學(xué)生對(duì)化學(xué)鍵與分子間作用力的理解水平研究案例

羅美玲

摘要：總結(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)鍵和分子間作用力所面臨的障礙，介紹國(guó)外測(cè)查學(xué)生對(duì)化學(xué)鍵和分子間作用力理解水平的研究案例，分析研究案例對(duì)今后教學(xué)、評(píng)價(jià)、研究的啟示。

關(guān)鍵詞：化學(xué)鍵；分子間作用力；學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)；案例研究

文章編號(hào)：1005–6629（2014）1–0036–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)鍵和分子間作用力是化學(xué)教學(xué)的核心概念，因而需要深刻而全面的理解。然而，與化學(xué)鍵和分子間作用力相關(guān)的概念，例如共價(jià)鍵、分子、離子、晶格能和氫鍵都比較抽象。為了理解這些概念，學(xué)生甚至需要熟悉與化學(xué)鍵和分子間作用力相關(guān)的數(shù)學(xué)和物理概念，例如軌道、電負(fù)性和極性等。根據(jù)相關(guān)研究，化學(xué)鍵和分子間作用力被師生公認(rèn)為是比較抽象、復(fù)雜、難以理解的概念，學(xué)生對(duì)化學(xué)鍵和分子間作用力的核心概念缺乏深入的理解。

1 學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)鍵和分子間作用力所面臨的障礙

學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)鍵和分子間作用力存在的問(wèn)題主要有：（1）混淆分子內(nèi)的作用和分子間的作用，例如不會(huì)區(qū)分分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵[1]；（2）傾向于一般化的結(jié)論和死記硬背而不是科學(xué)的理解[2]；（3）通常使用偽概念，學(xué)生能正確使用相關(guān)的術(shù)語(yǔ)和概念答題，但不理解其真正的含義[3]；（4）傾向于絕對(duì)化的分類和不夠全面的總結(jié)，例如涉及到微粒之間化學(xué)鍵的類型，習(xí)慣于要么純粹是離子鍵，要么是純粹的共價(jià)鍵或金屬鍵[4]；（5）除了幾種常見(jiàn)的物質(zhì)，學(xué)生不能真正辨別物質(zhì)的構(gòu)成微粒和相互作用；（6）學(xué)生在化學(xué)鍵和分子間作用力的學(xué)習(xí)上存在一些相異概念（alternative conceptions）和迷思概念（misconception）[5]。具體見(jiàn)表1所示。

有研究表明，學(xué)生在化學(xué)鍵和分子間作用力學(xué)習(xí)上存在的諸多障礙，并不都來(lái)源于學(xué)習(xí)者的非正式經(jīng)驗(yàn)和化學(xué)鍵概念本身的復(fù)雜性，部分源自于目前教師的教學(xué)方式以及評(píng)價(jià)方式。目前的教學(xué)反饋或評(píng)價(jià)診斷有些本身不夠科學(xué)或很難檢測(cè)出學(xué)生是否真正理解相關(guān)的概念，如以下兩道高考題（以色列教育部組織的入學(xué)考試）[6]。

（1）問(wèn)題和答案都不符合當(dāng)前的科學(xué)研究

哪種材料有更高的熔點(diǎn)——BaCl2還是C（金剛石）？并說(shuō)明你判斷的理由。

答案：金剛石的熔點(diǎn)高于BaCl2的熔點(diǎn)，因?yàn)榻饎偸刑荚又g的共價(jià)鍵比BaCl2中的離子鍵更強(qiáng)。

一直以來(lái)，化學(xué)家們認(rèn)為這類問(wèn)題是不相關(guān)的，因?yàn)閷W(xué)生需要比較不同類型晶體的熔點(diǎn)，但學(xué)生不能應(yīng)用定性的理解來(lái)回答[7]。因此這種問(wèn)題的回答僅僅建立在對(duì)化學(xué)鍵強(qiáng)度未理解欠科學(xué)以及過(guò)分歸納、記憶的基礎(chǔ)上。

（2）問(wèn)題和相關(guān)的答案建立在死記硬背的基礎(chǔ)上，不能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

Cl2O的沸點(diǎn)比H2O2的沸點(diǎn)低，請(qǐng)解釋這一事實(shí)。

答案：Cl2O的沸點(diǎn)比H2O2的沸點(diǎn)低，是因?yàn)镠2O2分子間的氫鍵比Cl2O分子間的范德華力更強(qiáng)。

對(duì)這類問(wèn)題，學(xué)生能回答并能得到高分。但是，會(huì)使用正確的術(shù)語(yǔ)并不能表明他們理解相關(guān)的概念，有研究表明，學(xué)生似乎依靠死記硬背來(lái)判斷哪些元素能形成氫鍵[8]。

