基于三階試題的“化學(xué)平衡”學(xué)習(xí)困難分析

崔俊莉+閆春更+周青

摘要：采用三階試題診斷高中生“化學(xué)平衡”知識(shí)學(xué)習(xí)成果，探查了學(xué)生的迷思概念與儲(chǔ)備不足的知識(shí)。研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生過高評(píng)估自身化學(xué)平衡認(rèn)知水平，知識(shí)不足主要在濃度、催化劑對(duì)化學(xué)平衡的影響；迷思概念主要體現(xiàn)在對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷、濃度與壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響、勒夏特列原理內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)，對(duì)化學(xué)平衡體系中氣體屬性（是否惰性）、氣體物質(zhì)的量、氣體濃度、氣體壓強(qiáng)等因素的認(rèn)知的割裂性特征明顯。

關(guān)鍵詞：三階試題；化學(xué)平衡；迷思概念；知識(shí)不足

文章編號(hào)：1005–6629（2017）2–0026–06 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)平衡是中學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)理論之一，是培養(yǎng)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”等核心素養(yǎng)的重要知識(shí)載體。但由于化學(xué)平衡囊括一系列抽象而內(nèi)涵豐富的知識(shí)，對(duì)學(xué)生的能力要求較高，學(xué)生容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)困難，造成對(duì)后續(xù)溶液中離子平衡學(xué)習(xí)的認(rèn)知障礙。在化學(xué)教學(xué)中，教師只有準(zhǔn)確探查出學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，才能選擇有效的教學(xué)策略及時(shí)補(bǔ)救或轉(zhuǎn)變概念，促進(jìn)學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)。

目前，對(duì)化學(xué)平衡學(xué)習(xí)困難的研究集中于探查迷思概念，發(fā)現(xiàn)了學(xué)生在“可逆反應(yīng)”、“化學(xué)平衡狀態(tài)特征”、“化學(xué)平衡移動(dòng)方向”、“化學(xué)平衡常數(shù)”等知識(shí)點(diǎn)上存在迷思概念，如“認(rèn)為可逆反應(yīng)是‘鐘擺式單向進(jìn)行的”，“將化學(xué)平衡混淆于靜態(tài)的物理平衡”等。已有研究主要是通過常規(guī)測(cè)驗(yàn)、二階試題或規(guī)則空間模型對(duì)學(xué)生解決問題結(jié)果的評(píng)判來揭示學(xué)生存在的迷思概念，但使用常規(guī)測(cè)驗(yàn)、二階試題不能判斷學(xué)生回答正確是由于掌握了知識(shí)還是猜測(cè)，容易造成迷思概念的過當(dāng)評(píng)價(jià)[1，2]；而規(guī)則空間模型具有復(fù)雜的數(shù)理公式，試題編制的難度大，且依賴于計(jì)算機(jī)程序的使用，難以在教學(xué)實(shí)際中推廣[3，4]。近年國(guó)外科學(xué)教育逐漸興起三階試題的使用[5，6]，它能夠有效彌補(bǔ)已有方法的缺陷，區(qū)分學(xué)生的迷思概念及知識(shí)儲(chǔ)備不足等問題，更加準(zhǔn)確地解釋學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。

1 研究設(shè)計(jì)

1.1 研究對(duì)象

本研究所選擇課程內(nèi)容為高中學(xué)段“化學(xué)平衡”，被試群體為陜西省西安市某中學(xué)同一化學(xué)教師任教的高二年級(jí)四個(gè)平行班的學(xué)生。

1.2 研究方法

參考高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)、教科書內(nèi)容及已有研究，確定從可逆反應(yīng)、化學(xué)平衡狀態(tài)、化學(xué)平衡移動(dòng)、化學(xué)平衡常數(shù)四個(gè)知識(shí)維度展開測(cè)試。記錄“化學(xué)平衡”教學(xué)過程，并通過對(duì)任課教師的錄音訪談了解其發(fā)現(xiàn)的學(xué)生迷思概念，并抽取該班級(jí)化學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)前、中、后各4名學(xué)生，進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化晤談以深入搜集迷思概念。隨后，初步設(shè)計(jì)三階試題。委請(qǐng)3位專家檢核內(nèi)容效度，修正后進(jìn)行小范圍預(yù)試（50人），根據(jù)預(yù)試結(jié)果調(diào)整試題內(nèi)容與數(shù)目，確定11道正式施測(cè)的三階試題（見表1）。

