高中生“铝及其化合物”学习困难测查与分析

段建方　闫春更　毛永舜　高玲香　周青

摘要：采用问卷调查法了解学生对“元素及其化合物”的学习现状，用流程图法测查学生在“铝及其化合物”知识领域的认知结构，结合纸笔测验结果梳理学生的学习困难，从而探讨其学习成败的原因并提出相关教学策略。

关键词：元素及其化合物；认知结构；学习困难；教学启示

文章编号：1008-0546（2017）02-0002-06 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.02.001

一、引言

元素及其化合物知识是高中化学课程的重要内容。它是化学概念、化学理论在物质认识层面的一种具体体现，同时又为学生对相关概念和理论的学习提供了丰富的感性认识素材。此部分内容具有琐碎、庞杂等特点，因此学生在学习元素及其化合物知识时存在一定的困难和误区。认知心理学表明，完善学生的认知结构，有助于发现和解决学生的学习困难。通过认知结构的测查，可以帮助教师更好地了解学生头脑中的先验知识、迷思概念以及知识建构与组织方式，从而能够有针对性地设计更加合理的教学策略帮助学生将以前的知识经验与将要学习的新知识建立有效的联系，更好地实现概念转变[1]。因此，本研究采用流程图法（Flow Map）测查学生在“铝及其化合物”知识领域的认知结构并分析其学习困难，并结合学生问卷调查探讨其学习成败的原因，为促进学生有意义学习及提高教师课堂教学效率提供参考。

二、研究方法与过程

1. 研究方法与对象

（1）问卷法

为了调查学生对于元素及其化合物知识的学习现状，本研究编制了相应的问卷，以某校高一年级共102名学生为研究对象。发放问卷102份，调查完成后，共回收有效问卷100份。在问卷的编制过程中，分别与三位化学教师以及两位专家进行讨论， 以保证问卷的内容效度。对30个学生进行试测，选用克伦巴赫Alpha系数计算一致性，信度系数达到0.801，说明问卷的信度较高。

（2）流程图法[2，3]

流程图法是指在研究人员向受试者提出可以自由发挥的问题，它是同时捕获顺序和人思维间的相互关联，探索学习者认知结构的有效工具。 为了测查学生对于“铝及其化合物”知识领域的认知结构并分析其学习困难，本研究采用流程图法，对该校高一年级某一班级中的30名学生进行访谈， 并绘制流程图以展现学生的认知结构：采用箭头将知识点依次列出，并对出现重复或者相关的知识点进行回归连接。通过30名学生的流程图，对其认知变量进行统计，并采用SPSS20.0软件进行统计分析。关于认知结构变量的内涵及计算如表1所示。

2. 研究过程

（1）高中生元素及其化合物知识学习现状调查

通过问卷法调查学生对元素及其化合物知识的观念、学生学习元素及其化合物所常用的学习方法、学生的课堂效率来了解学生对于元素及其化合物知识的学习现状。

（1）问卷调查设计情况如下[4]：

1.你认为元素及其化合物这部分内容的特点是（学生对于元素及其化合物知识的看法）

A.内容有趣，有大量演示实验，贴近生活

B.内容简单，通过记忆就可以较快掌握

C.内容庞杂，需要记忆大量知识点与方程式

D.内容零散，很难找到内在规律

2.相较于氧化还原反应、离子反应等化学理论，你认为元素化合物知识（学生对于元素及其化合物知识的兴趣）

A.更喜欢，因为元素化合物知识更简单、更有趣，演示实验丰富

B.更不喜欢，因为元素化合物知识缺乏规律性，内容太庞杂

C.没有更倾向于哪一部分知识

D.都不喜欢

3.相较于此部分知识的新授课与习题课，你更喜欢（学生对于课堂类型的偏好）

A.新授课 B.习题课

4.你如何掌握大量的化学方程式及不同化合物的性质（学生学习元素及其化合物知识所常用的方法）

A.罗列知识点并进行记忆和背诵

B.根据教师的讲解与实验现象去理解记忆

C.通过做练习题去记忆

D.总结规律，整理记忆

5.你认为课堂演示实验对元素及其化合物的學习（实验对于学生学习的帮助）

A.没有帮助，浪费时间、效率低下，或实验现象不明显

B.没有特定的帮助，更多的只是一种学习兴趣的激发

C.有一定的帮助，可以帮助记忆相关的现象与性质

D.有较大帮助，有助于相关知识的深入理解与思考

6.对于元素及其化合物知识，你在课堂上能够掌握的大概程度是（学生课堂效率的调查）

A.能够掌握80%左右，课堂上就能够基本消化教师的讲解

B.能够掌握50%左右，教师讲过后能够掌握大部分知识，存在部分疑惑

C.能够掌握30%左右，需要课后做题才能进一步掌握

D.课堂存在较多疑惑，需要课下进行多次复习才能掌握

（2）调查结果

完成调查后，将收回的100份有效数据利用Excel进行分析得到如下统计数据，如图1所示：

通过分析得出学生在元素及其化合物知识的学习现状：在学生对于元素及其化合物知识的看法方面，绝大多数学生认为元素及其化合物知识内容零散、庞杂、缺乏内在规律，且缺乏对于元素及其化合物知识的学习兴趣；在学习方法上，多数学生采取机械记忆或做练习题的方法进行学习，且不善于结合实验现象进行相关知识的学习；在课堂效率方面，学生课堂效率较低，需要课下花费大量时间进行复习。 而在教学方面， 多数教师忽略了实验在教学中的重要作用，在实验教学中不注重对学生思维的引导；部分教师本末倒置，忽略新授课的教学，而将教学重点放置在习题课的教学中。

