崔俊莉+閆春更+周青

摘要：采用三階試題診斷高中生“化學平衡”知識學習成果，探查了學生的迷思概念與儲備不足的知識。研究發(fā)現(xiàn)學生過高評估自身化學平衡認知水平，知識不足主要在濃度、催化劑對化學平衡的影響；迷思概念主要體現(xiàn)在對化學平衡狀態(tài)的判斷、濃度與壓強對化學平衡的影響、勒夏特列原理內(nèi)涵的認識，對化學平衡體系中氣體屬性（是否惰性）、氣體物質(zhì)的量、氣體濃度、氣體壓強等因素的認知的割裂性特征明顯。

關(guān)鍵詞：三階試題；化學平衡；迷思概念；知識不足

文章編號：1005–6629（2017）2–0026–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學平衡是中學化學基礎(chǔ)理論之一，是培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”等核心素養(yǎng)的重要知識載體。但由于化學平衡囊括一系列抽象而內(nèi)涵豐富的知識，對學生的能力要求較高，學生容易產(chǎn)生學習困難，造成對后續(xù)溶液中離子平衡學習的認知障礙。在化學教學中，教師只有準確探查出學生的學習困難，才能選擇有效的教學策略及時補救或轉(zhuǎn)變概念，促進學生的有意義學習。

目前，對化學平衡學習困難的研究集中于探查迷思概念，發(fā)現(xiàn)了學生在“可逆反應”、“化學平衡狀態(tài)特征”、“化學平衡移動方向”、“化學平衡常數(shù)”等知識點上存在迷思概念，如“認為可逆反應是‘鐘擺式單向進行的”，“將化學平衡混淆于靜態(tài)的物理平衡”等。已有研究主要是通過常規(guī)測驗、二階試題或規(guī)則空間模型對學生解決問題結(jié)果的評判來揭示學生存在的迷思概念，但使用常規(guī)測驗、二階試題不能判斷學生回答正確是由于掌握了知識還是猜測，容易造成迷思概念的過當評價[1，2]；而規(guī)則空間模型具有復雜的數(shù)理公式，試題編制的難度大，且依賴于計算機程序的使用，難以在教學實際中推廣[3，4]。近年國外科學教育逐漸興起三階試題的使用[5，6]，它能夠有效彌補已有方法的缺陷，區(qū)分學生的迷思概念及知識儲備不足等問題，更加準確地解釋學生的學習困難。

1 研究設(shè)計

1.1 研究對象

本研究所選擇課程內(nèi)容為高中學段“化學平衡”，被試群體為陜西省西安市某中學同一化學教師任教的高二年級四個平行班的學生。

1.2 研究方法

參考高中化學課程標準、教科書內(nèi)容及已有研究，確定從可逆反應、化學平衡狀態(tài)、化學平衡移動、化學平衡常數(shù)四個知識維度展開測試。記錄“化學平衡”教學過程，并通過對任課教師的錄音訪談了解其發(fā)現(xiàn)的學生迷思概念，并抽取該班級化學學業(yè)成績前、中、后各4名學生，進行半結(jié)構(gòu)化晤談以深入搜集迷思概念。隨后，初步設(shè)計三階試題。委請3位專家檢核內(nèi)容效度，修正后進行小范圍預試（50人），根據(jù)預試結(jié)果調(diào)整試題內(nèi)容與數(shù)目，確定11道正式施測的三階試題（見表1）。

三階試題第一階為設(shè)有4～6個選項的化學平衡單項選擇題。第二階為第一階問題答案對應的理由項，這些理由是科學模型以及來源于教師訪談、學生半結(jié)構(gòu)化晤談與文獻中高頻出現(xiàn)的迷思概念在具體問題情境下的變式，其中有一個空白選項方便學生表達不同于選項的想法。第三階調(diào)查學生對前兩階問題的回答是否確定，評量學生的自信水平。圖1展示了一道化學平衡三階試題。

