馮雅琪 魏夢雪

摘要：采用四段式多項選擇測試法，以寧夏鹽池縣某中學(xué)高二年級99名學(xué)生為研究對象，診斷學(xué)生在“化學(xué)反應(yīng)與熱能”相關(guān)內(nèi)容中存在的相異構(gòu)想。結(jié)果顯示，被試在“化學(xué)反應(yīng)與熱能”內(nèi)容中共出現(xiàn)35個錯誤認(rèn)識，其中有14個屬于典型相異構(gòu)想，對典型相異構(gòu)想進(jìn)行程度分析后發(fā)現(xiàn)有9個真性相異構(gòu)想和5個假性相異構(gòu)想，針對學(xué)生存在的問題，文章提出了解決問題的四項建議。

關(guān)鍵詞：四段式多項選擇測試法;相異構(gòu)想;化學(xué)反應(yīng)與熱能

文章編號：1008-0546（2022）10-0012-05中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

一、問題的提出

化學(xué)反應(yīng)與熱能是高中化學(xué)學(xué)科的重要組成部分，是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)熱力學(xué)知識的基礎(chǔ)。由于該部分內(nèi)容包含概念較多，且涉及“能量”這一抽象概念，學(xué)習(xí)過程中需要學(xué)生具有一定的抽象思維將宏觀與微觀聯(lián)系起來，致使學(xué)生在學(xué)習(xí)基本概念和相關(guān)知識時，容易產(chǎn)生與科學(xué)概念不相符的理解，我們將這種與科學(xué)概念不一致的觀念或想法稱為“相異構(gòu)想”。[1]相異構(gòu)想的存在會阻礙學(xué)生科學(xué)概念的建立，對后續(xù)的學(xué)習(xí)效果造成不良影響，因此診斷并轉(zhuǎn)變學(xué)生關(guān)于化學(xué)反應(yīng)與熱能知識中的相異構(gòu)想是極為重要的。

當(dāng)前，診斷學(xué)生相異構(gòu)想最常用的工具之一是切爾格斯特（Treagust）提出的二段式診斷試題。國內(nèi)已有不少研究者在關(guān)于相異構(gòu)想的研究中使用二段式診斷測試法，如盧珊珊、畢華林利用二段式診斷測驗探查了不同發(fā)展階段的學(xué)生在“電解質(zhì)”相關(guān)知識中相異構(gòu)想的表現(xiàn)形式;[2]張雯雯采用二段式診斷法探查了高二年級處于不同學(xué)習(xí)水平學(xué)生在學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)知識的過程中存在的相異構(gòu)想。[3]但這種診斷方法存在一定的缺陷，一般通過回答錯誤人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例高低來確定學(xué)生在相關(guān)內(nèi)容中是否存在相異構(gòu)想，不能對相異構(gòu)想的性質(zhì)和程度進(jìn)行分析，無法辨別學(xué)生到底是因為缺乏知識，還是因為存在相異構(gòu)想而選擇錯誤，導(dǎo)致提出的教學(xué)策略針對性不強，相異構(gòu)想的轉(zhuǎn)變效果不佳。為使診斷結(jié)果更加準(zhǔn)確，Caleon等人開發(fā)了四段式多項選擇測試法，在二段式的基礎(chǔ)上分別在答案段和原因段之后增加了信心指數(shù)段，即一個0%～100%的數(shù)軸，學(xué)生作答完后需要在數(shù)軸上標(biāo)出回答問題時的自信程度，通過分析測試者所做的選擇和信心指數(shù)程度來判斷其相異構(gòu)想的性質(zhì)和程度。

綜上分析，本研究旨在以四段式多項選擇測試題為研究工具，診斷高二學(xué)生在化學(xué)反應(yīng)與熱能內(nèi)容中存在的相異構(gòu)想，并依據(jù)學(xué)生給出的信心指數(shù)分析相異構(gòu)想的性質(zhì)和程度，從而為相異構(gòu)想的轉(zhuǎn)變教學(xué)提供參考依據(jù)。

二、研究設(shè)計

1.測試題編制

本研究基于Treagust提出的“三階段十步驟”的二段式測試題編制程序，對部分步驟進(jìn)行了修改，制定出四段式多項選擇測試題的編制程序。首先，對《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》、人教版《化學(xué)必修二》和《化學(xué)反應(yīng)原理》教科書中化學(xué)反應(yīng)與熱能的內(nèi)容進(jìn)行分析和整理，確定本次測查內(nèi)容圍繞吸熱反應(yīng)、放熱反應(yīng)、反應(yīng)熱、焓變、熱化學(xué)方程式、能源、中和熱、燃燒熱、蓋斯定律這九個核心概念展開，并建立知識概念圖（見圖1），確定化學(xué)反應(yīng)與熱能相異構(gòu)想的具體診斷內(nèi)容。

