高中生“热化学”学习困难测查与教学启示

左思遥 闫春更 樊红 张晖英 周青

摘要：该研究以二阶式诊断法为主要方法，对学生学习“吸热反应与放热反应”“烩变”“中和热与燃烧热”“热化学方程式”“盖斯定律”概念的心智模型进行测量，结果发现学生共建构了13种非科学模型，可归纳为概念缺陷型、符号缺陷型和判断缺陷型。学生关于热化学的学习困难为概念建构困难、条件把握困难和符号书写困难。根据学习困难，作者提出了相应的教学建议。

关键词：热化学;学习困难;心智模型;教学建议;非科学模型

文章编号：1008-0546（2021）06-0002-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.06.001

《普通高中化学课程标准（2017年版）》[1]对化学反应与热能的内容要求为：“认识化学能与热能的相互转化，恒温恒压条件下化学反应的反应热可以用烩变表示，了解盖斯定律及其简单应用。”高中化学热化学知识是发展学生“变化观念与平衡思想”素养的载体，是发展学生从能量角度认识化学变化并且解决实际问题能力的知识基础。在初中阶段，学生能从化学实验现象中观察或体会到化学反应伴随着能量变化;在高中阶段，学生通过化学反应与热能知识的系统学习，其认知水平要上升到“能运用化学计量单位定量分析化学变化及其伴随发生的能量转化”。学生对化学反应中伴随着能量变化的认识从初中到高中的跨度很大，对学生的认知水平要求较高，一直以来是高中化学的重难点。突破热化学难点关键步骤之一是要了解学生的学习困难。国内外的研究者一直尝试找出学生的热化学学习困难。武超[2]发现学生对抽象知识“能量”存在迷思。W.Wiji和S.Mulyani采用DToM-POE方法测出学生預测、观察和解释反应△H的能力有欠缺，大多数学生不理解所使用符号的含义，他们倾向于记忆概念，无法将宏观结果与符号联系起来[3]。

心智模型（Mental Model）是个体对外在事物内在表征后形成的概念框架，又是一种动态的内在运作机制[4]。目前已有研究表明，洞察学生的心智模型有助于教师了解学生的学习困难，学习最重要的是心智模型的改变[5]。心智模型已被广泛运用来测查学生的学习困难。例如，薛琳[6]，陈晓娜[7]，陆旖旎[8]通过测查高中生心智模型分别分析了离子平衡，盐类水解，甲烷等知识中学生存在的学习困难。本文拟通过测查心智模型的方法测查学生学习热化学的学习困难，以期为热化学教学提供有针对性的教学建议。

一、研究过程

1.研究对象

研究对象为陕西省某中学高二年级的两个班，共83人。

2.研究方法

本研究采用的方法是二阶式诊断法。二阶式诊断法由测试题与作答理由两部分组成。本文在二阶式诊断法基础上增设“信心指数”环节，结合作答理由来探测学习者的想法。

（1）科学模型的确定

本研究根据《普通高中化学课程标准（2017年版）》的内容要求，参考人民教育出版社选择性必修课程选修4《化学反应原理》（2007版）第一章《化学反应与能量》的内容，结合5位骨干教师及2位教学论专家的建议，将热化学知识分为五个主题，“吸热反应与放热反应”“烩变”“中和热与燃烧热”“热化学方程式”“盖斯定律”，并确立了其科学模型，其内涵见表1。

（2）二阶式诊断法

二阶式测试题围绕热化学的核心知识编制而成，试题结构参考伊红玉[9]、甘珍[10]的热化学测试题的结构。测试题包括5道选择题和4道简答题，见表2。

（3）试卷质量检验

采用Cronbach内部一致性系数检验评价工具进行信度分析，α系数为0.813（大于0.800），该试题的信度良好。试卷发放83份，回收有效试卷83份，回收率为100%。

二、结果与分析

1.吸热反应与放热反应

学生学习吸、放热反应的心智模型的测查是通过学生画能量变化曲线图，描述吸、放热反应概念以及判断吸、放热反应来测查，结果见表3。

有81.2%的学生能够正确画出吸、放热反应的能量变化曲线图。有18.8%的学生也能画出能量变化曲

表3 学生吸热反应与放热反应的心智模型类型与比例线图，但是把“吸热反应”画成了“放热反应”。这18.8%的学生没有理解吸、放热反应能量变化曲线的含义，产生了图形混淆。