三階試題第一階為設(shè)有4～6個(gè)選項(xiàng)的化學(xué)平衡單項(xiàng)選擇題。第二階為第一階問題答案對(duì)應(yīng)的理由項(xiàng)，這些理由是科學(xué)模型以及來源于教師訪談、學(xué)生半結(jié)構(gòu)化晤談與文獻(xiàn)中高頻出現(xiàn)的迷思概念在具體問題情境下的變式，其中有一個(gè)空白選項(xiàng)方便學(xué)生表達(dá)不同于選項(xiàng)的想法。第三階調(diào)查學(xué)生對(duì)前兩階問題的回答是否確定，評(píng)量學(xué)生的自信水平。圖1展示了一道化學(xué)平衡三階試題。

使用化學(xué)平衡三階試題對(duì)該教師任教的四個(gè)平行班施測(cè)，答題時(shí)間為40分鐘。施測(cè)前已向?qū)W生說明研究目的在于了解化學(xué)平衡主題的學(xué)習(xí)情況，施測(cè)結(jié)果不列入學(xué)科成績(jī)。發(fā)放試題205份，回收203份，回收率99.02%，有效樣本197份，有效率97.04%。評(píng)閱試卷并將結(jié)果導(dǎo)入Microsoft Excel 2010與SPSS 20.0。

A.變深 B.變淺 C.不變 D.無法判斷3.2回答3.1題的理由是（ ）

A.平衡正向移動(dòng)，消耗NO2，NO2的濃度減小

B.平衡不移動(dòng)，消耗NO2的同時(shí)產(chǎn)生NO2，NO2的濃度不變

C.平衡正向移動(dòng)，消耗NO2，但最終濃度仍舊大于初始平衡的濃度

D.平衡正向移動(dòng)，消耗NO2，但無法判斷充入量與消耗量大小

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)類型的劃分

根據(jù)學(xué)生在三階試題的8種答題情況，可判斷其對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)水平，即“響應(yīng)類型”。將響應(yīng)類型劃分為6種：“科學(xué)知識(shí)”、“假正”、“假負(fù)”、“迷思概念”、“自信不足或幸運(yùn)”、“知識(shí)不足”[7]，見表2。

若學(xué)生答題情況表現(xiàn)為“正確/正確/確定”，則響應(yīng)類型為“科學(xué)知識(shí)”。若學(xué)生答題情況表現(xiàn)為“錯(cuò)誤/錯(cuò)誤/確定”，則響應(yīng)類型為“迷思概念”。這與迷思概念的不科學(xué)性、頑固性的特點(diǎn)一致。

“假正”是指正確回答第一階問題，但不能使用正確的理由加以解釋且第三階選擇“確定”的響應(yīng)類型。“假負(fù)”是指錯(cuò)誤回答第一階問題，但推理的理由選擇正確且第三階選擇“確定”的響應(yīng)類型[8]。試題表述不清、提供的理由項(xiàng)與學(xué)生解決問題的推理過程脫節(jié)是造成假正與假負(fù)的主要原因。因此，可借由假正與假負(fù)各自的比例檢驗(yàn)試題的內(nèi)容效度[9]。

此外，將前二階均回答正確，但第三階選擇“不確定”歸類為“自信不足或幸運(yùn)”。它是由于學(xué)生的自我效能感低，或是前二階試題自身特性造成的，即第一階試題的答案往往與第二階的某個(gè)理由項(xiàng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系[10]。

共有三種答題情況屬于“知識(shí)不足”：“正確/錯(cuò)誤/不確定”“錯(cuò)誤/正確/不確定”“錯(cuò)誤/錯(cuò)誤/不確定”，據(jù)此可判定學(xué)生認(rèn)知體系中的某一知識(shí)盲點(diǎn)。

2.2 變量賦值

根據(jù)答題情況對(duì)以下變量進(jìn)行賦值[11]：（1）各階分?jǐn)?shù)：只要某階回答正確賦值1，否則賦值0。第三階回答“確定”賦值1，否則賦值0。第三階分?jǐn)?shù)可表征學(xué)生的自信水平?？衫酶麟A分?jǐn)?shù)對(duì)響應(yīng)類型進(jìn)行編碼[12]，見表2。（2）前二階分?jǐn)?shù)：若第一、二階均回答正確賦值1，否則賦值0。它將與第三階分?jǐn)?shù)用于評(píng)價(jià)試題的結(jié)構(gòu)效度[13]。（3）三階分?jǐn)?shù)：若前二階均回答正確且第三階回答“確定”賦值1，否則賦值0。（4）第一階迷思分?jǐn)?shù)：第一階回答錯(cuò)誤賦值1，否則賦值0。（5）前二階迷思分?jǐn)?shù)：前二階均回答錯(cuò)誤賦值1，否則賦值0。（6）三階迷思分?jǐn)?shù)：前二階均回答錯(cuò)誤且第三階回答“確定”賦值1，否則賦值0。

