初中生对气体相关概念理解状况研究

高 嵩 李彦清

(山东师范大学物理与电子科学学院,山东 济南 250014)

·初中园地·

初中生对气体相关概念理解状况研究

高 嵩 李彦清

(山东师范大学物理与电子科学学院,山东 济南 250014)

本文通过问卷及访谈的方式,从初中生识别气体、从科学概念的角度来解释气体的有关特性、认识气体的微观机制等3部分来探寻初中生在学习物理前后,在气体相关概念的理解方面存在的相异概念．研究发现,中学生在气体相关概念的理解方面存在着十分丰富的前概念,例如某些学生常将空中漂浮的细小颗粒认为是气体,气体都是无色无味的等．教学中要关注这些前概念,并帮助学生发生概念的转化．

初中生;气体相关概念;调查研究;访谈研究

1 问题的提出

核心素养导向的物理教学要求重视物理核心概念教学、注重科学研究方法的应用、关注学生真实的情感体验……[1]所以核心概念的掌握是物理教学的主要任务．根据学习理论可知,有效的学习必须建立在原有认知基础之上,所以对学生学习概念的精确掌握有助于教师合理设置教学方案．气体是初中生为了解物质世界的构成建立的第一个概念,为方便一线教师了解学生对气体相关概念的掌握程度,更好促进学生核心素养的发展,本研究通过问卷调查,重点探寻了初中生通过日常生活及已有知识所建构的“气体相关概念”、对气体真实的情感体验与科学概念间的差距．

2 研究结果分析

2.1 问卷编制及被试选择

问卷的编制主要参考了台湾师范大学邱美虹、广西师范大学罗星凯等人的部分研究成果[2-5],问卷编制完成后,请学科专家及学科特级教师修改多次,最终确立本调查问卷的22道题目,问卷共分为4部分,第1部分考查学生是否可以正确识别气体,主要包括气体与液体、固体的区分;第2部分考查学生是否可以从科学概念的角度来解释气体的有关特性,包括气体的颜色、气味、质量、体积、密度、温度等;第3部分是对学生气体微观机制认识的考查;第4部分为选做题,学生从任意角度描述气体的特征,以补充前面3部分题目未涉及到但对学生来说又具有的认识．双向细目表如表1所示.

表1 “初中生对气体相关概念的理解”双向细目表

本研究是希望获得一般学生的认知情况,但现实中很多地区的学校被分为重点中学和普通中学,因此我们选取的调查对象为日照市一所重点中学、一所普通中学的学生,两所中学所有班级均为平行班,所有问卷均不记名作答，当堂发放、当堂回收．正式调查前选取普通中学A班、重点中学A′班作为前测对象,正式调查时选取普通中学B班、C班,重点中学B′班、C′班为调查对象，详见表2所示．在此次研究中,我们无意区分重点中学与普通中学的学生差异,所以在对学生的问卷进行分析时,将学生属于哪类学校不做区分．

对普通中学和重点中学984人进行问卷调查,问卷调查时间为2016年5月中旬．共发放问卷984份,回收984份,有效问卷937份,有效百分比为95.22%．访谈时间为2016年5月下旬,访谈对象为普通中学、重点中学随机选取的12名初中生．利用SPSS22.0 for Windows对984份问卷进行可靠性分析,克隆巴赫系数α=0.816．将问卷题目分为气体与液体、固体的区分,颜色和气味,质量、体积和密度,温度,粒子观等5个维度进行因子分析,所得KMO值为0.715．综上可得,本调查问卷具有较好的信度和效度．

表2 “初中生对气体相关概念的理解”研究对象

2.2 研究结果及分析

从研究结果可以看出,中学生在气体相关概念的理解方面都存在着十分丰富的前概念．下面从5个维度具体说明．

(1) 气体与液体、固体区分方面的前概念.

