化學(xué)平衡迷思概念的轉(zhuǎn)變教學(xué)研究

“化學(xué)平衡”迷思概念的轉(zhuǎn)變教學(xué)研究

化學(xué)平衡無(wú)論在基礎(chǔ)教育還是高等教育中都是中心概念之一，其概念教學(xué)經(jīng)常與學(xué)習(xí)困難相聯(lián)系。同時(shí)，它也是一個(gè)容易讓學(xué)生產(chǎn)生迷思概念的內(nèi)容[1]。教育研究人員發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生與教師經(jīng)常覺得化學(xué)平衡的概念和它配套的一些原則很難掌握。無(wú)論是國(guó)外、內(nèi)地還是臺(tái)灣地區(qū)的學(xué)生都普遍存在對(duì)化學(xué)平衡的迷思概念[2]，甚至連教師本身也對(duì)化學(xué)平衡存在迷思概念[3]。因而，國(guó)內(nèi)外的研究者們進(jìn)行了一系列的促進(jìn)化學(xué)平衡迷思概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)方法研究。一、化學(xué)平衡迷思概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)方法鑒于“化學(xué)平衡”單元內(nèi)容的迷思概念較多且難以在傳統(tǒng)教學(xué)方式中轉(zhuǎn)變，研究者通過改變教學(xué)模式及三重表征理論進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變的嘗試。1.通過改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變臺(tái)灣的Chui等[4]采用了認(rèn)知學(xué)徒的方式幫助學(xué)生學(xué)習(xí)并建立對(duì)化學(xué)平衡的心智模式。他們選擇了30個(gè)中學(xué)生作為研究對(duì)象，其中控制組有10個(gè)學(xué)生，實(shí)驗(yàn)組有20個(gè)學(xué)生。研究者分別向兩組學(xué)生展示同一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生給予諸如建模、腳手架、闡明解釋、思考和探索等具有認(rèn)知學(xué)徒特性的指導(dǎo)，而控制組則沒這些指導(dǎo)。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組比控制組在化學(xué)平衡概念的理解上更為出色。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)組的學(xué)生經(jīng)過一系列的認(rèn)知學(xué)徒指導(dǎo)，有能力主動(dòng)建立正確的化學(xué)平衡思維模式，包括微觀世界中動(dòng)態(tài)的、隨機(jī)的分子運(yùn)動(dòng)和分子間的相互作用等。控制組的學(xué)生則大多無(wú)法建立正確的化學(xué)平衡概念的心智模式。臺(tái)灣的鄭瑋婷[5]分別使用包括“投入(engagement)、探索(exploration)、解釋(explanation)、精致化(elaboration)和評(píng)鑒(evaluation)”五個(gè)步驟的5E建構(gòu)式與講述式兩種不同教學(xué)法對(duì)國(guó)中八年級(jí)學(xué)生進(jìn)行化學(xué)平衡單元教學(xué)，并檢視接受不同教學(xué)方法的學(xué)生的化學(xué)平衡心智模式和其心智模式發(fā)展的特征，并比較高低學(xué)習(xí)成就學(xué)生的心智模式質(zhì)量是否有顯著差異。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：5E建構(gòu)式教學(xué)對(duì)于學(xué)生持有的化學(xué)平衡心智模式質(zhì)量比講述式教學(xué)更佳，尤其對(duì)低學(xué)習(xí)成就的學(xué)生的幫助比高學(xué)習(xí)成就的學(xué)生明顯。國(guó)內(nèi)的劉瑞東[6]以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，對(duì)高中學(xué)生的化學(xué)迷思概念進(jìn)行調(diào)查，了解到中學(xué)化學(xué)平衡迷思概念存在普遍性、頑固性。為此，他提出了改革課堂教學(xué)的方法及實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)策略——自我解釋策略，并分別將自我解釋策略的兩種形式“自我解釋問題引導(dǎo)”和“自我解釋原則提示”運(yùn)用到課堂教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)教學(xué)效果做了對(duì)比研究。研究結(jié)果表明，在學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)時(shí)限相同的情況下，針對(duì)學(xué)生迷思概念實(shí)施的自我解釋策略在幫助學(xué)生建立正確的化學(xué)概念方面優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)。