有52.0%的学生能够掌握吸、放热反应的概念，能正确判断各类吸、放热化学反应。有18.8%的学生认为“吸热反应是反应物的总能量大于生成物的总能量的反应，放热反应是生成物的总能量大于反应物的总能量的反应”。这18.8%的学生对吸、放热反应产生了迷思概念，将吸热反应与放热反应混淆。虽然，这部分学生能够意识到生成物与反应物之间的“能量差”，能够认识化学反应伴随能量变化，比初中的认识有所提升，但是并没有达到高中阶段准确判断吸、放热反应的要求，不能理解吸热反应是反应物的总能量“小于”生成物的总能量，产生了概念混淆。通过分析学生在试卷上书写的解题思路，发现学生混淆概念的原因是机械记忆概念内容，学生的认知水平没有达到高中阶段理解吸、放热反应内涵的层次。产生图形混淆和概念混淆的学生数量相等，说明概念混淆与图形混淆之间互相影响。有29.2%的学生不能判断各类吸、放热化学反应，他们错误地认为在加热条件下进行的反应是吸热反应，认为反应条件是判断吸放热反应的条件，学生没有形成从能量差角度判断吸放热反应的观念，还停留在宏观现象表层判断反应类型的水平，产生了判据迷思。

2.焓变

由表4可知，有47.7%的学生能够掌握焓变概念，能用符号正确表达吸、放热反应。有12.0%的学生没有建构起“焓变”的概念。有40.3%的学生遗漏了“恒温、恒压条件下”，认为焓变是生成物与反应物的总能量之差或是认为反应热是焓变，这部分学生认为在任何条件下焓变与反应的热效应两个数值都相等。通过分析学生在试卷上书写的解题思路，发现持有非科学模型的学生认为焓等同于能量，忽略了焓是与温度、压力有关的状态函数，只有等温等压下，焓变的数值等于反应物与生成物之间的能量差。

3.中和热和燃烧热

学生中和热心智模型的表现见表5，有37.3%的学生能够掌握中和热概念。这部分学生能够全面掌握中和热概念的内涵，对“1mol”“稀溶液”“强酸”“强碱”四个条件记忆准确。有23.9%的学生对中和热概念的认知水平停留在“中和热”的字面意义上。这部分学生没有把握“中和热”概念的内涵，认为任何一个中和反应测定的热量都能被定义成中和热。有38.8%的学生虽然能够意识到“中和热”概念存在理想条件，认为“中和热是酸与碱反发生中和反应生成1mol水时放出的热量”，但是缺少“稀溶液”“强酸”“强碱”这三个条件。

学生燃烧热心智模型的表现见由表5，有40.6%的学生能够掌握燃烧热概念，对“101kPa”“完全燃烧”“1mol”“纯物质”四个条件记忆准确。有25.8%的学生对燃烧热概念的认知水平停留在“燃烧热”的字面意义上。这部分学生没有意识到“燃烧热”概念中包含了条件，认为任何燃烧反应产生的热量都能被定义成该物质的燃烧热，对四个条件完全没有印象。有33.6%的学生认为燃烧热是指1mol物质燃烧放出的热量，但是缺少“101kPa”“完全燃烧”“纯物质”三个条件。

4.热化学方程式

由表6可知，有49.8%的学生能够正确书写热化学反应方程式。有24.9%的学生不知道完全燃烧和稳定产物的含义。例如，考题①写出碳完全燃烧的热化学反应方程式，学生将产物写成CO;考题②写出氢气完全燃烧的热化学反应方程式，学生标错产物的状态将H2O（1）写成H2O（g）。这部分学生判断目标产物错误或者写错目标产物的状态，最终不遵循化学反应的实际结果来书写热化学反应方程式。有25.3%的学生不清楚热化学方程式怎样书写，没有写出物质状态或是没有写出焓变△H，产生了符号缺陷。

5.盖斯定律

由表7可知，有67.4%的学生能够掌握盖斯定律，这部分学生能够理解盖斯定律的含义并进行计算。有20.1%的学生没有意识到盖斯定律是进行反应热计算的依据，不能正确运用盖斯定律计算反应热。有12.5%的学生对盖斯定律的认知水平停留在字面意义，两个不同的概念有相似词语时，不能准确区分二者的不同。這部分学生没有区分“化学反应的进行”与“化学反应的反应热”的差别，不清楚“化学反应进行与物质本身的性质有关，与温度、压强、浓度、状态等有关”，认为“化学反应进行与反应体系的起始状态和最终状态有关”，产生了概念混淆。

