高 嵩 李彥清

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山東 濟南 250014)

·初中園地·

初中生對氣體相關(guān)概念理解狀況研究

高 嵩 李彥清

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山東 濟南 250014)

本文通過問卷及訪談的方式,從初中生識別氣體、從科學(xué)概念的角度來解釋氣體的有關(guān)特性、認識氣體的微觀機制等3部分來探尋初中生在學(xué)習(xí)物理前后,在氣體相關(guān)概念的理解方面存在的相異概念．研究發(fā)現(xiàn),中學(xué)生在氣體相關(guān)概念的理解方面存在著十分豐富的前概念,例如某些學(xué)生常將空中漂浮的細小顆粒認為是氣體,氣體都是無色無味的等．教學(xué)中要關(guān)注這些前概念,并幫助學(xué)生發(fā)生概念的轉(zhuǎn)化．

初中生;氣體相關(guān)概念;調(diào)查研究;訪談研究

1 問題的提出

核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理教學(xué)要求重視物理核心概念教學(xué)、注重科學(xué)研究方法的應(yīng)用、關(guān)注學(xué)生真實的情感體驗……[1]所以核心概念的掌握是物理教學(xué)的主要任務(wù)．根據(jù)學(xué)習(xí)理論可知,有效的學(xué)習(xí)必須建立在原有認知基礎(chǔ)之上,所以對學(xué)生學(xué)習(xí)概念的精確掌握有助于教師合理設(shè)置教學(xué)方案．氣體是初中生為了解物質(zhì)世界的構(gòu)成建立的第一個概念,為方便一線教師了解學(xué)生對氣體相關(guān)概念的掌握程度,更好促進學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展,本研究通過問卷調(diào)查,重點探尋了初中生通過日常生活及已有知識所建構(gòu)的“氣體相關(guān)概念”、對氣體真實的情感體驗與科學(xué)概念間的差距．

2 研究結(jié)果分析

2.1 問卷編制及被試選擇

問卷的編制主要參考了臺灣師范大學(xué)邱美虹、廣西師范大學(xué)羅星凱等人的部分研究成果[2-5],問卷編制完成后,請學(xué)科專家及學(xué)科特級教師修改多次,最終確立本調(diào)查問卷的22道題目,問卷共分為4部分,第1部分考查學(xué)生是否可以正確識別氣體,主要包括氣體與液體、固體的區(qū)分;第2部分考查學(xué)生是否可以從科學(xué)概念的角度來解釋氣體的有關(guān)特性,包括氣體的顏色、氣味、質(zhì)量、體積、密度、溫度等;第3部分是對學(xué)生氣體微觀機制認識的考查;第4部分為選做題,學(xué)生從任意角度描述氣體的特征,以補充前面3部分題目未涉及到但對學(xué)生來說又具有的認識．雙向細目表如表1所示.

表1 “初中生對氣體相關(guān)概念的理解”雙向細目表

本研究是希望獲得一般學(xué)生的認知情況,但現(xiàn)實中很多地區(qū)的學(xué)校被分為重點中學(xué)和普通中學(xué),因此我們選取的調(diào)查對象為日照市一所重點中學(xué)、一所普通中學(xué)的學(xué)生,兩所中學(xué)所有班級均為平行班,所有問卷均不記名作答，當堂發(fā)放、當堂回收．正式調(diào)查前選取普通中學(xué)A班、重點中學(xué)A′班作為前測對象,正式調(diào)查時選取普通中學(xué)B班、C班,重點中學(xué)B′班、C′班為調(diào)查對象，詳見表2所示．在此次研究中,我們無意區(qū)分重點中學(xué)與普通中學(xué)的學(xué)生差異,所以在對學(xué)生的問卷進行分析時,將學(xué)生屬于哪類學(xué)校不做區(qū)分．

對普通中學(xué)和重點中學(xué)984人進行問卷調(diào)查,問卷調(diào)查時間為2016年5月中旬．共發(fā)放問卷984份,回收984份,有效問卷937份,有效百分比為95.22%．訪談時間為2016年5月下旬,訪談對象為普通中學(xué)、重點中學(xué)隨機選取的12名初中生．利用SPSS22.0 for Windows對984份問卷進行可靠性分析,克隆巴赫系數(shù)α=0.816．將問卷題目分為氣體與液體、固體的區(qū)分,顏色和氣味,質(zhì)量、體積和密度,溫度,粒子觀等5個維度進行因子分析,所得KMO值為0.715．綜上可得,本調(diào)查問卷具有較好的信度和效度．

表2 “初中生對氣體相關(guān)概念的理解”研究對象

2.2 研究結(jié)果及分析

從研究結(jié)果可以看出,中學(xué)生在氣體相關(guān)概念的理解方面都存在著十分豐富的前概念．下面從5個維度具體說明．

(1) 氣體與液體、固體區(qū)分方面的前概念.

