農(nóng)村初中生化學(xué)微粒觀發(fā)展現(xiàn)狀研究

劉東方 徐巖 朱玉軍 薛峰

摘要： 在分析現(xiàn)行課程標(biāo)準(zhǔn)、教科書及相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，概括出初中化學(xué)微粒觀的6個構(gòu)成要素?；赗asch理論模型設(shè)計(jì)測試題，測查出農(nóng)村初中生的微粒觀整體發(fā)展水平中等偏下。從四方面提出教學(xué)建議：農(nóng)村教師要加強(qiáng)對微粒觀的認(rèn)識，夯實(shí)自身知識和觀念基礎(chǔ)；依據(jù)發(fā)展層級設(shè)計(jì)教學(xué)，逐步提升學(xué)生認(rèn)識的系統(tǒng)性、精準(zhǔn)性和深刻性；設(shè)計(jì)問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用微粒觀建構(gòu)問題解決思路；增強(qiáng)形象化支持技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 農(nóng)村初中生； 化學(xué)微粒觀； Rasch理論模型

文章編號： 1005-6629（2022）11-0021-06

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

微粒觀是一種重要的化學(xué)觀念和上位知識，統(tǒng)領(lǐng)化學(xué)物質(zhì)性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等具體知識［1］。對于初中生來說，微粒觀既能幫助他們從微觀角度認(rèn)識生活中的現(xiàn)象，體驗(yàn)重要的認(rèn)識方法，又能發(fā)展科學(xué)的認(rèn)識方式和科學(xué)品質(zhì)［2，3］。微粒觀是初中化學(xué)核心內(nèi)容之一，具有重要的學(xué)習(xí)價值。

目前，對于微粒觀的研究，一方面聚焦于微粒觀的界定和內(nèi)涵，認(rèn)為微粒觀是對世界本源的回答，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科在原子、分子層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化的具有定義作用的特征［4］；微粒觀來自于具體的化學(xué)知識，是微粒知識在學(xué)習(xí)者頭腦中的總觀認(rèn)識［5］。另一方面，研究者基于微粒觀發(fā)展進(jìn)階，開發(fā)調(diào)查問卷、訪談提綱和測試工具，測查初中生微粒觀發(fā)展水平［6］，使用得分及正確率來統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得出不同水平的學(xué)生比例［7］，但沒有進(jìn)一步描述處于不同水平學(xué)生的微粒觀學(xué)習(xí)表現(xiàn)。

此外，在現(xiàn)有研究中，少見針對農(nóng)村初中生微粒觀發(fā)展情況的研究。鑒于此，對農(nóng)村初中生微粒觀開展調(diào)查研究，了解其發(fā)展現(xiàn)狀并針對存在的問題提出建議。

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 初中生化學(xué)微粒觀的評價標(biāo)準(zhǔn)建構(gòu)

2.1.1 初中生化學(xué)微粒觀的評價要素

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）分別在“物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)”及“物質(zhì)的化學(xué)變化”主題中設(shè)置微粒觀相關(guān)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)［8］。微粒觀的內(nèi)涵主要包括：物質(zhì)由肉眼看不見的微粒構(gòu)成；微粒是不斷運(yùn)動的、彼此有間隔的；在構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子中，原子是最為基本的，它既能直接構(gòu)成物質(zhì)，又能先構(gòu)成分子或離子，再由分子、離子構(gòu)成物質(zhì)；微觀粒子很小，體積與質(zhì)量需要用專門的量器度量、用專門的單位表示。

此外，還有兩方面內(nèi)容與微粒觀高度相關(guān)，一是溶液中的微粒。當(dāng)物質(zhì)以分子或離子形式分散到另一種物質(zhì)中形成溶液時，微粒就在溶液中大量存在，微粒的不同特征使溶液呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)。二是化學(xué)變化中的微粒。原子重組反映了化學(xué)變化的本質(zhì)特征，既能定性地解釋化學(xué)變化前后反應(yīng)物與生成物的質(zhì)量關(guān)系，又能進(jìn)一步利用微粒的相對質(zhì)量，定量地分析反應(yīng)物或生成物的質(zhì)量。

