不同层次高中生“离子反应”心智模型的测评及启示

窦赏 闫春更 徐洋洋 张晖英 周青

摘要：采用纸笔测验和半结构访谈法对不同层次高中一年级学生“离子反应”心智模型进行测查，发现学生围绕“电解质”“离子反应”“离子共存”“离子方程式”等概念共建构了14种缺陷性心智模型。研究还发现，整体上学生学习成绩越高，其持有科学模型比例越高而缺陷模型比例越低，但同时也出现了若干“反常”现象，即所有学生均在书写离子方程式（遗漏）方面表现不佳，成绩较高学生未表现出明显优势;在电离的概念与作用混淆等方面，成绩较低学生反而表现更好。最后结合访谈对导致上述结果的原因进行了分析并给出了相关教学建议。

关键词：离子反应;心智模型;教学建议;测评

文章编号：1008-0546（ 2020）08-0023-05

中图分类号：C632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.007

一、前言

心智模型是对外部系统的内在概念化表征[1]，影响着个体对外在事物进行描述、解释和预测的行为与方式[2]。但由于学生心智模型建构受学习环境、学习方式及理解水平等因素的影响，不同层次的学生持有的心智模型在一定程度上存在区别，因此，测查不同层次水平学生头脑中心智模型的建構及分布情况，可以帮助教师了解不同层次学生学习离子反应的学习困难及掌握程度，以进行针对性的有效干预或帮助学生自身进行完善纠正，以使得学生头脑中的心智模型逐渐接近科学模型，实现有效教学。

离子反应是高中重要的知识内容之一，全面涉及“宏一微一符”三重表征，并在教材中向上联系到初中水溶液中的酸碱盐反应，向下则为氧化还原反应、电化学、热力学等打下基础。并且《普通高中化学课程标准（2017年版）》在离子反应部分要求学生能利用电离、离子反应对常见的反应进行分类和分析说明，能用电离方程式表示某些酸、碱、盐的电离，能用离子方程式正确表示典型物质的主要化学性质[3]，对学生学习要求较深。目前还未发现关于离子反应心智模型的研究。因此，本研究通过编制研究工具对高中生“离子反应”心智模型进行测评、分析，以系统研究学生在离子反应认知中存在的不足，为改进离子反应的教学与学习提供参考。

二、研究对象与方法

1.研究对象

选取陕西省渭南市某中学高一理科同一教师任教的3个不同层次班级学生（普通班40人、重点班42人、火箭班30人）为研究对象，学生均在本研究开始前学习过人教版必修一第二章第二节离子反应相关知识。

2.研究方法

研究先进行纸笔测验，再根据学生纸笔测验作答情况对学生进行半结构访谈，以进一步了解学生持有的心智模型。心智模型的分类参考张京京[4]的分类将其划分为科学模型和缺陷模型两类，“科学模型”即学生在相关知识点形成的符合科学事实且相对完整正确心智模型，缺陷模型为非科学模型。纸笔测验工具采用自编问卷《离子反应纸笔测试题》。通过对教材及离子反应相关概念课程模型研究，确定测试涉及的知识内容包括电解质、离子反应概念、离子共存、离子方程式4个部分。并与1名化学课程论专家和2名中学化学高级教师探讨确定了纸笔测试问卷，对50名学生试测，Cronbachα信度系数为0.752，研究结果有一定参考价值。

问卷共包括14道判断、6道选择题、7道四段式测试题，其中“电解质”“离子反应”“离子共存”“离子方程式”所考查的知识数量分别为16个、15个、16个、16个。四段式测试题以二段式测试题为基础，设置了信心指数段以在一定程度上避免学生猜题乱选，同时为了避免选择题对学生知识表达的限制，在理由段设置了开放式选项，其中四段式测试题评判标准参照伊玉红、王存宽等人的判断标准[5]。