以日常生活為背景,考察學(xué)生對氣體與液體、固體的區(qū)分．通過問卷和進一步的訪談發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)七年級和部分八、九年級的學(xué)生常常將空中懸浮或噴出的液態(tài)或固態(tài)小顆粒誤認為是氣體,他們頭腦中存在著只要能懸浮在空中的物質(zhì)就是氣體的前概念．例如,學(xué)生常常將“白氣”、“白霧”、“煙”、“云”、“霧”、“水汽”等認為是氣體．以問卷中一道選擇題為例,讓學(xué)生判斷燒開水時看見的“白氣”是液體還是氣體,回答情況如表3所示．對于還沒有學(xué)習(xí)過物態(tài)變化的七年級學(xué)生而言,超過一半的學(xué)生認為“白氣”是氣體．八年級的學(xué)生在上學(xué)期已經(jīng)學(xué)過物態(tài)變化,從表3可以看出,其概念轉(zhuǎn)變較為明顯,與七年級相比,認為“白氣”是液體的學(xué)生增加了26.70%．但是直到九年級也僅有約80%的學(xué)生的認識是正確的,意識到“白氣”是液體而非氣體．

表3 學(xué)生對“白氣”的認識

另外,訪談還發(fā)現(xiàn),提到和氣體相關(guān)的物態(tài)變化時,初中生往往認為只有水和二氧化碳可以實現(xiàn)固、液、氣三態(tài)的轉(zhuǎn)化,幾乎所有學(xué)生認為氧氣和氮氣始終是氣態(tài),不可能是固態(tài)或液態(tài),學(xué)生得出這些錯誤結(jié)論很可能與生活經(jīng)驗相關(guān),水的物態(tài)變化比較常見,而對于其他氣體的物態(tài)變化,學(xué)生較為陌生．

(2) 氣體質(zhì)量、體積、密度方面的前概念.

按照皮亞杰的認知發(fā)展觀,7～11歲的兒童認為物體的長度、體積、重量和面積等物理量是守恒的,能憑借具體事物或從具體事物中獲得的表象進行邏輯思維和群集計算[6],同時質(zhì)量和體積兩概念與人們的生活息息相關(guān),密度又是聯(lián)系質(zhì)量、體積的橋梁,學(xué)生可以對固體、液體的質(zhì)量、體積、密度等概念產(chǎn)生較為直觀的感受,但是由于氣體的特殊性,學(xué)生在這3個概念的理解上存在一些錯誤觀念．

當水汽化為水蒸氣時,質(zhì)量本應(yīng)不變,但對判斷題“1 kg的水變成水蒸氣后,質(zhì)量變小”的統(tǒng)計顯示,僅有12.74%的七年級學(xué)生意識到1 kg的水變成水蒸氣后,質(zhì)量不變．八、九年級的學(xué)生對質(zhì)量的認識狀況較好,但也有30%左右的學(xué)生存在錯誤的認識,他們認為1 kg的水變成水蒸氣后,質(zhì)量變小,這種觀點直到九年級也沒有發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)變,說明學(xué)生對質(zhì)量概念缺乏完備的認知．訪談還發(fā)現(xiàn),學(xué)生在氣體質(zhì)量方面的錯誤前概念大致有兩種:一是氣體很輕,沒有質(zhì)量或幾乎沒有質(zhì)量,可以被“吹走”,也可以“飄走”;二是物質(zhì)在物態(tài)變化過程中,質(zhì)量不守恒,例如當水變成水蒸氣后質(zhì)量變?。?/p>

