高中生“鋁及其化合物”學(xué)習(xí)困難測查與分析

段建方　閆春更　毛永舜　高玲香　周青

摘要：采用問卷調(diào)查法了解學(xué)生對“元素及其化合物”的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，用流程圖法測查學(xué)生在“鋁及其化合物”知識領(lǐng)域的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，結(jié)合紙筆測驗結(jié)果梳理學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，從而探討其學(xué)習(xí)成敗的原因并提出相關(guān)教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：元素及其化合物；認(rèn)知結(jié)構(gòu)；學(xué)習(xí)困難；教學(xué)啟示

文章編號：1008-0546（2017）02-0002-06 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.02.001

一、引言

元素及其化合物知識是高中化學(xué)課程的重要內(nèi)容。它是化學(xué)概念、化學(xué)理論在物質(zhì)認(rèn)識層面的一種具體體現(xiàn)，同時又為學(xué)生對相關(guān)概念和理論的學(xué)習(xí)提供了豐富的感性認(rèn)識素材。此部分內(nèi)容具有瑣碎、龐雜等特點(diǎn)，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)元素及其化合物知識時存在一定的困難和誤區(qū)。認(rèn)知心理學(xué)表明，完善學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，有助于發(fā)現(xiàn)和解決學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。通過認(rèn)知結(jié)構(gòu)的測查，可以幫助教師更好地了解學(xué)生頭腦中的先驗知識、迷思概念以及知識建構(gòu)與組織方式，從而能夠有針對性地設(shè)計更加合理的教學(xué)策略幫助學(xué)生將以前的知識經(jīng)驗與將要學(xué)習(xí)的新知識建立有效的聯(lián)系，更好地實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變[1]。因此，本研究采用流程圖法（Flow Map）測查學(xué)生在“鋁及其化合物”知識領(lǐng)域的認(rèn)知結(jié)構(gòu)并分析其學(xué)習(xí)困難，并結(jié)合學(xué)生問卷調(diào)查探討其學(xué)習(xí)成敗的原因，為促進(jìn)學(xué)生有意義學(xué)習(xí)及提高教師課堂教學(xué)效率提供參考。

二、研究方法與過程

1. 研究方法與對象

（1）問卷法

為了調(diào)查學(xué)生對于元素及其化合物知識的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，本研究編制了相應(yīng)的問卷，以某校高一年級共102名學(xué)生為研究對象。發(fā)放問卷102份，調(diào)查完成后，共回收有效問卷100份。在問卷的編制過程中，分別與三位化學(xué)教師以及兩位專家進(jìn)行討論， 以保證問卷的內(nèi)容效度。對30個學(xué)生進(jìn)行試測，選用克倫巴赫Alpha系數(shù)計算一致性，信度系數(shù)達(dá)到0.801，說明問卷的信度較高。

（2）流程圖法[2，3]

流程圖法是指在研究人員向受試者提出可以自由發(fā)揮的問題，它是同時捕獲順序和人思維間的相互關(guān)聯(lián)，探索學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)的有效工具。 為了測查學(xué)生對于“鋁及其化合物”知識領(lǐng)域的認(rèn)知結(jié)構(gòu)并分析其學(xué)習(xí)困難，本研究采用流程圖法，對該校高一年級某一班級中的30名學(xué)生進(jìn)行訪談， 并繪制流程圖以展現(xiàn)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)：采用箭頭將知識點(diǎn)依次列出，并對出現(xiàn)重復(fù)或者相關(guān)的知識點(diǎn)進(jìn)行回歸連接。通過30名學(xué)生的流程圖，對其認(rèn)知變量進(jìn)行統(tǒng)計，并采用SPSS20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。關(guān)于認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量的內(nèi)涵及計算如表1所示。

2. 研究過程

（1）高中生元素及其化合物知識學(xué)習(xí)現(xiàn)狀調(diào)查

通過問卷法調(diào)查學(xué)生對元素及其化合物知識的觀念、學(xué)生學(xué)習(xí)元素及其化合物所常用的學(xué)習(xí)方法、學(xué)生的課堂效率來了解學(xué)生對于元素及其化合物知識的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀。

