“沉淀溶解平衡”認(rèn)知結(jié)構(gòu)測查及其學(xué)習(xí)困難分析

白潔+閆春更+寇向博+周青

摘要：采用流程圖法探測高中生有關(guān)“沉淀溶解平衡”的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，學(xué)生的紙筆測驗(yàn)成績與其認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、信息檢索率分別顯著相關(guān)；學(xué)習(xí)成績較高的學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完備性好、延伸性強(qiáng)、系統(tǒng)性強(qiáng)、抽象概括水平高；學(xué)生“沉淀溶解平衡”認(rèn)知的主要錯(cuò)誤集中體現(xiàn)在“平衡影響因素”及“沉淀溶解平衡常數(shù)”方面，最后給出了相應(yīng)的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：沉淀溶解平衡；認(rèn)知結(jié)構(gòu)；學(xué)習(xí)困難；流程圖法；教學(xué)建議

文章編號：1008-0546（2016）10-0002-05 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.10.001

一、提出問題

“沉淀溶解平衡”是人教版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》第三章“水溶液中的離子平衡”第四節(jié)的內(nèi)容。此前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了溶解度、化學(xué)平衡等知識，學(xué)習(xí)了從化學(xué)平衡的角度去分析弱電解質(zhì)的電離、水的電離、溶液的酸堿性及鹽類的水解等現(xiàn)象。由于沉淀溶解平衡知識在實(shí)際生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究中的應(yīng)用十分廣泛，加之沉淀溶解平衡知識本身涉及的知識儲備較多，導(dǎo)致這一內(nèi)容成為高中化學(xué)教學(xué)的重難點(diǎn)之一。

目前關(guān)于“沉淀溶解平衡”的教學(xué)研究主要集中在教學(xué)設(shè)計(jì)與反思、教學(xué)策略研究、知識分析與習(xí)題解答等方面，而對學(xué)生具體學(xué)習(xí)結(jié)果與困難的研究較少。劉瑞東在《高中生化學(xué)平衡迷思概念的調(diào)查研究》中對沉淀溶解平衡的迷思概念進(jìn)行測查，得出學(xué)生的迷思概念集中于：學(xué)生單純地認(rèn)定只要是加入固體就不影響平衡系統(tǒng)內(nèi)各溶質(zhì)的濃度；難溶性鹽類易電離或是以為鹽類皆可溶；加入溶劑不影響平衡；以鹽類中所含金屬的活動性大小判斷平衡移動的方向等[1]。許凱旋在其碩士論文中對沉淀溶解平衡的迷思概念以及來源進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的教學(xué)建議[2]。這些研究能夠在一定程度上反映學(xué)生關(guān)于“沉淀溶解平衡”學(xué)習(xí)的真實(shí)情況，但大多是對學(xué)生認(rèn)知的片段式、零碎化的反映，未能對學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)地表征和呈現(xiàn)，未能探查有關(guān)具體內(nèi)容的認(rèn)知結(jié)構(gòu)結(jié)果與學(xué)生紙筆測驗(yàn)成績之間的關(guān)系。因此，本研究針對學(xué)生有關(guān)“沉淀溶解平衡”的認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測查，呈現(xiàn)了學(xué)生相關(guān)認(rèn)知的圖形化整體表征結(jié)果，比較了學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)及其與紙筆測驗(yàn)成績之間的關(guān)系，分析了學(xué)生存在的學(xué)習(xí)困難，并給出了針對性的教學(xué)建議。

二、研究對象與方法

1. 研究對象

本研究選取西安市某中學(xué)高三30名學(xué)生進(jìn)行訪談錄音及紙筆測驗(yàn)（在高三一輪復(fù)習(xí)結(jié)束一周后實(shí)施訪談錄音）。測驗(yàn)涉及的學(xué)科知識內(nèi)容為人教版高中化學(xué)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》中的“沉淀溶解平衡”。