以日常生活为背景,考察学生对气体与液体、固体的区分．通过问卷和进一步的访谈发现,绝大多数七年级和部分八、九年级的学生常常将空中悬浮或喷出的液态或固态小颗粒误认为是气体,他们头脑中存在着只要能悬浮在空中的物质就是气体的前概念．例如,学生常常将“白气”、“白雾”、“烟”、“云”、“雾”、“水汽”等认为是气体．以问卷中一道选择题为例,让学生判断烧开水时看见的“白气”是液体还是气体,回答情况如表3所示．对于还没有学习过物态变化的七年级学生而言,超过一半的学生认为“白气”是气体．八年级的学生在上学期已经学过物态变化,从表3可以看出,其概念转变较为明显,与七年级相比,认为“白气”是液体的学生增加了26.70%．但是直到九年级也仅有约80%的学生的认识是正确的,意识到“白气”是液体而非气体．

表3 学生对“白气”的认识

另外,访谈还发现,提到和气体相关的物态变化时,初中生往往认为只有水和二氧化碳可以实现固、液、气三态的转化,几乎所有学生认为氧气和氮气始终是气态,不可能是固态或液态,学生得出这些错误结论很可能与生活经验相关,水的物态变化比较常见,而对于其他气体的物态变化,学生较为陌生．

(2) 气体质量、体积、密度方面的前概念.

按照皮亚杰的认知发展观,7～11岁的儿童认为物体的长度、体积、重量和面积等物理量是守恒的,能凭借具体事物或从具体事物中获得的表象进行逻辑思维和群集计算[6],同时质量和体积两概念与人们的生活息息相关,密度又是联系质量、体积的桥梁,学生可以对固体、液体的质量、体积、密度等概念产生较为直观的感受,但是由于气体的特殊性,学生在这3个概念的理解上存在一些错误观念．

当水汽化为水蒸气时,质量本应不变,但对判断题“1 kg的水变成水蒸气后,质量变小”的统计显示,仅有12.74%的七年级学生意识到1 kg的水变成水蒸气后,质量不变．八、九年级的学生对质量的认识状况较好,但也有30%左右的学生存在错误的认识,他们认为1 kg的水变成水蒸气后,质量变小,这种观点直到九年级也没有发生明显的转变,说明学生对质量概念缺乏完备的认知．访谈还发现,学生在气体质量方面的错误前概念大致有两种:一是气体很轻,没有质量或几乎没有质量,可以被“吹走”,也可以“飘走”;二是物质在物态变化过程中,质量不守恒,例如当水变成水蒸气后质量变小．

调查显示,学生对影响气体体积大小的因素认识状况相对较好,3个年级的学生都可以意识到气体体积的大小取决于容器的大小,气体的形状也是由它所处容器的形状所决定,挤压气球可以使气体的体积和形状发生改变等．但是,在谈到和气体混合相关的问题时,学生表现不好,访谈时,向12名初中生依次提问:“空气中氧气含量约为21%,如果有一个1m3的密闭铁盒,里面充满空气,那么这个铁盒中有多少体积的氧气呢”．访谈发现,所有学生都不约而同的给出了错误答案0.21m3,而不是1m3．在笔者的追问下,有4名学生意识到,氧气含量约为21%指的是氧气质量占空气质量的21%,而不是是氧气体积占空气体积的21%,并更正了他们之前的观点,重新给出答案——1m3的空气中有1m3的氧气．从调查和访谈可以看出,初中生习惯于用液体体积的相关知识来解释和气体体积相关的问题．

图1 手推注射器

对比3个年级的问卷及访谈结果发现,九年级的学生并没有因为知识和生活经验的增加而使相异概念减少,相反,学生在解释一些现象时,常常出现知识的负迁移．访谈时发现,九年级的某些学生认为密度不相等的两气体混合在一起时,密度大的气体在下面,密度小的气体在上面,追问原因,他们给出的解释是类比两种不相溶解的液体的混合．再例如,访谈时向学生展示如图1所示手推注射器,九年级的学生在回答气体质量是否变化时,相当一部分学生认为气体质量发生改变,有些还能给出貌似具有科学依据实则错误的观点．例如,有学生认为,密度是物质的固有属性,当气体体积减小时,气体的质量必然减少;有的学生则认为左手的压强始终在增加,根据p=FS=GS=mgS可得,当受力面积不变时,压强增大,质量增大．

(3) 气体颜色、气味方面的前概念.

