歐廉　楊發(fā)福　高興遠　劉振威

摘要： 基于《義務教育化學課程標準（2022年版）》提出的化學觀念和科學思維核心素養(yǎng)，采用二段式紙筆測驗和半結構訪談的方法，分別圍繞質量守恒定律的概念、質量守恒的原因、化學方程式表示的意義、質量守恒定律的應用等4個維度對初三學生持有的“質量守恒定律”心智模型進行測評，根據學生的知識缺陷歸納9種缺陷模型，并提出相關教學建議，促進學生化學觀念和科學思維核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關鍵詞： 初中化學； 化學觀念； 科學思維； 質量守恒定律； 心智模型

文章編號： 10056629（2023）10001205 中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題的提出

《義務教育化學課程標準（2022年版）》提出要培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，包括化學觀念、科學思維、科學探究與實踐、科學態(tài)度與責任［1］。落實核心素養(yǎng)是實現化學學科育人價值的必然路徑，為使之更好地落實到位，需對學生素養(yǎng)發(fā)展情況作出評價。文獻研究表明，通過心智模型診斷學生核心素養(yǎng)發(fā)展情況是一種有效方式［2，3］。心智模型是一種抽象的心理概念，是個體對外界認識形成的一種解釋，包括科學的解釋和非科學的解釋［4］。心智模型包括科學模型和缺陷模型兩大類型，科學模型指教師、專家等科學工作者或團體在某一現象、概念、理論等方面達成一致或類似認識的心智模型，缺陷模型指學生頭腦中存在知識內容錯誤或知識要素缺失的心智模型［5］。心智模型的測查能很好地診斷學生核心素養(yǎng)發(fā)展狀況，深入推進教、學、評一體化，更好地提升學生的核心素養(yǎng)。

化學觀念和科學思維居于基礎性的地位，對科學探究與實踐和科學態(tài)度與責任的培養(yǎng)具有先導支撐作用［6，7］。因此，如何結合化學學科基礎知識培養(yǎng)初中生的化學觀念和科學思維已迫在眉睫。質量守恒定律是化學基礎學科知識和核心概念，能夠引導學生從量的角度認識化學反應，理解定性與定量的相互轉化［8］，有助于學生發(fā)展分析、推理、計算等科學思維，形成微粒觀、守恒觀、定量觀、變化觀等化學觀念，進而促進核心素養(yǎng)的發(fā)展?；诖?，本研究以質量守恒定律為載體，探索化學觀念和科學思維核心素養(yǎng)下的心智模型，厘清學生對知識的理解建構過程，分析學生的錯誤認知和學習困難，以期為教師改進教學提供參考。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

選取廣東省廣州市花都區(qū)某省級一級中學（該校為廣東省廣州市的重點學校之一，整體處于本市中等偏上水平）初三年級兩個普通班的90名學生作為研究對象，這兩個班在月考中化學平均分較接近，均高于年級均值線。

2.2 研究方法

采用二段式紙筆測驗和半結構訪談相結合的方法測查學生關于質量守恒定律的心智模型。試卷設計前期根據相關文獻確定試卷的維度，分別是質量守恒定律的概念、質量守恒的原因、化學方程式表示的意義、質量守恒定律的應用等四個維度［9～11］，并結合布魯姆認知領域教育目標確定試卷編制的雙向細目表［12］，見表1。

試卷采用選擇題形式，共6題，每題2分。二段式紙筆測驗由兩部分組成，第一部分為回答段，學生根據題目內容答題，目的是考查學生對知識的掌握程度；第二部分為理由段，學生根據回答給出作答理由，目的是考查學生對知識的理解程度，為更好地把握學生對知識的理解情況，理由段被設置為選擇該選項的理由和不選擇其他選項的理由。試題以質量守恒的原因維度中的題目為例：

物質在發(fā)生化學反應前后肯定沒有變化的是（）。

① 原子數目 ② 分子數目 ③ 原子種類 ④ 分子種類 ⑤ 元素種類

⑥ 物質種類 ⑦ 原子質量 ⑧ 元素質量 ⑨ 物質總質量

A. ①③⑤⑥⑦⑧⑨B. ①③⑤⑦⑧⑨

C. ①②③⑤⑦⑧⑨D. ①③④⑤⑨

選擇該選項的理由是：_________。

不選擇其他選項的理由是：_________。

在試卷編制過程中，向多位化學教學論專家與中學一線優(yōu)秀教師詢問意見，根據意見進行多次修改和完善，保證試卷的效度。最終得到的試卷在90名學生中進行試測，試測結果顯示試題的一致性信度系數α為0.798，基本滿足研究需要。二段式紙筆測驗考查學生對知識的具體認知情況，在學生測試完成后，對測試結果進行分析與統(tǒng)計，總結歸納學生形成的錯誤認知，并針對學生在二段式紙筆測驗中錯誤率較高和理由段闡述較模糊的問題，設計半結構訪談提綱，指定15名學生進行訪談，通過訪談了解學生對知識的建構情況，進而測查出學生的心智模型。半結構訪談提綱以質量守恒的原因維度為例：