（2）认知结构定性分析

根据访谈录音绘制流程图，经过对比，选择成绩优秀、中等、较差（参考当月月考化学科目成绩）的三位学生的流程图进行分析，流程图分别如图2、图3所示。

①认知结构的整体性：学生1回忆起的知识点明显多于学生2与学生3， 并且知识点之间的网络关系联系较为紧密；而学生2与学生3在知识点的数目上以及知识点之间的网络联系上都较学生1差，尤其学生3，其认知结构整体性较差，有待完善与优化。

②认知结构的层次性： 学生1在知识点上按照铝、氧化铝、氢氧化铝、铝盐的顺序进行叙述，又基本按照每种物质的物理性质、化学性质、制备方法的顺序进行描述，而且能够按照先总体再部分的逻辑顺序进行叙述，说明其认知结构层次性较强。 学生2在每个知识点内部的逻辑结构不够完整，认知结构的层次性略显不足。 而学生3在知识点的描述中缺乏层次性，有关不同物质的性质知识交替出现。

③认知结构的深度与广度：学生1所描述的知识点最多，深度较明显。相较于学生1，学生2描述的知识点较少，其次，在认知结构的深度上，仅对物质的化学性质进行描述， 未进行解释与举例说明。而学生3描述出的知识点数目较少，主要涉及物质的物理及化学性质且错误较多，在认知结构的深度上，其描述也只停留在简单性质的复述水平。由此可看出，学生3对于铝及其化合物知识的认知水平较低，需要进一步完善和优化。

（3）认知结构定量分析

对上述三位学生的认知结构进行定量分析，结果见表2。表2中学优生、中等生、学困生的广度、丰富度、整合度、信息检索率均呈现明显的阶梯性递减，这与其纸笔测验成绩表现出良好的一致性，更加精确的相关性分析结果见表3。可见，学生的纸笔测验成绩与其认知结构的广度、丰富度、整合度显著相关，即学优生在“铝及其化合物”的学习中建立的知识点之间的联系更为丰富，对知识的整合程度更高。

三、“铝及其化合物”认知结构的内容分析

“铝及其化合物”知识是高中化学“金属及其化合物”中具有代表性和典型性的一节，主要学习内容包括：铝、氧化铝和氢氧化铝的物理性质、化学性质、制备与应用；常见铝盐的化学性质。通过对流程图中学生所提及的知识点进行分类统计，结果见表4。

由表4可较为直观地看出学生对于“铝及其化合物”知识的掌握情况、错误概念等。

铝：关于铝的物理性质，大多数学生基本能正确表述（93.33%），但少数学生错误地认为铝具有较高的硬度和较高的熔点（10%）。关于铝的化学性质，较多学生提到了铝可以与非金属单质（氧气或氯气）、酸、碱溶液以及盐溶液反应（70%、80%、83.33%、50%），但只有较少学生提到“铝具有较强的还原性”以及“铝与碱溶液反应的实质”（23.33%、6.67%）。说明对于铝的化学性质，只有少数学生能够从氧化还原反应等反应原理上对其性质进行解释与说明。而仅有少数学生提到关于铝的制备方法以及实际应用（6.67%、13.33%），说明学生可能不够重视这些知识。

氧化铝：关于氧化铝的物理性质，提及人数较少（16.66%）。而在化学性质中，较多学生提到氧化铝是一层致密的氧化膜，氧化铝分别能够与酸、碱反应，生成相应的盐和水（76.76%、83.33%、80%）。部分学生提到两性氧化物这一概念（43.33%），较少学生错误地认为氧化铝与碱反应生成氢氧化铝沉淀和水（30%），说明学生对于物质性质的掌握停留在某一具体反应样例层面，而不能够从物质分类理论角度对其做出解释说明。极少学生提到氧化铝的实际应用（3.33%）。

氢氧化铝：关于氢氧化铝的物理性质，、较少学生提到其溶解性、吸附性（20%、6.67%）。而在其化学性质的描述中，较多学生提到氢氧化铝分别可以与酸和碱反应生成相应的盐和水（86.67%、83.33%）；部分学生能够描述出“两性氢氧化物”这一概念（46.67%）；部分学生提及氢氧化铝的不稳定性（36.67%），较少学生却错误地认为氢氧化铝加热分解的产物是氧化铝与氧气（10%）；较少学生错误地认为氢氧化铝与过量的碱反应先生成偏铝酸根，再生成铝离子（10%）。提到氢氧化铝制备方法、氢氧化铝胶体可用于净水和可以治疗胃酸过多的学生较少（13.33%、6.67%、3.33%）。

