高中生“熱化學(xué)”學(xué)習(xí)困難測(cè)查與教學(xué)啟示

左思遙 閆春更 樊紅 張暉英 周青

摘要：該研究以二階式診斷法為主要方法，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)“吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)”“燴變”“中和熱與燃燒熱”“熱化學(xué)方程式”“蓋斯定律”概念的心智模型進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)學(xué)生共建構(gòu)了13種非科學(xué)模型，可歸納為概念缺陷型、符號(hào)缺陷型和判斷缺陷型。學(xué)生關(guān)于熱化學(xué)的學(xué)習(xí)困難為概念建構(gòu)困難、條件把握困難和符號(hào)書(shū)寫(xiě)困難。根據(jù)學(xué)習(xí)困難，作者提出了相應(yīng)的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：熱化學(xué);學(xué)習(xí)困難;心智模型;教學(xué)建議;非科學(xué)模型

文章編號(hào)：1008-0546（2021）06-0002-05 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.06.001

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[1]對(duì)化學(xué)反應(yīng)與熱能的內(nèi)容要求為：“認(rèn)識(shí)化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化，恒溫恒壓條件下化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱可以用燴變表示，了解蓋斯定律及其簡(jiǎn)單應(yīng)用?！备咧谢瘜W(xué)熱化學(xué)知識(shí)是發(fā)展學(xué)生“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)的載體，是發(fā)展學(xué)生從能量角度認(rèn)識(shí)化學(xué)變化并且解決實(shí)際問(wèn)題能力的知識(shí)基礎(chǔ)。在初中階段，學(xué)生能從化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中觀察或體會(huì)到化學(xué)反應(yīng)伴隨著能量變化;在高中階段，學(xué)生通過(guò)化學(xué)反應(yīng)與熱能知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，其認(rèn)知水平要上升到“能運(yùn)用化學(xué)計(jì)量單位定量分析化學(xué)變化及其伴隨發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化”。學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)中伴隨著能量變化的認(rèn)識(shí)從初中到高中的跨度很大，對(duì)學(xué)生的認(rèn)知水平要求較高，一直以來(lái)是高中化學(xué)的重難點(diǎn)。突破熱化學(xué)難點(diǎn)關(guān)鍵步驟之一是要了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。國(guó)內(nèi)外的研究者一直嘗試找出學(xué)生的熱化學(xué)學(xué)習(xí)困難。武超[2]發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)“能量”存在迷思。W.Wiji和S.Mulyani采用DToM-POE方法測(cè)出學(xué)生預(yù)測(cè)、觀察和解釋反應(yīng)△H的能力有欠缺，大多數(shù)學(xué)生不理解所使用符號(hào)的含義，他們傾向于記憶概念，無(wú)法將宏觀結(jié)果與符號(hào)聯(lián)系起來(lái)[3]。

心智模型（Mental Model）是個(gè)體對(duì)外在事物內(nèi)在表征后形成的概念框架，又是一種動(dòng)態(tài)的內(nèi)在運(yùn)作機(jī)制[4]。目前已有研究表明，洞察學(xué)生的心智模型有助于教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，學(xué)習(xí)最重要的是心智模型的改變[5]。心智模型已被廣泛運(yùn)用來(lái)測(cè)查學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。例如，薛琳[6]，陳曉娜[7]，陸旖旎[8]通過(guò)測(cè)查高中生心智模型分別分析了離子平衡，鹽類水解，甲烷等知識(shí)中學(xué)生存在的學(xué)習(xí)困難。本文擬通過(guò)測(cè)查心智模型的方法測(cè)查學(xué)生學(xué)習(xí)熱化學(xué)的學(xué)習(xí)困難，以期為熱化學(xué)教學(xué)提供有針對(duì)性的教學(xué)建議。

一、研究過(guò)程

1.研究對(duì)象

研究對(duì)象為陜西省某中學(xué)高二年級(jí)的兩個(gè)班，共83人。

2.研究方法

本研究采用的方法是二階式診斷法。二階式診斷法由測(cè)試題與作答理由兩部分組成。本文在二階式診斷法基礎(chǔ)上增設(shè)“信心指數(shù)”環(huán)節(jié)，結(jié)合作答理由來(lái)探測(cè)學(xué)習(xí)者的想法。

（1）科學(xué)模型的確定

本研究根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的內(nèi)容要求，參考人民教育出版社選擇性必修課程選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》（2007版）第一章《化學(xué)反應(yīng)與能量》的內(nèi)容，結(jié)合5位骨干教師及2位教學(xué)論專家的建議，將熱化學(xué)知識(shí)分為五個(gè)主題，“吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)”“燴變”“中和熱與燃燒熱”“熱化學(xué)方程式”“蓋斯定律”，并確立了其科學(xué)模型，其內(nèi)涵見(jiàn)表1。