其中一道四段式测试题如下：

（1）在无色透明强酸性溶液中能大量共存的离子组是（ ）

A、K+、Na+、N03、Mn04

B、Mg2+、Na+、Cl-、SO2-

C、K+、Na+、Br-、Cu2+

D、Na+、Ba2+、OH-、Cl

你选择此选项的信心指数为：（2）（必填）你选择上述选项（或不选其他选项）的理由是：

你对理由陈述正确的信心指数为：

（3）你认为此题的难点在：

访谈提纲如下：（1）下列物质哪些为电解质，哪些为非电解质，请说明理由。①HNO3②NaOH③MgCl2④Fe203⑤S03⑥S⑦CaC03。（2）对以下概念或名词进行解释，它们之间是否存在联系，请说明理由。①电解质②电离③离子反应④离子共存⑤离子方程式。（3）Fe2+在下列哪种溶液中不能存在，请说明理由。①无色②透明③c（H+）=10-13mol/L④pH=1。

三、研究结果与讨论

1.电解质心智模型及分布

由表1可知，三个班（普通班、重点班、火箭班）持有“电解质概念”科学模型的比例都已超过半数，并且火箭班学生准确表述的比例大大超过普通班、重点班。但三个层次的学生依旧各自存在着一定比例的缺陷模型，并且火箭班相对于重点班和普通班所持有的缺陷模型比例多较低，这反映出火箭班学生对基本概念的理解掌握较深。

普通班、重点班、火箭班分别有48.78%、42.86%、13.33%的学生对电解质的概念认识模糊，表现为虽然知道电解质是可以电离的化合物，但忘记化合物可区分为电解质和非电解质，也会把某种单质也认为是电解质，这反映出学生忽视了对“化合物”这一定语的理解。持有电解质判断缺陷模型的学生依据自身直觉对电解质和非电解质进行判断，见到“导电”字词则认为该物质就是电解质，有“不导电”字词则不是电解质，这反映出学生对心智模型的建构停留在宏观表象层面，普通班和重点班学生持有此模型的比例分别为65.85%、59.52%，都已超过50%比例，结合科学模型的学生持有比例说明有一部分学生虽然具备了正确概念但不能准确运用，反映出这部分学生对概念死记硬背、理解不够。

学生在深入理解电解质知识方面也存在缺陷模型，即对电解质的认识停留在表面，直观地认为能导电的物质就是电解质，或者知道物质不是电解质但对为何不是的原因进行错误解答，如有学生知道“S03不是电解质”，但在进一步询问中发现学生只知道气体不是电解质，但对为什么不是的原因不清楚，不明白S03溶于水导电的原因是与水反应生成的H2SO4可以电离，这反映出学生对与电解质或非电解质物质相关联的深层机理不清楚，未深入到微粒反应层面进行认识从而形成了知识盲点，持有此模型的普通班、重点班、火箭班学生比例依次为46.34%、21.43%、6.67%，普通班学生持有此模型比例最高，说明普通班学生尚缺乏对深层次知识的学习。

三个班级的学生持有电解质的电离缺陷模型比例相当，对电离的概念、电解质和非电解质的本质区别即是否可在溶液中电离模糊，分析发现普通班学生大多认为电离就是离子导电的过程，这反映出学生们将电离的概念与作用混淆;重点班学生大多能说出电离的部分定义，但对电离的完整定义和作用模糊，反映出学生知识建构的不完整;通过访谈发现火箭班具有反常高比例的原因是学生不能很好地将电解质和电离联系起来，不清楚正是由于物质可在溶液或熔融状态下电离才被称为电解质。结合访谈分析发现，普通班和重点班相比于火箭班則更重视基础知识的学习，学生虽认识不深但都有基本理解，但火箭班学生轻视或忽视了电离的深入学习，将精力更多放在了电解质，未注重概念间的关联性。

2.离子反应概念心智模型类型及分布

由表2可知，普通班、重点班、火箭班分别有53.66%、71.43%、96.67%较高比例的学生持有离子反应概念的科学模型，即离子反应是电解质在溶液中的反应实质上是离子之间的反应，这在一定程度上反映出学生掌握离子反应概念较为理想。但是，仍需注意到未持有科学模型的学生，他们不能说出离子反应概念或只能局部理解，认为“离子反应是电解质在溶液中的反应”观点错误，这反映出学生的概念缺失和概念建构失范，普通班在此表现较为明显，比例达46.34%。此外，访谈发现学生在离子反应概念相关联的概念上联系稍有不足，这在普通班和重点班较为明显，学生持有比例分别为53.66%、52.38%，这说明学生至少未在本节内容中的电解质、电离、离子反应、离子共存几个概念间建立联系，反映出学生不能深入理解知识，认识到知识间的相关性，火箭班学生在此则掌握较好。值得注意的是，三个班的学生都有相当的比例对复分解反应类型的离子反应的条件和本质认识不足，如将复分解反应类型的离子反应的本质和条件混淆，认为复分解反应的本质是生成沉淀、放出气体或生成水，而不是两种电解质在溶液中相互交换离子，这说明学生对离子反应概念未理解，反映出学生对概念死记硬背、未有效关联，不能灵活运用知识。

