歐廉　楊發(fā)?！「吲d遠(yuǎn)　劉振威

摘要： 基于《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出的化學(xué)觀念和科學(xué)思維核心素養(yǎng)，采用二段式紙筆測(cè)驗(yàn)和半結(jié)構(gòu)訪談的方法，分別圍繞質(zhì)量守恒定律的概念、質(zhì)量守恒的原因、化學(xué)方程式表示的意義、質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用等4個(gè)維度對(duì)初三學(xué)生持有的“質(zhì)量守恒定律”心智模型進(jìn)行測(cè)評(píng)，根據(jù)學(xué)生的知識(shí)缺陷歸納9種缺陷模型，并提出相關(guān)教學(xué)建議，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)觀念和科學(xué)思維核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 初中化學(xué)； 化學(xué)觀念； 科學(xué)思維； 質(zhì)量守恒定律； 心智模型

文章編號(hào)： 10056629（2023）10001205 中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出要培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，包括化學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與實(shí)踐、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任［1］。落實(shí)核心素養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科育人價(jià)值的必然路徑，為使之更好地落實(shí)到位，需對(duì)學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展情況作出評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)研究表明，通過(guò)心智模型診斷學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展情況是一種有效方式［2，3］。心智模型是一種抽象的心理概念，是個(gè)體對(duì)外界認(rèn)識(shí)形成的一種解釋，包括科學(xué)的解釋和非科學(xué)的解釋［4］。心智模型包括科學(xué)模型和缺陷模型兩大類型，科學(xué)模型指教師、專家等科學(xué)工作者或團(tuán)體在某一現(xiàn)象、概念、理論等方面達(dá)成一致或類似認(rèn)識(shí)的心智模型，缺陷模型指學(xué)生頭腦中存在知識(shí)內(nèi)容錯(cuò)誤或知識(shí)要素缺失的心智模型［5］。心智模型的測(cè)查能很好地診斷學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展?fàn)顩r，深入推進(jìn)教、學(xué)、評(píng)一體化，更好地提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

化學(xué)觀念和科學(xué)思維居于基礎(chǔ)性的地位，對(duì)科學(xué)探究與實(shí)踐和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)具有先導(dǎo)支撐作用［6，7］。因此，如何結(jié)合化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)培養(yǎng)初中生的化學(xué)觀念和科學(xué)思維已迫在眉睫。質(zhì)量守恒定律是化學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)和核心概念，能夠引導(dǎo)學(xué)生從量的角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，理解定性與定量的相互轉(zhuǎn)化［8］，有助于學(xué)生發(fā)展分析、推理、計(jì)算等科學(xué)思維，形成微粒觀、守恒觀、定量觀、變化觀等化學(xué)觀念，進(jìn)而促進(jìn)核心素養(yǎng)的發(fā)展?；诖?，本研究以質(zhì)量守恒定律為載體，探索化學(xué)觀念和科學(xué)思維核心素養(yǎng)下的心智模型，厘清學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解建構(gòu)過(guò)程，分析學(xué)生的錯(cuò)誤認(rèn)知和學(xué)習(xí)困難，以期為教師改進(jìn)教學(xué)提供參考。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究對(duì)象

選取廣東省廣州市花都區(qū)某省級(jí)一級(jí)中學(xué)（該校為廣東省廣州市的重點(diǎn)學(xué)校之一，整體處于本市中等偏上水平）初三年級(jí)兩個(gè)普通班的90名學(xué)生作為研究對(duì)象，這兩個(gè)班在月考中化學(xué)平均分較接近，均高于年級(jí)均值線。

2.2 研究方法

采用二段式紙筆測(cè)驗(yàn)和半結(jié)構(gòu)訪談相結(jié)合的方法測(cè)查學(xué)生關(guān)于質(zhì)量守恒定律的心智模型。試卷設(shè)計(jì)前期根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)確定試卷的維度，分別是質(zhì)量守恒定律的概念、質(zhì)量守恒的原因、化學(xué)方程式表示的意義、質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用等四個(gè)維度［9～11］，并結(jié)合布魯姆認(rèn)知領(lǐng)域教育目標(biāo)確定試卷編制的雙向細(xì)目表［12］，見(jiàn)表1。

