不同層次高中生“離子反應(yīng)”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(jié)構(gòu)訪談法對不同層次高中一年級學(xué)生“離子反應(yīng)”心智模型進行測查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生圍繞“電解質(zhì)”“離子反應(yīng)”“離子共存”“離子方程式”等概念共建構(gòu)了14種缺陷性心智模型。研究還發(fā)現(xiàn)，整體上學(xué)生學(xué)習(xí)成績越高，其持有科學(xué)模型比例越高而缺陷模型比例越低，但同時也出現(xiàn)了若干“反?！爆F(xiàn)象，即所有學(xué)生均在書寫離子方程式（遺漏）方面表現(xiàn)不佳，成績較高學(xué)生未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢;在電離的概念與作用混淆等方面，成績較低學(xué)生反而表現(xiàn)更好。最后結(jié)合訪談對導(dǎo)致上述結(jié)果的原因進行了分析并給出了相關(guān)教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：離子反應(yīng);心智模型;教學(xué)建議;測評

文章編號：1008-0546（ 2020）08-0023-05

中圖分類號：C632.41

文獻標(biāo)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(tǒng)的內(nèi)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(yù)測的行為與方式[2]。但由于學(xué)生心智模型建構(gòu)受學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)方式及理解水平等因素的影響，不同層次的學(xué)生持有的心智模型在一定程度上存在區(qū)別，因此，測查不同層次水平學(xué)生頭腦中心智模型的建構(gòu)及分布情況，可以幫助教師了解不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)離子反應(yīng)的學(xué)習(xí)困難及掌握程度，以進行針對性的有效干預(yù)或幫助學(xué)生自身進行完善糾正，以使得學(xué)生頭腦中的心智模型逐漸接近科學(xué)模型，實現(xiàn)有效教學(xué)。

離子反應(yīng)是高中重要的知識內(nèi)容之一，全面涉及“宏一微一符”三重表征，并在教材中向上聯(lián)系到初中水溶液中的酸堿鹽反應(yīng)，向下則為氧化還原反應(yīng)、電化學(xué)、熱力學(xué)等打下基礎(chǔ)。并且《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在離子反應(yīng)部分要求學(xué)生能利用電離、離子反應(yīng)對常見的反應(yīng)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(zhì)的主要化學(xué)性質(zhì)[3]，對學(xué)生學(xué)習(xí)要求較深。目前還未發(fā)現(xiàn)關(guān)于離子反應(yīng)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(yīng)”心智模型進行測評、分析，以系統(tǒng)研究學(xué)生在離子反應(yīng)認(rèn)知中存在的不足，為改進離子反應(yīng)的教學(xué)與學(xué)習(xí)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(xué)高一理科同一教師任教的3個不同層次班級學(xué)生（普通班40人、重點班42人、火箭班30人）為研究對象，學(xué)生均在本研究開始前學(xué)習(xí)過人教版必修一第二章第二節(jié)離子反應(yīng)相關(guān)知識。

2.研究方法

研究先進行紙筆測驗，再根據(jù)學(xué)生紙筆測驗作答情況對學(xué)生進行半結(jié)構(gòu)訪談，以進一步了解學(xué)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(xué)模型和缺陷模型兩類，“科學(xué)模型”即學(xué)生在相關(guān)知識點形成的符合科學(xué)事實且相對完整正確心智模型，缺陷模型為非科學(xué)模型。紙筆測驗工具采用自編問卷《離子反應(yīng)紙筆測試題》。通過對教材及離子反應(yīng)相關(guān)概念課程模型研究，確定測試涉及的知識內(nèi)容包括電解質(zhì)、離子反應(yīng)概念、離子共存、離子方程式4個部分。并與1名化學(xué)課程論專家和2名中學(xué)化學(xué)高級教師探討確定了紙筆測試問卷，對50名學(xué)生試測，Cronbachα信度系數(shù)為0.752，研究結(jié)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(zhì)”“離子反應(yīng)”“離子共存”“離子方程式”所考查的知識數(shù)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(chǔ)，設(shè)置了信心指數(shù)段以在一定程度上避免學(xué)生猜題亂選，同時為了避免選擇題對學(xué)生知識表達的限制，在理由段設(shè)置了開放式選項，其中四段式測試題評判標(biāo)準(zhǔn)參照伊玉紅、王存寬等人的判斷標(biāo)準(zhǔn)[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(shù)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(shù)為：

