| 标题 | 国外“化学平衡”主题教学研究进展与启示 |
| 范文 | 黎梦丽 邓峰 董娟 刘睿琪 摘要： 从迷思概念的测查、成因分析以及教学策略研究三个方面梳理了国外“化学平衡”主题的教学研究。研究表明： （1）不同年级、层次的学生群体持有相似的迷思概念;（2）导致学生形成迷思概念的原因是多方面的;（3）已开发的教学策略包括： 概念转变策略、模型教学策略、类比教学策略、论证式教学策略以及计算机教学策略等。据此谈及了国外已有研究对我国化学平衡主题教学及其研究的启示。 关键词： 化学平衡; 迷思概念; 教学策略; PCK 文章编号： 1005-6629（2020）03-0018-06 中图分类号： G633.8 文献标识码： B 1? 问题的提出 “化学平衡”是最重要的化学主题之一，是学生理解其他化学主题的重要基础，如氧化还原、酸碱化学和化学计量等等都与化学平衡有着千丝万缕的联系[1～3]。近年来，我国课程对“化学平衡”的重视日益增加，并以核心素养“变化观念与平衡思想”显化在化学新课程标准当中，明确要求学生能用动态平衡的观点来看待和分析化学反应[4]。 然而，已有的研究表明，任何年级和层次的学生在学习化学平衡概念时，都面临着许多困难，学生往往不能准确理解化学平衡的特点及其变化规律[5]。为了攻克“化学平衡”主题的教学难关，国内外许多学者都进行了深入的研究，并取得了丰富的研究成果。虽然已有文献对国内相关的硕士论文研究进行了梳理，但对国外相关研究的梳理却相对欠缺。基于此，本文对国外关于“化学平衡”主题的教学研究进行了整理归纳，以期为我国化学教师实践和研究提供有益参考。 基于研究主题，笔者首先运用关键词法，以“Chemical equilibrium”作为关键词，并规定年限为近20年以及研究层次为基础教育和高等教育（師范专业）后，在Web of Science、 ERIC等数据库上进行文献搜索，而后运用溯源法，在阅读文献过程中补充二次文献。经过上述文献检索后，再从内容相关性角度进行人工筛选，最终确定与化学平衡教与学相关的文献共23篇。然后，对文献的研究对象、研究目的以及研究方法等进行梳理和编码，在此基础上采取自下而上的方法对文献进行观点抽取和归类，确定从“迷思概念测查研究”“迷思概念成因分析”以及“教学策略研究”等三个方面对文献进行综述。 2? 国外“化学平衡”迷思概念的测查研究 迷思概念是指学生对某一科学概念的错误理解或是疑惑所在。迷思概念的形成会干扰学生对正确科学原理以及外界信息的处理[6]，因此展开关于预防和纠正迷思概念的研究对指导教学是有重要意义的。在笔者选择的23篇文献中，接近一半的文献（11篇）涉及到了迷思概念的测查，并且文献中明确提出的测查方法包括问卷法（频次10）、访谈法（频次6）和词语联想法（频次1）。其中大部分测查研究采用了问卷调查法、访谈法或两者相结合的方法。问卷的题目主要是自编的与化学平衡主题相关的测试题，最典型的是二段式选择题[7～9]，这与国内许多研究者所采用的研究方法相一致[10]。二段式选择题要求学生不仅要选择问题的正确答案，还需要回答选择的理由。这有利于帮助研究者了解学生解题时的推理过程，更清晰地了解学生对某一概念的理解程度[11]。 测查结果表明，不同学生群体持有许多相似的迷思概念，主要体现为对“化学平衡的建立过程”“化学平衡状态及其特征”“外界条件对化学平衡的影响”“勒夏特列原理的应用”“平衡常数”等五个基本概念的误解。 2.1? 有关“化学平衡建立过程”的迷思概念 学生通常认识到反应在达到平衡的过程中各物质浓度的变化规律，但对于化学反应的可逆性以及反应速率的变化往往是存在误解的，具体表现为： （1）学生往往用割裂的视角看待可逆反应当中两个方向的反应，认为正向反应先进行完全，然后逆向反应才开始进行[12～15]。