試卷采用選擇題形式，共6題，每題2分。二段式紙筆測(cè)驗(yàn)由兩部分組成，第一部分為回答段，學(xué)生根據(jù)題目?jī)?nèi)容答題，目的是考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度；第二部分為理由段，學(xué)生根據(jù)回答給出作答理由，目的是考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度，為更好地把握學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解情況，理由段被設(shè)置為選擇該選項(xiàng)的理由和不選擇其他選項(xiàng)的理由。試題以質(zhì)量守恒的原因維度中的題目為例：

物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)前后肯定沒(méi)有變化的是（）。

① 原子數(shù)目 ② 分子數(shù)目 ③ 原子種類 ④ 分子種類 ⑤ 元素種類

⑥ 物質(zhì)種類 ⑦ 原子質(zhì)量 ⑧ 元素質(zhì)量 ⑨ 物質(zhì)總質(zhì)量

A. ①③⑤⑥⑦⑧⑨B. ①③⑤⑦⑧⑨

C. ①②③⑤⑦⑧⑨D. ①③④⑤⑨

選擇該選項(xiàng)的理由是：_________。

不選擇其他選項(xiàng)的理由是：_________。

在試卷編制過(guò)程中，向多位化學(xué)教學(xué)論專家與中學(xué)一線優(yōu)秀教師詢問(wèn)意見(jiàn)，根據(jù)意見(jiàn)進(jìn)行多次修改和完善，保證試卷的效度。最終得到的試卷在90名學(xué)生中進(jìn)行試測(cè)，試測(cè)結(jié)果顯示試題的一致性信度系數(shù)α為0.798，基本滿足研究需要。二段式紙筆測(cè)驗(yàn)考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的具體認(rèn)知情況，在學(xué)生測(cè)試完成后，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，總結(jié)歸納學(xué)生形成的錯(cuò)誤認(rèn)知，并針對(duì)學(xué)生在二段式紙筆測(cè)驗(yàn)中錯(cuò)誤率較高和理由段闡述較模糊的問(wèn)題，設(shè)計(jì)半結(jié)構(gòu)訪談提綱，指定15名學(xué)生進(jìn)行訪談，通過(guò)訪談了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的建構(gòu)情況，進(jìn)而測(cè)查出學(xué)生的心智模型。半結(jié)構(gòu)訪談提綱以質(zhì)量守恒的原因維度為例：

在質(zhì)量守恒定律中，你認(rèn)為分子數(shù)目______（回答“可能發(fā)生變化”或“肯定不發(fā)生變化”或“一定發(fā)生變化”），為什么？分子種類______（回答“可能發(fā)生變化”或“肯定不發(fā)生變化”或“一定發(fā)生變化”），為什么？物質(zhì)種類______（回答“可能發(fā)生變化”或“肯定不發(fā)生變化”或“一定發(fā)生變化”），為什么？

3 研究結(jié)果與討論

二段式紙筆測(cè)驗(yàn)安排時(shí)間為學(xué)生學(xué)習(xí)完質(zhì)量守恒定律后，以試卷的處理結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合半結(jié)構(gòu)訪談的內(nèi)容，最終以文本的形式呈現(xiàn)、分析和歸納學(xué)生的心智模型。

3.1 “質(zhì)量守恒定律的概念”的心智模型

“質(zhì)量守恒定律的概念”的心智模型分析結(jié)果如表2所示。58.89%的學(xué)生持有科學(xué)模型。此外，學(xué)生還形成了兩種不同的缺陷模型，20.00%的學(xué)生持有質(zhì)量不守恒缺陷模型，他們難以理解質(zhì)量不變的深層原理，不會(huì)具體分析化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量守恒，如10g水受熱變成10g水蒸氣，則認(rèn)為遵循質(zhì)量守恒定律；而紙燃燒后變成灰燼，質(zhì)量變小，則認(rèn)為不遵循質(zhì)量守恒定律，忽視質(zhì)量守恒定律的前提是只適用于化學(xué)變化，而不適用于物理變化。21.11%的學(xué)生持有變化混淆缺陷模型，他們不能正確區(qū)分物理變化與化學(xué)變化，如認(rèn)為蔗糖溶于水后得到的糖水是新物質(zhì)，將該變化分析認(rèn)為是化學(xué)變化，這說(shuō)明學(xué)生對(duì)化學(xué)變化和物理變化的本質(zhì)特征與區(qū)別掌握不夠全面，不能準(zhǔn)確分析化學(xué)變化中產(chǎn)生的新物質(zhì)，對(duì)物質(zhì)變化觀的認(rèn)識(shí)不夠透徹。由此可見(jiàn)，變化觀存在缺陷和分析能力不足會(huì)影響學(xué)生對(duì)質(zhì)量守恒定律概念的理解，因而，教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)觀念中的變化觀和科學(xué)思維中的分析能力。