（1）問卷調(diào)查設(shè)計情況如下[4]：

1.你認(rèn)為元素及其化合物這部分內(nèi)容的特點(diǎn)是（學(xué)生對于元素及其化合物知識的看法）

A.內(nèi)容有趣，有大量演示實(shí)驗，貼近生活

B.內(nèi)容簡單，通過記憶就可以較快掌握

C.內(nèi)容龐雜，需要記憶大量知識點(diǎn)與方程式

D.內(nèi)容零散，很難找到內(nèi)在規(guī)律

2.相較于氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等化學(xué)理論，你認(rèn)為元素化合物知識（學(xué)生對于元素及其化合物知識的興趣）

A.更喜歡，因為元素化合物知識更簡單、更有趣，演示實(shí)驗豐富

B.更不喜歡，因為元素化合物知識缺乏規(guī)律性，內(nèi)容太龐雜

C.沒有更傾向于哪一部分知識

D.都不喜歡

3.相較于此部分知識的新授課與習(xí)題課，你更喜歡（學(xué)生對于課堂類型的偏好）

A.新授課 B.習(xí)題課

4.你如何掌握大量的化學(xué)方程式及不同化合物的性質(zhì)（學(xué)生學(xué)習(xí)元素及其化合物知識所常用的方法）

A.羅列知識點(diǎn)并進(jìn)行記憶和背誦

B.根據(jù)教師的講解與實(shí)驗現(xiàn)象去理解記憶

C.通過做練習(xí)題去記憶

D.總結(jié)規(guī)律，整理記憶

5.你認(rèn)為課堂演示實(shí)驗對元素及其化合物的學(xué)習(xí)（實(shí)驗對于學(xué)生學(xué)習(xí)的幫助）

A.沒有幫助，浪費(fèi)時間、效率低下，或?qū)嶒灛F(xiàn)象不明顯

B.沒有特定的幫助，更多的只是一種學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)

C.有一定的幫助，可以幫助記憶相關(guān)的現(xiàn)象與性質(zhì)

D.有較大幫助，有助于相關(guān)知識的深入理解與思考

6.對于元素及其化合物知識，你在課堂上能夠掌握的大概程度是（學(xué)生課堂效率的調(diào)查）

A.能夠掌握80%左右，課堂上就能夠基本消化教師的講解

B.能夠掌握50%左右，教師講過后能夠掌握大部分知識，存在部分疑惑

C.能夠掌握30%左右，需要課后做題才能進(jìn)一步掌握

D.課堂存在較多疑惑，需要課下進(jìn)行多次復(fù)習(xí)才能掌握

（2）調(diào)查結(jié)果

完成調(diào)查后，將收回的100份有效數(shù)據(jù)利用Excel進(jìn)行分析得到如下統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如圖1所示：

通過分析得出學(xué)生在元素及其化合物知識的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀：在學(xué)生對于元素及其化合物知識的看法方面，絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為元素及其化合物知識內(nèi)容零散、龐雜、缺乏內(nèi)在規(guī)律，且缺乏對于元素及其化合物知識的學(xué)習(xí)興趣；在學(xué)習(xí)方法上，多數(shù)學(xué)生采取機(jī)械記憶或做練習(xí)題的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，且不善于結(jié)合實(shí)驗現(xiàn)象進(jìn)行相關(guān)知識的學(xué)習(xí)；在課堂效率方面，學(xué)生課堂效率較低，需要課下花費(fèi)大量時間進(jìn)行復(fù)習(xí)。 而在教學(xué)方面， 多數(shù)教師忽略了實(shí)驗在教學(xué)中的重要作用，在實(shí)驗教學(xué)中不注重對學(xué)生思維的引導(dǎo)；部分教師本末倒置，忽略新授課的教學(xué)，而將教學(xué)重點(diǎn)放置在習(xí)題課的教學(xué)中。