3.离子共存心智模型及分布

由表3可知，三个班持有离子共存科学模型的比例都较低。结合访谈发现因教材中没有这部分知识、教师讲课一语带过、课堂更多时间用于巩固离子反应题型、离子共存试题太难等原因而未重视，由此导致各个层次的大量学生产生了离子共存概念缺失，这反映出教师讲的少则学生不重视以及忽视概念学习等问题，虽然火箭班学生的比例高于重点班，但访谈发现其对离子共存涉及到的多是规律的总结，认知层次上比重点班和普通班更深一些。

研究发现学生还存在对离子共存条件难以理解的缺陷模型，学生表现为不理解离子共存题中前提条件的意思，不理解有条件限制和无条件情况对离子共存的不同影响，如“无色”条件，学生不能明白“这组离子中不会存在Cu2+、Mn04-等具有特征颜色的离子”;“强酸性”条件，学生不能明白“这组离子中不能存在与H+反应的物质，如OH-、HC03等”。这反映出学生对基本化学知识掌握的不足、推理能力的缺乏以及不能对条件进行深层次挖掘，火箭班学生持有比例已达到约70%且三个班的比例极其相近，这反应了学生在此所具有的极大学习困难。

学生除了对条件难以理解外，还存在条件转化困难，不能将题中给出的间接条件转换为直接条件，如“pH=1的溶液”，学生不会将其转化为“溶液中存在的H+浓度大”，如“c （H+） =1X10^-13mol. L^-1的溶液”学生不会转化为“溶液中还有大量OH-或溶液中OH-浓度为0. 1mol.L^-1”。普通班、重点班、火箭班持有此类模型的比例分别高达92.68%、71.43%、66.67%，说明学生对此知识掌握的严重不足，反映出学生缺乏隐含条件推理的能力，对化学基本知识掌握不深。

4.离子方程式心智模型及分布

由表4可知，三个班的学生都能较好的掌握离子方程式的正确概念，普通班、重点班、火箭班的比例分别达到73.17%、85.36%、93.33%，未掌握此概念的学生多认为离子方程式是“用离子符号表示的反应的方程式”，往往忽略正确定义中“实际参加反应的”字句，反映出学生存在相异构想，因此导致学生在书写离子方程式时错误百出。学生表现为不依据事实书写离子方程式，或是学生不知道何为“依据事实书写方程式”，如学生认为稀硫酸与铁粉反应的离子方程式为2Fe+6H+一2Fe3++3H2↑，这反映出学生对事实认知不清。学生不遵循守恒思想书写离子方程式，访谈发现学生想不起方程式的书写需要遵循原子守恒、电荷守恒等规律，并在试题测试写出“Ba（ OH）2=Ba+20H-”的错误表达式等，反映出学生对基本化学规律缺乏掌握。学生书写离子方程式产生遗漏，如有学生认为氢氧化钡溶液与稀硫酸反应的离子方程式为Ba2++SO2-=BaS04↓，这说明学生没有把握全面，从整体认知到反应，值得注意的是，三个层次的学生持有此模型比例近乎一致，都达到40%及以上。此外，学生还存在离子方程式本身书写错误，如Ba（OH）2= Ba+20H;电解质拆分错误，如碳酸钠与盐酸反应的离子方程式为CO3+2H+= H20+C02↑，这反映出学生基础知识掌握不牢。

综上所述，虽然有很大比例的学生掌握了离子方程式概念的科学模型，但仍然有较大比例学生持有各种缺陷模型，说明学生未对概念深入理解或对相关基础知识如电解质拆分、守恒掌握不足，反映出这部分学生不能在微观粒子和符号表征间建立良好联系，学生对概念存在死记硬背的情况。