3.2 “質(zhì)量守恒的原因”的心智模型

“質(zhì)量守恒的原因”的心智模型分析結(jié)果如表3所示。61.11%的學(xué)生持有科學(xué)模型。此外，學(xué)生還形成了兩種不同的缺陷模型，26.67%的學(xué)生持有物種守恒缺陷模型，他們根據(jù)化學(xué)反應(yīng)中原子種類與元素種類不變，推理出物質(zhì)種類不變的錯(cuò)誤結(jié)論，對(duì)物質(zhì)種類與原子種類、元素種類的關(guān)系認(rèn)識(shí)不清，沒(méi)有理解宏觀物質(zhì)種類的意義。12.23%的學(xué)生持有分子守恒缺陷模型，他們根據(jù)化學(xué)反應(yīng)中原子種類和數(shù)目不變，類比得出分子種類和數(shù)目也不變的錯(cuò)誤結(jié)論，未正確把握化學(xué)變化的微觀實(shí)質(zhì)，忽視了在原子重新組合過(guò)程中分子數(shù)目可能會(huì)發(fā)生改變。持有這兩種缺陷模型表明他們已經(jīng)掌握化學(xué)變化中原子數(shù)目與種類等不變，但是沒(méi)有理解物質(zhì)、分子、原子之間的相互聯(lián)系，未把握化學(xué)變化的微觀和宏觀實(shí)質(zhì)，從而進(jìn)行錯(cuò)誤推理、類比，對(duì)物質(zhì)微粒觀的認(rèn)識(shí)不夠透徹。由此可見(jiàn)，微粒觀存在缺陷和推理、類比能力不足會(huì)影響學(xué)生對(duì)質(zhì)量守恒原因的理解，因而，教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)觀念中的微粒觀和科學(xué)思維中的推理、類比能力。

3.3 “化學(xué)方程式表示的意義”的心智模型

“化學(xué)方程式表示的意義”的心智模型分析結(jié)果如表4所示。84.44%的學(xué)生持有科學(xué)模型。此外，學(xué)生還形成了兩種不同的缺陷模型，4.44%的學(xué)生持有符號(hào)表述模糊缺陷模型，他們把化學(xué)方程式中的符號(hào)“+”錯(cuò)誤讀作“加”，符號(hào)“”錯(cuò)誤讀作“等于”，這說(shuō)明學(xué)生對(duì)這些符號(hào)表述僅停留在數(shù)學(xué)層面的認(rèn)識(shí)，缺少化學(xué)層面的準(zhǔn)確理解。11.11%的學(xué)生持有質(zhì)量關(guān)系缺陷模型，他們把質(zhì)量關(guān)系與化學(xué)計(jì)量數(shù)直接聯(lián)系，忽視了相對(duì)分子質(zhì)量（或相對(duì)原子質(zhì)量），這說(shuō)明學(xué)生還沒(méi)有建立起利用相對(duì)分子質(zhì)量（或相對(duì)原子質(zhì)量）來(lái)計(jì)算、理解質(zhì)量關(guān)系的思維方式，對(duì)物質(zhì)定量觀的認(rèn)識(shí)不夠透徹。由此可見(jiàn)，定量觀存在缺陷和計(jì)算能力不足會(huì)影響學(xué)生對(duì)化學(xué)方程式表示意義的理解，因而，教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)觀念中的定量觀和科學(xué)思維中的計(jì)算能力。