（3）你認(rèn)為此題的難點在：

訪談提綱如下：（1）下列物質(zhì)哪些為電解質(zhì)，哪些為非電解質(zhì)，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(lián)系，請說明理由。①電解質(zhì)②電離③離子反應(yīng)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(jié)果與討論

1.電解質(zhì)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(zhì)概念”科學(xué)模型的比例都已超過半數(shù)，并且火箭班學(xué)生準(zhǔn)確表述的比例大大超過普通班、重點班。但三個層次的學(xué)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(xué)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(xué)生對電解質(zhì)的概念認(rèn)識模糊，表現(xiàn)為雖然知道電解質(zhì)是可以電離的化合物，但忘記化合物可區(qū)分為電解質(zhì)和非電解質(zhì)，也會把某種單質(zhì)也認(rèn)為是電解質(zhì)，這反映出學(xué)生忽視了對“化合物”這一定語的理解。持有電解質(zhì)判斷缺陷模型的學(xué)生依據(jù)自身直覺對電解質(zhì)和非電解質(zhì)進行判斷，見到“導(dǎo)電”字詞則認(rèn)為該物質(zhì)就是電解質(zhì)，有“不導(dǎo)電”字詞則不是電解質(zhì)，這反映出學(xué)生對心智模型的建構(gòu)停留在宏觀表象層面，普通班和重點班學(xué)生持有此模型的比例分別為65.85%、59.52%，都已超過50%比例，結(jié)合科學(xué)模型的學(xué)生持有比例說明有一部分學(xué)生雖然具備了正確概念但不能準(zhǔn)確運用，反映出這部分學(xué)生對概念死記硬背、理解不夠。

學(xué)生在深入理解電解質(zhì)知識方面也存在缺陷模型，即對電解質(zhì)的認(rèn)識停留在表面，直觀地認(rèn)為能導(dǎo)電的物質(zhì)就是電解質(zhì)，或者知道物質(zhì)不是電解質(zhì)但對為何不是的原因進行錯誤解答，如有學(xué)生知道“S03不是電解質(zhì)”，但在進一步詢問中發(fā)現(xiàn)學(xué)生只知道氣體不是電解質(zhì)，但對為什么不是的原因不清楚，不明白S03溶于水導(dǎo)電的原因是與水反應(yīng)生成的H2SO4可以電離，這反映出學(xué)生對與電解質(zhì)或非電解質(zhì)物質(zhì)相關(guān)聯(lián)的深層機理不清楚，未深入到微粒反應(yīng)層面進行認(rèn)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(xué)生比例依次為46.34%、21.43%、6.67%，普通班學(xué)生持有此模型比例最高，說明普通班學(xué)生尚缺乏對深層次知識的學(xué)習(xí)。

三個班級的學(xué)生持有電解質(zhì)的電離缺陷模型比例相當(dāng)，對電離的概念、電解質(zhì)和非電解質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別即是否可在溶液中電離模糊，分析發(fā)現(xiàn)普通班學(xué)生大多認(rèn)為電離就是離子導(dǎo)電的過程，這反映出學(xué)生們將電離的概念與作用混淆;重點班學(xué)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(xué)生知識建構(gòu)的不完整;通過訪談發(fā)現(xiàn)火箭班具有反常高比例的原因是學(xué)生不能很好地將電解質(zhì)和電離聯(lián)系起來，不清楚正是由于物質(zhì)可在溶液或熔融狀態(tài)下電離才被稱為電解質(zhì)。結(jié)合訪談分析發(fā)現(xiàn)，普通班和重點班相比于火箭班則更重視基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生雖認(rèn)識不深但都有基本理解，但火箭班學(xué)生輕視或忽視了電離的深入學(xué)習(xí)，將精力更多放在了電解質(zhì)，未注重概念間的關(guān)聯(lián)性。