（2）有一部分学生认为可逆反应是可以反应完全的，即反应物可以完全转化为生成物[16]。（3）大多数学生无法准确解释在达到平衡的过程中正向和逆向反应速率的变化方式。最常见的迷思概念是，正逆反应速率都随时间的变化而增加[17～20]。 2.2? 有关“化学平衡状态及其特征”的迷思概念 学生一般能够认识到平衡状态会因条件的改变而发生变化，但是对于化学平衡状态及其动态性都存在一定误解，具体表现为： （1）大多数学生能够认识到一旦达到平衡，正逆反应速率相等，各物质的浓度保持不变，然而他们却错误地认为反应物浓度与生成物浓度之间存在着固定的定量关系，最常见的观点是认为两者相等[21～25]。（2）有部分学生没有认识到化学平衡状态的动态性，认为在平衡状态下没有发生任何反应[26～28]。 2.3? 有关“外界条件对化学平衡的影响”的迷思概念 随着条件的改变，化学平衡会表现出复杂的变化规律，这需要学生综合定性和定量的角度进行判断。因此，学生对“外界条件对化学平衡的影响”这一概念往往持有较为丰富的迷思概念。具体为： （1）学生都确定当温度改变时，平衡会发生移动。但却认为移动的方向与反应吸热还是放热无关，而且通常认为温度增大时反应物粒子会获得更多动能，从而有效碰撞次数更多，因此更多的反应物就会转化为生成物，平衡正向移动[29～31]。（2）学生往往会混淆浓度和质量对平衡移动的影响，例如在多相平衡系统中，当体系达到平衡状态且固液共存时，加入固体物质，只是增加了物质的质量而不改变浓度，但是学生却仍然认为平衡发生了移动[32～34]。（3）一部分学生认为，若在平衡状态下增加某反应物的浓度，当体系达到新的平衡状态后，该反应物浓度等于先前平衡状态的浓度[35]。（4）对于催化剂的影响，有部分学生认为加入催化剂也会导致平衡发生移动，因为他们认为催化剂会同时影响正逆反应速率但是影响程度不同，或是催化剂只影响了正反应速率而不影响逆反应速率[36～38]。（5）有学生认为当条件改变时，优势反应的速率会增加，而另一个反应速率则总是降低。例如在放热反应中，升高温度会增加逆反应的反应速率，而正反应速率则会降低[39～41]。 2.4? 有关“勒夏特列原理的应用”的迷思概念 有研究表明，许多师生都十分依赖勒夏特列原理来判断平衡的移动。然而，在勒夏特列原理的应用上，不同的学生群体都持有一定的迷思概念。具体如下： （1）勒夏特列原理只适用于平衡状态，但是学生却常常用来预测一组物质在达到平衡前的物质转化[42]。（2）勒夏特列原理只适用于均相平衡体系，然而学生却错误地用来预测多相平衡体系的变化[43～45]。 2.5? 有关“平衡常数”的迷思概念 平衡常数是解决平衡移动问题的重要依据，也是提高平衡知识结构化的关键所在[46]。然而学生对于平衡常数的恒常性及其应用都存在一定误解，具体如下： （1）学生往往是机械地记忆平衡常数的计算公式，而不理解其本质。这导致学生认为平衡常数会受到浓度和体积的影响。他们认为，平衡常数是反应物和生成物浓度的比值，当体积改变导致浓度发生改变时，平衡常数也会改变[47，48]。（2）大部分学生都意识到平衡常数会受温度影响，但是却错误地认为，当温度增大时，不管反应吸热还是放热，平衡常数都会增大[49]。（3）有部分学生错误地认为当平衡常数越大，反应速率也会越大[50，51]。 总体而言，对比发现国外的测查结果与国内的具有较高的相似性[52]，这也体现了迷思概念具有普遍性这一特点。然而，值得一提的是，迷思概念仅是对学生学习结果的一种碎片化的反映，并不能表征学生认知当中系统化的知识结构[53]。因此，要想更全面了解学生关于化学平衡的学习情况，其认知结构还需要被进一步探查。 3? 