两种盐：较多学生可准确描述出鋁盐可以与碱反应以及偏铝酸盐可以与酸发生反应（76.67%、63.33%）。而能够说出铝盐与强碱反应以及偏铝酸盐与强酸反应并根据其量值的差异生成不同产物的学生较少（20%、13.33%）。能够说出铝盐与弱碱反应以及偏铝酸盐与弱酸反应的学生也较少 （33.33%、36.67%）。在此部分的错误概念中，部分学生认为铝盐、偏铝酸盐既可以与酸发生反应又可以与碱反应（23.33%、13.33%）；部分学生错误地认为偏铝酸盐可以与碱生成氢氧化铝（16.67%）。说明学生在两种盐以及氧化铝、氢氧化铝等物质的性质中产生了混淆。

四、研究结论与启示

结合学生的认知结构定性定量分析、问卷调查结果及其内容分析中相关的错误认知可以得出如下结论：

1.不同层次学生的认知结构存在显著的差异，学生的纸笔测试成绩与认知结构变量之间显著相关。学习成绩较好的学生其认知结构的整体性、层次性、深度和广度以及认知结构变量中的广度、丰富度、整合度都比学习成绩较差的学生好。成绩较好的学生，其头脑中的知识点数目较多，且知识之间的网络联系较为紧密，认知结构的整体性较好。

2.铝及其化合物知识的教与学存在一定误区。绝大多数学生认为铝及其化合物内容零散、庞杂、缺乏内在规律，没有学习兴趣；采取机械记忆或做练习题的方法进行学习；课堂效率较低，需要课下花费大量时间进行复习。在教学方面，多数教师忽略了实验在教学中的重要作用，并且在实验教学中不注重对学生思维的引导；部分教师本末倒置，忽略新授课的教学，而将教学重点放置在习题课的教学中。

3.学生对于铝及其化合物知识的掌握存在不足与困难。存在的主要问题：①多数学生对于知识的掌握处于识记水平，未能从原理上真正理解知识的内涵，而只是通过机械记忆的方式记住了最终的结果；②学生的错误概念多为不同知识之间的相互混淆，未能建立起知识之间的相互联系以及在不同知识之间产生了负迁移。

本研究得到如下启示：（1）针对学生元素及其化合物知识学习现状、铝及其化合物内容分析中“多数学生对于知识的掌握处于识记水平”的问题，教师应引导学生运用相关理论将复杂知识系统化、结构化[5]；在教学过程中应注重知识形成的过程性；纠正学生不科学的学习方法，合理利用化学实验，形成“结合实验学知识”的意识；使用精细加工策略中的类比、联想以及图解等方式，以促进知识的有效内化。（2）针对学生“铝及其化合物的应用”的学习困难，可以倡导学生用化学的视角去观察身边的物质和发生的事情，体会科学技术在社会生活中所起的重大作用，激发学习的热情，培养社会责任感[6]；针对学生“反应物量不同，产物不同”的学习困难，可以设置相关实验（如图4），培养学生观察能力和描述记录实验现象的能力，并学会运用“宏观—微观—符号”这一化学学科特有的思维方式分析性质实验宏观现象背后的微观本质。此外，分别以添加试剂物质的量为横坐标，以生成沉淀物的物质的量为纵坐标作出两者关系图，可以加强学生对反应产物的理解与判断，且有利于培养学生的数形结合思维方式[7]（如图5）；针对学生“将不同知识相互混淆”的学习困难，可以采用物质之间相互转化的反应图辅助教学，帮助学生从实验事实中整理出铝及其化合物变化的规律，更清楚地认识铝及其化合物之间的相互联系[8]。

参考文献

[1] 张国仁，杨金华.认知结构的概念形成及其理论发展探索[J]. 吉林省教育学院学报，2010，2（26）：100-101

[2] Tsai C C. Probing students' cognitive structures in science：the use of a flow mapmethod coupled with a meta-listening technique[J]. Studies in Educational Evaluation，2001，27（3）：257-268

[3] 王骄阳，闫春更，周青. 基于学生“元素周期表、周期律”学习困难的教学建议[J]. 化学教与学，2016（6）

[4] 谭燕.高中化学元素化合物知识教学建模研究[D].广西师范大学，2010

[5] 姜言霞，王磊，支瑶.元素化合物知识的教学价值分析及教学策略研究[J].课程·教材·教法，2012，9（9）：106-112

[6] 刘华. “铝及铝的化合物”教学设计[J]. 化学教育，2010，31：121-125

[7] 王珺珂，商曉芹. 科学取向教学论指导下的元素化合物复习——以“铝及其化合物复习第2课时”为例[J]. 高中数理化，2015（16）：46-47

[8] 龚胜强. 基于学科观念建构的元素及化合物教学设计分析——以“铝及其化合物”的教学为例[J]. 中学化学教学参考，2015（8）