调查及访谈发现,多数学生倾向于把气体的颜色和气味归因于微观粒子的累加,他们认为有些气体看起来有颜色、闻起来有气味是因为该气体的每一个分子都是看起来有颜色、闻起来有气味的,当气体的分子数增加时,气体的颜色和气味就会随之加重．

虽然他们在前面的问题里能够知道有些气体会有色有味,但是当回答调查问卷的最后一题“从任意角度描述气体特征”时候却并未做到前后一致,对他们的回答结果统计发现,关于气体的颜色和气味,即使九年级的学生,多数学生头脑中依然存在着气体“无色无味”、“看不见摸不着”、“肉眼看不到”等错误概念．他们先入为主地认为,所有气体都像空气中的气体一样是无色无味的,从而得出以偏概全的结论．较少学生意识到部分气体是有气味的,但是存在一些错误认识．例如,有学生认为有毒的气体都是有气味的,或把不是气体的物质当做气体,认为喷出去的香水或油漆是“有味道的气体”,或认为无色无味的气体会因为特别的化学原料而变得有气味等．综上可以看出,对于气体的颜色和气味,初中生头脑中存在着大量的错误概念．

(4) 气体温度方面的前概念.

调查及访谈发现,与其他维度相比,学生对温度的错误前概念较少,基本与学习要求一致,最易正确地构建科学概念．即使七年级的学生也能意识到低于100 ℃时也会存在水蒸气,并能举出空气中的水蒸气加以说明．八、九年级的学生可以意识到常温下存在水蒸气,气体的物态变化与温度有关,能用热胀冷缩的知识来解释夏天不能给自行车充气过满等事实．但有一九年级学生错误地把温度升高,气体体积增大归因于温度升高使得气体分子膨胀．

(5) 气体粒子观方面的前概念.

调查及访谈发现学生对神秘的微观世界有着异常丰富的前概念及强烈的好奇心．对于暂时还没有学习过“物质中的分子状态”这部分知识的七、八年级学生而言,他们已经能根据所学知识建构出“气体的分子状态”,从表3可以看出,他们选择(A)、(B)、(C)、(D) 4个选项的人数相当．虽然,学生在物质的微观世界方面前概念丰富,但是概念转变十分明显,如表4所示,九年级学生的选择比较集中,75.19%的学生能做出正确的判断．以下为部分学生对于自己的选择给出的“合理解释”[(A)选项为正确选项]．

选择(A)选项的学生认为，气体具有流动性,充满整个空间;(A)选项和课本上的图片是一样的;除真空外,气体都是均匀分布的;分子永不停息地运动;分子之间有间隙．

选择(B)选项的学生认为，气体因为受到重力作用而沉于容器底部;从上端抽走空气,上端的空气就没有了;下端的空气没有受到外力,所以静止在容器底部．

选择(C)选项的学生认为，气体很轻,总是漂在容器的上端;在抽气机的作用下,吸到容器顶部．

选择(D)选项的学生认为，分子间没有空隙．

表4 气体的分子状态

另外访谈时还发现,3个年级的学生都对“细胞、灰尘、PM2.5等微小物质与分子的尺寸谁更大一些”等题目感到疑惑,甚至有学生认为分子由细胞构成．

3 研究后的反思

纵观整个研究过程可以发现,学生在气体相关概念的理解方面前概念丰富,其中不乏大量科学概念,如气体的密度较小,其形状和体积由它所处容器决定,这些科学的前概念是建构物理概念的基础和铺垫．但同时学生头脑中还存在着大量非科学的前概念,这些概念中有些易发生概念转化,如气体的温度、气体的微观机制等,也有些顽固前概念较难转化,如绝大多数九年级学生还很难理解和气体混合、物态变化等相关的问题．而且经常发生的情况是虽然已经知道了科学概念,但是在解释实际问题的时候,原有的前概念依旧牢固,会出现前后不一致的现象,就如许多学生虽然知道水蒸气是无色无味的,但是仍然认为开水壶冒出的“白气”是气体．当我们将测试结果交给任课教师的时候,尤其是九年级的教师感到困惑:这些都学了,而且相关概念他们也都能很好地默写出来,但为什么还会出现这么多错误的认识呢?这是因为在实际的学习过程中,学生并不一定在知道了科学概念之后立刻就能完全抛弃原有的错误概念,因为这些错误概念的建立相对于课堂来说是更加漫长的过程,他们已经习惯于这种错误的表达,所以在教学中不但要让学生知道正确的概念是什么,更要让他经历一个概念转化的过程,要让科学概念在他们应用错误概念的情境中取代错误概念,感受科学概念的自洽、统一和合理性．仍以上面白气为例,我们与任课教师一起设计并实施了如下的教学过程.