四、研究结论及启示

不同层次学生心智模型测评显示以下结果：

（1）不同层次的学生总体上持有4类共计14种缺陷模型，学生心智模型的建构具有不完整性。学生在处理问题时不能正确认识到知识本质，往往会导致学生从相异思路或相反思路理解及解决问题，如学生将电离的概念与作用混淆、离子反应的本质和条件混淆。学生在处理复分解问题的离子方程式时虽然有可能写对，但是不能正确理解。

（2）普通班学生学习水平整体上低于重点班，重点班学生学习水平整体上低于火箭班，火箭班学生对电解质、离子反应、离子方程式主题科学模型及大部分缺陷模型的掌握情况都处于较优水平，重点班次之，普通班最差。

（3）学生心智模型的建构存在的若干“反常現象”，即在一些模块的学习上火箭班、重点班、普通班三者表现几乎一致，如不理解无色、透明等条件对离子共存的意义，离子方程式的书写发生遗漏，甚至有些知识火箭班学生的掌握稍低于普通班或重点班，如将电离的概念与作用混淆、离子共存概念缺失、不遵循守恒原则。这表明火箭班的学生对于概念性等易于识记的知识掌握理想，但在一些需进行深入思考、思维转弯等理解转换性知识表现稍不如人意。这反映出学生在这些知识的学习上存在学习困难，如对知识体系把握不全、推理能力不足;也反映出教学方面可能存在未准确把握学生认知、概念的抽象性等特点致使学生难以深入理解等。

结合学生访谈和教师咨询，分析导致上述结果的主要原因有以下几方面：

（1）教与学的内容：一是忽视了最基本知识的教学与学习，对电离的关注比较欠缺，将精力更多放在了电解质。二是难以将各概念知识深入理解、整合关联及运用，导致对各概念的学习模糊、混淆、难以深入本质、停留于表面，如对电离的概念与作用混淆;见到“导电”字词则认为该物质就是电解质;知道“S03不是电解质”，但不能对其解释;离子方程式的书写错误百出。

（2）教的策略：各概念的教学较为分散，未协助学生在各概念间建立联系，未充分发挥宏微符三重表征的认识功能，致使学生最终所学的知识整体上处于分散和割裂状态。

（3）学的策略：学生对各概念如电解质、离子反应、离子方程式的学习大多死记硬背、缺乏关联、主动探究知识本质的态度欠佳，致使知识理解不深，迁移不足，使教学难以达到预期的效果。

基于以上研究得出以下教学建议：一是加强电离的教学，充分发挥“电离”在“电解质”“离子反应”“离子方程式”等概念群建构中的支架作用。电离可以让学生深入认识电解质概念，如化合物才会发生电离、是离子反应微观认识的基础、离子方程式书写“拆”这一重要步骤的基础、对发展学生的微粒观具有重要作用[6]。二是合理运用概念图、认知冲突、动画、实验[7]等方式帮助学生解决过多枯燥概念的学习及加强概念之间的理解联系，如在离子反应中运用微观粒子动画加强学生理解;“导电的一定是电解质吗？例如：铜单质。”[8]三是通过学生对离子反应相关知识和三重表征知识之间联系的认识，增强学生用化学视角看问题、用化学思维解决问题的意识和能力，适当提升离子反应学习的深度和高度。

参考文献

[1] Doyle J K， Ford D N.Mental models concepts for system [J].System Dynamics Review， 1998， 14（ 14）： 3-29

[2] 张丙香，毕华林，高中生氧化还原反应三重表征心智模型的测查研究[J].化学教学，2017（9）：13-18

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：15-17

[4] 张京京.不同学生“路易斯结构”心智模型的研究[D].南京：南京师范大学，2015：18

[5]伊玉红，王存宽，徐志军，利用四段式测试题诊断高一学生化学键迷思概念[J].化学教育，2016，37（11）：47-51

[6]胡久华，王磊，支瑶，董颖，郑文燕.促进学生认识发展的“电离和离子反应”专题的单元整体教学研究[J].化学教育，2013（4）：44-49

[7]张礼聪，实验使概念不再抽象——以“离子反应”教学为例[J].化学教育，2015.36（3）：19-22

[8] 慈文飞，基于概念转变的“电解质”教学设计研究[D].济南：山东师范大学，2016：31-32

本文系国家社科基金项目中小学理科教材国际比较研究（高中化学）（AHA120008）研究成果。

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