三、结论与启示

根据学生持有的非科学模型的类型，我们进行了学习困难分析，得出以下结论：

（1）学生关于热化学知识共持有13种非科学模型：

对于吸热反应与放热反应，学生持有3种非科学模型，分别是吸热反应能量变化曲线图画成放热反应的、吸热反应与放热反应概念记混、判断吸放热反应依据错误。对于焓变概念，学生持有2种非科学模型，分别是缺失焓变概念、缺失等温等压条件。对于中和热和燃烧热，学生持有4种非科学模型，分别是认为任意一个中和反应测定的热量均为中和热，缺失中和热概念部分条件、认为任意一个燃烧反应测定的热量均为燃烧热概念、缺失燃烧热部分条件。对于热化学反应方程式，学生持有2种非科学模型，分别是产物判断错误、标错或漏标能量状态。对于盖斯定律，学生持有2种非科学模型，分别是盖斯定律功能不明、盖斯定律概念缺失。

（2）学生建构的非科学模型整体可分为三类：

第一、概念缺陷型，表现为中和热、燃烧热概念条件缺失、焓变概念条件缺失、吸放热反应概念混淆。学生对概念机械记忆，没有理解概念的内涵与外延。

第二、符号缺陷型，表现为热化学方程式书写存在△H符号缺陷、违反事实标注物质状态。学生不能准确使用化学符号。

第三、判断缺陷型，表现为吸、放热反应判据迷思。学生不能准确判断化学反应，进行化学反应分类。

（3）学生热化学知识学习困难分析：

第一、学生学习吸、放热反应时，概念建构困难。学生对吸放热反应的认知比初中阶段有所提升，但是不能掌握判断反应吸放热的条件，认为反应条件为“加热”就是吸热反应。

第二、学生学习中和热、燃烧热、焓变时，条件把握存在问题。学生不理解完全燃烧的内涵，书写热化学反应方程式时写错目标产物;还有学生认为中和热和燃烧热就是字面含义，不存在限定条件;学生认为焓等同于能量，忽略焓变是温度压强的状态函数，只有等温等压条件两个数值相等。

第三、学生书写热化学反应方程式时，符号书写存在困难。学生没有标物质状态与能量的意识，没有理解热化学反应方程式既能表示物质变化又能表示能量变化。

（4）在了解学生的学习困难后，提出以下教学建议：

第一、强化学生对热化学知识概念内涵的理解。可以运用化学史等真实案例，促进学生理解概念产生的过程;可以运用类比方式解释概念的内涵，促进学生理解概念的内涵。

第二、强化概念界定条件的理解。可以通过探究实验提升学生对中和热概念条件的认识，强化学生对“中和反应反应热”与“中和热”区别的认识，最终掌握中和热概念的内涵。

第三、强化化学用语教学。可以加强热化学反应方程式内涵教学，强调热化学反应方程式的作用是既能表明物质变化也能表明能量变化，加强学生对反应物与生成物的能量和状态、完全燃烧、稳定产物的理解。

第四、强化“宏微符”三重表征的融合教学。培养学生“宏微结合”能力并且能将宏观中体现的能量与微观中物质结构结合起来。

参考文献

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

[2]武超.基于学科核心素养的高中热化学迷思概念转变教学策略研究[D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2019

[3]W.Wiji，S.Mulyani.Student'smental model，misconceptions，troublesome knowledge，and threshold concept on thermo-chemistry with DToM-POE[J].Journal of Physics Confer-ence，2018（1013）：1-5

[4]Craik K J W.The Nature of Explanation[M].Cambridge Uni-versity Press Archive，1967

[5]贺雯.了解学习——学业心智模型的建构和测评[M].北京：北京大学出版社，2011：80-81

[6]薛琳，闫春更，崔俊莉，周青.高中生“电离平衡”心智模型的研究[J].化学教育（中英文），2020，41（3）：47-51

[7]陈晓娜，闫春更，周礼，周青.高中生盐类水解心智模型的研究[J].化学教育（中英文），2018，39（19）：41-46

[8]陆旖旎，闫春更，张璐，周青.高中生“甲烷”心智模型的测评[J]北学教育（中英文），2020，41（5）：6-10

[9]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

[10]甘珍.高中生电化学心智模型的调查研究[D].武汉：华中师范大学，2017

本文系国家社科基金项目（AHA120008）中小学理科教材国际比较研究（高中化学2012）研究成果。

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