教师:请大家看,酒精灯上烧的这杯水已经开始沸腾了,杯口冒出了缕缕白气,请问大家看见的白气是气体还是液体呀?

学生:气体吧．

教师:既然白气是气体,那它是哪种气体呢?

学生:当然是水蒸气.

教师:水蒸气有颜色吗?

学生:没有颜色．

教师:请大家回顾刚才你们说的两句话,有什么矛盾没有?

学生讨论,对啊,水蒸气是无色透明的,这里的白气不可能是水蒸气啊.

教师:现在我拿张小纸片放在杯口,请大家观察,发生了什么变化?

学生:小纸片变湿了,说明白气中有水,那么它实际应该是液体,是小水珠．

事后对这个班的学生进行测试,几乎所有的学生都给出了正确的答案．这说明如果教学过程中采取恰当的教学方法,是可以实现概念的有效转换的．

康奈尔大学的Posner等人强调学习者对现有概念不满,认知冲突被认为是引发学习者对现有概念不满的最有效的教学策略[7]．因此,在教学设计时考虑了如下两个方面,一是要让学生意识到自己原有概念的矛盾,二是让学生真正体会原有概念间的错误．因此进行教学设计时要通过一定的教学事件让他们原有概念的矛盾和错误显性化．这样才能更好地帮助学生认识错误,积极构建新的、科学的概念．

学生的原有概念是科学教育的基础,在教学中最应关注的是,针对某个具体知识,学生存在哪些前概念?前概念适用的范围以及会对科学概念建立产生哪些影响?教师如何在教学中利用其积极影响同时避免其消极影响[8]．为促进错误概念的转变,教师需充分了解学生前概念，专门有效的教学干预是提高教学效果的重要条件之一．

在教师了解学生前概念的基础上,接下来最为关键的就是如何促使学生错误概念的转化．在物理教学中引发认知冲突的教学策略,在激发学生学习兴趣、促进其错误概念的转化等方面往往能收到较好的效果．

然而,教师职前培训及教师参考用书等鲜少对学生前概念进行介绍,教师主要从自身教学经验中感受学生物理前概念的存在[8]．因此,为利于教师更加深入了解学生,促进学生错误概念的转变,教育研究者应加强对学生前概念的研究,同时教师参考用书等的编制、教师培训等都应及时有效地向教师传达学生可能的前概念．

1 林钦,陈锋,宋静.关于核心素养导向的中学物理教学的思考[J].课程·教材·教法,2015(35):90-91.

2 钟晓兰,邱美虹.高二学生在理想气体多重表征教学前后心智模式的改变[J].教育科学研究期刊,2012(57):80-86.

3 王从戎.高中生气体压强概念微观理解的调查研究[D].南宁:广西师范大学,2003.

4 柳福提.中学生对分子运动论理解的调查研究[D].南宁:广西师范大学,2002.

5 吴怡娴,邱美虹.探究高中生气体粒子概念之心智表征与课本表征之关联性[C]. 中华民国第22届科学教育学术研讨会，2006：662-664.

6 陈琦,刘儒德.当代教育心理学(第2版)[M].北京:北京师范大学出版社,2013：32-33.

7 徐宁，郭玉英.国外物理概念转变研究:借鉴与启示[J].课程·教材·教法,2009,29(6):94-95.

8 李光蕊,于浩,尹朝莉.中学物理教师力学前概念调查报告[J].教育研究与实验,2007(2):67-69.

本文系国家社会科学基金“十二五”规划课题(课题批准号:BHA140081),2016年山东省高校人文社科研究项目(项目编号:J16YG06)研究成果.

2016-10-17)