（2）二階式診斷法

二階式測(cè)試題圍繞熱化學(xué)的核心知識(shí)編制而成，試題結(jié)構(gòu)參考伊紅玉[9]、甘珍[10]的熱化學(xué)測(cè)試題的結(jié)構(gòu)。測(cè)試題包括5道選擇題和4道簡(jiǎn)答題，見(jiàn)表2。

（3）試卷質(zhì)量檢驗(yàn)

采用Cronbach內(nèi)部一致性系數(shù)檢驗(yàn)評(píng)價(jià)工具進(jìn)行信度分析，α系數(shù)為0.813（大于0.800），該試題的信度良好。試卷發(fā)放83份，回收有效試卷83份，回收率為100%。

二、結(jié)果與分析

1.吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)

學(xué)生學(xué)習(xí)吸、放熱反應(yīng)的心智模型的測(cè)查是通過(guò)學(xué)生畫(huà)能量變化曲線圖，描述吸、放熱反應(yīng)概念以及判斷吸、放熱反應(yīng)來(lái)測(cè)查，結(jié)果見(jiàn)表3。

有81.2%的學(xué)生能夠正確畫(huà)出吸、放熱反應(yīng)的能量變化曲線圖。有18.8%的學(xué)生也能畫(huà)出能量變化曲

表3 學(xué)生吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)的心智模型類型與比例線圖，但是把“吸熱反應(yīng)”畫(huà)成了“放熱反應(yīng)”。這18.8%的學(xué)生沒(méi)有理解吸、放熱反應(yīng)能量變化曲線的含義，產(chǎn)生了圖形混淆。

有52.0%的學(xué)生能夠掌握吸、放熱反應(yīng)的概念，能正確判斷各類吸、放熱化學(xué)反應(yīng)。有18.8%的學(xué)生認(rèn)為“吸熱反應(yīng)是反應(yīng)物的總能量大于生成物的總能量的反應(yīng)，放熱反應(yīng)是生成物的總能量大于反應(yīng)物的總能量的反應(yīng)”。這18.8%的學(xué)生對(duì)吸、放熱反應(yīng)產(chǎn)生了迷思概念，將吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)混淆。雖然，這部分學(xué)生能夠意識(shí)到生成物與反應(yīng)物之間的“能量差”，能夠認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)伴隨能量變化，比初中的認(rèn)識(shí)有所提升，但是并沒(méi)有達(dá)到高中階段準(zhǔn)確判斷吸、放熱反應(yīng)的要求，不能理解吸熱反應(yīng)是反應(yīng)物的總能量“小于”生成物的總能量，產(chǎn)生了概念混淆。通過(guò)分析學(xué)生在試卷上書(shū)寫(xiě)的解題思路，發(fā)現(xiàn)學(xué)生混淆概念的原因是機(jī)械記憶概念內(nèi)容，學(xué)生的認(rèn)知水平?jīng)]有達(dá)到高中階段理解吸、放熱反應(yīng)內(nèi)涵的層次。產(chǎn)生圖形混淆和概念混淆的學(xué)生數(shù)量相等，說(shuō)明概念混淆與圖形混淆之間互相影響。有29.2%的學(xué)生不能判斷各類吸、放熱化學(xué)反應(yīng)，他們錯(cuò)誤地認(rèn)為在加熱條件下進(jìn)行的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，認(rèn)為反應(yīng)條件是判斷吸放熱反應(yīng)的條件，學(xué)生沒(méi)有形成從能量差角度判斷吸放熱反應(yīng)的觀念，還停留在宏觀現(xiàn)象表層判斷反應(yīng)類型的水平，產(chǎn)生了判據(jù)迷思。

2.焓變

由表4可知，有47.7%的學(xué)生能夠掌握焓變概念，能用符號(hào)正確表達(dá)吸、放熱反應(yīng)。有12.0%的學(xué)生沒(méi)有建構(gòu)起“焓變”的概念。有40.3%的學(xué)生遺漏了“恒溫、恒壓條件下”，認(rèn)為焓變是生成物與反應(yīng)物的總能量之差或是認(rèn)為反應(yīng)熱是焓變，這部分學(xué)生認(rèn)為在任何條件下焓變與反應(yīng)的熱效應(yīng)兩個(gè)數(shù)值都相等。通過(guò)分析學(xué)生在試卷上書(shū)寫(xiě)的解題思路，發(fā)現(xiàn)持有非科學(xué)模型的學(xué)生認(rèn)為焓等同于能量，忽略了焓是與溫度、壓力有關(guān)的狀態(tài)函數(shù)，只有等溫等壓下，焓變的數(shù)值等于反應(yīng)物與生成物之間的能量差。

