关于选择性必修1《化学反应原理》热化学迷思概念的探讨

叶华涛　许招会　李瑜珏

摘要：由于许多化学概念本身存在高度抽象性以及教材对部分概念定义的不完善性，导致学生极易产生迷思概念，对学习产生不利影响。以鲁科版和人教版高中化学教材中对概念的定义方式及语义描述为着手点，对选择性必修1《化学反应原理》热化学部分内容可能产生的相关迷思概念进行探析。不仅可帮助学生解除迷思概念、提高对概念的认识深度，还能促进学生形成正确的知识结构、提高思维能力。

关键词：迷思概念;热化学;化学反应原理;概念定义类型

文章编号：1005-6629（2021）04-0081-06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

科学概念是构成科学理论体系的基础，是学生形成认知结构的基石，所以任何学习都离不开对概念的认识。化学概念是化学事实的结晶，是化学学者站在化学历史发展的角度将化学事实性知识通过类比分析、归纳比较、科学抽象以及高度概括而形成的理性知识，它是对化学现象的本质阐述，是化学学科理论体系的骨架，同时也是学生深度把握化学知识、发展核心素养的关键所在。正因为科学概念具有高度概括、抽象的特点，所以学生在认识化学核心概念时易产生迷思概念（Misconception）。“迷思概念”是由我国台湾学者翻译英文而来，而对于它的理解和界定，不同学者有不同的看法：Bransford认为迷思概念是指学生不正确的已有概念;Disessa认为迷思概念是学生头脑中片段的、零散的、简单的、有待形成网络化结构的概念;Watts D.M.和Gilbert J.K.认为迷思概念是学生在进阶性学习建构中由于理解偏差或缺乏有机联系而形成的有碍于新概念形成的知识或认识;Gunstone认为迷思概念是一种似是而非的理解，是学生的概念和科学概念之间的差异性概念，这种差异概念可作为教学的基点。尽管不同学者对迷思概念的解释有所不同，但这些解释的内涵大体一致，即迷思概念是不完善的、有瑕疵的、甚至是错误的有待转变成科学概念的已有概念。

热力学在化学学科中扮演着十分重要的角色，是选择化学学科的学生必学的重要内容之一，因其具有高度的抽象性，所以学生在学习热化学相关内容时极易产生迷思概念，阻碍学生进一步的学习。作为教师，要帮助学生解除迷思概念，促进学生正确理解化学概念，使学生深度把握化学知识的同时发展学科核心素养。针对迷思概念，本文以人教版及鲁科版高中化学教材为依据，基于教材中概念的表达形式及其本质特征就选择性必修1《化学反应原理》热化学部分的内容浅谈个人看法。

1化学概念定义类型

概念是通过语言对客观事物认识的总结，随着认识的发展而发展且具有高度的抽象性和概括性。有学者根据不同的认识水平总体上把概念分为：常识概念、具体概念及抽象概念，而热化学相关概念几乎全为抽象概念，因此学生在学习热化学相关内容时极易产生迷思概念。一个完整概念的最基本特征便是它的内涵和外延，内涵指向事物的本质属性，外延则规定概念固有的范围。因此传统的概念定义方法是以“属概念加种差”的形式进行的，如“在水溶液或熔融状态下能导电的化合物叫做电解质”这一定义中属概念是“化合物”，种差是“在水溶液或熔融状态下能导电”，这里就揭示了电解质与其他化合物的本质区别。传统的概念定义方式并不能囊括所有，因而有学者在此基础上进行了延伸。武衍杰、王秀红总结前人经验并基于化学学科特点将化学概念定义类型分为内涵定义、外延定义及语词定义，其中内涵定义包括本质定义（揭示事物本质特征）、发生定义（揭示事物现象产生过程）、关系定义（揭示不同概念问的特殊关系）及功用定义（揭示事物的特殊功能）;外延定义包括列举定义（列举概念所包含的对象）;语词定义则包括规定性定义（以“规定”的形式下定义）、上下文定义（引证上文具体示例）、说明性定义（对专用名词做出说明）及类比定义（与熟悉的现象进行类比）。不同的定义方法会影响学生对概念的理解，例如旧人教版高中化学教材将“共价键”定义为“共价键是常见的化学键之一，它的本质是在原子之间形成共用电子对”，根据概念定义类型可以判断其为本质定义，但是这样的“共价键”定义有很大的问题，常常使学生产生以下迷思概念：（1）共价键其实就是共用电子对;（2）之所以形成共价键是由于形成共用电子对的需要。显然，学生这样对共价键的理解是错误的，共价键是两个原子核对共用电子对所形成的负电区域的吸引力，其本质应为静电作用力。化学概念定义类型的总结如图1所示。

