城鄉中學九年級學生分子、原子心智模型的建構研究

郭勝文

摘要：學生對于科學概念的理解或者認識被稱為學生的心智模型。研究采用半結構訪談法，通過統計分析探討了城鄉中學九年級學生關于分子、原子概念的心智模型，訪談的對象是城鄉中學九年級學生。研究從學生關于原子模型的認識、學生對分子、原子的描述結果進行了分析，并對研究結果進行了討論。

關鍵詞：分子；原子；心智模型；半結構訪談法

文章編號：1008-0546（2017）07-0007-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.002

一、問題的提出

通過教學實踐發現，城鄉中學九年級學生學化學時，大部分學生都在“物質的構成奧秘”這一單元學習遇到困難后化學成績開始逐漸出現分化，跨過分子、原子這一難點的學生，后面的化學學習都比較順利，中考的化學成績也相對較理想；相反，若跨不過這一難點的，此類學生有相當一部分會轉化為化學學習的學困生。它們之間的具體對應關系請參見表1。

表1數據清晰地顯示第三單元“物質的構成奧秘”測試成績80以上的學生，中考成績都可以考到80以上；而“物質的構成奧秘”測試59分以下的學生中考成績都不理想，而且很多還成為九年級化學的學困生。

經查閱文獻資料后發現，學生對于一些科學概念，如“力”、“光”、“熱量”等都有自己的解釋，其中有些解釋存在顯著的個體差異，且不一定符合科學的意義[1]。此類學生對科學概念的“解釋”被稱為學生的“心智模型”。由于化學是主要研究物質的分子轉變規律的科學[2]，而Vosniadou又指出“心智模型指的是一種特殊的心理表達方式，即類比方式，由個體在認知過程中產生的[3]。化學教師如果充分了解學生對化學概念和原理的心智模式，將有助于選擇有針對性的教學方法完善學生的已有認知，提高教學的有效性[4]。城鄉中學九年級學生對于原子、分子概念的正確理解的程度，關系到他們能否深入并正確地認識到物質的變化本質，進而準確地認識到化學反應的本質。

二、研究方法

本課題采用個別訪談法進行研究，訪談問題的設計是半結構化的。通過查閱相關文獻，篩選并確定了4組問題作為訪談的基本內容。這些問題均隨具體情景呈現，以便能夠引導學生說出自己的真實想法而不是簡單重述課本中的定義。訪談的主要內容和程序如下：

（1）出示1塊銅片和1顆鋅粒。

“原子有生命嗎？”

“這些物質是由什么構成的？”

“所有物質都含有原子嗎？”

“原子能否看得到（如在高倍顯微鏡下）？”

（2）出示6種原子結構示意圖（見圖1）。

說明：

①太陽系模型 ②軌道模型 ③多重軌道模型

④軌函模型 ⑤電子云模型 ⑥球形

請被訪者選出其心目中最符合、較符合、較不符合和不符合的示意圖，并說出原因。

（3）出示2種水分子結構模型（見圖2）。

“哪一個能更好地表示水分子的實際結構，為什么？”

（4）受訪者120人，分別來自增城區石灘鎮第一中學九年級7個班，從中各選60名男生，60名女生，其中優生40人、中層生40人、學困生40人。訪談按照統一格式記錄，以便數據的匯總與分析。訪談在學生學完第三單元“物質構成的奧秘”并完成測試后開始進行。具體受訪對象人數類別見表2。

三、結果分析

訪談結果可概括為城鄉中學九年級學生對原子模型的認識與對原子、分子的描述。

1. 城鄉中學九年級學生對原子模型的認識

從6種原子結構示意圖中，各受訪者分別選擇了自己心目中最符合、較符合、較不符合的模型。此研究中將男生、女生、優生、中層生、后進生對6種原子模型做出的選擇分別統計在表3、表4、表5、表6、表7中。此外也將這5個表中的“最適合”和“最不適合”那一列的數據整合在一起轉換為折線圖（圖3、圖4）。橫坐標上的數字1到6分別與圖1的標號相對應。

結合表3、表4、圖3、圖4，通過比較分析，可以看出城鄉初中男生、女生對原子模型理解與認識都比較接近，各種模型選擇的人數都相差不大，如對太陽系模型的看法，男生選擇最符合的占8.3%，最不符合的56.7%；女生的選擇最符合的也是8.3%，最不符合的選擇是55%。相差不大，比較接近。而從圖3、圖4得知男生、女生最符合模型與最不符合模型的曲線都靠得很近，有部分曲線還重疊在一起。

另外，優生與中層生對原子模型的理解與認識差異不是很大，但與學困生差異較大，而且學困生幾乎都是隨意選的，就憑他們各自的理解與認識去看問題，對課本的分子、原子的模型，教師講授的分子、原子的模型應該沒有理解好，才出現如此大的差異。