3.中和熱和燃燒熱

學(xué)生中和熱心智模型的表現(xiàn)見(jiàn)表5，有37.3%的學(xué)生能夠掌握中和熱概念。這部分學(xué)生能夠全面掌握中和熱概念的內(nèi)涵，對(duì)“1mol”“稀溶液”“強(qiáng)酸”“強(qiáng)堿”四個(gè)條件記憶準(zhǔn)確。有23.9%的學(xué)生對(duì)中和熱概念的認(rèn)知水平停留在“中和熱”的字面意義上。這部分學(xué)生沒(méi)有把握“中和熱”概念的內(nèi)涵，認(rèn)為任何一個(gè)中和反應(yīng)測(cè)定的熱量都能被定義成中和熱。有38.8%的學(xué)生雖然能夠意識(shí)到“中和熱”概念存在理想條件，認(rèn)為“中和熱是酸與堿反發(fā)生中和反應(yīng)生成1mol水時(shí)放出的熱量”，但是缺少“稀溶液”“強(qiáng)酸”“強(qiáng)堿”這三個(gè)條件。

學(xué)生燃燒熱心智模型的表現(xiàn)見(jiàn)由表5，有40.6%的學(xué)生能夠掌握燃燒熱概念，對(duì)“101kPa”“完全燃燒”“1mol”“純物質(zhì)”四個(gè)條件記憶準(zhǔn)確。有25.8%的學(xué)生對(duì)燃燒熱概念的認(rèn)知水平停留在“燃燒熱”的字面意義上。這部分學(xué)生沒(méi)有意識(shí)到“燃燒熱”概念中包含了條件，認(rèn)為任何燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量都能被定義成該物質(zhì)的燃燒熱，對(duì)四個(gè)條件完全沒(méi)有印象。有33.6%的學(xué)生認(rèn)為燃燒熱是指1mol物質(zhì)燃燒放出的熱量，但是缺少“101kPa”“完全燃燒”“純物質(zhì)”三個(gè)條件。

4.熱化學(xué)方程式

由表6可知，有49.8%的學(xué)生能夠正確書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)反應(yīng)方程式。有24.9%的學(xué)生不知道完全燃燒和穩(wěn)定產(chǎn)物的含義。例如，考題①寫(xiě)出碳完全燃燒的熱化學(xué)反應(yīng)方程式，學(xué)生將產(chǎn)物寫(xiě)成CO;考題②寫(xiě)出氫氣完全燃燒的熱化學(xué)反應(yīng)方程式，學(xué)生標(biāo)錯(cuò)產(chǎn)物的狀態(tài)將H2O（1）寫(xiě)成H2O（g）。這部分學(xué)生判斷目標(biāo)產(chǎn)物錯(cuò)誤或者寫(xiě)錯(cuò)目標(biāo)產(chǎn)物的狀態(tài)，最終不遵循化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際結(jié)果來(lái)書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)反應(yīng)方程式。有25.3%的學(xué)生不清楚熱化學(xué)方程式怎樣書(shū)寫(xiě)，沒(méi)有寫(xiě)出物質(zhì)狀態(tài)或是沒(méi)有寫(xiě)出焓變△H，產(chǎn)生了符號(hào)缺陷。

5.蓋斯定律

由表7可知，有67.4%的學(xué)生能夠掌握蓋斯定律，這部分學(xué)生能夠理解蓋斯定律的含義并進(jìn)行計(jì)算。有20.1%的學(xué)生沒(méi)有意識(shí)到蓋斯定律是進(jìn)行反應(yīng)熱計(jì)算的依據(jù)，不能正確運(yùn)用蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱。有12.5%的學(xué)生對(duì)蓋斯定律的認(rèn)知水平停留在字面意義，兩個(gè)不同的概念有相似詞語(yǔ)時(shí)，不能準(zhǔn)確區(qū)分二者的不同。這部分學(xué)生沒(méi)有區(qū)分“化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行”與“化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱”的差別，不清楚“化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行與物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，與溫度、壓強(qiáng)、濃度、狀態(tài)等有關(guān)”，認(rèn)為“化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行與反應(yīng)體系的起始狀態(tài)和最終狀態(tài)有關(guān)”，產(chǎn)生了概念混淆。