（2）認(rèn)知結(jié)構(gòu)定性分析

根據(jù)訪談錄音繪制流程圖，經(jīng)過對比，選擇成績優(yōu)秀、中等、較差（參考當(dāng)月月考化學(xué)科目成績）的三位學(xué)生的流程圖進(jìn)行分析，流程圖分別如圖2、圖3所示。

①認(rèn)知結(jié)構(gòu)的整體性：學(xué)生1回憶起的知識點(diǎn)明顯多于學(xué)生2與學(xué)生3， 并且知識點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系聯(lián)系較為緊密；而學(xué)生2與學(xué)生3在知識點(diǎn)的數(shù)目上以及知識點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系上都較學(xué)生1差，尤其學(xué)生3，其認(rèn)知結(jié)構(gòu)整體性較差，有待完善與優(yōu)化。

②認(rèn)知結(jié)構(gòu)的層次性： 學(xué)生1在知識點(diǎn)上按照鋁、氧化鋁、氫氧化鋁、鋁鹽的順序進(jìn)行敘述，又基本按照每種物質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、制備方法的順序進(jìn)行描述，而且能夠按照先總體再部分的邏輯順序進(jìn)行敘述，說明其認(rèn)知結(jié)構(gòu)層次性較強(qiáng)。 學(xué)生2在每個知識點(diǎn)內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)不夠完整，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的層次性略顯不足。 而學(xué)生3在知識點(diǎn)的描述中缺乏層次性，有關(guān)不同物質(zhì)的性質(zhì)知識交替出現(xiàn)。

③認(rèn)知結(jié)構(gòu)的深度與廣度：學(xué)生1所描述的知識點(diǎn)最多，深度較明顯。相較于學(xué)生1，學(xué)生2描述的知識點(diǎn)較少，其次，在認(rèn)知結(jié)構(gòu)的深度上，僅對物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行描述， 未進(jìn)行解釋與舉例說明。而學(xué)生3描述出的知識點(diǎn)數(shù)目較少，主要涉及物質(zhì)的物理及化學(xué)性質(zhì)且錯誤較多，在認(rèn)知結(jié)構(gòu)的深度上，其描述也只停留在簡單性質(zhì)的復(fù)述水平。由此可看出，學(xué)生3對于鋁及其化合物知識的認(rèn)知水平較低，需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化。

（3）認(rèn)知結(jié)構(gòu)定量分析

對上述三位學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，結(jié)果見表2。表2中學(xué)優(yōu)生、中等生、學(xué)困生的廣度、豐富度、整合度、信息檢索率均呈現(xiàn)明顯的階梯性遞減，這與其紙筆測驗成績表現(xiàn)出良好的一致性，更加精確的相關(guān)性分析結(jié)果見表3。可見，學(xué)生的紙筆測驗成績與其認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度、豐富度、整合度顯著相關(guān)，即學(xué)優(yōu)生在“鋁及其化合物”的學(xué)習(xí)中建立的知識點(diǎn)之間的聯(lián)系更為豐富，對知識的整合程度更高。

三、“鋁及其化合物”認(rèn)知結(jié)構(gòu)的內(nèi)容分析

“鋁及其化合物”知識是高中化學(xué)“金屬及其化合物”中具有代表性和典型性的一節(jié)，主要學(xué)習(xí)內(nèi)容包括：鋁、氧化鋁和氫氧化鋁的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、制備與應(yīng)用；常見鋁鹽的化學(xué)性質(zhì)。通過對流程圖中學(xué)生所提及的知識點(diǎn)進(jìn)行分類統(tǒng)計，結(jié)果見表4。