本研究依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)、義務(wù)教育化學(xué)教科書（上海教育出版社和人民教育出版社）［9，10］及現(xiàn)有研究分析，建構(gòu)出微粒觀的6個構(gòu)成要素：（1）物質(zhì)由肉眼看不見的微粒構(gòu)成；（2）微粒有自身的性質(zhì)；（3）原子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本微粒，不同微粒之間能相互轉(zhuǎn)化；（4）微粒在物質(zhì)中的分散是溶解的本質(zhì)，微粒使溶液呈現(xiàn)不同性質(zhì)；（5）微粒具有一定的相對質(zhì)量；（6）反應(yīng)物的原子重新組合而生成其他物質(zhì)是化學(xué)變化的實(shí)質(zhì)。

2.1.2 評價要素的水平界定

參考學(xué)科能力表現(xiàn)模型［11］，依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求，將每個要素分別由低到高劃分為3級水平，并界定每級水平的行為表現(xiàn)，如表1所示。水平劃分的主要依據(jù)是系統(tǒng)性、精準(zhǔn)性和深刻性，具體表現(xiàn)為“孤立-系統(tǒng)”“定性-定量”“認(rèn)識-理解-應(yīng)用”。

例如，“微粒有自身的性質(zhì)”要素，水平1為孤立認(rèn)識水平，即“孤立地了解微粒的性質(zhì)”，具體表現(xiàn)為“只了解微粒之間有空隙等性質(zhì)”；水平2為孤立理解水平，即“理解并解釋不同的物質(zhì)具有不同性質(zhì)”，具體表現(xiàn)為“能理解并解釋物質(zhì)的性質(zhì)不同（如CO和CO2）是因?yàn)闃?gòu)成兩者的分子不同”；水平3為系統(tǒng)應(yīng)用水平，即“應(yīng)用微粒的性質(zhì)解釋生活中常見的現(xiàn)象”，具體表現(xiàn)為“能解釋‘酒香不怕巷子深等生活現(xiàn)象”。

2.2 實(shí)施過程

2.2.1 研究方法

本研究采用基于Rasch模型的測試法。Rasch模型在理科教育教學(xué)中初步得以應(yīng)用［12～14］，為本研究提供方法論支持。同時，基于Rasch模型的統(tǒng)計(jì)軟件能計(jì)算試題難度值和學(xué)生水平值，得出學(xué)生微粒觀發(fā)展的整體懷特圖，刻畫不同水平學(xué)生的具體表現(xiàn)。

2.2.2 測試工具開發(fā)

首先，收集我國各省市2018～2021年化學(xué)中考試題，提取微粒觀相關(guān)內(nèi)容試題，建立試題庫。其次，依據(jù)評價要素的水平維度，分別從試題庫中的選擇、填空和計(jì)算題中選擇并改編，共編制18個測試題目，一一對應(yīng)于評價要素的每個水平維度。

例如，“微粒有自身的性質(zhì)”要素包含三個水平維度，水平1對應(yīng)的題目是“以下對微粒的性質(zhì)描述錯誤的是：A.構(gòu)成物質(zhì)的微粒是在不停地運(yùn)動的；B.溫度越高，微粒的運(yùn)動速率越快；C.分子的質(zhì)量大于原子的質(zhì)量；D.微粒之間有一定的空隙，不同物質(zhì)微粒間的空隙大小不同”?？疾鞂W(xué)生能否了解并記憶微粒的基本性質(zhì)。水平2對應(yīng)的題目是“請用微粒的觀點(diǎn)解釋為什么一氧化碳與二氧化碳性質(zhì)不同”。考察學(xué)生在了解“物質(zhì)是由微粒構(gòu)成的”基礎(chǔ)上，進(jìn)一步判斷出使兩種氣體性質(zhì)不同的原因是分子不同。水平3對應(yīng)的題目是“下列事實(shí)的微觀解釋不正確的是：A.水通電生成氫氣和氧氣——化學(xué)反應(yīng)中分子發(fā)生了改變；B.壓癟的乒乓球在熱水中能鼓起來——溫度升高，分子變大；C.端午時節(jié)粽飄香——分子不斷運(yùn)動；D.氧氣和液氧都能支持燃燒——物質(zhì)的分子相同，其化學(xué)性質(zhì)相同”?？疾鞂W(xué)生面對多種復(fù)雜問題時，遷移應(yīng)用微粒的觀點(diǎn)加以闡釋的能力。每個水平維度答對賦1分，答錯賦0分。