其次，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、課堂觀察和教師訪談等方式，了解學(xué)生在學(xué)習(xí)中容易出錯的知識點和相異構(gòu)想，為編制四段式多項選擇測試題提供依據(jù)。然后，建立測試內(nèi)容與測驗項目的雙向細(xì)目表（見表1），根據(jù)雙向細(xì)目表確定要探查的內(nèi)容，從而保證兩主題的一致性。最后，編制出“‘化學(xué)反應(yīng)與熱能四段式多項選擇測試題（初稿）”，測試題由本專業(yè)的兩位導(dǎo)師和有豐富教學(xué)經(jīng)驗的一線高中化學(xué)教師對測試內(nèi)容的效度進(jìn)行審核，根據(jù)各位導(dǎo)師和中學(xué)一線教師的意見對四段式多項選擇測試題進(jìn)行修改和完善，以保證測試內(nèi)容的效度。

2.施測

研究以寧夏回族自治區(qū)鹽池縣某中學(xué)高二年級兩個平行班的學(xué)生為測試對象，共99人，兩班學(xué)生的化學(xué)成績相近，均已完成化學(xué)反應(yīng)與熱能相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，且未進(jìn)入復(fù)習(xí)階段。

本次共發(fā)放四段式多項選擇測試題99份，回收有效試題99份，有效率100%。為確保學(xué)生能夠如實給出信心指數(shù)評分，教師告知學(xué)生該測試只是一種診斷性測試，僅用于教育調(diào)研，不會將測試結(jié)果納入考試成績中。

三、調(diào)查結(jié)果分析

1.數(shù)據(jù)處理方法

在統(tǒng)計四段式多項選擇測試題答案段和原因段的數(shù)據(jù)時，主要采用以下兩種計分標(biāo)準(zhǔn)：（1）分別對答案段和原因段進(jìn)行計分，正確計1分，錯誤計0分，不進(jìn)行扣分;（2）當(dāng)某一項目的答案段和原因段均正確時，可計1分，否則為0分，不進(jìn)行扣分，滿分9分。

2.測試題質(zhì)量分析

使用MicrosoftExcel和SPSS23.0對本次測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，所有被試的總分介于0～9分之間，平均得分為4.9分，說明該測試題對被試來說具有一定的難度。由檢測結(jié)果表明，本研究中四段式多項選擇測試題的克隆巴赫系數(shù)為0.702，大于0.7，說明該測試題信度較好。

3.數(shù)據(jù)分析

在相異構(gòu)想的診斷研究中，不僅要關(guān)注學(xué)生對相關(guān)科學(xué)概念的掌握情況，更要注重學(xué)生所選答案與其自信程度是否相匹配。表2統(tǒng)計了四段式多項選擇測試題中每個項目的正確率和信心指數(shù)，當(dāng)同時考慮答案段與原因段時，項目的正確率在29.29%～72.73%之間，平均正確率為54.32%，說明測試卷具有一定的難度和區(qū)分度，為研究的準(zhǔn)確性提供了支持。與此同時，測試對象的正確信心指數(shù)在57.56%～82.88%之間，平均值為70.72%，信心指數(shù)不是很高，說明學(xué)生雖然回答正確，但對自己的選擇缺乏信心，出現(xiàn)了“低信心指數(shù)正解”的情況;錯誤信心指數(shù)在44.17%～72.05%之間，平均值為60.26%，且有三分之二的項目其平均信心值高于50%，表明學(xué)生雖然回答錯誤，但對自己的選擇充滿信心，出現(xiàn)了“高信心指數(shù)錯解”的情況。通過分析項目中學(xué)生回答錯誤的選項組合、人數(shù)比例和平均信心指數(shù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生共出現(xiàn)35個錯誤認(rèn)識，說明利用四段式多項選擇測試法能夠有效地診斷出學(xué)生頭腦中與科學(xué)概念不符的想法，也表明大部分學(xué)生并沒有完全掌握“化學(xué)反應(yīng)與熱能”的相關(guān)知識，仍然存在較多困惑。