2.離子反應(yīng)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(xué)生持有離子反應(yīng)概念的科學(xué)模型，即離子反應(yīng)是電解質(zhì)在溶液中的反應(yīng)實質(zhì)上是離子之間的反應(yīng)，這在一定程度上反映出學(xué)生掌握離子反應(yīng)概念較為理想。但是，仍需注意到未持有科學(xué)模型的學(xué)生，他們不能說出離子反應(yīng)概念或只能局部理解，認(rèn)為“離子反應(yīng)是電解質(zhì)在溶液中的反應(yīng)”觀點錯誤，這反映出學(xué)生的概念缺失和概念建構(gòu)失范，普通班在此表現(xiàn)較為明顯，比例達46.34%。此外，訪談發(fā)現(xiàn)學(xué)生在離子反應(yīng)概念相關(guān)聯(lián)的概念上聯(lián)系稍有不足，這在普通班和重點班較為明顯，學(xué)生持有比例分別為53.66%、52.38%，這說明學(xué)生至少未在本節(jié)內(nèi)容中的電解質(zhì)、電離、離子反應(yīng)、離子共存幾個概念間建立聯(lián)系，反映出學(xué)生不能深入理解知識，認(rèn)識到知識間的相關(guān)性，火箭班學(xué)生在此則掌握較好。值得注意的是，三個班的學(xué)生都有相當(dāng)?shù)谋壤龑?fù)分解反應(yīng)類型的離子反應(yīng)的條件和本質(zhì)認(rèn)識不足，如將復(fù)分解反應(yīng)類型的離子反應(yīng)的本質(zhì)和條件混淆，認(rèn)為復(fù)分解反應(yīng)的本質(zhì)是生成沉淀、放出氣體或生成水，而不是兩種電解質(zhì)在溶液中相互交換離子，這說明學(xué)生對離子反應(yīng)概念未理解，反映出學(xué)生對概念死記硬背、未有效關(guān)聯(lián)，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(xué)模型的比例都較低。結(jié)合訪談發(fā)現(xiàn)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(yīng)題型、離子共存試題太難等原因而未重視，由此導(dǎo)致各個層次的大量學(xué)生產(chǎn)生了離子共存概念缺失，這反映出教師講的少則學(xué)生不重視以及忽視概念學(xué)習(xí)等問題，雖然火箭班學(xué)生的比例高于重點班，但訪談發(fā)現(xiàn)其對離子共存涉及到的多是規(guī)律的總結(jié)，認(rèn)知層次上比重點班和普通班更深一些。

研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生還存在對離子共存條件難以理解的缺陷模型，學(xué)生表現(xiàn)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(xué)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(xué)生不能明白“這組離子中不能存在與H+反應(yīng)的物質(zhì)，如OH-、HC03等”。這反映出學(xué)生對基本化學(xué)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(xué)生持有比例已達到約70%且三個班的比例極其相近，這反應(yīng)了學(xué)生在此所具有的極大學(xué)習(xí)困難。

學(xué)生除了對條件難以理解外，還存在條件轉(zhuǎn)化困難，不能將題中給出的間接條件轉(zhuǎn)換為直接條件，如“pH=1的溶液”，學(xué)生不會將其轉(zhuǎn)化為“溶液中存在的H+濃度大”，如“c （H+） =1X10^-13mol. L^-1的溶液”學(xué)生不會轉(zhuǎn)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(xué)生對此知識掌握的嚴(yán)重不足，反映出學(xué)生缺乏隱含條件推理的能力，對化學(xué)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(xué)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(xué)生多認(rèn)為離子方程式是“用離子符號表示的反應(yīng)的方程式”，往往忽略正確定義中“實際參加反應(yīng)的”字句，反映出學(xué)生存在相異構(gòu)想，因此導(dǎo)致學(xué)生在書寫離子方程式時錯誤百出。學(xué)生表現(xiàn)為不依據(jù)事實書寫離子方程式，或是學(xué)生不知道何為“依據(jù)事實書寫方程式”，如學(xué)生認(rèn)為稀硫酸與鐵粉反應(yīng)的離子方程式為2Fe+6H+一2Fe3++3H2↑，這反映出學(xué)生對事實認(rèn)知不清。學(xué)生不遵循守恒思想書寫離子方程式，訪談發(fā)現(xiàn)學(xué)生想不起方程式的書寫需要遵循原子守恒、電荷守恒等規(guī)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(xué)生對基本化學(xué)規(guī)律缺乏掌握。學(xué)生書寫離子方程式產(chǎn)生遺漏，如有學(xué)生認(rèn)為氫氧化鋇溶液與稀硫酸反應(yīng)的離子方程式為Ba2++SO2-=BaS04↓，這說明學(xué)生沒有把握全面，從整體認(rèn)知到反應(yīng)，值得注意的是，三個層次的學(xué)生持有此模型比例近乎一致，都達到40%及以上。此外，學(xué)生還存在離子方程式本身書寫錯誤，如Ba（OH）2= Ba+20H;電解質(zhì)拆分錯誤，如碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)的離子方程式為CO3+2H+= H20+C02↑，這反映出學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握不牢。