國(guó)內(nèi)在化學(xué)鍵和分子間作用力的考查上存在著類似的問(wèn)題。因而，一般而言，普通的問(wèn)題并不能作為評(píng)價(jià)學(xué)生是否理解的診斷工具。盡管有時(shí)能揭示學(xué)生是否持有迷思概念，但并不能表征學(xué)生對(duì)核心概念的理解水平，因?yàn)閷W(xué)生通過(guò)應(yīng)用死記硬背的術(shù)語(yǔ)也能提供正確的答案。

2 測(cè)查學(xué)生對(duì)化學(xué)鍵和分子間作用力理解水平的研究案例

為了考查學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)問(wèn)題和新評(píng)價(jià)問(wèn)題的回答，并判斷學(xué)生對(duì)核心概念的理解水平，以色列學(xué)者Tami等人通過(guò)測(cè)驗(yàn)法，選取77名11年級(jí)學(xué)習(xí)化學(xué)的學(xué)生作為被試，對(duì)學(xué)生關(guān)于化學(xué)鍵和分子間作用力的理解水平進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[9]。

先結(jié)合研究參與者（化學(xué)權(quán)威專家）的觀點(diǎn)，制定學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)行為，在此基礎(chǔ)上確立新的評(píng)價(jià)任務(wù)，然后設(shè)計(jì)用于判斷學(xué)生對(duì)化學(xué)鍵和分子間作用力理解水平的測(cè)試題。

2.1 新評(píng)價(jià)方式的確立

研究的參與者包括優(yōu)秀化學(xué)教師、化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的研究者、化學(xué)課程的開(kāi)發(fā)者以及資深的化學(xué)家，通過(guò)科學(xué)論壇、集中小組討論、深入訪談來(lái)了解收集相關(guān)信息。在（信息）數(shù)據(jù)收集過(guò)程中，應(yīng)用了三角互證法。具體而言，為了減少研究解釋的不確定性以及使研究結(jié)論無(wú)效性最小化，采用了不同的數(shù)據(jù)來(lái)源和多種數(shù)據(jù)收集方法。其具體過(guò)程如表2所示。

將科學(xué)論壇、深入訪談、集中小組討論中收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行定性整理和分析，具體程序包括下面幾個(gè)階段：

（1）把每一份記錄（錄音和筆記）劃分成單元，根據(jù)內(nèi)容，對(duì)每一單元進(jìn)行分類，例如：主要原理、核心概念、評(píng)價(jià)方法等；

（2）提煉更一般的主題，例如涉及化學(xué)鍵、學(xué)習(xí)目標(biāo)或教學(xué)策略；

（3）根據(jù)選擇的主題，對(duì)所有相關(guān)記錄做好標(biāo)記；

（4）尋找焦距：根據(jù)選擇的主題，重新組織（做好標(biāo)記的）數(shù)據(jù)內(nèi)容；

（5）在已收集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持自己的主張，將有望促成對(duì)研究議題更好的理解。

結(jié)合科學(xué)家、優(yōu)秀化學(xué)教師以及研究者的觀點(diǎn)，制定了具體的化學(xué)鍵和分子間作用力學(xué)習(xí)目標(biāo)，主要內(nèi)容如下所述。

（1）提高對(duì)化學(xué)鍵的理解，化學(xué)鍵不能通過(guò)嚴(yán)格的定義或一分為二的分類來(lái)描述；

（2）根據(jù)庫(kù)侖定律，所有的化學(xué)鍵和分子間作用力都是靜電作用（加減相互作用）；

（3）化學(xué)鍵和分子間作用力存在一系列的范圍，根據(jù)靜電作用的強(qiáng)度，存在連續(xù)性；

（4）對(duì)于所有的化學(xué)鍵都是主要的原則與核心概念，例如引力和斥力、平衡點(diǎn)、鍵能、鍵長(zhǎng)和電負(fù)性；

（5）培養(yǎng)科學(xué)地解釋一些化學(xué)現(xiàn)象的能力，意識(shí)到定性模型可能解釋一些現(xiàn)象，但并不能解釋所有現(xiàn)象；