国外“化学平衡”迷思概念成因的分析 为了找到更有针对性的解决策略，国外许多学者对学生和教师继续展开了追踪访谈，发现学生常常用自己的生活经验来解释自己的错误观点，同时还有研究者提出教材内容设计和教师的行为都是导致学生迷思概念的重要原因，不难发现大部分研究者主要从客观因素和主观因素两个方面进行了讨论。 3.1? 知识层面的成因 化学平衡知识通常都是微观的，往往无法直观地体验，这就造成了学生理解上的困难。例如，化学平衡状态是动态的，然而在平衡状态下物质的组成、颜色等等都不会发生变化，学生观察不到任何宏观现象的改变，这导致学生无法感受到即使在平衡状态下反应也仍在进行，因此难以将平衡状态和动态性联系起来[54～57]。 3.2? 教师层面的成因 许多研究者都谈及了教师这一角色对学生概念理解的影响，笔者通过对文献的梳理发现，无非都体现在了教师PCK（Pedagogical Content Knowledge，学科教学知识）对学生学习的影响。已有的研究主要讨论了教师的学科知识（Subject Matter Knowledge， SMK）、关于学生的知识（Knowledge of Learners， KoL）、关于教学策略的知识（Knowledge of Strategies， KoS）[58]等三个PCK组分的影响。 3.2.1? 教师的学科知识（SMK） 教师对化学平衡主题知识也存在一定的误解，例如Chani（2018）提到，部分教师不能准确把握温度、浓度、压强等因素对平衡移动的影响，这导致他们会过度依赖勒夏特列原理来解决问题。然后教师会在教学过程中无意识地将自己的误解传递给学生，从而导致学生也产生类似的迷思概念[59，60]。 3.2.2? 教师关于学生的知识（KoL） 即使已经有研究者对教师的KoL进行测查，并且发现教师对学生已有的知识或是可能产生的迷思概念有较好的把握[61]。但是不难发现，教师对学情的关注仅仅停留在知识维度，而较少关注学生的认知方式和能力水平。例如Chani（2018）調查发现，教师往往认为中学生的语言理解能力较好，因此在教授化学平衡的过程不需要特别的策略来解决内容问题，但恰恰相反的是，化学平衡主题会涉及许多专业术语，这对于学生来说是难以把握的[62]。因此教师KoL的缺失也造成了学生的学习困难。 3.2.3? 教师关于策略的知识（KoS） 不少研究者提出，教师没有采取恰当的策略也会导致学生产生迷思概念。例如，zmen（2008）提到传统的讲授式教学方法往往不能帮助学生理解微观上的物质变化，这会导致学生在理解平衡状态的形成和移动时遇到较大的困难[63]。另外，即使有些教师有意识要采取相应的类比策略或概念转变策略等，但由于使用了不恰当的素材或是没有很好地实施策略，最终也会导致学生产生一系列迷思概念[64～66]。 3.3? 教材层面的成因 3.3.1? 课程内容衔接 化学平衡概念的引入是在可逆反应的基础上进行的，然而，可逆反应的学习需要学生修正原有的关于化学反应的认识，例如“物质转化是不完全的”“正逆反应是同时发生的”等等。而大多数研究者发现，教科书并没有将这两个概念很好地衔接起来，这会引起学生的困惑，从而引起误解[67]。 3.3.2? 科学术语 Pedrosa（2000）通过实证研究发现，教科书用语与学生迷思概念的产生有密切相关。这是因为，教科书上所采用的科学术语，在生活当中往往会有其他的含义[68]。例如“移动”一词在现实生活中表示宏观物质的空间位置发生了变化，然而在教科书中则是指体系状态发生了变化，释义不同往往导致了学生概念的混淆[69]。 3.4? 学生层面的成因 除了对客观因素进行分析，许多研究者也对学生自身的主观因素进行了探查。结果发现导致学生产生迷思概念的主观原因包括学生的生活经验、前科学概念和思维能力等。 