國(guó)內(nèi)的彭賢春[7]為促進(jìn)學(xué)生化學(xué)平衡概念的形成，采用“揭示化學(xué)平衡前概念和迷思概念→充分討論→糾正錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)”的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，并將其與傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行對(duì)比，獲得如下結(jié)論：(1)化學(xué)平衡前概念表現(xiàn)為平衡、化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)平衡等方面的認(rèn)識(shí)；(2)化學(xué)平衡迷思概念常表現(xiàn)在動(dòng)態(tài)平衡、勒沙特列原理、化學(xué)反應(yīng)速率等方面的錯(cuò)誤理解；(3)揭示前概念和迷思概念的教學(xué)方式比傳統(tǒng)教學(xué)方式更能促進(jìn)學(xué)生化學(xué)平衡概念的形成。以上四種改變傳統(tǒng)教學(xué)模式的化學(xué)平衡教學(xué)方法，分別體現(xiàn)研究者在四個(gè)方面的努力，他們從不同的角度出發(fā)，都希望從傳統(tǒng)教學(xué)方法的改變達(dá)到化學(xué)平衡迷思概念轉(zhuǎn)變的目的，詳見表1。2.通過三重表征的方法促進(jìn)化學(xué)平衡概念轉(zhuǎn)變化學(xué)中涉及許多概念，為了解釋的這些概念，教師用模型來(lái)描述微觀世界，并將其聯(lián)系到宏觀的物質(zhì)的屬性。因此，除了改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，不少研究者通過引入三重表征進(jìn)行教學(xué)以轉(zhuǎn)變化學(xué)平衡迷思概念。然而，利用三重表征進(jìn)行化學(xué)平衡概念教學(xué)必定需要借助一定的媒介，這些媒介可分為兩大類：平面媒體或?qū)嵨锩襟w及多媒體兩類。(1)平面媒體或?qū)嵨锩襟wAndrésRaviolo[8]以AgCl在水中的沉淀溶解平衡問題為主題，讓學(xué)生分別對(duì)其進(jìn)行宏觀現(xiàn)象描述、運(yùn)用符號(hào)表示反應(yīng)過程及用平面圖畫對(duì)溶液中物質(zhì)種類、數(shù)量進(jìn)行微觀表征，通過對(duì)學(xué)生所給出的答案的分析，找出了學(xué)生在微觀描述、應(yīng)用化學(xué)符號(hào)、宏觀表征等三個(gè)方面的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。PolianaFláviaMaia和RosáriaJusti[9]運(yùn)用讓學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建模型的方法在一個(gè)常規(guī)的課堂中對(duì)14～15歲的學(xué)生進(jìn)行化學(xué)平衡的教學(xué)。教師首先讓學(xué)生觀察宏觀實(shí)驗(yàn)，然后逐步讓學(xué)生通過用橡皮泥、木棒等實(shí)體工具進(jìn)行有關(guān)等可逆反應(yīng)中的化學(xué)平衡概念的學(xué)習(xí)。從對(duì)課堂的錄像視頻中分析，發(fā)現(xiàn)此法對(duì)化學(xué)平衡的概念教學(xué)有促進(jìn)作用，且教師的活動(dòng)對(duì)學(xué)生的建模學(xué)習(xí)過程有很大的影響。Harrison和Buckley、Cheung[10]分別使用錢幣、別針仿真動(dòng)態(tài)平衡，形象而生動(dòng)地讓學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)平衡不是靜態(tài)的，而是個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。由上可見，通過平面媒介（一般是圖畫、圖示）或者是錢幣、別針等實(shí)物可模擬可逆反應(yīng)中，物質(zhì)的種類、數(shù)量的變化以及動(dòng)態(tài)平衡的微觀表征。圖畫等外在表征方式能夠反映學(xué)生頭腦中對(duì)化學(xué)平衡概念的內(nèi)在理解及表征，并且簡(jiǎn)單、方便、形象。(2)多媒體多媒體教學(xué)程序均由傳統(tǒng)媒介發(fā)展而來(lái)，著重從三重表征的角度糾正化學(xué)平衡迷思概念。MultimediaandMetalModelsinChemistry(4M:CHEM)是一種計(jì)算機(jī)多媒體程序，通過同步呈現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)的分子水平、宏觀性質(zhì)圖表或結(jié)構(gòu)圖表以及化學(xué)方程式以幫助學(xué)生構(gòu)建符號(hào)、化學(xué)現(xiàn)象和概念實(shí)體間的聯(lián)系，促進(jìn)化學(xué)平衡概念的學(xué)習(xí)，其界面設(shè)計(jì)見圖1。利用計(jì)算機(jī)多畫面的功能來(lái)同步呈現(xiàn)四個(gè)窗口（見圖1）分別演示或采取任意結(jié)合的方式來(lái)呈現(xiàn)不同表征水平的內(nèi)容。研究結(jié)果顯示，4M:CHEM提高了學(xué)生對(duì)平衡體系的理解，減少了對(duì)化學(xué)平衡的迷思概念[11]。