（6）知道如果要計(jì)算化學(xué)鍵相關(guān)的問(wèn)題，量子力學(xué)是公認(rèn)的科學(xué)使用的定量理論。

在集中小組討論中，優(yōu)秀化學(xué)教師根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)開(kāi)發(fā)了一套學(xué)習(xí)行為（表現(xiàn)）（learning performances），下面例舉其中的一部分。

（1）用自己的語(yǔ)言解釋化學(xué)鍵概念；

（2）指出給定的模型中化學(xué)鍵的類型并解釋相應(yīng)的特征；

（3）指出給定模型中最強(qiáng)或最弱的化學(xué)鍵并解釋；

（4）例舉與給定模型性質(zhì)或現(xiàn)象相似的其他例子；

（5）畫(huà)出與給定模型化學(xué)鍵相似的其他分子或晶體；

（6）知道化學(xué)鍵存在于不同的情境中；

（7）識(shí)別給定分子中包含最強(qiáng)或最弱電子密度的原子或原子團(tuán)，然后解釋；

（8）說(shuō)出與給定結(jié)構(gòu)相關(guān)的一類物質(zhì)的特征，并解釋相應(yīng)的特征。

根據(jù)這些學(xué)習(xí)行為，確立新的評(píng)價(jià)方式。下面例舉一個(gè)新評(píng)價(jià)問(wèn)題。

a.在上面燒杯中分別畫(huà)出在三種狀態(tài)下的溴分子；

b.溴分子在液態(tài)和固態(tài)通過(guò)范德華力結(jié)合在一起，請(qǐng)用自己的語(yǔ)言解釋這種相互作用；

c.溴分子中每?jī)蓚€(gè)溴原子通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合，解釋分子內(nèi)共價(jià)鍵與分子間相互作用的差異；

d.例舉與溴分子存在相似的分子間相互作用的其他物質(zhì)。

2.2 學(xué)生對(duì)化學(xué)鍵和分子間作用力理解水平的測(cè)試及結(jié)果分析

在新評(píng)價(jià)方式確立的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)用于測(cè)查學(xué)生對(duì)化學(xué)鍵和分子間作用力理解水平的測(cè)試題?？偟陌?個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題：4個(gè)傳統(tǒng)問(wèn)題，3個(gè)新評(píng)價(jià)問(wèn)題。

將學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)問(wèn)題（1-4）與相關(guān)的新評(píng)價(jià)問(wèn)題（5-7）的測(cè)試結(jié)果通過(guò)卡方檢驗(yàn)進(jìn)行交叉檢測(cè)，具體如下：

問(wèn)題1和2與問(wèn)題5（主題：氫鍵）；

問(wèn)題2和3與問(wèn)題6（主題：范德華力）

問(wèn)題4和7（主題：晶體及其性質(zhì)）

下面例舉某個(gè)學(xué)生對(duì)問(wèn)題1和5的回答：

問(wèn)題1（傳統(tǒng)問(wèn)題）：哪種物質(zhì)具有更高的沸點(diǎn)——LiF還是HF？說(shuō)明理由。

學(xué)生回答：HF的沸點(diǎn)比LiF低，因?yàn)镠F分子間的氫鍵比LiF離子晶體中陽(yáng)離子和陰離子之間的靜電作用要弱。

盡管這是正確答案，但不知道學(xué)生是否理解了什么是氫鍵，根據(jù)學(xué)生對(duì)問(wèn)題5（新評(píng)價(jià)任務(wù)）的回答可以檢測(cè)學(xué)生是否理解氫鍵。

任務(wù)5（a）：液態(tài)水和固態(tài)水，存在分子間的氫鍵，請(qǐng)用自己的語(yǔ)言解釋什么是氫鍵。

學(xué)生回答：氫鍵就是N、O、F原子與H原子之間形成的分子間作用力，當(dāng)H原子把電子給N、O、F原子時(shí)，氫鍵就形成了。

任務(wù)5（b）：例舉存在氫鍵的其他分子化合物，解釋氫鍵為什么存在以及怎樣形成。

學(xué)生回答：我的例子是H2O2——在這個(gè)化合物中氫鍵存在于O2分子和H2分子之間。

從這個(gè)例子可看出，對(duì)于傳統(tǒng)問(wèn)題，學(xué)生能作出正確回答，也能說(shuō)出氫鍵的概念，但并不理解氫鍵的真正含義。因?yàn)?，H2O2分子中，沒(méi)有O2分子和H2分子，更不可能氫鍵存在于O2分子和H2分子之間。其氫鍵在于一個(gè)H2O2分子中的氫原子與另一個(gè)H2O2分子中氧原子間所形成的分子間作用力。