2鲁科版和人教版《化学反应原理》热力学相关的概念统计

从本质上看，两个版本的高中化学教材对热化学相关概念的内涵阐述基本一致，但从形式上看，不同版本教材对相关概念的语义描述有所差异，而概念的形成和巩固要靠词语的帮助，词语是概念的“形”，概念是词语的“心”。因此，尽管内涵相同，不同的表达形式也会影响学生对概念的理解，从而使学生产生迷思概念。在人教版高中化学教材中，热力学内容主要集中在选择性必修1《化学反应原理》的第一章“化学反应的热效应”及第二章第3节“化学反应的方向”中;在鲁科版高中化学教材中，热力学内容主要集中在《化学反应原理》的第一章第1节“化学反应的热效应”及第二章第1节“化学反应的方向”中，两版教材中热化学相关概念及其定义类型的归纳统计如表1所示。

根据统计，鲁科版选择性必修1《化学反应原理》中涉及热化学并有较为明确的定义阐述的概念共10个，其中“热容”“比热”“体积功”及“自由能变”以非正文形式出现;人教版《化学反应原理》中涉及热力学并且有一定阐述的概念共有9个，其中“自由能变”以“资料卡片”栏目方式呈现。对两版本教材中出现的热化学概念进行整合，统计其概念定义类型分布情况如图2所示。

相较于人教版教材，鲁科版教材增添了“熱容”“比热”及“体积功”的概念，在“焓变”的解释上强调能量转化形式问题，其条件化的描述更加准确;对于“燃烧热”及“自发过程”，鲁科版教材未做相关定义阐述，而人教版则有一定的解释说明，并用类比定义的方式呈现自发过程;“热化学方程式”在鲁科版教材中是以功用定义的方式出现，在人教版中则是以上下文定义的方式出现，鲁科版教材强调了物质变化和焓变化的共时性，其概念阐释更加科学。在对“内能”的概念描述上，鲁科版教材结合了微观视角，强调物质微观粒子能量总和，而人教版仅从宏观物质视角呈现;对于“反应热”“盖斯定律”“熵”及“自由能变”概念，两个版本的描述几乎一致。从概念认识水平的角度来看，热化学相关概念多为抽象概念，因此大多数定义类型为“内涵定义”，而内涵定义中属“关系定义”居多，可见相关概念环环相扣、联系紧密。对于有些化学概念，因其定义本身的复杂性以及定义分类标准的不完善性，导致这些概念可能从属于多种概念定义类型，如人教版教材中“燃烧热”的定义为“在101 kPa时，1mol纯物质完全燃烧生成指定产物时所放出的热量”，它既可以是规定性定义，也可以为发生定义，前者表明该概念处在一种规定的情形，后者则表明它的属概念为“热量”，种差为“在101kPa时，1mol纯物质完全燃烧生成指定产物”，这里笔者将其划分为规定性定义。虽然这种划分有一定的模糊性，但总体上能够反映教材中概念定义的类型。

3相关迷思概念分析

3.1反应热、热量以及能量之间相关迷思概念的思考

对“反应热”“焓变”“内能”及“键能”等概念的掌握是学生中学阶段学习热化学的重要基础，而理清反应热、热量以及能量三者之间的关系能够使学生更加清晰地认识化学热效应，学生只有深刻把握这些概念之后方能进行下一步的学习。然而由于这些概念本身的抽象性以及教材中概念描述的不完整性，导致学习者很可能会产生迷思观念。

尽管反应热与热量以及能量之间的逻辑关系不是中学热化学核心知识点，但它们却是学生进一步学习热化学的重要基础。倘若在教学实践中适当地引导学生理解它们之间的关系，使学生建立正确的符号表征观念，无疑会帮助学生更加深刻地认识相关概念，有助于学生进一步深入地学习。

3.2反应热与焓变相关迷思概念的思考

對于“焓变”的定义，鲁科版和人教版均采用关系定义的方法。人教版教材从反应热与焓变的关系入手进行“焓变”概念的描述，其语言表达首先规定的是“等压”这一关键条件，其次再阐明“反应热等于焓变”;与人教版不同，鲁科版除了阐明“等压”这一条件外，还强调了“没有电能、光能等其他形式的能量转化”，在条件的表述上更加严谨，学生比较容易理解反应热与焓变的关系。但是，为什么要引入“焓”？“焓”有什么样的物理意义？这里，想必会有学生产生诸如此类的疑问——对“焓”本质认识的不足将会导致学生后面学习的困难，学生带着模模糊糊的概念往后学习将会导致更多迷思概念的出现。