調(diào)查顯示,學(xué)生對影響氣體體積大小的因素認識狀況相對較好,3個年級的學(xué)生都可以意識到氣體體積的大小取決于容器的大小,氣體的形狀也是由它所處容器的形狀所決定,擠壓氣球可以使氣體的體積和形狀發(fā)生改變等．但是,在談到和氣體混合相關(guān)的問題時,學(xué)生表現(xiàn)不好,訪談時,向12名初中生依次提問:“空氣中氧氣含量約為21%,如果有一個1m3的密閉鐵盒,里面充滿空氣,那么這個鐵盒中有多少體積的氧氣呢”．訪談發(fā)現(xiàn),所有學(xué)生都不約而同的給出了錯誤答案0.21m3,而不是1m3．在筆者的追問下,有4名學(xué)生意識到,氧氣含量約為21%指的是氧氣質(zhì)量占空氣質(zhì)量的21%,而不是是氧氣體積占空氣體積的21%,并更正了他們之前的觀點,重新給出答案——1m3的空氣中有1m3的氧氣．從調(diào)查和訪談可以看出,初中生習(xí)慣于用液體體積的相關(guān)知識來解釋和氣體體積相關(guān)的問題．

圖1 手推注射器

對比3個年級的問卷及訪談結(jié)果發(fā)現(xiàn),九年級的學(xué)生并沒有因為知識和生活經(jīng)驗的增加而使相異概念減少,相反,學(xué)生在解釋一些現(xiàn)象時,常常出現(xiàn)知識的負遷移．訪談時發(fā)現(xiàn),九年級的某些學(xué)生認為密度不相等的兩氣體混合在一起時,密度大的氣體在下面,密度小的氣體在上面,追問原因,他們給出的解釋是類比兩種不相溶解的液體的混合．再例如,訪談時向?qū)W生展示如圖1所示手推注射器,九年級的學(xué)生在回答氣體質(zhì)量是否變化時,相當一部分學(xué)生認為氣體質(zhì)量發(fā)生改變,有些還能給出貌似具有科學(xué)依據(jù)實則錯誤的觀點．例如,有學(xué)生認為,密度是物質(zhì)的固有屬性,當氣體體積減小時,氣體的質(zhì)量必然減少;有的學(xué)生則認為左手的壓強始終在增加,根據(jù)p=FS=GS=mgS可得,當受力面積不變時,壓強增大,質(zhì)量增大．

(3) 氣體顏色、氣味方面的前概念.

調(diào)查及訪談發(fā)現(xiàn),多數(shù)學(xué)生傾向于把氣體的顏色和氣味歸因于微觀粒子的累加,他們認為有些氣體看起來有顏色、聞起來有氣味是因為該氣體的每一個分子都是看起來有顏色、聞起來有氣味的,當氣體的分子數(shù)增加時,氣體的顏色和氣味就會隨之加重．

雖然他們在前面的問題里能夠知道有些氣體會有色有味,但是當回答調(diào)查問卷的最后一題“從任意角度描述氣體特征”時候卻并未做到前后一致,對他們的回答結(jié)果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),關(guān)于氣體的顏色和氣味,即使九年級的學(xué)生,多數(shù)學(xué)生頭腦中依然存在著氣體“無色無味”、“看不見摸不著”、“肉眼看不到”等錯誤概念．他們先入為主地認為,所有氣體都像空氣中的氣體一樣是無色無味的,從而得出以偏概全的結(jié)論．較少學(xué)生意識到部分氣體是有氣味的,但是存在一些錯誤認識．例如,有學(xué)生認為有毒的氣體都是有氣味的,或把不是氣體的物質(zhì)當做氣體,認為噴出去的香水或油漆是“有味道的氣體”,或認為無色無味的氣體會因為特別的化學(xué)原料而變得有氣味等．綜上可以看出,對于氣體的顏色和氣味,初中生頭腦中存在著大量的錯誤概念．

(4) 氣體溫度方面的前概念.

調(diào)查及訪談發(fā)現(xiàn),與其他維度相比,學(xué)生對溫度的錯誤前概念較少,基本與學(xué)習(xí)要求一致,最易正確地構(gòu)建科學(xué)概念．即使七年級的學(xué)生也能意識到低于100 ℃時也會存在水蒸氣,并能舉出空氣中的水蒸氣加以說明．八、九年級的學(xué)生可以意識到常溫下存在水蒸氣,氣體的物態(tài)變化與溫度有關(guān),能用熱脹冷縮的知識來解釋夏天不能給自行車充氣過滿等事實．但有一九年級學(xué)生錯誤地把溫度升高,氣體體積增大歸因于溫度升高使得氣體分子膨脹．

(5) 氣體粒子觀方面的前概念.