將學(xué)生對(duì)化學(xué)鍵和分子間作用力理解水平的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表4所示。

從表4可知學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)問(wèn)題與新評(píng)價(jià)問(wèn)題的回答存在顯著性差異。40%～70%的學(xué)生能成功回答傳統(tǒng)問(wèn)題，但在新評(píng)價(jià)問(wèn)題中回答錯(cuò)誤。相反，只有0～8%的學(xué)生在新評(píng)價(jià)任務(wù)中理解較好但不能成功回答傳統(tǒng)問(wèn)題。這些說(shuō)明，在許多情況下，傳統(tǒng)問(wèn)題中盡管學(xué)生不理解潛在的核心概念，但能獲得較好的成績(jī)。同時(shí)也說(shuō)明，新評(píng)價(jià)任務(wù)能檢測(cè)學(xué)生更深水平的理解，學(xué)生需要在理解的基礎(chǔ)上應(yīng)用相關(guān)知識(shí)來(lái)回答問(wèn)題。因而，新評(píng)價(jià)問(wèn)題比傳統(tǒng)問(wèn)題更能診斷學(xué)生的理解水平。

3 研究啟示

3.1 對(duì)教學(xué)的啟示

3.2 對(duì)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的啟示

為促進(jìn)和鼓勵(lì)課堂教學(xué)采取有意義、促進(jìn)學(xué)生概念理解的方式完成，評(píng)價(jià)就應(yīng)考查學(xué)生對(duì)核心概念的理解。概念的理解主要表現(xiàn)在兩方面[13]：一是概念之間的關(guān)聯(lián)；二是新的情境下對(duì)概念的應(yīng)用。若完全使用封閉式客觀題，如判斷、選擇、填空等，無(wú)論學(xué)生的回答如何，都很難測(cè)查出學(xué)生的理解水平。對(duì)于教師來(lái)說(shuō)，不了解學(xué)生的真實(shí)情況，就很難在教學(xué)過(guò)程中基于學(xué)生已有知識(shí)幫助學(xué)生建構(gòu)新的知識(shí)框架，更談不上幫助學(xué)生去修正、改變和完善學(xué)生頭腦中已有的迷思概念。因此要考查學(xué)生對(duì)核心概念的理解，應(yīng)當(dāng)采用含有一定情境的開(kāi)放式評(píng)價(jià)方式，如訪談、簡(jiǎn)答、任務(wù)報(bào)告、繪制概念圖、真實(shí)情境下的問(wèn)題解決等，這將有助于對(duì)學(xué)生關(guān)于核心概念理解水平的考查。

3.3 對(duì)教育研究的啟示

由于研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方式不能測(cè)查學(xué)生對(duì)核心概念的理解水平，因而需要一種新的評(píng)價(jià)方式。而上述案例中新評(píng)價(jià)方式的建構(gòu)不是主觀臆斷，而是采用了定性研究。而定性研究所搜集的資料是描述性的資料，被稱為“軟資料”，是在自然場(chǎng)合下得來(lái)的資料，帶有很大程度的模糊性和不確定性。為了減少研究的不確定性以及研究結(jié)論的無(wú)效性，研究者選取了多種數(shù)據(jù)收集來(lái)源（如科學(xué)論壇、集中小組討論、深入訪談等）以及較多的不同類型的研究參與者（如優(yōu)秀化學(xué)教師、化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的研究者、資深的化學(xué)家等）。此外，對(duì)研究收集的資料進(jìn)行定性分析和整理的縝密程序，尤其是分析所得材料（一些化學(xué)專家的觀點(diǎn)）的過(guò)程中，堅(jiān)持自己的主張，否則很容易出現(xiàn)人云亦云或是迷信權(quán)威等不科學(xué)的做法。簡(jiǎn)而言之，在整個(gè)定性研究的過(guò)程中，研究者所采用的科學(xué)的分析方法值得我們借鑒。

綜上所述，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是當(dāng)前我國(guó)科學(xué)教育的一個(gè)基本目標(biāo)，對(duì)科學(xué)概念的理解是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成之一。學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展也需要以理解重要科學(xué)概念作為基礎(chǔ)，因此以核心概念為代表的化學(xué)知識(shí)的教學(xué)與研究應(yīng)該更多地關(guān)注學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的構(gòu)建和深層次的理解與遷移應(yīng)用。

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