒置，忽略新授課的教學，而將教學重點放置在習題課的教學中。

（2）認知結構定性分析

根據訪談錄音繪制流程圖，經過對比，選擇成績優秀、中等、較差（參考當月月考化學科目成績）的三位學生的流程圖進行分析，流程圖分別如圖2、圖3所示。

①認知結構的整體性：學生1回憶起的知識點明顯多于學生2與學生3， 并且知識點之間的網絡關系聯系較為緊密；而學生2與學生3在知識點的數目上以及知識點之間的網絡聯系上都較學生1差，尤其學生3，其認知結構整體性較差，有待完善與優化。

②認知結構的層次性： 學生1在知識點上按照鋁、氧化鋁、氫氧化鋁、鋁鹽的順序進行敘述，又基本按照每種物質的物理性質、化學性質、制備方法的順序進行描述，而且能夠按照先總體再部分的邏輯順序進行敘述，說明其認知結構層次性較強。 學生2在每個知識點內部的邏輯結構不夠完整，認知結構的層次性略顯不足。 而學生3在知識點的描述中缺乏層次性，有關不同物質的性質知識交替出現。

③認知結構的深度與廣度：學生1所描述的知識點最多，深度較明顯。相較于學生1，學生2描述的知識點較少，其次，在認知結構的深度上，僅對物質的化學性質進行描述， 未進行解釋與舉例說明。而學生3描述出的知識點數目較少，主要涉及物質的物理及化學性質且錯誤較多，在認知結構的深度上，其描述也只停留在簡單性質的復述水平。由此可看出，學生3對于鋁及其化合物知識的認知水平較低，需要進一步完善和優化。

（3）認知結構定量分析

對上述三位學生的認知結構進行定量分析，結果見表2。表2中學優生、中等生、學困生的廣度、豐富度、整合度、信息檢索率均呈現明顯的階梯性遞減，這與其紙筆測驗成績表現出良好的一致性，更加精確的相關性分析結果見表3。可見，學生的紙筆測驗成績與其認知結構的廣度、豐富度、整合度顯著相關，即學優生在“鋁及其化合物”的學習中建立的知識點之間的聯系更為豐富，對知識的整合程度更高。

三、“鋁及其化合物”認知結構的內容分析

“鋁及其化合物”知識是高中化學“金屬及其化合物”中具有代表性和典型性的一節，主要學習內容包括：鋁、氧化鋁和氫氧化鋁的物理性質、化學性質、制備與應用；常見鋁鹽的化學性質。通過對流程圖中學生所提及的知識點進行分類統計，結果見表4。

由表4可較為直觀地看出學生對于“鋁及其化合物”知識的掌握情況、錯誤概念等。

鋁：關于鋁的物理性質，大多數學生基本能正確表述（93.33%），但少數學生錯誤地認為鋁具有較高的硬度和較高的熔點（10%）。關于鋁的化學性質，較多學生提到了鋁可以與非金屬單質（氧氣或氯氣）、酸、堿溶液以及鹽溶液反應（70%、80%、83.33%、50%），但只有較少學生提到“鋁具有較強的還原性”以及“鋁與堿溶液反應的實質”（23.33%、6.67%）。說明對于鋁的化學性質，只有少數學生能夠從氧化還原反應等反應原理上對其性質進行解釋與說明。而僅有少數學生提到關于鋁的制備方法以及實際應用（6.67%、13.33%），說明學生可能不夠重視這些知識。

氧化鋁：關于氧化鋁的物理性質，提及人數較少（16.66%）。而在化學性質中，較多學生提到氧化鋁是一層致密的氧化膜，氧化鋁分別能夠與酸、堿反應，生成相應的鹽和水（76.76%、83.33%、80%）。部分學生提到兩性氧化物這一概念（43.33%），較少學生錯誤地認為氧化鋁與堿反應生成氫氧化鋁沉淀和水（30%），說明學生對于物質性質的掌握停留在某一具體反應樣例層面，而不能夠從物質分類理論角度對其做出解釋說明。極少學生提到氧化鋁的實際應用（3.33%）。