2.2.3 樣本選擇

在遼寧省L市的25所農(nóng)村初中隨機(jī)選擇5所學(xué)校，生源均為當(dāng)?shù)鼐徒雽W(xué)的農(nóng)村家庭子女，能夠代表典型的農(nóng)村學(xué)生。進(jìn)而在這5所學(xué)校中隨機(jī)選取365名九年級學(xué)生。

2.2.4 測試安排

測試時學(xué)生已經(jīng)學(xué)完“物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)”及“物質(zhì)的化學(xué)變化”兩個主題下的全部內(nèi)容并進(jìn)入中考復(fù)習(xí)階段。由化學(xué)教師發(fā)放試卷并監(jiān)考，發(fā)放試卷365份，回收試卷365份，回收率為100%，有效率為100%。

3 測試工具質(zhì)量及測試結(jié)果分析

3.1 測試工具的質(zhì)量分析

應(yīng)用Rasch模型檢驗(yàn)測試工具的信度，得到測試題目的INFIT MNSQ均值為0.99，接近MNSQ的理想數(shù)值1，表明收集的數(shù)據(jù)與理想模型擬合程度較高。測試題目分離指數(shù)為8.85，分離度較好。將分離指數(shù)轉(zhuǎn)換得到試題整體信度為0.99，表明試題可信。單維性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有3道題目超出接受范圍（-0.4～+0.4），僅占題目數(shù)的17%，表明測試題具有單維性，能指向并反映學(xué)生的微粒觀。

3.2 測試結(jié)果與分析

3.2.1 農(nóng)村初中生微粒觀整體發(fā)展水平中等偏下

試題題目難度與學(xué)生分布懷特圖（如圖1所示）顯示出學(xué)生個體與試卷的整體情況。依據(jù)懷特圖，采用書簽法（BookMark），劃定學(xué)生微粒觀發(fā)展層級。

第一，綜合考慮微粒觀的能力要素、試題難度值，以及懷特圖反映的項(xiàng)目難度與個體能力之間的關(guān)系，通過邏輯分析初步劃分層級。第二，用SPSS26.0對各層級進(jìn)行單因素方差分析，檢驗(yàn)其顯著性差異。第三，確定各層級所對應(yīng)的試題難度值范圍。第四，確定學(xué)生微粒觀整體發(fā)展由低到高的三個層級（即層級一至層級三）。學(xué)生在不同層級上的分布情況和具體表現(xiàn)如下：

層級一的學(xué)生平均分為5.4分，占學(xué)生總數(shù)的26%。這些學(xué)生以孤立、認(rèn)識水平為主，逐漸向理解水平過渡。具體表現(xiàn)為：能孤立地了解構(gòu)成物質(zhì)的微粒、微粒的自身性質(zhì)、溶解的過程以及相對原子質(zhì)量；理解不同物質(zhì)是由不同微粒構(gòu)成的，能解釋不同的物質(zhì)具有不同性質(zhì)的原因，理解溶液中的微粒及溶液呈現(xiàn)酸堿性的原理；能系統(tǒng)地用微粒觀點(diǎn)說明常見物質(zhì)的構(gòu)成。

層級二的學(xué)生平均分為10.6分，占學(xué)生總數(shù)的62%。這些學(xué)生以理解水平為主，逐漸向應(yīng)用、系統(tǒng)水平過渡；在精準(zhǔn)性上，逐漸進(jìn)入定量水平。具體表現(xiàn)為：在層級一基礎(chǔ)之上，能孤立地了解原子的構(gòu)成，認(rèn)識化學(xué)變化中的微觀本質(zhì)；理解分子和原子的結(jié)構(gòu)關(guān)系，定量計(jì)算原子的相對原子質(zhì)量；應(yīng)用微粒的性質(zhì)解釋生活中常見的現(xiàn)象，系統(tǒng)說明酸堿中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)及檢驗(yàn)與鑒別，能系統(tǒng)定量地計(jì)算相對分子質(zhì)量。