3.4.1? 学生的生活经验 学生对科学概念的理解往往会受到生活经验的影响[70，71]。例如生活当中，学生会接触到许多“平衡”的事例，如跷跷板的平衡或是物理中的受力平衡等等。学生根据这些经验形成的关于“平衡”的印象是“一切平等时达到平衡”“平衡时什么都不动”。这些经验就干扰了学生对“动态平衡”的理解[72，73]。 3.4.2? 学生的前科学概念 国外许多研究者都关注到了学生前科学概念对学生概念理解的重要影响，并且对学生与化学平衡相关的前科学概念持有相似的看法[74～79]。学生之前学习化学反应概念的时候，往往根据反应的现象来判断反应的发生和终止，据此，学生所了解到的化学反应是单向的、完全进行的。而这固有的概念就极大阻碍了学生关于化学平衡动态性、可逆性的学习。 综上所述，国外学者不仅从不同层面对迷思概念的成因进来了讨论，还清晰论述了这些因素的影响机理。然而，与国内研究结果相比，国外学者似乎还忽略了一些主观因素对学生概念理解的影响，例如学生所采取的学习方法和策略以及学习动机等非智力因素的影响[80]。 4? 国外“化学平衡”教学策略的实证研究 为帮助教师解决学生关于化学平衡的学习困难，国外研究者开发了许多颇有成效的教学策略。总体来说，主要包括两大类型。一是不少研究者基于建构主义学习理论提出的概念转变教学、模型教学和论证式教学等策略;二是有研究者着眼于解决知识的抽象性问题，提出了类比教学和计算机辅助教学等策略。 4.1? 概念转变策略 不少研究采用准实验研究的方法证明了概念转变策略的有效性，如Atasoy（2009）通过对比传统教学和概念转变教学对中学生学习化学平衡概念的影响，发现后者更有利于减小迷思概念产生的几率，并且许多研究也得到了相同的结果[81～85]。另外国外的研究者还提出了概念转变该策略的四大关键要素[86～89]，即： （1）要让学生对自己现有的概念感到不满;（2）新概念必须是学生易于理解的;（3）新概念必须符合逻辑，学生能够接受;（4）新概念必须要有解释新情境的潜力。要促进学生的概念转变，这四个要素是缺一不可的。 4.2? 模型教学策略 主张模型教学的研究者也提出了建模过程的几个关键要素[90]，即： （1）学生要进行思维体验;（2）学生要有机会修改思维模型;（3）要以合适的方式表达新模型。研究者认为通过这几个活动，不仅能帮助学生拓展原有的知识，形成对新概念的理解，也有利于促进学生科学思维的发展，形成良好的科学素养[91，92]。另外，Canpolat（2006）的研究表明，模型教学可以通过采用直观化模型帮助学生更容易地理解化学平衡概念的微观内涵[93]，使得学生更易理解抽象的科学概念，这也与Maia（2009）的研究结果相呼应[94]。 4.3? 论证式教学策略 论证被学者定义为学习者通过基于证据的理性判断来构建、支持、评估或验证观点的一种活动。论证活动可以将化学课堂的焦点从死记硬背转移到让学生参与到复杂的科学实践中，学生可以在这种实践中自主构建并证明知识主张[95，96]。因此进行论证式教学，可以帮助学生体验科学知识形成的过程，更有利于促进学生整合先前知识，反思知识的可信度，从而在证明和辩驳的过程中形成对新概念的理解和发展科学思维。这一观点也在Aydeniz（2016）的研究中得到支持[97]。 4.4? 类比教学策略 许多研究都提到类比作为一种解释工具，可以有效地将一个对象或情况与另一个对象或情况进行比较，并在这一过程中传递两者的异同及其关系的信息，并且类比活动允许学生将抽象的平衡概念与现有知识和有形经验进行比较来理解，因此有利于降低学生学习新概念的难度[98～101]。然而，也有研究者提出了对类比教学的担忧，因为用于类比的例子与真实的科学概念是相似的，却不完全相同[102～104]。