在質量守恒定律中，你認為分子數目______（回答“可能發(fā)生變化”或“肯定不發(fā)生變化”或“一定發(fā)生變化”），為什么？分子種類______（回答“可能發(fā)生變化”或“肯定不發(fā)生變化”或“一定發(fā)生變化”），為什么？物質種類______（回答“可能發(fā)生變化”或“肯定不發(fā)生變化”或“一定發(fā)生變化”），為什么？

3 研究結果與討論

二段式紙筆測驗安排時間為學生學習完質量守恒定律后，以試卷的處理結果為基礎，結合半結構訪談的內容，最終以文本的形式呈現、分析和歸納學生的心智模型。

3.1 “質量守恒定律的概念”的心智模型

“質量守恒定律的概念”的心智模型分析結果如表2所示。58.89%的學生持有科學模型。此外，學生還形成了兩種不同的缺陷模型，20.00%的學生持有質量不守恒缺陷模型，他們難以理解質量不變的深層原理，不會具體分析化學反應過程中的質量守恒，如10g水受熱變成10g水蒸氣，則認為遵循質量守恒定律；而紙燃燒后變成灰燼，質量變小，則認為不遵循質量守恒定律，忽視質量守恒定律的前提是只適用于化學變化，而不適用于物理變化。21.11%的學生持有變化混淆缺陷模型，他們不能正確區(qū)分物理變化與化學變化，如認為蔗糖溶于水后得到的糖水是新物質，將該變化分析認為是化學變化，這說明學生對化學變化和物理變化的本質特征與區(qū)別掌握不夠全面，不能準確分析化學變化中產生的新物質，對物質變化觀的認識不夠透徹。由此可見，變化觀存在缺陷和分析能力不足會影響學生對質量守恒定律概念的理解，因而，教師應注重培養(yǎng)學生化學觀念中的變化觀和科學思維中的分析能力。

3.2 “質量守恒的原因”的心智模型

“質量守恒的原因”的心智模型分析結果如表3所示。61.11%的學生持有科學模型。此外，學生還形成了兩種不同的缺陷模型，26.67%的學生持有物種守恒缺陷模型，他們根據化學反應中原子種類與元素種類不變，推理出物質種類不變的錯誤結論，對物質種類與原子種類、元素種類的關系認識不清，沒有理解宏觀物質種類的意義。12.23%的學生持有分子守恒缺陷模型，他們根據化學反應中原子種類和數目不變，類比得出分子種類和數目也不變的錯誤結論，未正確把握化學變化的微觀實質，忽視了在原子重新組合過程中分子數目可能會發(fā)生改變。持有這兩種缺陷模型表明他們已經掌握化學變化中原子數目與種類等不變，但是沒有理解物質、分子、原子之間的相互聯系，未把握化學變化的微觀和宏觀實質，從而進行錯誤推理、類比，對物質微粒觀的認識不夠透徹。由此可見，微粒觀存在缺陷和推理、類比能力不足會影響學生對質量守恒原因的理解，因而，教師應注重培養(yǎng)學生化學觀念中的微粒觀和科學思維中的推理、類比能力。

3.3 “化學方程式表示的意義”的心智模型

“化學方程式表示的意義”的心智模型分析結果如表4所示。84.44%的學生持有科學模型。此外，學生還形成了兩種不同的缺陷模型，4.44%的學生持有符號表述模糊缺陷模型，他們把化學方程式中的符號“+”錯誤讀作“加”，符號“”錯誤讀作“等于”，這說明學生對這些符號表述僅停留在數學層面的認識，缺少化學層面的準確理解。11.11%的學生持有質量關系缺陷模型，他們把質量關系與化學計量數直接聯系，忽視了相對分子質量（或相對原子質量），這說明學生還沒有建立起利用相對分子質量（或相對原子質量）來計算、理解質量關系的思維方式，對物質定量觀的認識不夠透徹。由此可見，定量觀存在缺陷和計算能力不足會影響學生對化學方程式表示意義的理解，因而，教師應注重培養(yǎng)學生化學觀念中的定量觀和科學思維中的計算能力。

3.4 “質量守恒定律的應用”的心智模型

“質量守恒定律的應用”的心智模型分析結果如表5所示。76.67%的學生能夠應用質量守恒定律確定某物質組成元素種類。23.33%的學生持有思維定勢缺陷模型，他們知道化學反應中元素種類不變，但受物質與氧氣反應的影響，持有慣性思維認為有氧氣參加反應，忽視題目條件是隔絕空氣的密閉環(huán)境，從而錯誤推理出該反應物的組成元素。由此可見，推理能力不足會影響學生對質量守恒定律應用的理解，因而，教師應注重培養(yǎng)學生科學思維中的推理能力。

