國外“溶液化學”主題教學研究進展與啟示

摘 要： 從迷思概念的測查、成因分析與教學策略研究三個方面梳理國外有關“溶液化學”主題的教學研究。研究表明：（1）不同年級、層次的學生群體持有相似的迷思概念；（2）導致學生形成迷思概念的原因是多方面的；（3）已開發的教學策略包括：微觀模擬策略、

POE策略、問題解決策略以及元認知策略等。據此評述國外有關研究對我國“溶液化學”主題教學及其研究的啟示。

關鍵詞： 溶液化學； 迷思概念； 教學策略； CPU模型

文章編號： 1005-6629（2024）11-0091-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

“溶液化學”作為中學化學課程體系中的核心主題之一，貫穿整個中學化學學習過程，如化學平衡、電化學、化學計量、化學反應動力學等都與“溶液化學”密切相關［1，2］。我國初、高中化學課程標準（以下簡稱“課標”）中均明確提出了溶液主題相關的學習要求，如從定性、定量視角認識溶液組成［3］，從電離、離子反應、化學平衡的角度認識電解質水溶液的組成、性質和反應等［4］。

然而，已有研究表明，各個年級與層次的學生在學習“溶液化學”相關概念時，均存在諸多迷思概念，難以準確地理解溶液的組成與性質，以及溶液中微粒的相互作用等［5，6］。為了解決“溶液化學”主題的教學難點，國內外眾多研究者進行了深入的探索，但文獻的時效性與系統性仍稍顯不足。基于此，本文對國外關于“溶液化學”主題的教學研究進行梳理，以期為我國化學教師和化學教育研究者的實踐和

研究提供有益的參考。

基于研究主題，筆者首先運用關鍵詞法，以“solution chemistry”與“electrolyte solution”作為主題詞，并規定年限為近20年以及研究層次為基礎教育，在Web of Science、 ERIC等數據庫上進行檢索，并運用溯源法在閱讀文獻過程中補充納入相關文獻。而后人工篩選與內容相關的迷思概念與教學策略研究［8］，最終確定與“溶液化學”主題相關的文獻共77篇。然后，對文獻的研究目的、研究對象以及研究方法等內容進行編碼，在此基礎上采取“自下而上”的方法進行觀點提煉與歸類。以下將從“迷思概念測查研究”“迷思概念成因分析”與“教學策略研究”等三個方面進行評述。

2 國外“溶液化學”迷思概念測查研究

迷思概念是指學生在學習過程中形成的與科學事實不符的錯誤理解或信念，若不加糾正，這些錯誤觀念可能會影響學生對新信息的理解與應用。因此，迷思概念的研究也一直是“溶液化學”教學領域重要的課題。在筆者選擇的77篇文獻中，有接近一半（37篇）的研究主題涉及迷思概念的測查，其中明確提出的測查方法包括測試法（頻次22）、訪談法（頻次12）、問卷法（頻次9）、課堂觀察法（頻次2）、概念漫畫法（頻次1）以及詞語聯想法（頻次1）。其中大部分測查研究采用了紙筆測試法、訪談法，甚至是兩者相結合以收集數據。

測查結果表明，不同年級與層次的學生群體存在相似的迷思概念，主要出現于“溶解與溶解度”“電離與電解質”“酸與堿”與“鹽類的水解”等四部分內容。

2.1 有關“溶解與溶解度”的迷思概念

學生通常能根據直觀經驗簡單地從宏觀角度判斷溶解行為的發生，也能記住與溶解度相關的表達式，但對于溶解的過程、溶解的平衡、飽和的狀態及溶解度的變化等內容的認識往往存在偏差。具體表現見表1。

2.2 有關“電離與電解質”的迷思概念

電離是認識“電解質”“非電解質”“強電解質”與“弱電解質”等概念的基礎，有助于學生從微粒視角認識物質在不同狀態下的存在形式。然而，無論是“電離”還是“電解質”，學生均存在迷思概念。具體表現見表2。