調(diào)查及訪談發(fā)現(xiàn)學(xué)生對神秘的微觀世界有著異常豐富的前概念及強烈的好奇心．對于暫時還沒有學(xué)習(xí)過“物質(zhì)中的分子狀態(tài)”這部分知識的七、八年級學(xué)生而言,他們已經(jīng)能根據(jù)所學(xué)知識建構(gòu)出“氣體的分子狀態(tài)”,從表3可以看出,他們選擇(A)、(B)、(C)、(D) 4個選項的人數(shù)相當．雖然,學(xué)生在物質(zhì)的微觀世界方面前概念豐富,但是概念轉(zhuǎn)變十分明顯,如表4所示,九年級學(xué)生的選擇比較集中,75.19%的學(xué)生能做出正確的判斷．以下為部分學(xué)生對于自己的選擇給出的“合理解釋”[(A)選項為正確選項]．

選擇(A)選項的學(xué)生認為，氣體具有流動性,充滿整個空間;(A)選項和課本上的圖片是一樣的;除真空外,氣體都是均勻分布的;分子永不停息地運動;分子之間有間隙．

選擇(B)選項的學(xué)生認為，氣體因為受到重力作用而沉于容器底部;從上端抽走空氣,上端的空氣就沒有了;下端的空氣沒有受到外力,所以靜止在容器底部．

選擇(C)選項的學(xué)生認為，氣體很輕,總是漂在容器的上端;在抽氣機的作用下,吸到容器頂部．

選擇(D)選項的學(xué)生認為，分子間沒有空隙．

表4 氣體的分子狀態(tài)

另外訪談時還發(fā)現(xiàn),3個年級的學(xué)生都對“細胞、灰塵、PM2.5等微小物質(zhì)與分子的尺寸誰更大一些”等題目感到疑惑,甚至有學(xué)生認為分子由細胞構(gòu)成．

3 研究后的反思

縱觀整個研究過程可以發(fā)現(xiàn),學(xué)生在氣體相關(guān)概念的理解方面前概念豐富,其中不乏大量科學(xué)概念,如氣體的密度較小,其形狀和體積由它所處容器決定,這些科學(xué)的前概念是建構(gòu)物理概念的基礎(chǔ)和鋪墊．但同時學(xué)生頭腦中還存在著大量非科學(xué)的前概念,這些概念中有些易發(fā)生概念轉(zhuǎn)化,如氣體的溫度、氣體的微觀機制等,也有些頑固前概念較難轉(zhuǎn)化,如絕大多數(shù)九年級學(xué)生還很難理解和氣體混合、物態(tài)變化等相關(guān)的問題．而且經(jīng)常發(fā)生的情況是雖然已經(jīng)知道了科學(xué)概念,但是在解釋實際問題的時候,原有的前概念依舊牢固,會出現(xiàn)前后不一致的現(xiàn)象,就如許多學(xué)生雖然知道水蒸氣是無色無味的,但是仍然認為開水壺冒出的“白氣”是氣體．當我們將測試結(jié)果交給任課教師的時候,尤其是九年級的教師感到困惑:這些都學(xué)了,而且相關(guān)概念他們也都能很好地默寫出來,但為什么還會出現(xiàn)這么多錯誤的認識呢?這是因為在實際的學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生并不一定在知道了科學(xué)概念之后立刻就能完全拋棄原有的錯誤概念,因為這些錯誤概念的建立相對于課堂來說是更加漫長的過程,他們已經(jīng)習(xí)慣于這種錯誤的表達,所以在教學(xué)中不但要讓學(xué)生知道正確的概念是什么,更要讓他經(jīng)歷一個概念轉(zhuǎn)化的過程,要讓科學(xué)概念在他們應(yīng)用錯誤概念的情境中取代錯誤概念,感受科學(xué)概念的自洽、統(tǒng)一和合理性．仍以上面白氣為例,我們與任課教師一起設(shè)計并實施了如下的教學(xué)過程.

教師:請大家看,酒精燈上燒的這杯水已經(jīng)開始沸騰了,杯口冒出了縷縷白氣,請問大家看見的白氣是氣體還是液體呀?

學(xué)生:氣體吧．

教師:既然白氣是氣體,那它是哪種氣體呢?

學(xué)生:當然是水蒸氣.

教師:水蒸氣有顏色嗎?