2. 研究方法

本研究采取流程圖法[3-5]測查學(xué)生相關(guān)認(rèn)知結(jié)構(gòu)，其基本步驟如下。

第一步，訪談錄音。提出不含任何提示性語言的三個(gè)問題：①關(guān)于沉淀溶解平衡你認(rèn)為有哪些重要的知識點(diǎn)或重要概念？②你對以上所說的知識點(diǎn)或概念能不能描述更詳細(xì)（具體）一些？③你能告訴我以上所說的知識點(diǎn)之間有什么聯(lián)系嗎？對學(xué)生的回答過程進(jìn)行錄音。

第二步，轉(zhuǎn)錄并繪制流程圖。將學(xué)生的訪談錄音轉(zhuǎn)化成文字形式，并用順序箭頭和回歸箭頭分別表明其中的概念呈現(xiàn)順序和概念重現(xiàn)關(guān)系（見圖1）。例如，在學(xué)生1的流程圖中，敘述5提及“沉淀溶解平衡的特征包括：逆、等、動、定、變”，敘述6、7、8、9分別對上述“逆”“等”“定”“變”進(jìn)行了說明，即出現(xiàn)了“逆”“等”“定”“變”等信息的重現(xiàn)，因此有4個(gè)由敘述6、7、8、9指向敘述5的回歸箭頭。

第三步，基于流程圖的變量統(tǒng)計(jì)和內(nèi)容分析。變量統(tǒng)計(jì)涉及認(rèn)知結(jié)構(gòu)的五個(gè)核心變量即廣度、豐富度、整合度、信息檢索率、錯(cuò)誤描述，內(nèi)容分析主要從質(zhì)性評價(jià)的角度對學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)。

三、結(jié)果與討論

1. 個(gè)體認(rèn)知結(jié)構(gòu)差異分析

根據(jù)流程圖計(jì)算認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量的方法如下：①廣度：用流程圖中的知識點(diǎn)數(shù)目表示，即學(xué)生1、2、3認(rèn)知結(jié)構(gòu)廣度依次為20、12、4。②豐富度：以流程圖中回歸箭頭的總數(shù)來表示，如學(xué)生1認(rèn)知結(jié)構(gòu)的豐富度為17。③整合度：用[豐富度/（廣度+豐富度）]的值來表示，如學(xué)生1認(rèn)知結(jié)構(gòu)的整合度為17/（17+20）=0.46。④錯(cuò)誤數(shù)：出現(xiàn)錯(cuò)誤敘述的知識點(diǎn)總數(shù)，如學(xué)生1認(rèn)知結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤數(shù)為2。⑤信息檢索率：表示被試回憶知識時(shí)的效率，用（廣度/時(shí)間）的值表示。如學(xué)生1認(rèn)知結(jié)構(gòu)的信息檢索率為20/191=0.104。

表1展示了3名學(xué)生“沉淀溶解平衡”認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

由表1可見，學(xué)生1“沉淀溶解平衡”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、整合度、信息檢索率均明顯優(yōu)于學(xué)生2、3，說明學(xué)生1“沉淀溶解平衡”的相關(guān)知識最為完備，知識間的聯(lián)系豐富、整合度高，具有更高的信息檢索效率即其認(rèn)知結(jié)構(gòu)的可利用性更強(qiáng)。

結(jié)合圖1內(nèi)容可見，學(xué)生1的認(rèn)知遵循了（括號內(nèi)為所包含的知識點(diǎn)數(shù)目）：沉淀溶解平衡的概念的內(nèi)涵與外延（4）、基本特征（5）、影響因素（3）、平衡常數(shù)（6）、應(yīng)用（2）的邏輯順序，條理分明且覆蓋知識點(diǎn)最為全面。學(xué)生1首先描述了對沉淀溶解平衡的輪廓性認(rèn)識，即研究對象為難溶電解質(zhì)，溶解度小，飽和狀態(tài)，屬于化學(xué)平衡等，這些輪廓性認(rèn)識是學(xué)生建立清晰、穩(wěn)固的“沉淀溶解平衡”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的重要著力點(diǎn)，有助于學(xué)生將新舊概念相聯(lián)系，通過清晰的邏輯關(guān)系與有意義的聯(lián)系實(shí)現(xiàn)新知識結(jié)構(gòu)的“自然生長”，也有利于學(xué)生完善或拓展對飽和溶液、化學(xué)平衡等知識的原有認(rèn)知。學(xué)生1的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中遺憾地出現(xiàn)了兩條錯(cuò)誤敘述，分別是對Ksp和Q的定義表述，均忽略了相關(guān)離子的系數(shù)。