2.3 有關“酸與堿”的迷思概念

“酸”和“堿”是中學化學課程中的

重要概念，相關迷思概念測查主要圍繞酸堿性的強弱與判斷、pH的定義與計算、緩沖溶液的組成、緩沖的范圍及緩沖的能力。具體表現見表3。

2.4 有關“鹽類的水解”的迷思概念

鹽類的水解較為抽象且復雜，需要綜合宏觀、微觀和符號三個視角進行理解，學生往往會由于概念混淆、簡化及對水解的條件與水解的類型的理解不足而產生迷思概念。具體表現見表4。

梳理以上測查結果可以發現，在學習“溶液化學”主題時，學生普遍存在將直觀經驗與科學概念混淆的問題，他們傾向于從宏觀角度而非微觀層面來解釋化學現象。此外，學生在理解水溶液化學過程時往往過度簡化，不了解“溶解”“電離”以及“水解”等過程的本質。同時，學生對化學動態平衡的概念也缺乏深入認識，未充分把握平衡狀態的動態性和可逆性。

3 國外“溶液化學”迷思概念的成因分析

測查迷思概念最終是為了改進教學，在此之前，需要先深入分析導致學生產生迷思概念的原因。通過對文獻進行梳理，可以發現研究者們主要通過問卷調查與訪談，從客觀因素（教材層面、教師層面）與主觀因素（學生層面）兩個方面展開分析。

3.1 教材層面的成因

一是抽象概念的具體化不足。研究指出，教材對溶液化學相關抽象概念的呈現不夠具體，如未提供足夠的微觀表征實例與練習［45］、缺少展示微觀表征在不同情境下的應用［46］，均易導致學生產生迷思概念。

二是課程內容的連貫性欠佳。教材可能在不同章節中分別介紹相關概念，卻未明確概念間的聯系，不利于學生形成對概念的全面認識。譬如，在Raymond Chang等人編寫的第10版《General Chemistry》教材的第4章中使用了溶解度的公式以預測沉淀物的形成，在第12章介紹溶解的類型，最終在第16章研究了溶解平衡。這種缺乏聯系的呈現方式可能會導致學生認為這些概念之間沒有聯系，而實際上它們是相互關聯的。［47］

3.2 教師層面的成因

許多研究都分析了教師對學生概念理解的影響，經梳理發現這些研究都體現了教師的CPU（chemistry pedagogical understanding，化學教學理解）［48］對學生學習的影響。根據CPU模型，可將前述迷思概念歸因于教師的化學學科理解、化學學情知識、化學策略知識等三個CPU組分的影響。

從化學學科理解角度分析，如果教師對化學學科知識及其思維方式方法的認識不夠“本原”與“結構化”［49］，可能不利于學生形成對概念的正確、全面認識。譬如，有研究發現教師在解釋飽和溶液時，常使用不正確的模型或類比，他們傾向于使用“空間概念”理解溶解現象，認為飽和溶液中不能再溶解更多的溶質是因為溶劑粒子間的空隙已被填滿［50］，這反映了他們對“溶解”現象的認識不夠深入，從而可能將這種誤解傳遞給學生，測查結果也表明學生確實存在類似的迷思概念。

從化學學情知識方面來看，教師對學生學情的把握不準確也會造成學生的學習困難［51］。譬如，在酸堿概念教學中，教師未意識到學生缺乏微觀表征的訓練，更多地關注宏觀與符號表征，阻礙了學生對酸堿概念的全面理解，導致學生在理解多元酸的分步電離過程存在理解上的偏差［52］。

在化學策略知識層面，許多研究都強調了教師采取合適的直觀化教idxvF/+5YAn0Rz9syxPbM4SKKpmnBfYlQvfIPFWnKmQ=學方式與策略的重要性。譬如，在講授電解質和非電解質部分內容時，使用增強現實（AR）技術輔助教學可幫助學生理解溶液中的微觀過程，若沒有使用這項技術，學生可能無法直觀地看到離子在溶液中的運動，從而產生迷思概念［53］。

3.3 學生層面的成因

第一，學生的生活經驗，包括他們的直觀感受與以往的學習經歷都可能會影響他們對新知識的接受和理解［54，55］。譬如，他們可能根據日常生活的經驗錯誤地認為所有由強酸和強堿形成的鹽都是中性的［56］，也可能因為在生活中更多接觸到酸而導致他們認為酸比堿更活躍和危險［57］。