由表4可較為直觀地看出學(xué)生對于“鋁及其化合物”知識的掌握情況、錯誤概念等。

鋁：關(guān)于鋁的物理性質(zhì)，大多數(shù)學(xué)生基本能正確表述（93.33%），但少數(shù)學(xué)生錯誤地認(rèn)為鋁具有較高的硬度和較高的熔點(diǎn)（10%）。關(guān)于鋁的化學(xué)性質(zhì)，較多學(xué)生提到了鋁可以與非金屬單質(zhì)（氧氣或氯氣）、酸、堿溶液以及鹽溶液反應(yīng)（70%、80%、83.33%、50%），但只有較少學(xué)生提到“鋁具有較強(qiáng)的還原性”以及“鋁與堿溶液反應(yīng)的實(shí)質(zhì)”（23.33%、6.67%）。說明對于鋁的化學(xué)性質(zhì)，只有少數(shù)學(xué)生能夠從氧化還原反應(yīng)等反應(yīng)原理上對其性質(zhì)進(jìn)行解釋與說明。而僅有少數(shù)學(xué)生提到關(guān)于鋁的制備方法以及實(shí)際應(yīng)用（6.67%、13.33%），說明學(xué)生可能不夠重視這些知識。

氧化鋁：關(guān)于氧化鋁的物理性質(zhì)，提及人數(shù)較少（16.66%）。而在化學(xué)性質(zhì)中，較多學(xué)生提到氧化鋁是一層致密的氧化膜，氧化鋁分別能夠與酸、堿反應(yīng)，生成相應(yīng)的鹽和水（76.76%、83.33%、80%）。部分學(xué)生提到兩性氧化物這一概念（43.33%），較少學(xué)生錯誤地認(rèn)為氧化鋁與堿反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀和水（30%），說明學(xué)生對于物質(zhì)性質(zhì)的掌握停留在某一具體反應(yīng)樣例層面，而不能夠從物質(zhì)分類理論角度對其做出解釋說明。極少學(xué)生提到氧化鋁的實(shí)際應(yīng)用（3.33%）。

氫氧化鋁：關(guān)于氫氧化鋁的物理性質(zhì)，、較少學(xué)生提到其溶解性、吸附性（20%、6.67%）。而在其化學(xué)性質(zhì)的描述中，較多學(xué)生提到氫氧化鋁分別可以與酸和堿反應(yīng)生成相應(yīng)的鹽和水（86.67%、83.33%）；部分學(xué)生能夠描述出“兩性氫氧化物”這一概念（46.67%）；部分學(xué)生提及氫氧化鋁的不穩(wěn)定性（36.67%），較少學(xué)生卻錯誤地認(rèn)為氫氧化鋁加熱分解的產(chǎn)物是氧化鋁與氧氣（10%）；較少學(xué)生錯誤地認(rèn)為氫氧化鋁與過量的堿反應(yīng)先生成偏鋁酸根，再生成鋁離子（10%）。提到氫氧化鋁制備方法、氫氧化鋁膠體可用于凈水和可以治療胃酸過多的學(xué)生較少（13.33%、6.67%、3.33%）。

兩種鹽：較多學(xué)生可準(zhǔn)確描述出鋁鹽可以與堿反應(yīng)以及偏鋁酸鹽可以與酸發(fā)生反應(yīng)（76.67%、63.33%）。而能夠說出鋁鹽與強(qiáng)堿反應(yīng)以及偏鋁酸鹽與強(qiáng)酸反應(yīng)并根據(jù)其量值的差異生成不同產(chǎn)物的學(xué)生較少（20%、13.33%）。能夠說出鋁鹽與弱堿反應(yīng)以及偏鋁酸鹽與弱酸反應(yīng)的學(xué)生也較少 （33.33%、36.67%）。在此部分的錯誤概念中，部分學(xué)生認(rèn)為鋁鹽、偏鋁酸鹽既可以與酸發(fā)生反應(yīng)又可以與堿反應(yīng)（23.33%、13.33%）；部分學(xué)生錯誤地認(rèn)為偏鋁酸鹽可以與堿生成氫氧化鋁（16.67%）。說明學(xué)生在兩種鹽以及氧化鋁、氫氧化鋁等物質(zhì)的性質(zhì)中產(chǎn)生了混淆。

四、研究結(jié)論與啟示

結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)定性定量分析、問卷調(diào)查結(jié)果及其內(nèi)容分析中相關(guān)的錯誤認(rèn)知可以得出如下結(jié)論：