使用化學平衡三階試題對該教師任教的四個平行班施測，答題時間為40分鐘。施測前已向?qū)W生說明研究目的在于了解化學平衡主題的學習情況，施測結(jié)果不列入學科成績。發(fā)放試題205份，回收203份，回收率99.02%，有效樣本197份，有效率97.04%。評閱試卷并將結(jié)果導入Microsoft Excel 2010與SPSS 20.0。

A.變深 B.變淺 C.不變 D.無法判斷3.2回答3.1題的理由是（ ）

A.平衡正向移動，消耗NO2，NO2的濃度減小

B.平衡不移動，消耗NO2的同時產(chǎn)生NO2，NO2的濃度不變

C.平衡正向移動，消耗NO2，但最終濃度仍舊大于初始平衡的濃度

D.平衡正向移動，消耗NO2，但無法判斷充入量與消耗量大小

2 結(jié)果與分析

2.1 響應類型的劃分

根據(jù)學生在三階試題的8種答題情況，可判斷其對某個知識點的認識水平，即“響應類型”。將響應類型劃分為6種：“科學知識”、“假正”、“假負”、“迷思概念”、“自信不足或幸運”、“知識不足”[7]，見表2。

若學生答題情況表現(xiàn)為“正確/正確/確定”，則響應類型為“科學知識”。若學生答題情況表現(xiàn)為“錯誤/錯誤/確定”，則響應類型為“迷思概念”。這與迷思概念的不科學性、頑固性的特點一致。

“假正”是指正確回答第一階問題，但不能使用正確的理由加以解釋且第三階選擇“確定”的響應類型?！凹儇摗笔侵稿e誤回答第一階問題，但推理的理由選擇正確且第三階選擇“確定”的響應類型[8]。試題表述不清、提供的理由項與學生解決問題的推理過程脫節(jié)是造成假正與假負的主要原因。因此，可借由假正與假負各自的比例檢驗試題的內(nèi)容效度[9]。

此外，將前二階均回答正確，但第三階選擇“不確定”歸類為“自信不足或幸運”。它是由于學生的自我效能感低，或是前二階試題自身特性造成的，即第一階試題的答案往往與第二階的某個理由項存在對應關(guān)系[10]。

共有三種答題情況屬于“知識不足”：“正確/錯誤/不確定”“錯誤/正確/不確定”“錯誤/錯誤/不確定”，據(jù)此可判定學生認知體系中的某一知識盲點。

2.2 變量賦值

根據(jù)答題情況對以下變量進行賦值[11]：（1）各階分數(shù)：只要某階回答正確賦值1，否則賦值0。第三階回答“確定”賦值1，否則賦值0。第三階分數(shù)可表征學生的自信水平?？衫酶麟A分數(shù)對響應類型進行編碼[12]，見表2。（2）前二階分數(shù)：若第一、二階均回答正確賦值1，否則賦值0。它將與第三階分數(shù)用于評價試題的結(jié)構(gòu)效度[13]。（3）三階分數(shù)：若前二階均回答正確且第三階回答“確定”賦值1，否則賦值0。（4）第一階迷思分數(shù)：第一階回答錯誤賦值1，否則賦值0。（5）前二階迷思分數(shù)：前二階均回答錯誤賦值1，否則賦值0。（6）三階迷思分數(shù)：前二階均回答錯誤且第三階回答“確定”賦值1，否則賦值0。

某題第一階、前二階、三階的正確率（或迷思比例）可分別用該題第一階、前二階和三階總分數(shù)（或迷思分數(shù)）與樣本數(shù)（N=197）的商表征，其與響應類型比例的關(guān)系見圖2。值得注意的是，此處“第一階迷思”與“前二階迷思”的內(nèi)涵等同于傳統(tǒng)單選題的“錯誤”與二階試題中的“錯誤/錯誤”，“三階迷思”才對應“迷思概念”響應類型。正確率與迷思比例將用于驗證三階試題的優(yōu)勢。