但是，學(xué)生的錯誤認(rèn)識并不都屬于相異構(gòu)想，學(xué)生因為缺乏知識或通過猜測回答錯誤的情況就不屬于真正的相異構(gòu)想。為了區(qū)分相異構(gòu)想的性質(zhì)，我們利用測得的信心指數(shù)將探查出的相異構(gòu)想分為真性相異構(gòu)想和假性相異構(gòu)想。Tan在研究中指出，多項選擇測試中項目的每個選項都有被隨機選中的概率，當(dāng)某個選項或選項組合的選擇率比其被隨機選中的概率高10%時，那么該選項或選項組合涉及到的相異構(gòu)想就屬于“典型相異構(gòu)想”[4]。Caleon對典型相異構(gòu)想做了更詳細(xì)的劃分，將平均信心指數(shù)大于或等于50%的歸為“真性相異構(gòu)想”，將平均信心指數(shù)小于50%的歸為“假性相異構(gòu)想”[5]。假性相異構(gòu)想通常是由于學(xué)生缺乏知識或猜測錯誤而造成，經(jīng)過及時的教學(xué)可以很快轉(zhuǎn)變。但真性相異構(gòu)想比較頑固，轉(zhuǎn)變的難度比較大，需要教師長期采取合適的教學(xué)方法和教學(xué)策略加以轉(zhuǎn)變。因此，辨別探查出的典型相異構(gòu)想屬于“真性相異構(gòu)想”還是“假性相異構(gòu)想”對實際教學(xué)具有重要的意義。

本研究中的四段式多項選擇測試題均由選擇題構(gòu)成，每個項目中答案段和原因段分別有4個選項，共16種不同的組合方式，其中隨機選中每種組合的概率為6.25%，當(dāng)錯誤選項組合的選擇率高于16.25%時，將其劃分為“典型相異構(gòu)想”。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，將診斷出的35個錯誤認(rèn)識進(jìn)行了劃分，共存在14個典型相異構(gòu)想（見表3），其中有9個平均信心指數(shù)大于或等于50%的真性相異構(gòu)想和5個平均信心指數(shù)小于50%的假性相異構(gòu)想。

通過表3可以看出，學(xué)生關(guān)于化學(xué)反應(yīng)與熱能的知識學(xué)習(xí)上存在較多問題，在判斷化學(xué)反應(yīng)類型、反應(yīng)熱與物質(zhì)能量及鍵能的關(guān)系、能源、熱化學(xué)方程式、燃燒熱、中和熱和蓋斯定律這7方面的知識中存在不同程度的相異構(gòu)想，下面本文將分別從這7個方面探查出的相異構(gòu)想進(jìn)行討論。

（1）化學(xué)反應(yīng)類型的判斷

在有關(guān)判斷化學(xué)反應(yīng)類型的項目中，共探查出1個典型相異構(gòu)想，其平均信心指數(shù)為64.17%，為真性相異構(gòu)想。有18.18%的學(xué)生認(rèn)為“能量升高的物理變化屬于吸熱反應(yīng)”，把液態(tài)水汽化過程中發(fā)生的能量變化視為反應(yīng)熱，不清楚反應(yīng)熱是描述化學(xué)反應(yīng)熱量變化的量，簡單地認(rèn)為只要變化過程中能量升高即屬于吸熱反應(yīng)，實際上物理變化中發(fā)生的能量變化不屬于反應(yīng)熱。

（2）反應(yīng)熱與物質(zhì)能量及鍵能的關(guān)系

在有關(guān)能量、鍵能與反應(yīng)熱關(guān)系的項目中，共探查出2個典型相異構(gòu)想，其平均信心指數(shù)分別為60.42%和50.00%，均屬于真性相異構(gòu)想。有18.18%的學(xué)生認(rèn)為“ΔH=生成物總鍵能—反應(yīng)物總鍵能”，將利用鍵能和利用物質(zhì)能量計算ΔH的公式發(fā)生了混淆，認(rèn)為利用物質(zhì)能量計算ΔH時需要用生成物總能量減反應(yīng)物總能量，則使用鍵能計算ΔH時也要用生成物總鍵能減反應(yīng)物總鍵能。另有22.22%的學(xué)生認(rèn)為“物質(zhì)具有的能量越高，物質(zhì)越穩(wěn)定”，沒有理解物質(zhì)具有的能量和物質(zhì)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，受到以往生活經(jīng)驗的影響，想當(dāng)然地認(rèn)為能量越多物質(zhì)穩(wěn)定性越好。實際上，一般物質(zhì)具有的能量越低，物質(zhì)越穩(wěn)定。

