不同層次高中生“離子反應”心智模型的測評及啟示

竇賞 閆春更 徐洋洋 張暉英 周青

摘要：采用紙筆測驗和半結構訪談法對不同層次高中一年級學生“離子反應”心智模型進行測查，發現學生圍繞“電解質”“離子反應”“離子共存”“離子方程式”等概念共建構了14種缺陷性心智模型。研究還發現，整體上學生學習成績越高，其持有科學模型比例越高而缺陷模型比例越低，但同時也出現了若干“反常”現象，即所有學生均在書寫離子方程式（遺漏）方面表現不佳，成績較高學生未表現出明顯優勢;在電離的概念與作用混淆等方面，成績較低學生反而表現更好。最后結合訪談對導致上述結果的原因進行了分析并給出了相關教學建議。

關鍵詞：離子反應;心智模型;教學建議;測評

文章編號：1008-0546（ 2020）08-0023-05

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.007

一、前言

心智模型是對外部系統的內在概念化表征[1]，影響著個體對外在事物進行描述、解釋和預測的行為與方式[2]。但由于學生心智模型建構受學習環境、學習方式及理解水平等因素的影響，不同層次的學生持有的心智模型在一定程度上存在區別，因此，測查不同層次水平學生頭腦中心智模型的建構及分布情況，可以幫助教師了解不同層次學生學習離子反應的學習困難及掌握程度，以進行針對性的有效干預或幫助學生自身進行完善糾正，以使得學生頭腦中的心智模型逐漸接近科學模型，實現有效教學。

離子反應是高中重要的知識內容之一，全面涉及“宏一微一符”三重表征，并在教材中向上聯系到初中水溶液中的酸堿鹽反應，向下則為氧化還原反應、電化學、熱力學等打下基礎。并且《普通高中化學課程標準（2017年版）》在離子反應部分要求學生能利用電離、離子反應對常見的反應進行分類和分析說明，能用電離方程式表示某些酸、堿、鹽的電離，能用離子方程式正確表示典型物質的主要化學性質[3]，對學生學習要求較深。目前還未發現關于離子反應心智模型的研究。因此，本研究通過編制研究工具對高中生“離子反應”心智模型進行測評、分析，以系統研究學生在離子反應認知中存在的不足，為改進離子反應的教學與學習提供參考。

二、研究對象與方法

1.研究對象

選取陜西省渭南市某中學高一理科同一教師任教的3個不同層次班級學生（普通班40人、重點班42人、火箭班30人）為研究對象，學生均在本研究開始前學習過人教版必修一第二章第二節離子反應相關知識。

2.研究方法

研究先進行紙筆測驗，再根據學生紙筆測驗作答情況對學生進行半結構訪談，以進一步了解學生持有的心智模型。心智模型的分類參考張京京[4]的分類將其劃分為科學模型和缺陷模型兩類，“科學模型”即學生在相關知識點形成的符合科學事實且相對完整正確心智模型，缺陷模型為非科學模型。紙筆測驗工具采用自編問卷《離子反應紙筆測試題》。通過對教材及離子反應相關概念課程模型研究，確定測試涉及的知識內容包括電解質、離子反應概念、離子共存、離子方程式4個部分。并與1名化學課程論專家和2名中學化學高級教師探討確定了紙筆測試問卷，對50名學生試測，Cronbachα信度系數為0.752，研究結果有一定參考價值。

問卷共包括14道判斷、6道選擇題、7道四段式測試題，其中“電解質”“離子反應”“離子共存”“離子方程式”所考查的知識數量分別為16個、15個、16個、16個。四段式測試題以二段式測試題為基礎，設置了信心指數段以在一定程度上避免學生猜題亂選，同時為了避免選擇題對學生知識表達的限制，在理由段設置了開放式選項，其中四段式測試題評判標準參照伊玉紅、王存寬等人的判斷標準[5]。

其中一道四段式測試題如下：

（1）在無色透明強酸性溶液中能大量共存的離子組是（ ）

A、K+、Na+、N03、Mn04

B、Mg2+、Na+、Cl-、SO2-

C、K+、Na+、Br-、Cu2+

D、Na+、Ba2+、OH-、Cl

你選擇此選項的信心指數為：（2）（必填）你選擇上述選項（或不選其他選項）的理由是：

你對理由陳述正確的信心指數為：

（3）你認為此題的難點在：

訪談提綱如下：（1）下列物質哪些為電解質，哪些為非電解質，請說明理由。①HNO3②NaOH③MgCl2④Fe203⑤S03⑥S⑦CaC03。（2）對以下概念或名詞進行解釋，它們之間是否存在聯系，請說明理由。①電解質②電離③離子反應④離子共存⑤離子方程式。（3）Fe2+在下列哪種溶液中不能存在，請說明理由。①無色②透明③c（H+）=10-13mol/L④pH=1。