第二，學生的認知結構的水平也制約著其對科學概念的理解。當認知結構與科學概念的邏輯基礎不匹配時，也容易產生迷思概念［58，59］。譬如，學生錯誤地將溶解過程理解為“融化”，可能是由于其對溶解過程的認知結構中缺乏對物質在微粒層面上相互作用的理解，未將溶解過程與物質微粒的性質（如極性）聯系起來，而是根據宏觀經驗將其視為物質狀態的變化［60］。

此外，學習風格也會影響學生對概念的理解［61］。當學生的學習主要依賴記憶而不是理解時，其往往難以進行概念的正確應用，導致容易混淆相近的概念，如“飽和溶液”與“過飽和溶液”［62］。

總體而言，國外研究者在從不同角度探討迷思概念成因的同時，也論述了這些因素的影響機理。與國內研究類似，國外的研究也分析了學習動機［63］與學習滿足感［64］等因素對學生概念理解的影響。

4 國外“溶液化學”教學策略的實證研究

為協助教師糾正學生關于“溶液化學”的迷思概念，國外研究者開發了各種有效的教學策略。總體上主要包括兩種類型：一類是以微觀模擬策略為代表的，側重于幫助學生理解抽象概念的教學策略；另一類則是包括POE策略、問題解決策略、元認知策略在內的，側重于學生高階思維培養的教學策略。

4.1 微觀模擬策略

微觀模擬策略較具化學學科特色，常使用計算機軟件或物理模型來模擬分子、原子以及它們之間的相互作用以促進學生對微觀事物或概念的理解。Nuraida（2021）采用了PhET（Physics Education Technology）模擬軟件來輔助高中學生學習酸堿概念，學生通過PhET模擬界面進行操作，觀察不同酸堿溶液的微觀狀態，并學習如何將宏觀現象與分子層面的行為聯系起來。研究結果表明，模擬軟件的使用顯著提高了學生在微觀層面上對酸堿概念的理解，幫助他們克服了關于酸堿強度和溶液酸堿性方面的迷思概念［65］。類似的還有Nurrohmah（2020）團隊的研究，他們將增強現實（AR）技術應用于電解質相關概念教學中，通過呈現微觀動畫以激發學生的學習興趣，同時增強其對抽象科學概念的理解［66］。

4.2 POE策略

POE（Predict-Observe-Explain，預測-觀察-解釋）策略通過三個連續步驟促進學生主動學習，鼓勵其對自己的預測進行批判性思考，在提高其科學探究技能的同時促進概念的轉變。譬如，Kala（2013）在對學生有關pH、pOH和酸堿有關概念的教學中就運用了POE策略，其先通過學生對某些溶液的pH和pOH的預測結果收集學生的前概念與迷思概念，而后分析其對實驗現象的解釋，再結合半結構化訪談深入測查學生對酸堿化學概念的理解，最終結合計算機模擬等可視化教學方法進行了迷思概念的糾正［67］。

4.3 問題解決策略

問題解決的教學策略一般包括創設恰當的問題情境、指導學生正確表征問題、調控學生的問題解決過程、促進學生知識的整合以及合理評價學生的問題解決過程等五個環節［68］。Winarti（2021）開發了以“碳酸飲料中的碳酸”“防腐劑”“洗滌劑”和“海水”為主題的困境故事，通過設計學生工作表和困境故事工作表，引導學生識別和理解化學概念在解決環境問題中的應用，再以在線指導的方式，幫助學生在解決工作表中的困境故事時應用化學知識進行決策，困境故事的使用促進了學生對溶液化學內容的理解與整合。此外，研究者也評估了學生對困境故事的反應和工作表的完成情況，以及學生對相關概念的理解和應用［69］。類似的還有Kusumah（2020）利用基于PBL（Problem-based Learning，問題解決學習）的鹽類水解模塊進行教學干預的研究，研究結果也展現了問題解決策略在促進學生正確理解化學概念上的有效性［70］。