4M:CHEM可算是首個(gè)將三重表征的各種水平同時(shí)結(jié)合于一個(gè)多媒體軟件進(jìn)行化學(xué)平衡教學(xué)的一個(gè)典型例子，以外部表征的形式將化學(xué)平衡的概念呈現(xiàn)給學(xué)生，希望通過這種方式來(lái)讓學(xué)生建立起正確的化學(xué)平衡的內(nèi)部表征。但是它的缺陷在于所有的視頻、圖表、動(dòng)畫是預(yù)設(shè)的，學(xué)生不能進(jìn)行主動(dòng)建構(gòu)三重表征的內(nèi)容，學(xué)習(xí)效果可能因此會(huì)受到限制。Netlogo是一種基于現(xiàn)代教育學(xué)思想的新型教學(xué)軟件，其特點(diǎn)在于運(yùn)用多種表征方式，并且強(qiáng)調(diào)各表征之間的聯(lián)系，使學(xué)生可以利用特定的可視模型系統(tǒng)學(xué)習(xí)特定的概念，并在理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行記憶，最終達(dá)到靈活運(yùn)用，解決問題的目的。化學(xué)平衡是Netlogo其中的一個(gè)案例，其界面見下頁(yè)圖2。學(xué)生可以改變可逆反應(yīng)反應(yīng)物的起始粒子數(shù)量，然后點(diǎn)擊按鈕，開始模擬化學(xué)反應(yīng)。學(xué)生在屏幕中能同時(shí)觀察到反應(yīng)物及生成物的粒子數(shù)量的變化、各種粒子數(shù)隨時(shí)間變化的曲線以及微觀粒子活動(dòng)的動(dòng)畫[12]。因此，學(xué)生可以通過宏觀、微觀水平同時(shí)表征可逆反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，相比使用傳統(tǒng)教學(xué)方法學(xué)習(xí)的學(xué)生，使用Netlogo學(xué)習(xí)的學(xué)生能采用更強(qiáng)的概念理解和邏輯推理等的問題解決技巧來(lái)解決化學(xué)平衡問題。MolecularWorkbench是一個(gè)交互性的學(xué)習(xí)環(huán)境，它支持學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行跨領(lǐng)域、跨級(jí)別的廣泛協(xié)作學(xué)習(xí)。它能使初中、高中、大學(xué)生通過多重表征的方式探討各種物理、化學(xué)、生物現(xiàn)象，化學(xué)平衡是它其中的一個(gè)模擬案例[13]?；瘜W(xué)平衡的表征接口由兩大部分組成：左邊是反應(yīng)物和產(chǎn)物的微觀粒子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖，右邊是每種物質(zhì)隨時(shí)間變化的曲線圖，其界面圖見圖3。二、小結(jié)與啟示由上可見，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者都從不同的角度尋找化學(xué)平衡迷思概念轉(zhuǎn)變的方法。一方面是通過改變教學(xué)模式的方式來(lái)達(dá)到，另一方面是根據(jù)化學(xué)學(xué)科“宏觀－微觀－符號(hào)”三重表征的特點(diǎn)來(lái)突破。這些嘗試都是積極的，可為我們的教學(xué)作良好的示范，作為化學(xué)教育工作者可以根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，篩選出適合學(xué)生情況的教學(xué)方法來(lái)轉(zhuǎn)變化學(xué)平衡迷思概念。(1)積極嘗試與化學(xué)平衡內(nèi)容相適應(yīng)的教學(xué)模式，減少迷思概念的形成。由上述的研究中可看出，對(duì)于同樣的教學(xué)內(nèi)容，在教材相同的情況下，不同的教學(xué)模式能達(dá)到不同的教學(xué)效果。所謂“教無(wú)定法”，一種教學(xué)模式不能適用于所有的教學(xué)內(nèi)容，因此，對(duì)于在傳統(tǒng)教學(xué)模式下經(jīng)常出現(xiàn)迷思概念的化學(xué)平衡內(nèi)容，教師就需要多思考、多設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的講授式教學(xué)模式，以減少學(xué)生普遍持有的化學(xué)平衡迷思概念。(2)合理選擇教學(xué)媒體，提高學(xué)生微觀水平的表征能力。微觀表征對(duì)化學(xué)平衡的本質(zhì)理解有很大的幫助，尤其是有些概念內(nèi)容抽象，其微觀過程不能通過宏觀實(shí)驗(yàn)來(lái)體現(xiàn)，因而借助媒體表達(dá)是最佳途徑。多媒體當(dāng)然是最佳的選擇，因?yàn)槎嗝襟w能形象、動(dòng)態(tài)地揭示化學(xué)平衡的微觀過程，恰好符合化學(xué)平衡過程本身的動(dòng)態(tài)平衡特點(diǎn)，能有效幫助學(xué)生形成科學(xué)的平衡概念。對(duì)于資源有限的學(xué)校，平面及實(shí)物媒體也不失為一個(gè)很好的教學(xué)媒介，如香港的張善培教授用別針仿真動(dòng)態(tài)平衡，形象而生動(dòng)地讓學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)平衡的動(dòng)態(tài)過程，可見，應(yīng)用三重表征的方法進(jìn)行教學(xué)，不在乎教學(xué)媒介有多先進(jìn)、技術(shù)含量有多高，而在乎所應(yīng)用的手段是否真的行之有效。(3)善用符號(hào)表征