氫氧化鋁：關于氫氧化鋁的物理性質，、較少學生提到其溶解性、吸附性（20%、6.67%）。而在其化學性質的描述中，較多學生提到氫氧化鋁分別可以與酸和堿反應生成相應的鹽和水（86.67%、83.33%）；部分學生能夠描述出“兩性氫氧化物”這一概念（46.67%）；部分學生提及氫氧化鋁的不穩定性（36.67%），較少學生卻錯誤地認為氫氧化鋁加熱分解的產物是氧化鋁與氧氣（10%）；較少學生錯誤地認為氫氧化鋁與過量的堿反應先生成偏鋁酸根，再生成鋁離子（10%）。提到氫氧化鋁制備方法、氫氧化鋁膠體可用于凈水和可以治療胃酸過多的學生較少（13.33%、6.67%、3.33%）。

兩種鹽：較多學生可準確描述出鋁鹽可以與堿反應以及偏鋁酸鹽可以與酸發生反應（76.67%、63.33%）。而能夠說出鋁鹽與強堿反應以及偏鋁酸鹽與強酸反應并根據其量值的差異生成不同產物的學生較少（20%、13.33%）。能夠說出鋁鹽與弱堿反應以及偏鋁酸鹽與弱酸反應的學生也較少 （33.33%、36.67%）。在此部分的錯誤概念中，部分學生認為鋁鹽、偏鋁酸鹽既可以與酸發生反應又可以與堿反應（23.33%、13.33%）；部分學生錯誤地認為偏鋁酸鹽可以與堿生成氫氧化鋁（16.67%）。說明學生在兩種鹽以及氧化鋁、氫氧化鋁等物質的性質中產生了混淆。

四、研究結論與啟示

結合學生的認知結構定性定量分析、問卷調查結果及其內容分析中相關的錯誤認知可以得出如下結論：

1.不同層次學生的認知結構存在顯著的差異，學生的紙筆測試成績與認知結構變量之間顯著相關。學習成績較好的學生其認知結構的整體性、層次性、深度和廣度以及認知結構變量中的廣度、豐富度、整合度都比學習成績較差的學生好。成績較好的學生，其頭腦中的知識點數目較多，且知識之間的網絡聯系較為緊密，認知結構的整體性較好。

2.鋁及其化合物知識的教與學存在一定誤區。絕大多數學生認為鋁及其化合物內容零散、龐雜、缺乏內在規律，沒有學習興趣；采取機械記憶或做練習題的方法進行學習；課堂效率較低，需要課下花費大量時間進行復習。在教學方面，多數教師忽略了實驗在教學中的重要作用，并且在實驗教學中不注重對學生思維的引導；部分教師本末倒置，忽略新授課的教學，而將教學重點放置在習題課的教學中。

3.學生對于鋁及其化合物知識的掌握存在不足與困難。存在的主要問題：①多數學生對于知識的掌握處于識記水平，未能從原理上真正理解知識的內涵，而只是通過機械記憶的方式記住了最終的結果；②學生的錯誤概念多為不同知識之間的相互混淆，未能建立起知識之間的相互聯系以及在不同知識之間產生了負遷移。

本研究得到如下啟示：（1）針對學生元素及其化合物知識學習現狀、鋁及其化合物內容分析中“多數學生對于知識的掌握處于識記水平”的問題，教師應引導學生運用相關理論將復雜知識系統化、結構化[5]；在教學過程中應注重知識形成的過程性；糾正學生不科學的學習方法，合理利用化學實驗，形成“結合實驗學知識”的意識；使用精細加工策略中的類比、聯想以及圖解等方式，以促進知識的有效內化。（2）針對學生“鋁及其化合物的應用”的學習困難，可以倡導學生用化學的視角去觀察身邊的物質和發生的事情，體會科學技術在社會生活中所起的重大作用，激發學習的熱情，培養社會責任感[6]；針對學生“反應物量不同，產物不同”的學習困難，可以設置相關實驗（如圖4），培養學生觀察能力和描述記錄實驗現象的能力，并學會運用“宏觀—微觀—符號”這一化學學科特有的思維方式分析性質實驗宏觀現象背后的微觀本質。此外，分別以添加試劑物質的量為橫坐標，以生成沉淀物的物質的量為縱坐標作出兩者關系圖，可以加強學生對反應產物的理解與判斷，且有利于培養學生的數形結合思維方式[7]（如圖5）；針對學生“將不同知識相互混淆”的學習困難，可以采用物質之間相互轉化的反應圖輔助教學，幫助學生從實驗事實中整理出鋁及其化合物變化的規律，更清楚地認識鋁及其化合物之間的相互聯系[8]。

參考文獻

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