4.4 元認知策略

元認知策略指個體對自身的認知過程的認識、監控和調節，對教師而言，可通過設定清晰的學習目標、傳授多樣化的學習策略、鼓勵學生進行自我監控和反思等方法促進學生元認知水平的提升，從而發展其對化學概念的深入理解。Syahmani（2021）使用了一種由元認知問題輔助的引導性探究學習模型（Guided Inquiry Learning Model）進行緩沖溶液概念的教學，主要是在探究教學的各個階段穿插元認知問題。例如，教師先提出一個與緩沖溶液相關的問題，如“為什么向醋中加入小蘇打可以減少酸味”，學生需要思考“這個問題是關于什么的”“關于這個問題有什么數據或假設”“可以采用什么策略來解決問題”以及“為什么這是一個合適的策略”等多個元認知問題，經過兩個周期的干預后，學生的元認知能力與對緩沖溶液等概念的理解水平有了顯著提升

［71］。

5 對我國“溶液化學”主題教學和研究的啟示

如上所述，目前國外有關“溶液化學”主題的教學研究主要涉及迷思概念的測查、成因分析以及教學策略的開發等方面。據此，本文分別從教學實踐與實證研究兩個方面對國外已有研究進行借鑒或拓展，并提出相應建議。

5.1 對化學教師教學實踐的建議

在教學內容方面，教師應超越單一概念的講授，致力于構建概念間的整合聯系，可進行單元整體設計教學或采用概念圖法進行評價，通過顯化“溶液化學”主題及其有關知識概念間的聯系以促進學生形成結構化的知識體系。這對教師關于“溶液化學”主題的概念架構［72］提出了較高的要求，即要求教師對“溶液化學”主題涵蓋的知識及其承載的學科觀念要有本原性、結構化的認識。因此，建議教師在處理“溶液化學”主題的教學內容時，通過分析“課標”、教材以及文獻，提煉出該主題下的學科本原問題（如為什么鹽可以發生水解、如何證明發生了水解），然后自己畫出該主題的知識架構圖［73］；還可以通過分析知識承載的學科觀念與功能價值進一步形成概念架構圖并與專家和同行交流，提高自身對該主題內容的結構化認識水平。

就教學實踐而言，鑒于前述介紹的多種策略在提升學生概念理解水平等方面成效顯著，教師可結合教學實際采取相應的策略。譬如，在教授“離子反應”部分內容時，教師可使用“問題解決策略”，先創設化學實驗情境“稀H2SO4與Ba（OH）2溶液混合后會發生什么”，激發學生探究欲望，再引導學生從宏觀微觀相結合的視角對問題進行正確表征；緊接著融合“POE策略”調控學生的問題解決過程；最后運用模型教學法（離子反應認識模型）與可視化工具（電導率變化圖）進行教學以促進080cf101898993b29a0ad470d0ad899a8f3ccdd688013d63d31a0c144e5ecf18學生對“離子反應”概念的理解［74］。

5.2 對化學教育實證研究的建議

在研究對象方面，國外相關研究的對象涉及范圍廣，在關注不同年級學生學習現狀的同時，也關注到教師的概念理解情況與教學行為。然而，國內對“溶液化學”主題的研究主要聚焦于中學生的學習情況上，鮮有關注教師群體的研究。但經過前述分析發現，教師的學科理解水平及其教學策略的選擇可能會影響到學生對概念的理解。因此，國內后續的研究可借鑒國外已有的研究方法，以教師為研究對象探索促進學生認識發展的新路徑。

在研究方法方面，國外研究者主要采用測試法、問卷法以及訪談法進行測查，在這一點上與國內的研究是類似的。不同的是，國外有較多研究使用三段式或四段式測試法，因其能更準確區分緣由從而更好地測查學生的迷思概念。然而，這兩種方法目前在國內研究中的使用仍然較少。因此，建議后續的研究可考慮將原有二段式測試題進一步發展為三段式或四段式測試工具，以獲得效度更高的測查結果。

在測查主題方面，國外相關研究主要聚焦于單個或少數幾個核心概念的測查，測查方式較為孤立。然而近年來，國內研究者注意到概念間的聯系對學生概念理解的影響，開始以一種統整的視角對“溶液化學”主題的多個核心概念進行整體測查［75］，這也為后續研究提供了有益的參考。

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