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

四、研究結(jié)論及啟示

不同層次學(xué)生心智模型測評顯示以下結(jié)果：

（1）不同層次的學(xué)生總體上持有4類共計14種缺陷模型，學(xué)生心智模型的建構(gòu)具有不完整性。學(xué)生在處理問題時不能正確認(rèn)識到知識本質(zhì)，往往會導(dǎo)致學(xué)生從相異思路或相反思路理解及解決問題，如學(xué)生將電離的概念與作用混淆、離子反應(yīng)的本質(zhì)和條件混淆。學(xué)生在處理復(fù)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(xué)生學(xué)習(xí)水平整體上低于重點班，重點班學(xué)生學(xué)習(xí)水平整體上低于火箭班，火箭班學(xué)生對電解質(zhì)、離子反應(yīng)、離子方程式主題科學(xué)模型及大部分缺陷模型的掌握情況都處于較優(yōu)水平，重點班次之，普通班最差。

（3）學(xué)生心智模型的建構(gòu)存在的若干“反?，F(xiàn)象”，即在一些模塊的學(xué)習(xí)上火箭班、重點班、普通班三者表現(xiàn)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(fā)生遺漏，甚至有些知識火箭班學(xué)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(xué)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(zhuǎn)彎等理解轉(zhuǎn)換性知識表現(xiàn)稍不如人意。這反映出學(xué)生在這些知識的學(xué)習(xí)上存在學(xué)習(xí)困難，如對知識體系把握不全、推理能力不足;也反映出教學(xué)方面可能存在未準(zhǔn)確把握學(xué)生認(rèn)知、概念的抽象性等特點致使學(xué)生難以深入理解等。

結(jié)合學(xué)生訪談和教師咨詢，分析導(dǎo)致上述結(jié)果的主要原因有以下幾方面：

（1）教與學(xué)的內(nèi)容：一是忽視了最基本知識的教學(xué)與學(xué)習(xí)，對電離的關(guān)注比較欠缺，將精力更多放在了電解質(zhì)。二是難以將各概念知識深入理解、整合關(guān)聯(lián)及運用，導(dǎo)致對各概念的學(xué)習(xí)模糊、混淆、難以深入本質(zhì)、停留于表面，如對電離的概念與作用混淆;見到“導(dǎo)電”字詞則認(rèn)為該物質(zhì)就是電解質(zhì);知道“S03不是電解質(zhì)”，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(xué)較為分散，未協(xié)助學(xué)生在各概念間建立聯(lián)系，未充分發(fā)揮宏微符三重表征的認(rèn)識功能，致使學(xué)生最終所學(xué)的知識整體上處于分散和割裂狀態(tài)。

（3）學(xué)的策略：學(xué)生對各概念如電解質(zhì)、離子反應(yīng)、離子方程式的學(xué)習(xí)大多死記硬背、缺乏關(guān)聯(lián)、主動探究知識本質(zhì)的態(tài)度欠佳，致使知識理解不深，遷移不足，使教學(xué)難以達到預(yù)期的效果。

基于以上研究得出以下教學(xué)建議：一是加強電離的教學(xué)，充分發(fā)揮“電離”在“電解質(zhì)”“離子反應(yīng)”“離子方程式”等概念群建構(gòu)中的支架作用。電離可以讓學(xué)生深入認(rèn)識電解質(zhì)概念，如化合物才會發(fā)生電離、是離子反應(yīng)微觀認(rèn)識的基礎(chǔ)、離子方程式書寫“拆”這一重要步驟的基礎(chǔ)、對發(fā)展學(xué)生的微粒觀具有重要作用[6]。二是合理運用概念圖、認(rèn)知沖突、動畫、實驗[7]等方式幫助學(xué)生解決過多枯燥概念的學(xué)習(xí)及加強概念之間的理解聯(lián)系，如在離子反應(yīng)中運用微觀粒子動畫加強學(xué)生理解;“導(dǎo)電的一定是電解質(zhì)嗎？例如：銅單質(zhì)?！盵8]三是通過學(xué)生對離子反應(yīng)相關(guān)知識和三重表征知識之間聯(lián)系的認(rèn)識，增強學(xué)生用化學(xué)視角看問題、用化學(xué)思維解決問題的意識和能力，適當(dāng)提升離子反應(yīng)學(xué)習(xí)的深度和高度。

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

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