如化學平衡主题中，常常被引用的跷跷板平衡的例子，这是一个静止的平衡，这可能会误导学生认为化学平衡状态也是静止的。所以，教师在使用类比教学时，需要谨慎选择类比的素材[105～107]。 4.5? 计算机辅助教学策略 计算机软件最突出的贡献在于它可以有效模拟一些无法观察的科学现象和事件，使抽象概念可视化[108]。例如Hameed（1993）设计了一款软件，通过动态图片以及视频的形式提供化学平衡系统的实验模拟和微观原子层面的化学反应模拟，从而提高学生对抽象概念的可视化，极大减弱了学生的学习难度[109]。另外也可以通过计算机软件简化相关的实验，让学生借此来理解抽象的平衡概念[110]。因此计算机辅助对于抽象的科学概念教学具有重要的意义。 整体而言，国外大多数研究不仅设计并验证了具体的教学策略，同时，还基于实证结果对其理论基础进行了讨论或补充，最终得出更具体的理论体系。然而，反观国内的实证研究，大多数都只是提出了策略的实施步骤，往往缺乏更深入的反思和总结。基于此，国内研究者需要重视“陈述性”结果的提炼，以提高研究成果的普适性，降低迁移应用的难度。 5? 对我国化学平衡主题教学及其研究的启示 如前所述，目前国外有关于化学平衡主题的教学研究主要涉及迷思概念的测查、成因分析以及教学策略的探析等三个方面。因此，可以从教学实践和研究两个方面对国外已有研究进行借鉴或进行拓展。 5.1? 对国外已有研究的借鉴 近年来，国外已有不少关于概念转变策略的教学研究，并且逐步发展了较为系统的理论支撑，提出了该策略的四个必要因素[111]。反观国内的教学现状，仅有少数人关注到了概念转变策略的可行性和有效性[112]，并且，国内有学者通过调查发现许多化学师范生对概念转变教学的认识仍有待提高[113]。因此，国内化学教育工作者可以尝试借鉴国外关于概念转变策略的研究成果，开发更适用于国内化学教学的概念转变策略。 不难发现，国外相关研究的对象具有涉及范围广的特点，不仅关注到不同年级中学生的学习现状，同时还关注到了职前化学教师以及在职化学教师的概念理解情况和教学行为[114]。不过，国内对于化学平衡主题的研究主要集中在中学生的学习现状上，鲜有研究者关注到教师群体[115]。但从前面的分析我们知道，学生学习困难的产生和教师的概念理解水平以及教学行为有着密不可分的联系。因此，国内研究者可以借鉴国外已有的研究方法，将研究的目光转向不同层次的教师，争取在教师这一层面减少学生学习困难产生的可能[116]。 5.2? 对国外已有研究的拓展 化学平衡知识由于涉及到许多微观层面的内容，因此该主题具有高度抽象性，这是许多研究者都认可的观点。甚至有研究者提出，要真正解决这一问题，就需要借助多重表征并且要使学生明白不同表征之间的关系[117]。遗憾的是，并没有研究者开发出具体的多重表征策略或是教学材料。因此，可以在国外已有研究的基础上，尝试发展并实践具体的多重表征策略，以便更好地解决学生的学习困难。 如前所述，国内外研究者都不约而同地采取了相似的方法来测查学生的迷思概念，即访谈和书面测试题的方法，并据此得到较为相近的测查结果。然而，Akaygun（2014）曾经分别采用画图和书面表达的方法对同一批学生关于化学平衡的心理模型进行测查，结果发现，不同的表达媒介会给学生不同的启发，从而产生不同的结果，其中通过画图表达的结果往往包含更多微观层面和动态化的信息[118]。因此，研究者可以以此为启发，尝试发展更加多样化的测查方法，以求得到可信度更高的结果。 参考文献： [1] [12][17][21][32][74][90][91][94] Maia P. 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