82.22%的學生能夠應用質量守恒定律準確推斷反應物或生成物的化學式。4.44%的學生持有思維定勢缺陷模型，他們知道化學反應中元素種類不變，推理出該物質含有氮元素，但是忽視原子個數不變的相關計算，直接用固有思維錯誤認為該物質是常見的氮氣。13.33%的學生持有計算錯誤缺陷模型，他們知道化學反應中原子種類和數目都不變，但是計算過程出現錯誤，從而得不到準確答案。即學生不能完全掌握守恒觀的原理，對物質守恒觀的認識不夠透徹。由此可見，守恒觀存在缺陷和計算能力不足會影響學生對質量守恒定律應用的理解，因而，教師應注重培養(yǎng)學生化學觀念中的守恒觀和科學思維中的計算能力。

78.89%的學生能夠應用質量守恒定律確定反應物與生成物，計算它們反應前、反應后和變化的質量，并判斷反應的基本類型。21.11%的學生持有質量混淆缺陷模型，他們會計算物質反應前、反應后和變化的質量，但對反應后的質量和變化的質量辨別不清。另外，他們不會根據各個物質反應前后的質量確定反應物與生成物以及推理反應的基本類型，這表明他們沒有完全理解化學反應中反應物質量變少、生成物質量變多的過程，從而不會推理反應的基本類型。由此可見，推理能力不足會影響學生對質量守恒定律應用的理解，因而，教師應注重培養(yǎng)學生科學思維中的推理能力。

4 結論與建議

綜上，學生在“質量守恒定律”內容學習中，共持有9種缺陷模型，這些缺陷模型涉及到變化觀、微粒觀、守恒觀、定量觀等化學觀念和分析、推理、類比、計算等科學思維核心素養(yǎng)，基于此提出如下教學建議，有的放矢地針對學生的缺陷模型進行完善，促進學生化學觀念和科學思維核心素養(yǎng)的提升。

4.1 動畫與模型培養(yǎng)微粒觀和守恒觀

針對物種守恒、分子守恒、思維定勢、計算錯誤這四種缺陷模型，通過播放水的電解微觀動畫視頻，引導學生從分子、原子的微觀角度進行探析。另一方面，用卡紙模型演示水的電解微觀過程［13］，學生親自動手演示，感受分子分解為原子、原子重新組合成新的分子的過程。同時，提醒學生注意此過程中分子、原子的個數變化，鞏固學生的分析、計算思維能力，使學生能主動闡述分子種類、物質種類的變化，內化學生的理解，完善學生的微粒觀和守恒觀。

4.2 微觀示意圖與思維框架圖培養(yǎng)定量觀

質量關系、質量混淆這兩種缺陷模型說明學生對定量觀的理解較為模糊，教師可以利用微觀示意圖與思維框架圖培養(yǎng)學生的定量觀，從而重構科學模型。例如，根據水的電解微觀示意圖，引導學生結合相對分子質量（或相對原子質量）計算反應前后的質量，揭示化學變化遵循質量守恒定律的本質［14］。同時引導學生使用思維框架圖分析反應前后各自的質量以及變化情況［15］；又如，在進行鐵與硫酸銅實驗探究時，引導學生逐一分析反應前后所有物質的總質量，把各個物質的質量用思維框架圖羅列出來，在實驗探究中發(fā)展學生的推理思維能力。通過思維框架圖分析物質的質量，學生會更清楚反應后的質量和質量變化的區(qū)別，也會更容易掌握反應物質量變少、生成物質量變多的變化過程，完善學生的定量觀。

4.3 化學實驗與生活情境培養(yǎng)變化觀

針對質量不守恒、變化混淆這兩種缺陷模型，引導學生分析和理解質量守恒原理，啟發(fā)學生探討紙燃燒后質量變輕、鎂條燃燒后質量變重等質量發(fā)生變化的原因，促進學生理解所有化學變化都遵守質量守恒定律，并在學習化學變化與物理變化時，創(chuàng)設真實情境，加強化學與生活的聯系［16］，引導學生從生活現象出發(fā)理解化學變化與物理變化，以生活事例促進學生變化觀的形成，理解化學變化的本質特征，完善學生的變化觀。

4.4 化學游戲鞏固化學科學思維

針對符號表述模糊缺陷模型，強化學生的化學思維，有意識地在教學過程中強調化學方程式中“+”和“”的含義，引導學生區(qū)分清楚它們在化學與數學方程式中的不同含義，并且利用撲克牌游戲指導學生找出相應的化學物質組合成化學方程式［17］，在游戲中加強學生對符號含義的理解和記憶，充分調動學生思維積極性，滲透化學科學思維。

總之，本文以質量守恒定律為例，歸納9種缺陷模型，并提出相應的教學建議，促進學生化學觀念和科學思維核心素養(yǎng)的發(fā)展。教無定法，在實際的教學過程中，學生的心智模型在不斷地發(fā)展，教師要多觀察、分析學生學習過程中存在的問題，及時進行心智模型總結，根據學生的具體情況，有針對性地改進教學，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

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