2.3 試題質(zhì)量評價

化學平衡三階試題的第一階、前二階和三階的Cronbachα值分別為0.758、0.782和0.889，符合選擇題測驗的信度參照標準[14]，試題信度良好。試題的內(nèi)容效度可用假正與假負的比例量化表征。各題假正、假負比例見表3。由表3可知，假正平均比例為5.68%，假負平均比例為4.89%，均小于10%，說明試題內(nèi)容效度良好[15]。

學生前二階分數(shù)與第三階分數(shù)的相關(guān)性可驗證試題的結(jié)構(gòu)效度。圖3是前二階分數(shù)與第三階分數(shù)的相關(guān)性散點圖。由圖3可知，普遍地，在前二階得分越高，自信水平越高。但也存在部分學生前兩階的分數(shù)偏低但仍舊自信的情況，其散點分布于圖像的右下角，暗示了這些學生存在頑固的化學平衡迷思概念。學生前二階分數(shù)與第三階分數(shù)呈顯著正相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.530（p<0.01），說明試題的結(jié)構(gòu)效度良好。

2.4 學習結(jié)果評價

2.4.1 正確率與自信水平分析

將第一階、前二階、三階和第三階的正確率統(tǒng)計如下，見表4。

由表4可見，試題第一階、前二階和三階的平均正確率分別為71.90%、63.41%、56.02%，反映出試題整體的難度中等。第一階平均正確率高于前二階8.49%，這是因為第一階正確率中額外包含假正（5.68%）、知識不足100（2.81%）兩種響應類型造成的。前二階平均正確率比三階高7.39%，則是由于部分學生回答正確前二階問題但不確定自己的答案造成的。以上差異證明三階試題可以彌補二階試題過度評價學生學習成果的缺陷，第三階自信水平的設(shè)置使研究結(jié)論更為準確。另外，在第三階學生表現(xiàn)出的正確率均大于80%，遠高于三階正確率，說明學生對自身化學平衡認知水平的評估過于理想，認知結(jié)構(gòu)中存在頑固的迷思概念。

2.4.2 響應類型分布

統(tǒng)計“科學知識”“迷思概念”“知識不足”“自信不足或幸運”響應類型的比例，見表5。

由表5可知，56.02%的學生建構(gòu)了科學的化學平衡知識，15.92%的學生認知結(jié)構(gòu)中存在迷思概念，10.11%的學生化學平衡知識儲備不足。四個知識維度中，學生可逆反應、化學平衡常數(shù)維度的知識建構(gòu)更為準確，各題科學知識比例均大于60%。學生的認知結(jié)構(gòu)在各維度均存在迷思概念與知識儲備不足。

學生在化學平衡移動維度的“壓強對化學平衡的影響以及勒夏特列原理的理解與應用（題6）”中存在知識的錯誤建構(gòu)，迷思概念比例最高（26.40%）；其次，在化學平衡狀態(tài)維度的“對化學平衡狀態(tài)的判斷（題10）”中，迷思概念比例為25.89%。學生在“化學平衡常數(shù)的簡單應用”（題8）中迷思概念最少（5.08%）。

此外，學生在化學平衡移動維度的“濃度對化學平衡的影響”（題3）中，表現(xiàn)出明顯的知識欠缺，知識不足響應類型比例達15.74%；其次為題11“催化劑對化學平衡影響的判斷（12.69%）”。而對于“化學平衡狀態(tài)的建立過程”（題9）“惰性氣體對化學平衡的影響”（題4），學生建立有相對完整的知識體系。學生的知識儲備不足往往是因為沒有及時復習，以致新知識沒有穩(wěn)定地同化、整合到原有的認知結(jié)構(gòu)中。

2.4.3 迷思概念分析

將第一階、前二階和三階的迷思比例統(tǒng)計于表6。

由表6可見，除題4外，隨著試題階數(shù)的增加，迷思比例逐漸減小。第一階、前二階、三階平均迷思比例依次為28.10%、18.78%、15.92%。前二階平均迷思比例低于第一階9.32%，這是因為第一階迷思比例額外包含了假負（4.89%）和知識不足010（4.43%）。三階迷思比例比前二階低2.86%，是因為知識不足000的存在?？赏浦瑔螒{第一階或是前二階測試評價學生的迷思概念均會造成對迷思概念的過度評價[16]。