學(xué)生:沒有顏色．

教師:請大家回顧剛才你們說的兩句話,有什么矛盾沒有?

學(xué)生討論,對啊,水蒸氣是無色透明的,這里的白氣不可能是水蒸氣啊.

教師:現(xiàn)在我拿張小紙片放在杯口,請大家觀察,發(fā)生了什么變化?

學(xué)生:小紙片變濕了,說明白氣中有水,那么它實際應(yīng)該是液體,是小水珠．

事后對這個班的學(xué)生進行測試,幾乎所有的學(xué)生都給出了正確的答案．這說明如果教學(xué)過程中采取恰當?shù)慕虒W(xué)方法,是可以實現(xiàn)概念的有效轉(zhuǎn)換的．

康奈爾大學(xué)的Posner等人強調(diào)學(xué)習(xí)者對現(xiàn)有概念不滿,認知沖突被認為是引發(fā)學(xué)習(xí)者對現(xiàn)有概念不滿的最有效的教學(xué)策略[7]．因此,在教學(xué)設(shè)計時考慮了如下兩個方面,一是要讓學(xué)生意識到自己原有概念的矛盾,二是讓學(xué)生真正體會原有概念間的錯誤．因此進行教學(xué)設(shè)計時要通過一定的教學(xué)事件讓他們原有概念的矛盾和錯誤顯性化．這樣才能更好地幫助學(xué)生認識錯誤,積極構(gòu)建新的、科學(xué)的概念．

學(xué)生的原有概念是科學(xué)教育的基礎(chǔ),在教學(xué)中最應(yīng)關(guān)注的是,針對某個具體知識,學(xué)生存在哪些前概念?前概念適用的范圍以及會對科學(xué)概念建立產(chǎn)生哪些影響?教師如何在教學(xué)中利用其積極影響同時避免其消極影響[8]．為促進錯誤概念的轉(zhuǎn)變,教師需充分了解學(xué)生前概念，專門有效的教學(xué)干預(yù)是提高教學(xué)效果的重要條件之一．

在教師了解學(xué)生前概念的基礎(chǔ)上,接下來最為關(guān)鍵的就是如何促使學(xué)生錯誤概念的轉(zhuǎn)化．在物理教學(xué)中引發(fā)認知沖突的教學(xué)策略,在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、促進其錯誤概念的轉(zhuǎn)化等方面往往能收到較好的效果．

然而,教師職前培訓(xùn)及教師參考用書等鮮少對學(xué)生前概念進行介紹,教師主要從自身教學(xué)經(jīng)驗中感受學(xué)生物理前概念的存在[8]．因此,為利于教師更加深入了解學(xué)生,促進學(xué)生錯誤概念的轉(zhuǎn)變,教育研究者應(yīng)加強對學(xué)生前概念的研究,同時教師參考用書等的編制、教師培訓(xùn)等都應(yīng)及時有效地向教師傳達學(xué)生可能的前概念．

1 林欽,陳鋒,宋靜.關(guān)于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的中學(xué)物理教學(xué)的思考[J].課程·教材·教法,2015(35):90-91.

2 鐘曉蘭,邱美虹.高二學(xué)生在理想氣體多重表征教學(xué)前后心智模式的改變[J].教育科學(xué)研究期刊,2012(57):80-86.

3 王從戎.高中生氣體壓強概念微觀理解的調(diào)查研究[D].南寧:廣西師范大學(xué),2003.

4 柳福提.中學(xué)生對分子運動論理解的調(diào)查研究[D].南寧:廣西師范大學(xué),2002.

5 吳怡嫻,邱美虹.探究高中生氣體粒子概念之心智表征與課本表征之關(guān)聯(lián)性[C]. 中華民國第22屆科學(xué)教育學(xué)術(shù)研討會，2006：662-664.

6 陳琦,劉儒德.當代教育心理學(xué)(第2版)[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2013：32-33.

7 徐寧，郭玉英.國外物理概念轉(zhuǎn)變研究:借鑒與啟示[J].課程·教材·教法,2009,29(6):94-95.

8 李光蕊,于浩,尹朝莉.中學(xué)物理教師力學(xué)前概念調(diào)查報告[J].教育研究與實驗,2007(2):67-69.

本文系國家社會科學(xué)基金“十二五”規(guī)劃課題(課題批準號:BHA140081),2016年山東省高校人文社科研究項目(項目編號:J16YG06)研究成果.

2016-10-17)