3.4 “質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用”的心智模型

“質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用”的心智模型分析結(jié)果如表5所示。76.67%的學(xué)生能夠應(yīng)用質(zhì)量守恒定律確定某物質(zhì)組成元素種類。23.33%的學(xué)生持有思維定勢(shì)缺陷模型，他們知道化學(xué)反應(yīng)中元素種類不變，但受物質(zhì)與氧氣反應(yīng)的影響，持有慣性思維認(rèn)為有氧氣參加反應(yīng)，忽視題目條件是隔絕空氣的密閉環(huán)境，從而錯(cuò)誤推理出該反應(yīng)物的組成元素。由此可見(jiàn)，推理能力不足會(huì)影響學(xué)生對(duì)質(zhì)量守恒定律應(yīng)用的理解，因而，教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維中的推理能力。

82.22%的學(xué)生能夠應(yīng)用質(zhì)量守恒定律準(zhǔn)確推斷反應(yīng)物或生成物的化學(xué)式。4.44%的學(xué)生持有思維定勢(shì)缺陷模型，他們知道化學(xué)反應(yīng)中元素種類不變，推理出該物質(zhì)含有氮元素，但是忽視原子個(gè)數(shù)不變的相關(guān)計(jì)算，直接用固有思維錯(cuò)誤認(rèn)為該物質(zhì)是常見(jiàn)的氮?dú)狻?3.33%的學(xué)生持有計(jì)算錯(cuò)誤缺陷模型，他們知道化學(xué)反應(yīng)中原子種類和數(shù)目都不變，但是計(jì)算過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而得不到準(zhǔn)確答案。即學(xué)生不能完全掌握守恒觀的原理，對(duì)物質(zhì)守恒觀的認(rèn)識(shí)不夠透徹。由此可見(jiàn)，守恒觀存在缺陷和計(jì)算能力不足會(huì)影響學(xué)生對(duì)質(zhì)量守恒定律應(yīng)用的理解，因而，教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)觀念中的守恒觀和科學(xué)思維中的計(jì)算能力。

78.89%的學(xué)生能夠應(yīng)用質(zhì)量守恒定律確定反應(yīng)物與生成物，計(jì)算它們反應(yīng)前、反應(yīng)后和變化的質(zhì)量，并判斷反應(yīng)的基本類型。21.11%的學(xué)生持有質(zhì)量混淆缺陷模型，他們會(huì)計(jì)算物質(zhì)反應(yīng)前、反應(yīng)后和變化的質(zhì)量，但對(duì)反應(yīng)后的質(zhì)量和變化的質(zhì)量辨別不清。另外，他們不會(huì)根據(jù)各個(gè)物質(zhì)反應(yīng)前后的質(zhì)量確定反應(yīng)物與生成物以及推理反應(yīng)的基本類型，這表明他們沒(méi)有完全理解化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物質(zhì)量變少、生成物質(zhì)量變多的過(guò)程，從而不會(huì)推理反應(yīng)的基本類型。由此可見(jiàn)，推理能力不足會(huì)影響學(xué)生對(duì)質(zhì)量守恒定律應(yīng)用的理解，因而，教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維中的推理能力。

4 結(jié)論與建議

綜上，學(xué)生在“質(zhì)量守恒定律”內(nèi)容學(xué)習(xí)中，共持有9種缺陷模型，這些缺陷模型涉及到變化觀、微粒觀、守恒觀、定量觀等化學(xué)觀念和分析、推理、類比、計(jì)算等科學(xué)思維核心素養(yǎng)，基于此提出如下教學(xué)建議，有的放矢地針對(duì)學(xué)生的缺陷模型進(jìn)行完善，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)觀念和科學(xué)思維核心素養(yǎng)的提升。