學(xué)生2按照沉淀溶解平衡的概念內(nèi)涵（2）、基本特征（1）、平衡常數(shù)（2）、影響因素（5）、應(yīng)用（2）等順序進(jìn)行了表述，覆蓋知識點(diǎn)較為全面但存在局部缺陷。與學(xué)生1相比，學(xué)生2認(rèn)知結(jié)構(gòu)并不存在明顯的結(jié)構(gòu)性缺陷，但存在認(rèn)知結(jié)構(gòu)的平衡性失調(diào)現(xiàn)象，即更多關(guān)注了沉淀溶解平衡的具體影響因素，較為忽視對概念內(nèi)涵、平衡特征和平衡常數(shù)的認(rèn)知。另外，同樣是對于沉淀溶解平衡影響因素的認(rèn)知，學(xué)生2更多地基于具體案例進(jìn)行說明（如敘述7、8），相比之下，學(xué)生1的相關(guān)認(rèn)知的抽象概括水平較高（如敘述11、12）。

學(xué)生3主要從沉淀溶解平衡的平衡常數(shù)（1）、影響因素（3）兩方面進(jìn)行表述，其認(rèn)知存在較為明顯的結(jié)構(gòu)性缺陷，即對沉淀溶解平衡的概念內(nèi)涵、基本特征、應(yīng)用等內(nèi)容沒有明確的建構(gòu)。與學(xué)生2相似，學(xué)生3對沉淀溶解平衡影響因素的敘述也對案例或情境的依賴性較強(qiáng)即抽象性水平略低，如敘述3“加水，平衡正向移動”其實(shí)是濃度因素的具體化體現(xiàn)，敘述4“絕大多數(shù)沉淀溶解為吸熱過程，升溫，平衡正向移動”同樣關(guān)注了“大多數(shù)情況”“升溫”這一情境或案例的具體結(jié)果。

從學(xué)生1、2、3認(rèn)知結(jié)構(gòu)的質(zhì)性比較可見，學(xué)習(xí)成績較高的學(xué)生（學(xué)生1）認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完備性好、延伸性強(qiáng)、系統(tǒng)性強(qiáng)、抽象概括水平高；學(xué)習(xí)成績中等的學(xué)生（學(xué)生2）認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完備性較好、平衡性欠佳、抽象水平不高，存在局部認(rèn)知缺陷；學(xué)習(xí)成績較低的學(xué)生（學(xué)生3）認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完備性差，較多的認(rèn)識缺陷可能是導(dǎo)致其成績低下的內(nèi)在原因。

2. 認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量和學(xué)業(yè)成績的相關(guān)性分析

表2是用SPSS20.0軟件處理的學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量與學(xué)業(yè)成績的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

由表2可見，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績與其“沉淀溶解平衡”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、信息檢索率等變量分別顯著相關(guān)。這說明具有高學(xué)業(yè)水平的學(xué)生對相應(yīng)知識的掌握越完整、知識點(diǎn)之間的聯(lián)系越多，從而越容易提取相關(guān)知識。結(jié)合圖1中三名學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的質(zhì)性比較可見，學(xué)生1認(rèn)知結(jié)構(gòu)中知識點(diǎn)數(shù)目多且聯(lián)系緊密，其信息檢索率明顯高于學(xué)生2、3的主要原因在于其認(rèn)知的條理性和清晰性更強(qiáng)。較高的信息檢索率也是其認(rèn)知結(jié)構(gòu)可利用性的保證，即檢索率越高的學(xué)生在問題解決中對相關(guān)知識的提取會更加有效，問題解決效果更好，成績也更為突出。