綜合①至⑥的模型中，不論男生、女生、優生、中層生、學困生，大部分都選擇①是最不符合原子模型的，從而可以推知這些學生已經認識到微觀世界物質的運動與宏觀物質的運動是不同，微粒觀在他們的思想里已開始萌芽，并逐漸建立。

此外，九年級學生在最符合模型的認知上比較接近，從圖3的曲線就可以清晰地看出。但在最不符合模型的選擇上，就差異較大，可見九年級學生的認識還是相對比較分散。

在這些樣本中，優生偏愛電子云模型（約55%），他們的看法是電子繞著原子核在高速地無規則運動，但他們因受已有知識與經驗的局限，對軌函模型等的認識不足，他們都覺得④模型都不準確。

中層生也相對偏愛電子云模型，但很多無法準確描述出來，他們對原子模型的認識比較分散，他們表示還未完全理解與理清分子、原子的模型結構，這導致他們在對分子、原子模型的認知難免會出現一些混亂。

學困生選擇最多模型是⑥球形，至于原因，很多都說不清，其中一些看法是說這個模型是6個模型中最小的，也是最圓的。他們對很多原子的模型的最不符合與最符號都是比較混亂的，很大一部分都是憑感覺，憑喜好去選，而不會考慮書本分子、原子的模型以及教師為同學講授的相關知識。

2. 城鄉中學九年級學生對分子、原子的描述

（1）能主動提出原子的，男生（36個，60%），女生（40個，66.7%），女生偏高，但差距不大。但優生、中層生與學困生差距就比較大，優生與中層生對概念的理解都應該比較到位，而學困生很多已經將這個概念忘記了，或者需要提示才可以回答出來。

（2）原子有無生命與大小的問題，有學生感到回答此問題比較困難，但因為受到課本硅原子圖的影響，很多學生都選了可以看見。在回答看到的學生中，他們覺得顯微鏡可以看到電子在繞原子核高速運轉。

（3）物質的構成與原子的形狀男、女同學都基本可以將它們正確地描述出來，優生與中層生在這方面都描述得很清晰，但學困生在這方面，跟優生與中層生有較大的差距。

（4）電子層與電子云，調查發現，能提到電子層的男生、女生都相差不大，優生（40人，100%）與中層生（40人，100%），他們基本可以將電子層、電子準確地描述出來。

（5）對于分子模型，整個九年級的學生，都偏愛球棍模型，這可能受分子、原子間有間隔影響，覺得原子不可能如比例模型一樣，球與球之間緊密連接在一起。

四、結論與建議

通過對城鄉中學學生原子、分子心智模型的探查研究發現：

1. 對于分子、原子心智模型的認知，城鄉中學九年級學生男生、女生差異性并不大，有很大一部分還相同或者相似。可見，性別并不影響知識的建構。

2. 城鄉中學九年級學生偏愛分子的球棍模型，他們普遍認為球棍模型便于觀察，而比例模型沒有那么直觀，不便于觀察。

3. 大量學生對于“電子云”、“電子層”和“原子軌道”的理解不夠清晰，甚至就此形成了錯誤觀念。

4. 該年齡段的大部分學生偏愛簡單、具體的原子、分子模型。此外，學生建構的心智模型具有不完整性、不準確性和不穩定性。

5. 接近80%的城鄉中學九年級學生都能正確地理解原子構成，優生可以很清晰地將分子、原子的模型建構起來，中層生也勉強可以，但學困生就相對比較困難。對原子的形狀、核外電子的運動形式的認知與理解都是比較多樣性，所以提高這部分學生對原子結構的理解關鍵在于通過一些分子、原子反應的動畫，或者分子、原子的結構模型去協助學困生們逐步建立起原子形狀、核外電子運動形式的心智模型。

參考文獻

[1] Driever，R.et a1.Making sense of Secondary Science[M].London：Routledge，1994

[2] 唐敖慶等主編.科學哲學基礎[M].北京：科學出版社，1986：7-10

[3] Vosniadou，S.Capturing and modeling the process of conceptual change[J].Learning and Instruction，1988：4，45-69

[4] 麥裕華，楊健萍，何慶輝.高中生化學可逆反應心智模式的診斷和分析[J].化學教育，2012（5）：19

[5] Gentner，D.，&Stevens，A.L..Mental Moels[M].Hillsdale，NJ：Lawrence Erlbaum Associates，2002

[6] Kline，M..Mathematics and the search for knowledge[M].New York：Oxford University Press，1985

[7] 魏冰，賈玉江等.關于中學生的原子、分子心智模型的研究[J].化學教育，2001（3）：6