為深入探查學生化學平衡知識的學習困難，將學生迷思概念進行了歸納，見表7。

由表7可見，對于可逆反應，7.61%的學生沒有正確認識可逆反應的特征，對化學反應的認知水平仍停留在“化學反應是完全的”階段（迷思概念1）。

對于化學平衡狀態(tài)，10.15%的學生負遷移化學反應速率與計量數(shù)的關(guān)系的知識（迷思概念2）。16.75%的學生錯誤引申教學中總結(jié)的化學平衡狀態(tài)的特征“定”的內(nèi)涵，不能在具體的問題情境下判斷可逆反應是否達到了化學平衡狀態(tài)（迷思概念3）。

對于化學平衡移動，9.13%的學生在濃度對于化學平衡的影響出現(xiàn)學習困難（迷思概念4），這主要是教科書與教學注重對宏觀實驗現(xiàn)象的感性認識而缺乏微觀表征與符號表征引起的。11.17%的學生沒有理解特定反應下只有改變各組分分壓才能影響平衡狀態(tài)（迷思概念5）。各有15.23%、14.21%的學生存在迷思概念6、7，表明學生不能正確推斷平衡移動的效果，沒有正確理解勒夏特列原理的內(nèi)涵，再一次反映了學生沒有充分理解可逆反應的“不完全性”，這兩個迷思概念是在以往研究未曾報道的。

對于化學平衡常數(shù)，9.64%的學生將某種反應物的“轉(zhuǎn)化率”與“反應程度”混為一談，不理解某一溫度下的平衡常數(shù)可對應多個化學平衡狀態(tài)，不知道具體反應的化學平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)（迷思概念10）。2.03%的學生沒有理解化學平衡常數(shù)公式中物理量的意義（迷思概念11）。

此外，通過分析“假正”比例大于10%的題5和題11發(fā)現(xiàn)，5.58%的學生錯誤建構(gòu)化學平衡的前概念溫度對化學反應速率的影響（迷思概念8）。6.60%的學生對催化劑的性質(zhì)存在片面認識（迷思概念9）。前概念是建構(gòu)新知識的生長點，雖然這兩個強隱蔽性迷思概念未使學生在第一階問題做出錯誤判斷，但有礙于學生科學認識化學反應。

在三階試題診斷中，認定比例高于10%的具體的迷思概念為學生中主要存在迷思概念[17]，包括：利用濃度判斷化學平衡狀態(tài)（迷思概念2），與氣體壓強相關(guān)的判斷化學平衡狀態(tài)與平衡移動效果（迷思概念3、5、7），以及對勒夏特列原理內(nèi)涵的理解（迷思概念6、7）。

究其原因，在學生認知角度，學生對于化學平衡體系中氣體屬性（是否惰性）、氣體物質(zhì)的量、氣體濃度、氣體壓強等因素的認知總體上是割裂的，還無法建立系統(tǒng)化的認知模型以認識上述因素之間的對立統(tǒng)一關(guān)系，因此導致了通過氣體壓強判斷化學平衡狀態(tài)與平衡移動的較大認知負荷。在教科書內(nèi)容組織角度，人教版教科書只闡述了濃度與溫度因素，缺乏對壓強因素的探討（見圖4）；只涉及化學平衡常數(shù)的意義與表達式的簡單應用，并不涉及其在平衡移動的應用，未充分體現(xiàn)化學平衡常數(shù)的教育價值[18]。在實際教學角度，雖然教師針對壓強對化學平衡的影響有所補充，但偏重傳授利用勒夏特列原理的定性推理，忽視規(guī)律背后的量化本質(zhì)。