（3）能源

在有關(guān)能源的項目中，共探查出1個典型相異構(gòu)想，其平均信心指數(shù)為71.82%，屬于真性相異構(gòu)想。有22.22%的學(xué)生認(rèn)為“水力是二級能源，需要依靠其他能源的能量間接制取”，不清楚水力獲取的形式，水力是直接來自自然界的能源，屬于一級能源。而造成許多學(xué)生不能區(qū)分能源類型的原因是大多數(shù)教師認(rèn)為這部分內(nèi)容在高考中考查較少，不重視能源相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)。

（4）熱化學(xué)方程式

在有關(guān)熱化學(xué)方程式的項目中，共探查出3個典型相異構(gòu)想，其平均信心指數(shù)分別為60.50%、73.96%和68.16%，均屬于真性相異構(gòu)想。有20.20%的學(xué)生認(rèn)為“可逆反應(yīng)熱化學(xué)方程式中焓變的大小與實際焓變的大小相同”，不清楚可逆反應(yīng)的熱化學(xué)方程式中焓變表示的是完全反應(yīng)后的反應(yīng)熱，或者忽略了在實際反應(yīng)中可逆反應(yīng)的反應(yīng)物不能完全反應(yīng)的這一特點，實際上可逆反應(yīng)反應(yīng)熱的絕對值小于焓變的絕對值。有24.24%的學(xué)生認(rèn)為“熱化學(xué)方程式的化學(xué)計量數(shù)發(fā)生改變時，ΔH不變”，不理解焓變單位中“mol-1”的含義，ΔH的單位kJ·mol-1中每摩爾是指每摩爾反應(yīng)，所以當(dāng)熱化學(xué)方程式中的化學(xué)計量數(shù)發(fā)生變化時，ΔH也應(yīng)隨之發(fā)生相同倍數(shù)的改變。有19.19%的學(xué)生認(rèn)為“熱化學(xué)方程式中的化學(xué)計量數(shù)表示粒子數(shù)目”，沒有把化學(xué)方程式和熱化學(xué)方程式中化學(xué)計量數(shù)表示的意義區(qū)分開來，認(rèn)為二者的化學(xué)計量數(shù)都表示粒子數(shù)目。實際上，化學(xué)方程式中化學(xué)計量數(shù)表示物質(zhì)的量或微粒個數(shù)，只能是整數(shù);而熱化學(xué)方程式中化學(xué)計量數(shù)只表示物質(zhì)的量，可以是整數(shù)，也可以是分?jǐn)?shù)。

（5）燃燒熱

在有關(guān)燃燒熱的項目中，共探查出3個典型相異構(gòu)想，17.17%的學(xué)生認(rèn)為“碳完全燃燒生成的穩(wěn)定氧化物是CO”，其平均信心指數(shù)為57.06%，為真性相異構(gòu)想;18.18%的學(xué)生認(rèn)為“氫氣完全燃燒生成的穩(wěn)定氧化物是氣態(tài)水”，其平均信心指數(shù)為42.64%，屬于假性相異構(gòu)想，上述兩種情況說明很多學(xué)生都不清楚物質(zhì)完全燃燒后形成的穩(wěn)定化合物到底是什么。實際上，CO2是碳完全燃燒后形成的穩(wěn)定氧化物，液態(tài)水是氫氣完全燃燒后形成的穩(wěn)定氧化物。另有23.23%的學(xué)生認(rèn)為“燃燒熱的熱化學(xué)方程式中可燃物的化學(xué)計量數(shù)不一定為1mol”，其平均信心指數(shù)為43.26%，為假性相異構(gòu)想。這部分學(xué)生沒有將燃燒熱的熱化學(xué)方程式與物質(zhì)燃燒的熱化學(xué)方程式區(qū)分開來，以為兩者是相同的。燃燒熱的熱化學(xué)方程式中，可燃物必須為1mol;而物質(zhì)燃燒的熱化學(xué)方程式中，可燃物不一定是1mol。

（6）中和熱

在有關(guān)中和熱的項目中，共探查出2個典型相異構(gòu)想，22.22%的學(xué)生認(rèn)為“稀的強酸和強堿發(fā)生反應(yīng)生成水時放出的熱量為57.3kJ”，其平均信心指數(shù)為50.45%，屬于真性相異構(gòu)想，這部分學(xué)生不清楚中和熱的概念中強調(diào)生成水的量必須為1mol。23.23%的學(xué)生認(rèn)為“稀的酸和堿反應(yīng)生成1mol水時放出的熱量是中和熱”，其平均信心指數(shù)為44.89%，屬于假性相異構(gòu)想，這部分學(xué)生不知道產(chǎn)生中和熱的酸和堿必須是強酸和強堿，同時反映出學(xué)生沒有掌握弱酸和弱堿在水溶液中電離會吸熱的性質(zhì)。