三、結(jié)論與啟示

根據(jù)學(xué)生持有的非科學(xué)模型的類型，我們進(jìn)行了學(xué)習(xí)困難分析，得出以下結(jié)論：

（1）學(xué)生關(guān)于熱化學(xué)知識(shí)共持有13種非科學(xué)模型：

對(duì)于吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)，學(xué)生持有3種非科學(xué)模型，分別是吸熱反應(yīng)能量變化曲線圖畫(huà)成放熱反應(yīng)的、吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)概念記混、判斷吸放熱反應(yīng)依據(jù)錯(cuò)誤。對(duì)于焓變概念，學(xué)生持有2種非科學(xué)模型，分別是缺失焓變概念、缺失等溫等壓條件。對(duì)于中和熱和燃燒熱，學(xué)生持有4種非科學(xué)模型，分別是認(rèn)為任意一個(gè)中和反應(yīng)測(cè)定的熱量均為中和熱，缺失中和熱概念部分條件、認(rèn)為任意一個(gè)燃燒反應(yīng)測(cè)定的熱量均為燃燒熱概念、缺失燃燒熱部分條件。對(duì)于熱化學(xué)反應(yīng)方程式，學(xué)生持有2種非科學(xué)模型，分別是產(chǎn)物判斷錯(cuò)誤、標(biāo)錯(cuò)或漏標(biāo)能量狀態(tài)。對(duì)于蓋斯定律，學(xué)生持有2種非科學(xué)模型，分別是蓋斯定律功能不明、蓋斯定律概念缺失。

（2）學(xué)生建構(gòu)的非科學(xué)模型整體可分為三類：

第一、概念缺陷型，表現(xiàn)為中和熱、燃燒熱概念條件缺失、焓變概念條件缺失、吸放熱反應(yīng)概念混淆。學(xué)生對(duì)概念機(jī)械記憶，沒(méi)有理解概念的內(nèi)涵與外延。

第二、符號(hào)缺陷型，表現(xiàn)為熱化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)存在△H符號(hào)缺陷、違反事實(shí)標(biāo)注物質(zhì)狀態(tài)。學(xué)生不能準(zhǔn)確使用化學(xué)符號(hào)。

第三、判斷缺陷型，表現(xiàn)為吸、放熱反應(yīng)判據(jù)迷思。學(xué)生不能準(zhǔn)確判斷化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)分類。

（3）學(xué)生熱化學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)困難分析：

第一、學(xué)生學(xué)習(xí)吸、放熱反應(yīng)時(shí)，概念建構(gòu)困難。學(xué)生對(duì)吸放熱反應(yīng)的認(rèn)知比初中階段有所提升，但是不能掌握判斷反應(yīng)吸放熱的條件，認(rèn)為反應(yīng)條件為“加熱”就是吸熱反應(yīng)。

第二、學(xué)生學(xué)習(xí)中和熱、燃燒熱、焓變時(shí)，條件把握存在問(wèn)題。學(xué)生不理解完全燃燒的內(nèi)涵，書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)反應(yīng)方程式時(shí)寫(xiě)錯(cuò)目標(biāo)產(chǎn)物;還有學(xué)生認(rèn)為中和熱和燃燒熱就是字面含義，不存在限定條件;學(xué)生認(rèn)為焓等同于能量，忽略焓變是溫度壓強(qiáng)的狀態(tài)函數(shù)，只有等溫等壓條件兩個(gè)數(shù)值相等。

第三、學(xué)生書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)反應(yīng)方程式時(shí)，符號(hào)書(shū)寫(xiě)存在困難。學(xué)生沒(méi)有標(biāo)物質(zhì)狀態(tài)與能量的意識(shí)，沒(méi)有理解熱化學(xué)反應(yīng)方程式既能表示物質(zhì)變化又能表示能量變化。

（4）在了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難后，提出以下教學(xué)建議：

第一、強(qiáng)化學(xué)生對(duì)熱化學(xué)知識(shí)概念內(nèi)涵的理解?？梢赃\(yùn)用化學(xué)史等真實(shí)案例，促進(jìn)學(xué)生理解概念產(chǎn)生的過(guò)程;可以運(yùn)用類比方式解釋概念的內(nèi)涵，促進(jìn)學(xué)生理解概念的內(nèi)涵。

第二、強(qiáng)化概念界定條件的理解?？梢酝ㄟ^(guò)探究實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生對(duì)中和熱概念條件的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)“中和反應(yīng)反應(yīng)熱”與“中和熱”區(qū)別的認(rèn)識(shí)，最終掌握中和熱概念的內(nèi)涵。

第三、強(qiáng)化化學(xué)用語(yǔ)教學(xué)。可以加強(qiáng)熱化學(xué)反應(yīng)方程式內(nèi)涵教學(xué)，強(qiáng)調(diào)熱化學(xué)反應(yīng)方程式的作用是既能表明物質(zhì)變化也能表明能量變化，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)反應(yīng)物與生成物的能量和狀態(tài)、完全燃燒、穩(wěn)定產(chǎn)物的理解。

第四、強(qiáng)化“宏微符”三重表征的融合教學(xué)。培養(yǎng)學(xué)生“宏微結(jié)合”能力并且能將宏觀中體現(xiàn)的能量與微觀中物質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)。

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本文系國(guó)家社科基金項(xiàng)目（AHA120008）中小學(xué)理科教材國(guó)際比較研究（高中化學(xué)2012）研究成果。

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