3 結(jié)論與啟示

本研究編制了信度、內(nèi)容效度與結(jié)構(gòu)效度良好、難度中等的化學平衡三階試題。利用三階試題診斷學生的化學平衡的學習成果并分析學習困難。研究發(fā)現(xiàn)：（1）第三階的正確率高于各階正確率，顯現(xiàn)出學生高估自身的認知水平的現(xiàn)象。（2）學生在4個知識維度均存在迷思概念與知識儲備不足，“可逆反應”與“化學平衡常數(shù)”知識建構(gòu)相對準確。對化學平衡狀態(tài)的判斷、壓強與濃度對化學平衡的影響以及勒夏特列原理的內(nèi)涵存在相對較多的迷思概念；在濃度、催化劑對化學平衡的影響表現(xiàn)出明顯的知識欠缺。（3）從迷思概念看，學生對化學平衡體系中氣體屬性（是否惰性）、氣體物質(zhì)的量、氣體濃度、氣體壓強等因素的認知總體上是割裂的，化學平衡知識體系的建構(gòu)缺乏整體性和系統(tǒng)性。

根據(jù)研究結(jié)論，可以得出以下教學啟示：（1）在發(fā)揮實驗現(xiàn)象宏觀表征優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，充分利用模擬動畫等幫助學生從微觀角度理解壓強對化學平衡的影響。（2）重視化學平衡常數(shù)的支點作用，挖掘化學平衡常數(shù)的教育價值，幫助學生理解勒夏特列原理的內(nèi)涵與適用范圍。（3）化學原理類內(nèi)容教學中，注重培養(yǎng)學生的科學推理思維傾向與能力，引導學生在學習過程中重視科學問題的情境性，重視科學推理過程的邏輯性，重視科學論述與表達的嚴謹性和完整性。

參考文獻：

[1]張愛武.高中化學“平衡”概念形成的教學策略研究[D].上海：華東師范大學碩士學位論文，2010.

[2]鄧陽，王后雄.利用二段式測驗診斷高三化學復習中學生的迷思概念[J].化學教育，2010，31（12）：48～51.

[3]李敏.基于RSM的化學平衡概念理解研究[D].濟南：山東師范大學碩士學位論文，2015.

[4]辛濤，焦麗亞.測量理論的新進展：規(guī)則空間模型[J].華東師范大學學報（教育科學版），2006，（3）：50～56，61.

[5][9][11][15][16] Haki Pe？man，Ali Ery？lmaz. Development of a Three-Tier Test to Assess Misconceptions About Simple Electric Circuits [J]. The Journal of Educational Research，2010，103（3）：208～222.

[7][17] Erdal Taslidere. Development and Use of a Three-tier Diagnostic Test to Assess High School Students Misconceptions about the Photoelectric Effect [J]. Research in Science & Technological Education，2016，34（2）：164～186.

[6][9] Harika Ozge Arslan，Ceyhan Cigdemoglu，Christine Moseley. A Three-Tier Diagnostic Test to Assess Pre-Service Teachers Misconceptions about Global Warming， Greenhouse Effect， Ozone Layer Depletion， and Acid Rain [J]. International Journal of Science Education，2012，34（11）：667～686.

[8] Hestenes， d.，I. Halloun. Interpreting the Force Concept Inventory [J]. Physics Teacher，1995，（33）：502～506.

[12]蘇金豆.三階診斷工具的發(fā)展和應用——技職學生化學平衡迷思概念評量[J].科學教育學刊，2015，23（4）：321～352.

[13] Cataloglu， E. Development and Validation of an Achievement Test in Introductory Quantum Mechanics： The Quantum Mechanics Visualization Instrument [EB/OL].[2012-8-10]. https：//etda.libraries.psu.edu/paper/5937/1204-ABD.

[14] Kane， M.T. The Role of Reliability in Criterionreferenced Test [J]. Journal of Educational Measurement，1986，23（3）：221～224.

[18]徐守兵.勒夏特列原理和化學平衡常數(shù)學習現(xiàn)狀的調(diào)查分析和教學反思[J].化學教育，2011，32（6）：25～27.