3.3与“自发反应”相关的迷思概念分析

什么是自发反应？一般认为，自发反应在某种特定条件下，不需要外在助力就可以自动进行。而在鲁科版和人教版教材中没有明确的定义，其中对于自发过程人教版倒是有所涉及：“自然界中存在着一些具有方向性的自发过程。例如，水总是自发地从高处流向低处，而相反的过程却不能自发”。显然，这是采用类比定义的方式描述自发过程，使学生较为容易地理解什么是自发过程。但是当把这种自发过程迁移到自发反应时，学生往往会混淆“自发反应”和“自动发生”、“一定条件”和“外界帮助”的关系，产生“自发反应一定能自发进行”的迷思概念。

化学上的自发反应与自然界中的一些自发现象是有一定的差异的，因此不可等同而言。一些化学反应需要在一定的体系环境中方能进行，而非在“常态”下就能自动发生。譬如，碳酸钙的分解CaCO₃（s）=CaO（s）+CO₂（g）在常温（25℃）下无法进行，在高温条件下可以自发进行，那么这个高温条件属于“外界帮助”吗？所谓外界帮助，是指除维持一定的热量交换及体积功之外的其他形式的能量输入，是推动反应进行的非环境因素如通电、光照等，而加热改变的是反应体系的起始状态，当温度达到某一点，反应不需外界帮助便能自发进行，于反应而言，此刻反应条件是确定的，因此温度的改变不属于外界帮助，它并未改变反应本身，只是为反应创造条件环境;“一定条件”指的是反应发生所需要的体系环境，如温度、压强等。综上，学生混淆“自发反应”概念的根本原因是学生未认识到条件的重要性，自发反应不一定能自动发生，但在一定条件下可以自发进行。在实际教学中，教师要帮助学生理清“一定条件”和“外界帮助”“自发反应”和“自动发生”的关系，引导学生建构自发反应的正确观念，促进学生知识结构的形成，解除学生的迷思观念。

3.4与“熵”相关的迷思概念分析

“熵”在热化学当中占有十分重要的地位，深刻认识“熵”是学生建构热化学观念以及通过熵增原理认识世界、感悟人生并形成辩证思维的关键。鲁科版教材通过探讨固体在水中溶解的共性即体系的有序程度降低、无序程度增大，引出物理量熵的概念;人教版教材以功能定义的方式呈现熵的概念，围绕自发反应的条件和一些宏观现象逐步引出熵，把熵看做是描述一定体系混乱度的状态函数，使学生较易理解熵的内涵。我们知道熵的表达公式：S=klnΩ，在实际教学中，教师可以适当地引入粒子的微观状态数Ω，通过排列组合的方式模拟微粒的排列方式，使学生更加直观地感受微观状态数对熵的影响，引导学生从微观的视角认识熵，再结合相应的宏观现象，使学生能够从宏微结合的视角认识熵，提升学生对熵的认识深度。熵增原理的重要的前提——“孤立体系/绝热体系”，学生往往会忽略这一重要条件而产生“任何体系的自发过程将导致熵的增大”的错误观念。人教版教材对其进行了补充说明，指明了孤立体系或绝热体系的先决条件。在实际教学中，教师可以将熵增原理与生活实践联系起来，使学生认识到熵增对社会产生的不利影响，体会到个人的自律、社会的进步、国家的发展在某种意义上是克服熵增、从无序到有序的过程，引导学生在日常生活及学习中克服熵增、力求熵减。

4结语

学生产生迷思概念的根本原因在于未理解概念的内在逻辑，往往只知其然而不知其所以然。教材中所呈现的化学概念定义会对学生产生影响，其中不完善、不严谨的概念描述更是会直接误导学生，促使学生产生迷思概念。在热化学概念的文字表达方面，两个不同版本的教材可能会有不足之处，如在“化学反应的方向”这一节中，对于“自发过程”及“自发反应”的阐述有些模糊，学生很可能会产生一些疑惑或迷思概念。因此，作为化学教育研究者，要不断地研究化学概念，不必拘泥于一种概念定义类型，应结合多种呈现方式去表达概念，从多种角度去诠释化学概念。在实际教学中要灵活多变，不囿于教材所呈现的内容，在概念教学中要做到溯本求源，使学生知其然也知其所以然。