三、研究結果與討論

1.電解質心智模型及分布

由表1可知，三個班（普通班、重點班、火箭班）持有“電解質概念”科學模型的比例都已超過半數，并且火箭班學生準確表述的比例大大超過普通班、重點班。但三個層次的學生依舊各自存在著一定比例的缺陷模型，并且火箭班相對于重點班和普通班所持有的缺陷模型比例多較低，這反映出火箭班學生對基本概念的理解掌握較深。

普通班、重點班、火箭班分別有48.78%、42.86%、13.33%的學生對電解質的概念認識模糊，表現為雖然知道電解質是可以電離的化合物，但忘記化合物可區分為電解質和非電解質，也會把某種單質也認為是電解質，這反映出學生忽視了對“化合物”這一定語的理解。持有電解質判斷缺陷模型的學生依據自身直覺對電解質和非電解質進行判斷，見到“導電”字詞則認為該物質就是電解質，有“不導電”字詞則不是電解質，這反映出學生對心智模型的建構停留在宏觀表象層面，普通班和重點班學生持有此模型的比例分別為65.85%、59.52%，都已超過50%比例，結合科學模型的學生持有比例說明有一部分學生雖然具備了正確概念但不能準確運用，反映出這部分學生對概念死記硬背、理解不夠。

學生在深入理解電解質知識方面也存在缺陷模型，即對電解質的認識停留在表面，直觀地認為能導電的物質就是電解質，或者知道物質不是電解質但對為何不是的原因進行錯誤解答，如有學生知道“S03不是電解質”，但在進一步詢問中發現學生只知道氣體不是電解質，但對為什么不是的原因不清楚，不明白S03溶于水導電的原因是與水反應生成的H2SO4可以電離，這反映出學生對與電解質或非電解質物質相關聯的深層機理不清楚，未深入到微粒反應層面進行認識從而形成了知識盲點，持有此模型的普通班、重點班、火箭班學生比例依次為46.34%、21.43%、6.67%，普通班學生持有此模型比例最高，說明普通班學生尚缺乏對深層次知識的學習。

三個班級的學生持有電解質的電離缺陷模型比例相當，對電離的概念、電解質和非電解質的本質區別即是否可在溶液中電離模糊，分析發現普通班學生大多認為電離就是離子導電的過程，這反映出學生們將電離的概念與作用混淆;重點班學生大多能說出電離的部分定義，但對電離的完整定義和作用模糊，反映出學生知識建構的不完整;通過訪談發現火箭班具有反常高比例的原因是學生不能很好地將電解質和電離聯系起來，不清楚正是由于物質可在溶液或熔融狀態下電離才被稱為電解質。結合訪談分析發現，普通班和重點班相比于火箭班則更重視基礎知識的學習，學生雖認識不深但都有基本理解，但火箭班學生輕視或忽視了電離的深入學習，將精力更多放在了電解質，未注重概念間的關聯性。

2.離子反應概念心智模型類型及分布

由表2可知，普通班、重點班、火箭班分別有53.66%、71.43%、96.67%較高比例的學生持有離子反應概念的科學模型，即離子反應是電解質在溶液中的反應實質上是離子之間的反應，這在一定程度上反映出學生掌握離子反應概念較為理想。但是，仍需注意到未持有科學模型的學生，他們不能說出離子反應概念或只能局部理解，認為“離子反應是電解質在溶液中的反應”觀點錯誤，這反映出學生的概念缺失和概念建構失范，普通班在此表現較為明顯，比例達46.34%。此外，訪談發現學生在離子反應概念相關聯的概念上聯系稍有不足，這在普通班和重點班較為明顯，學生持有比例分別為53.66%、52.38%，這說明學生至少未在本節內容中的電解質、電離、離子反應、離子共存幾個概念間建立聯系，反映出學生不能深入理解知識，認識到知識間的相關性，火箭班學生在此則掌握較好。值得注意的是，三個班的學生都有相當的比例對復分解反應類型的離子反應的條件和本質認識不足，如將復分解反應類型的離子反應的本質和條件混淆，認為復分解反應的本質是生成沉淀、放出氣體或生成水，而不是兩種電解質在溶液中相互交換離子，這說明學生對離子反應概念未理解，反映出學生對概念死記硬背、未有效關聯，不能靈活運用知識。