層級三的學(xué)生平均分為14.7分，占學(xué)生總數(shù)的12%，在系統(tǒng)性、深刻性和精準(zhǔn)性方面都處于最高水平。具體表現(xiàn)為：在層級一、二基礎(chǔ)之上，能定性地用微粒的觀點(diǎn)解釋熟悉或陌生的化學(xué)變化前后反應(yīng)物與生成物的關(guān)系；系統(tǒng)地闡述原子和離子之間的相互轉(zhuǎn)化，利用微粒相對質(zhì)量定量分析反應(yīng)物或生成物的質(zhì)量。

綜合以上分析可知，大多數(shù)農(nóng)村初中生處于第一和第二層級，微粒觀整體發(fā)展水平中等偏低。

3.2.2 不同層級學(xué)生在各要素發(fā)展水平上的表現(xiàn)不均衡

在圖1中，A1～F3分別表示每個要素的不同水平維度，從圖中查看位于每個層級上的要素及其水平，可得出不同層級學(xué)生在每個評價要素上達(dá)到的水平（如表2所示）。對于要素一，三個層級的學(xué)生均能達(dá)到水平3，說明對具體微粒有較好認(rèn)識。對于要素二和要素四，每個層級學(xué)生呈現(xiàn)出逐級遞進(jìn)的變化。對于要素五，層級一的學(xué)生僅達(dá)到水平1，沒有過渡到水平2，但層級二的學(xué)生呈現(xiàn)出遞進(jìn)趨勢。對于要素三和六，達(dá)到層級二的學(xué)生才開始進(jìn)入水平1，層級三的學(xué)生呈現(xiàn)出遞進(jìn)趨勢?？梢钥闯?，不同層級學(xué)生在各要素發(fā)展水平上的表現(xiàn)不均衡，特別是要素三和要素六的發(fā)展水平亟待提升。

3.2.3 原因分析

農(nóng)村初中生微粒觀發(fā)展水平中等偏下的影響因素固然是多方面的，但主要原因是教師對微粒觀的認(rèn)識和教學(xué)策略存在不足。通過與農(nóng)村教師交流和日常課堂觀察，發(fā)現(xiàn)以下四方面的問題：第一，教師自身對微粒觀內(nèi)涵及構(gòu)成要素的認(rèn)識不足，導(dǎo)致在教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生建立微粒觀的意識薄弱。第二，微粒觀的教學(xué)更多是圍繞概念進(jìn)行文字解析，而對比、解釋、設(shè)計(jì)等高水平認(rèn)知任務(wù)較少。第三，依賴于習(xí)題強(qiáng)化［15］，多局限于熟悉習(xí)題的反復(fù)訓(xùn)練，陌生情境的復(fù)雜型習(xí)題設(shè)計(jì)與解決相對缺乏。第四，對實(shí)物模型、動畫模擬、實(shí)驗(yàn)演示等直觀、形象化的支持技術(shù)使用還不充分。

4 結(jié)論與啟示

4.1 研究結(jié)論

（1） 農(nóng)村初中生化學(xué)微粒觀整體發(fā)展水平中等偏下，主要呈現(xiàn)出由低到高的三個發(fā)展層級，學(xué)生人數(shù)分別占總數(shù)的26%、 62%和12%，每個層級有各自具體表現(xiàn)。

（2） 不同層級學(xué)生在各要素的發(fā)展水平上表現(xiàn)不均衡，特別是要素三和要素六的發(fā)展水平亟待提升。

4.2 研究啟示

4.2.1 農(nóng)村教師要加強(qiáng)對微粒觀的認(rèn)識，夯實(shí)自身知識和觀念基礎(chǔ)