學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度分別與豐富度、整合度、信息檢索率等顯著相關(guān)，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能是由“沉淀溶解平衡”內(nèi)容本身的特征決定的?！捌胶馓卣鳌薄捌胶獾挠绊懸蛩亍钡染忻鞔_的“團(tuán)化”現(xiàn)象：即學(xué)生一旦能回憶起平衡的基本特征有“逆”“等”“動”“定”“變”，往往能進(jìn)一步引出每個(gè)具體特征的表現(xiàn)；學(xué)生一旦能回憶起平衡的影響因素有溫度、濃度，也往往會分別就溫度、濃度因素進(jìn)一步說明。上述知識點(diǎn)間的內(nèi)在聯(lián)系成為學(xué)生在回憶該領(lǐng)域知識時(shí)有效的“信息提取線索”，增強(qiáng)了其認(rèn)知結(jié)構(gòu)的可利用性。

3. “沉淀溶解平衡”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的內(nèi)容分析

對30名學(xué)生關(guān)于沉淀溶解平衡的認(rèn)知結(jié)構(gòu)流程圖中的知識敘述進(jìn)行歸納，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

沉淀溶解平衡的特征：有56.67%的學(xué)生認(rèn)知涉及沉淀溶解平衡的特征，總體比例不是很高。談到“逆”這一特征的學(xué)生最多，其百分比為36.67%，但也有少數(shù)學(xué)生認(rèn)為沉淀溶解平衡時(shí)不再有沉淀生成?？梢姡糠謱W(xué)生在對沉淀溶解平衡特征的認(rèn)知中，不能很好地將宏觀結(jié)果（靜態(tài)的沉淀量）與微觀本質(zhì)（動態(tài)的沉淀溶解與沉淀生成的平衡）區(qū)分開來。

沉淀溶解平衡的影響因素：有86.67%的學(xué)生敘述內(nèi)容涉及沉淀溶解平衡的影響因素，總體比例最高，說明學(xué)生對該類知識內(nèi)容掌握豐富。其中提到溫度、濃度影響因素的學(xué)生分別占70.00%、50.00%，但談到溫度、濃度對平衡的具體影響的學(xué)生較少，僅分別占43.34%、26.67%，且錯(cuò)誤描述所占比例較大，而且部分學(xué)生談到了壓強(qiáng)和催化劑。其原因可能是學(xué)生將化學(xué)平衡的影響因素機(jī)械地遷移到沉淀溶解平衡的認(rèn)知中，只注意到二者的共性而忽視了沉淀溶解平衡的特殊性；部分學(xué)生將平衡的影響因素與速率的影響因素混淆。在談到溫度對平衡的影響因素時(shí)不少學(xué)生默認(rèn)了沉淀溶解為吸熱的過程而得出“溫度升高，平衡右移”的錯(cuò)誤推論，只有少數(shù)學(xué)生能覺察到這一推論中隱含的邏輯錯(cuò)誤，選擇了諸如“溫度升高，平衡向吸熱方向移動”等概括性強(qiáng)而正確的表述方式。綜上可見，學(xué)生對沉淀溶解平衡影響因素的認(rèn)知受一般化學(xué)平衡知識的影響較大，且對沉淀溶解平衡的特殊性認(rèn)識不足，學(xué)生傾向于記憶一些結(jié)論明確的知識點(diǎn)，但往往忽視了這些結(jié)論成立的條件（特定的情境）。

沉淀溶解平衡常數(shù)Ksp及相關(guān)知識：沉淀溶解平衡常數(shù)為Ksp，該模塊教學(xué)要求學(xué)生掌握Ksp的計(jì)算與應(yīng)用。從表3可知，有83.33%的學(xué)生敘述內(nèi)容涉及沉淀溶解平衡常數(shù)Ksp及其相關(guān)知識，總體比例很高，但談到Ksp計(jì)算的學(xué)生只占36.67%。有10.00%的學(xué)生認(rèn)為“Ksp越大，沉淀的溶解度越大”，這說明學(xué)生對溶解度、溶度積常數(shù)概念間的關(guān)系不夠清楚。