3.離子共存心智模型及分布

由表3可知，三個班持有離子共存科學模型的比例都較低。結合訪談發現因教材中沒有這部分知識、教師講課一語帶過、課堂更多時間用于鞏固離子反應題型、離子共存試題太難等原因而未重視，由此導致各個層次的大量學生產生了離子共存概念缺失，這反映出教師講的少則學生不重視以及忽視概念學習等問題，雖然火箭班學生的比例高于重點班，但訪談發現其對離子共存涉及到的多是規律的總結，認知層次上比重點班和普通班更深一些。

研究發現學生還存在對離子共存條件難以理解的缺陷模型，學生表現為不理解離子共存題中前提條件的意思，不理解有條件限制和無條件情況對離子共存的不同影響，如“無色”條件，學生不能明白“這組離子中不會存在Cu2+、Mn04-等具有特征顏色的離子”;“強酸性”條件，學生不能明白“這組離子中不能存在與H+反應的物質，如OH-、HC03等”。這反映出學生對基本化學知識掌握的不足、推理能力的缺乏以及不能對條件進行深層次挖掘，火箭班學生持有比例已達到約70%且三個班的比例極其相近，這反應了學生在此所具有的極大學習困難。

學生除了對條件難以理解外，還存在條件轉化困難，不能將題中給出的間接條件轉換為直接條件，如“pH=1的溶液”，學生不會將其轉化為“溶液中存在的H+濃度大”，如“c （H+） =1X10^-13mol. L^-1的溶液”學生不會轉化為“溶液中還有大量OH-或溶液中OH-濃度為0. 1mol.L^-1”。普通班、重點班、火箭班持有此類模型的比例分別高達92.68%、71.43%、66.67%，說明學生對此知識掌握的嚴重不足，反映出學生缺乏隱含條件推理的能力，對化學基本知識掌握不深。

4.離子方程式心智模型及分布

由表4可知，三個班的學生都能較好的掌握離子方程式的正確概念，普通班、重點班、火箭班的比例分別達到73.17%、85.36%、93.33%，未掌握此概念的學生多認為離子方程式是“用離子符號表示的反應的方程式”，往往忽略正確定義中“實際參加反應的”字句，反映出學生存在相異構想，因此導致學生在書寫離子方程式時錯誤百出。學生表現為不依據事實書寫離子方程式，或是學生不知道何為“依據事實書寫方程式”，如學生認為稀硫酸與鐵粉反應的離子方程式為2Fe+6H+一2Fe3++3H2↑，這反映出學生對事實認知不清。學生不遵循守恒思想書寫離子方程式，訪談發現學生想不起方程式的書寫需要遵循原子守恒、電荷守恒等規律，并在試題測試寫出“Ba（ OH）2=Ba+20H-”的錯誤表達式等，反映出學生對基本化學規律缺乏掌握。學生書寫離子方程式產生遺漏，如有學生認為氫氧化鋇溶液與稀硫酸反應的離子方程式為Ba2++SO2-=BaS04↓，這說明學生沒有把握全面，從整體認知到反應，值得注意的是，三個層次的學生持有此模型比例近乎一致，都達到40%及以上。此外，學生還存在離子方程式本身書寫錯誤，如Ba（OH）2= Ba+20H;電解質拆分錯誤，如碳酸鈉與鹽酸反應的離子方程式為CO3+2H+= H20+C02↑，這反映出學生基礎知識掌握不牢。

綜上所述，雖然有很大比例的學生掌握了離子方程式概念的科學模型，但仍然有較大比例學生持有各種缺陷模型，說明學生未對概念深入理解或對相關基礎知識如電解質拆分、守恒掌握不足，反映出這部分學生不能在微觀粒子和符號表征間建立良好聯系，學生對概念存在死記硬背的情況。