從教師專業(yè)發(fā)展理論來看，教師對微粒觀的認(rèn)識很大程度上決定了學(xué)生微粒觀發(fā)展水平。目前農(nóng)村初中化學(xué)教師的總體學(xué)科教學(xué)知識與水平偏低［16］，因此，農(nóng)村教師要通過多種渠道，不斷夯實(shí)自身的微粒觀基礎(chǔ)，從本質(zhì)上理解微粒與宏觀物質(zhì)的關(guān)系、微粒的性質(zhì)、微粒的構(gòu)成與轉(zhuǎn)化、微粒對溶液性質(zhì)的影響、微粒的相對質(zhì)量、微粒對于化學(xué)變化的意義等，形成完整系統(tǒng)的微粒觀。此外，要通過教材分析等方式，明確不同階段的教學(xué)內(nèi)容對學(xué)生微粒觀建構(gòu)和發(fā)展水平的價值與作用。

4.2.2 依據(jù)發(fā)展層級設(shè)計(jì)教學(xué)，逐步提升學(xué)生認(rèn)識的系統(tǒng)性、精準(zhǔn)性和深刻性

針對農(nóng)村初中生微粒觀的整體發(fā)展水平及表現(xiàn)，遵循從孤立到系統(tǒng)、從定性到定量、從認(rèn)識到應(yīng)用的認(rèn)知邏輯，螺旋遞進(jìn)地設(shè)計(jì)教學(xué)，逐步引領(lǐng)學(xué)生向高水平過渡。例如，設(shè)計(jì)“說明、解釋、闡述、設(shè)計(jì)方案”等開放性問題，如“解釋長期堆煤的墻角，墻壁內(nèi)部也會變黑的原因”“制定酸性或堿性土壤的改良方案，促進(jìn)農(nóng)作物正常生長”，使學(xué)生從孤立、表面地記憶知識，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)地理解微粒本質(zhì)，應(yīng)用微粒的觀點(diǎn)解決實(shí)際問題。

4.2.3 設(shè)計(jì)問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用微粒觀建構(gòu)問題解決思路

學(xué)生微粒觀發(fā)展水平主要表現(xiàn)在微粒觀試題的解題上，學(xué)生只有具備良好的解題思路，才能靈活、順利地解決問題。教師要開展單元整體教學(xué)［17］，精心設(shè)計(jì)指向整體思路的問題鏈，引領(lǐng)學(xué)生建構(gòu)問題解決思路。例如，對于“原子如何轉(zhuǎn)化為離子”的問題，設(shè)計(jì)出“該原子的結(jié)構(gòu)是什么”“原子容易失去最外層電子還是得到電子”“得失的電子數(shù)是多少，應(yīng)如何表達(dá)”等問題鏈，使學(xué)生建立“分析原子結(jié)構(gòu)及最外層電子數(shù)→判斷最外層電子得失傾向→確認(rèn)離子所帶電荷數(shù)→基于表示規(guī)則呈現(xiàn)出離子結(jié)構(gòu)”的整體思路。同時，通過問題鏈的設(shè)計(jì)，不斷診斷學(xué)生微粒觀發(fā)展水平，為教學(xué)改進(jìn)提供依據(jù)。

4.2.4 增強(qiáng)形象化支持技術(shù)的應(yīng)用

微粒觀內(nèi)容具有復(fù)雜和抽象的特征，需要通過實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)等進(jìn)行形象化和可視化支持。首先，演示實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生直接看到由于微粒性質(zhì)而發(fā)生的化學(xué)變化，使肉眼看不見的微粒運(yùn)動轉(zhuǎn)化為宏觀的化學(xué)現(xiàn)象。其次，多媒體動畫和軟件的使用，清晰展現(xiàn)微粒的運(yùn)動和變化特點(diǎn)。再次，使用模型加以模擬、觀察、拼裝和應(yīng)用，通過畫模型、描述模型、用模型模擬微粒運(yùn)動等活動，促進(jìn)知識向觀念的轉(zhuǎn)化。因此，形象化支持技術(shù)的應(yīng)用，對于加深學(xué)生對微粒觀的理解具有重要意義。

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