（7）蓋斯定律

在有關(guān)蓋斯定律的項目中，共探查出2個典型相異構(gòu)想，其平均信心指數(shù)分別為36.63%和45.69%，均屬于假性相異構(gòu)想，說明大部分學(xué)生并沒有掌握利用蓋斯定律計算反應(yīng)熱的知識。有20.20%的學(xué)生認(rèn)為“利用蓋斯定律計算反應(yīng)熱只需根據(jù)目標(biāo)方程式中各物質(zhì)的位置調(diào)整反應(yīng)方向”，不知道還要依照目標(biāo)方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)對已知方程式進(jìn)行處理。另有18.18%的學(xué)生認(rèn)為“利用蓋斯定律計算反應(yīng)熱只需根據(jù)目標(biāo)方程式對化學(xué)計量數(shù)進(jìn)行調(diào)整”，不知道還要依照目標(biāo)方程式中各物質(zhì)的位置調(diào)整反應(yīng)方向。

從上述分析結(jié)果來看，學(xué)生在關(guān)于化學(xué)反應(yīng)與熱能的知識內(nèi)容上掌握情況并不理想，尤其是在反應(yīng)熱與物質(zhì)能量及鍵能的關(guān)系、熱化學(xué)方程式、燃燒熱、中和熱和蓋斯定律這幾方面的知識上存在的典型相異構(gòu)想較多，需要教師在實際教學(xué)過程中重點關(guān)注這幾部分內(nèi)容的講解，采用合適的教學(xué)方法和教學(xué)策略，幫助學(xué)生建立科學(xué)概念，減少相異構(gòu)想的形成。

四、研究結(jié)論與建議

針對四段式多項選擇測試題診斷出高二學(xué)生在化學(xué)反應(yīng)與熱能中存在的典型相異構(gòu)想，提出如下教學(xué)建議：

1.采用對比辨析策略，幫助學(xué)生理解概念內(nèi)涵

學(xué)生在學(xué)習(xí)反應(yīng)熱與焓變、燃燒熱與中和熱以及能源的相關(guān)知識時，教師可以用表格歸納的方式對反應(yīng)熱和焓變、燃燒熱和中和熱及能源的分類進(jìn)行對比教學(xué)，理清它們之間的區(qū)別與聯(lián)系，從而達(dá)到建立科學(xué)概念的目的。此外，通過診斷發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生容易混淆化學(xué)方程式和熱化學(xué)方程式，因此教師在教授熱化學(xué)方程式的內(nèi)容時也可以通過對比教學(xué)幫助學(xué)生區(qū)分兩者的異同。

2.利用類比教學(xué)策略，將抽象知識具體化

在物質(zhì)能量、鍵能與反應(yīng)熱關(guān)系內(nèi)容的講解上，教師可以采用類比策略，將物質(zhì)具有的能量比作山坡上的石頭，將鍵能比作爬山距離，從而得出“鍵能越大，物質(zhì)具有的能量越低，物質(zhì)就越穩(wěn)定”的結(jié)論，把抽象的知識具體化，使知識變得通俗易懂，減少學(xué)生相異構(gòu)想的形成。

3.運用思維導(dǎo)圖，幫助學(xué)生形成解題思路

應(yīng)用蓋斯定律計算反應(yīng)熱是教學(xué)的難點，由于這類型題目計算過程繁雜，學(xué)生稍有不慎就會計算錯誤，所以教師在進(jìn)行教學(xué)時可以利用思維導(dǎo)圖這一可視化工具，對反應(yīng)熱的不同計算方法、計算步驟進(jìn)行可視化表征，使學(xué)生清楚利用蓋斯定律計算反應(yīng)熱的過程，從而通過練習(xí)進(jìn)一步鞏固學(xué)生對蓋斯定律的應(yīng)用。

4.應(yīng)用概念圖策略，促使學(xué)生構(gòu)建完整知識體系

化學(xué)反應(yīng)與熱能的相關(guān)內(nèi)容中涉及到的化學(xué)概念較多，在進(jìn)行復(fù)習(xí)時教師可以為學(xué)生提供概念圖框架讓學(xué)生對概念圖中空缺內(nèi)容進(jìn)行補充和完善或讓學(xué)生自主繪制概念圖，從而加強學(xué)生對概念的理解，提供學(xué)生對知識的整合能力。

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