沉淀溶解平衡的應(yīng)用：只有46.67%的學(xué)生敘述內(nèi)容涉及沉淀溶解平衡的應(yīng)用，總體比例較低。其中20.00%的學(xué)生敘述內(nèi)容涉及沉淀的轉(zhuǎn)化，16.67%的學(xué)生敘述內(nèi)容涉及沉淀溶解平衡的其他應(yīng)用，只有個(gè)別學(xué)生能聯(lián)系生活實(shí)際，舉例說明沉淀溶解平衡在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用。這說明很少有學(xué)生能夠?qū)⒅R與具體生活情境相聯(lián)系，側(cè)面反映了學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力較差，這就要求教師在教學(xué)過程中應(yīng)加強(qiáng)化學(xué)與生活的聯(lián)系。

四、結(jié)論與建議

本研究通過對學(xué)生“沉淀溶解平衡”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的測查，得出以下結(jié)論：①學(xué)生的紙筆測驗(yàn)成績與其“沉淀溶解平衡”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、信息檢索率分別顯著相關(guān)。②學(xué)習(xí)成績較高的學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完備性好、延伸性強(qiáng)、系統(tǒng)性強(qiáng)、抽象概括水平高；學(xué)習(xí)成績中等的學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完備性較好、 平衡性欠佳、抽象水平不高，存在局部認(rèn)知缺陷；學(xué)習(xí)成績較低的學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完備性差，較多的認(rèn)識缺陷是導(dǎo)致其成績低下的內(nèi)在原因。③學(xué)生“沉淀溶解平衡”認(rèn)知的主要錯(cuò)誤集中體現(xiàn)在“平衡影響因素”及“沉淀溶解平衡常數(shù)”方面。其原因主要有兩方面：學(xué)生將一般化學(xué)平衡知識機(jī)械地遷移于“沉淀溶解平衡”學(xué)習(xí)中；學(xué)生傾向于記憶有情境背景的案例式結(jié)論性知識，但往往忽略這些知識其成立的條件。據(jù)此，提出以下若干教學(xué)建議。

（1）合理發(fā)揮前概念（或已有認(rèn)知）的積極作用，盡量消除其不利影響。沉淀溶解平衡教學(xué)中，可以充分利用學(xué)生已有認(rèn)知中“溶解度”“飽和溶液”“化學(xué)平衡”等概念，建立清晰而豐富的新舊概念間聯(lián)系，準(zhǔn)確把握沉淀溶解平衡的內(nèi)涵與外延。同時(shí)，可采取多種策略強(qiáng)化學(xué)生對沉淀溶解平衡的特殊性認(rèn)識，避免由一般化學(xué)平衡知識到沉淀溶解平衡知識的負(fù)遷移。

（2）積極創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境的同時(shí)，重視提升學(xué)生認(rèn)知建構(gòu)的抽象性水平。積極有效的情境創(chuàng)設(shè)顯然有助于學(xué)生對抽象知識的學(xué)習(xí)，但教學(xué)不僅應(yīng)重視“抽象知識情境化”，更應(yīng)該關(guān)注“情境知識抽象化”，二者兼顧方能讓學(xué)生在順利理解沉淀溶解平衡知識的基礎(chǔ)上，合理地把握知識的本質(zhì)，理解知識是怎樣的以及為什么是這樣。

（3）重視宏觀與微觀相結(jié)合的教學(xué)，重視學(xué)科理性思維與感性體驗(yàn)的融合。只有這樣，才能更好地實(shí)現(xiàn)沉淀溶解平衡知識的教學(xué)價(jià)值，讓學(xué)生在學(xué)科理性思維的發(fā)展中建構(gòu)科學(xué)知識，在科學(xué)知識形成的體驗(yàn)中習(xí)得認(rèn)識世界的學(xué)科視角和解決具體問題的學(xué)科素養(yǎng)，誠然，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最大挑戰(zhàn)還在于有效教學(xué)資源的開發(fā)。

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