四、研究結論及啟示

不同層次學生心智模型測評顯示以下結果：

（1）不同層次的學生總體上持有4類共計14種缺陷模型，學生心智模型的建構具有不完整性。學生在處理問題時不能正確認識到知識本質，往往會導致學生從相異思路或相反思路理解及解決問題，如學生將電離的概念與作用混淆、離子反應的本質和條件混淆。學生在處理復分解問題的離子方程式時雖然有可能寫對，但是不能正確理解。

（2）普通班學生學習水平整體上低于重點班，重點班學生學習水平整體上低于火箭班，火箭班學生對電解質、離子反應、離子方程式主題科學模型及大部分缺陷模型的掌握情況都處于較優水平，重點班次之，普通班最差。

（3）學生心智模型的建構存在的若干“反常現象”，即在一些模塊的學習上火箭班、重點班、普通班三者表現幾乎一致，如不理解無色、透明等條件對離子共存的意義，離子方程式的書寫發生遺漏，甚至有些知識火箭班學生的掌握稍低于普通班或重點班，如將電離的概念與作用混淆、離子共存概念缺失、不遵循守恒原則。這表明火箭班的學生對于概念性等易于識記的知識掌握理想，但在一些需進行深入思考、思維轉彎等理解轉換性知識表現稍不如人意。這反映出學生在這些知識的學習上存在學習困難，如對知識體系把握不全、推理能力不足;也反映出教學方面可能存在未準確把握學生認知、概念的抽象性等特點致使學生難以深入理解等。

結合學生訪談和教師咨詢，分析導致上述結果的主要原因有以下幾方面：

（1）教與學的內容：一是忽視了最基本知識的教學與學習，對電離的關注比較欠缺，將精力更多放在了電解質。二是難以將各概念知識深入理解、整合關聯及運用，導致對各概念的學習模糊、混淆、難以深入本質、停留于表面，如對電離的概念與作用混淆;見到“導電”字詞則認為該物質就是電解質;知道“S03不是電解質”，但不能對其解釋;離子方程式的書寫錯誤百出。

（2）教的策略：各概念的教學較為分散，未協助學生在各概念間建立聯系，未充分發揮宏微符三重表征的認識功能，致使學生最終所學的知識整體上處于分散和割裂狀態。

（3）學的策略：學生對各概念如電解質、離子反應、離子方程式的學習大多死記硬背、缺乏關聯、主動探究知識本質的態度欠佳，致使知識理解不深，遷移不足，使教學難以達到預期的效果。

基于以上研究得出以下教學建議：一是加強電離的教學，充分發揮“電離”在“電解質”“離子反應”“離子方程式”等概念群建構中的支架作用。電離可以讓學生深入認識電解質概念，如化合物才會發生電離、是離子反應微觀認識的基礎、離子方程式書寫“拆”這一重要步驟的基礎、對發展學生的微粒觀具有重要作用[6]。二是合理運用概念圖、認知沖突、動畫、實驗[7]等方式幫助學生解決過多枯燥概念的學習及加強概念之間的理解聯系，如在離子反應中運用微觀粒子動畫加強學生理解;“導電的一定是電解質嗎？例如：銅單質。”[8]三是通過學生對離子反應相關知識和三重表征知識之間聯系的認識，增強學生用化學視角看問題、用化學思維解決問題的意識和能力，適當提升離子反應學習的深度和高度。

參考文獻

[1] Doyle J K， Ford D N.Mental models concepts for system [J].System Dynamics Review， 1998， 14（ 14）： 3-29

[2] 張丙香，畢華林，高中生氧化還原反應三重表征心智模型的測查研究[J].化學教學，2017（9）：13-18

[3] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：15-17

[4] 張京京.不同學生“路易斯結構”心智模型的研究[D].南京：南京師范大學，2015：18

[5]伊玉紅，王存寬，徐志軍，利用四段式測試題診斷高一學生化學鍵迷思概念[J].化學教育，2016，37（11）：47-51

[6]胡久華，王磊，支瑤，董穎，鄭文燕.促進學生認識發展的“電離和離子反應”專題的單元整體教學研究[J].化學教育，2013（4）：44-49

[7]張禮聰，實驗使概念不再抽象——以“離子反應”教學為例[J].化學教育，2015.36（3）：19-22

[8] 慈文飛，基于概念轉變的“電解質”教學設計研究[D].濟南：山東師范大學，2016：31-32

本文系國家社科基金項目中小學理科教材國際比較研究（高中化學）（AHA120008）研究成果。

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