4.1 動(dòng)畫與模型培養(yǎng)微粒觀和守恒觀

針對(duì)物種守恒、分子守恒、思維定勢(shì)、計(jì)算錯(cuò)誤這四種缺陷模型，通過(guò)播放水的電解微觀動(dòng)畫視頻，引導(dǎo)學(xué)生從分子、原子的微觀角度進(jìn)行探析。另一方面，用卡紙模型演示水的電解微觀過(guò)程［13］，學(xué)生親自動(dòng)手演示，感受分子分解為原子、原子重新組合成新的分子的過(guò)程。同時(shí)，提醒學(xué)生注意此過(guò)程中分子、原子的個(gè)數(shù)變化，鞏固學(xué)生的分析、計(jì)算思維能力，使學(xué)生能主動(dòng)闡述分子種類、物質(zhì)種類的變化，內(nèi)化學(xué)生的理解，完善學(xué)生的微粒觀和守恒觀。

4.2 微觀示意圖與思維框架圖培養(yǎng)定量觀

質(zhì)量關(guān)系、質(zhì)量混淆這兩種缺陷模型說(shuō)明學(xué)生對(duì)定量觀的理解較為模糊，教師可以利用微觀示意圖與思維框架圖培養(yǎng)學(xué)生的定量觀，從而重構(gòu)科學(xué)模型。例如，根據(jù)水的電解微觀示意圖，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合相對(duì)分子質(zhì)量（或相對(duì)原子質(zhì)量）計(jì)算反應(yīng)前后的質(zhì)量，揭示化學(xué)變化遵循質(zhì)量守恒定律的本質(zhì)［14］。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生使用思維框架圖分析反應(yīng)前后各自的質(zhì)量以及變化情況［15］；又如，在進(jìn)行鐵與硫酸銅實(shí)驗(yàn)探究時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生逐一分析反應(yīng)前后所有物質(zhì)的總質(zhì)量，把各個(gè)物質(zhì)的質(zhì)量用思維框架圖羅列出來(lái)，在實(shí)驗(yàn)探究中發(fā)展學(xué)生的推理思維能力。通過(guò)思維框架圖分析物質(zhì)的質(zhì)量，學(xué)生會(huì)更清楚反應(yīng)后的質(zhì)量和質(zhì)量變化的區(qū)別，也會(huì)更容易掌握反應(yīng)物質(zhì)量變少、生成物質(zhì)量變多的變化過(guò)程，完善學(xué)生的定量觀。

4.3 化學(xué)實(shí)驗(yàn)與生活情境培養(yǎng)變化觀

針對(duì)質(zhì)量不守恒、變化混淆這兩種缺陷模型，引導(dǎo)學(xué)生分析和理解質(zhì)量守恒原理，啟發(fā)學(xué)生探討紙燃燒后質(zhì)量變輕、鎂條燃燒后質(zhì)量變重等質(zhì)量發(fā)生變化的原因，促進(jìn)學(xué)生理解所有化學(xué)變化都遵守質(zhì)量守恒定律，并在學(xué)習(xí)化學(xué)變化與物理變化時(shí)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，加強(qiáng)化學(xué)與生活的聯(lián)系［16］，引導(dǎo)學(xué)生從生活現(xiàn)象出發(fā)理解化學(xué)變化與物理變化，以生活事例促進(jìn)學(xué)生變化觀的形成，理解化學(xué)變化的本質(zhì)特征，完善學(xué)生的變化觀。

4.4 化學(xué)游戲鞏固化學(xué)科學(xué)思維

針對(duì)符號(hào)表述模糊缺陷模型，強(qiáng)化學(xué)生的化學(xué)思維，有意識(shí)地在教學(xué)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)化學(xué)方程式中“+”和“”的含義，引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分清楚它們?cè)诨瘜W(xué)與數(shù)學(xué)方程式中的不同含義，并且利用撲克牌游戲指導(dǎo)學(xué)生找出相應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)組合成化學(xué)方程式［17］，在游戲中加強(qiáng)學(xué)生對(duì)符號(hào)含義的理解和記憶，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生思維積極性，滲透化學(xué)科學(xué)思維。

總之，本文以質(zhì)量守恒定律為例，歸納9種缺陷模型，并提出相應(yīng)的教學(xué)建議，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)觀念和科學(xué)思維核心素養(yǎng)的發(fā)展。教無(wú)定法，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生的心智模型在不斷地發(fā)展，教師要多觀察、分析學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行心智模型總結(jié)，根據(jù)學(xué)生的具體情況，有針對(duì)性地改進(jìn)教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

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