1.不同層次學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)存在顯著的差異，學(xué)生的紙筆測試成績與認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量之間顯著相關(guān)。學(xué)習(xí)成績較好的學(xué)生其認(rèn)知結(jié)構(gòu)的整體性、層次性、深度和廣度以及認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量中的廣度、豐富度、整合度都比學(xué)習(xí)成績較差的學(xué)生好。成績較好的學(xué)生，其頭腦中的知識點(diǎn)數(shù)目較多，且知識之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系較為緊密，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的整體性較好。

2.鋁及其化合物知識的教與學(xué)存在一定誤區(qū)。絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為鋁及其化合物內(nèi)容零散、龐雜、缺乏內(nèi)在規(guī)律，沒有學(xué)習(xí)興趣；采取機(jī)械記憶或做練習(xí)題的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)；課堂效率較低，需要課下花費(fèi)大量時間進(jìn)行復(fù)習(xí)。在教學(xué)方面，多數(shù)教師忽略了實(shí)驗在教學(xué)中的重要作用，并且在實(shí)驗教學(xué)中不注重對學(xué)生思維的引導(dǎo)；部分教師本末倒置，忽略新授課的教學(xué)，而將教學(xué)重點(diǎn)放置在習(xí)題課的教學(xué)中。

3.學(xué)生對于鋁及其化合物知識的掌握存在不足與困難。存在的主要問題：①多數(shù)學(xué)生對于知識的掌握處于識記水平，未能從原理上真正理解知識的內(nèi)涵，而只是通過機(jī)械記憶的方式記住了最終的結(jié)果；②學(xué)生的錯誤概念多為不同知識之間的相互混淆，未能建立起知識之間的相互聯(lián)系以及在不同知識之間產(chǎn)生了負(fù)遷移。

本研究得到如下啟示：（1）針對學(xué)生元素及其化合物知識學(xué)習(xí)現(xiàn)狀、鋁及其化合物內(nèi)容分析中“多數(shù)學(xué)生對于知識的掌握處于識記水平”的問題，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用相關(guān)理論將復(fù)雜知識系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化[5]；在教學(xué)過程中應(yīng)注重知識形成的過程性；糾正學(xué)生不科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，合理利用化學(xué)實(shí)驗，形成“結(jié)合實(shí)驗學(xué)知識”的意識；使用精細(xì)加工策略中的類比、聯(lián)想以及圖解等方式，以促進(jìn)知識的有效內(nèi)化。（2）針對學(xué)生“鋁及其化合物的應(yīng)用”的學(xué)習(xí)困難，可以倡導(dǎo)學(xué)生用化學(xué)的視角去觀察身邊的物質(zhì)和發(fā)生的事情，體會科學(xué)技術(shù)在社會生活中所起的重大作用，激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)社會責(zé)任感[6]；針對學(xué)生“反應(yīng)物量不同，產(chǎn)物不同”的學(xué)習(xí)困難，可以設(shè)置相關(guān)實(shí)驗（如圖4），培養(yǎng)學(xué)生觀察能力和描述記錄實(shí)驗現(xiàn)象的能力，并學(xué)會運(yùn)用“宏觀—微觀—符號”這一化學(xué)學(xué)科特有的思維方式分析性質(zhì)實(shí)驗宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)。此外，分別以添加試劑物質(zhì)的量為橫坐標(biāo)，以生成沉淀物的物質(zhì)的量為縱坐標(biāo)作出兩者關(guān)系圖，可以加強(qiáng)學(xué)生對反應(yīng)產(chǎn)物的理解與判斷，且有利于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)形結(jié)合思維方式[7]（如圖5）；針對學(xué)生“將不同知識相互混淆”的學(xué)習(xí)困難，可以采用物質(zhì)之間相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)圖輔助教學(xué)，幫助學(xué)生從實(shí)驗事實(shí)中整理出鋁及其化合物變化的規(guī)律，更清楚地認(rèn)識鋁及其化合物之間的相互聯(lián)系[8]。

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