某題第一階、前二階、三階的正確率（或迷思比例）可分別用該題第一階、前二階和三階總分?jǐn)?shù)（或迷思分?jǐn)?shù)）與樣本數(shù)（N=197）的商表征，其與響應(yīng)類型比例的關(guān)系見圖2。值得注意的是，此處“第一階迷思”與“前二階迷思”的內(nèi)涵等同于傳統(tǒng)單選題的“錯(cuò)誤”與二階試題中的“錯(cuò)誤/錯(cuò)誤”，“三階迷思”才對(duì)應(yīng)“迷思概念”響應(yīng)類型。正確率與迷思比例將用于驗(yàn)證三階試題的優(yōu)勢(shì)。

2.3 試題質(zhì)量評(píng)價(jià)

化學(xué)平衡三階試題的第一階、前二階和三階的Cronbachα值分別為0.758、0.782和0.889，符合選擇題測(cè)驗(yàn)的信度參照標(biāo)準(zhǔn)[14]，試題信度良好。試題的內(nèi)容效度可用假正與假負(fù)的比例量化表征。各題假正、假負(fù)比例見表3。由表3可知，假正平均比例為5.68%，假負(fù)平均比例為4.89%，均小于10%，說明試題內(nèi)容效度良好[15]。

學(xué)生前二階分?jǐn)?shù)與第三階分?jǐn)?shù)的相關(guān)性可驗(yàn)證試題的結(jié)構(gòu)效度。圖3是前二階分?jǐn)?shù)與第三階分?jǐn)?shù)的相關(guān)性散點(diǎn)圖。由圖3可知，普遍地，在前二階得分越高，自信水平越高。但也存在部分學(xué)生前兩階的分?jǐn)?shù)偏低但仍舊自信的情況，其散點(diǎn)分布于圖像的右下角，暗示了這些學(xué)生存在頑固的化學(xué)平衡迷思概念。學(xué)生前二階分?jǐn)?shù)與第三階分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.530（p<0.01），說明試題的結(jié)構(gòu)效度良好。

2.4 學(xué)習(xí)結(jié)果評(píng)價(jià)

2.4.1 正確率與自信水平分析

將第一階、前二階、三階和第三階的正確率統(tǒng)計(jì)如下，見表4。

由表4可見，試題第一階、前二階和三階的平均正確率分別為71.90%、63.41%、56.02%，反映出試題整體的難度中等。第一階平均正確率高于前二階8.49%，這是因?yàn)榈谝浑A正確率中額外包含假正（5.68%）、知識(shí)不足100（2.81%）兩種響應(yīng)類型造成的。前二階平均正確率比三階高7.39%，則是由于部分學(xué)生回答正確前二階問題但不確定自己的答案造成的。以上差異證明三階試題可以彌補(bǔ)二階試題過度評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的缺陷，第三階自信水平的設(shè)置使研究結(jié)論更為準(zhǔn)確。另外，在第三階學(xué)生表現(xiàn)出的正確率均大于80%，遠(yuǎn)高于三階正確率，說明學(xué)生對(duì)自身化學(xué)平衡認(rèn)知水平的評(píng)估過于理想，認(rèn)知結(jié)構(gòu)中存在頑固的迷思概念。

2.4.2 響應(yīng)類型分布

統(tǒng)計(jì)“科學(xué)知識(shí)”“迷思概念”“知識(shí)不足”“自信不足或幸運(yùn)”響應(yīng)類型的比例，見表5。

由表5可知，56.02%的學(xué)生建構(gòu)了科學(xué)的化學(xué)平衡知識(shí)，15.92%的學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中存在迷思概念，10.11%的學(xué)生化學(xué)平衡知識(shí)儲(chǔ)備不足。四個(gè)知識(shí)維度中，學(xué)生可逆反應(yīng)、化學(xué)平衡常數(shù)維度的知識(shí)建構(gòu)更為準(zhǔn)確，各題科學(xué)知識(shí)比例均大于60%。學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)在各維度均存在迷思概念與知識(shí)儲(chǔ)備不足。

學(xué)生在化學(xué)平衡移動(dòng)維度的“壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響以及勒夏特列原理的理解與應(yīng)用（題6）”中存在知識(shí)的錯(cuò)誤建構(gòu)，迷思概念比例最高（26.40%）；其次，在化學(xué)平衡狀態(tài)維度的“對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷（題10）”中，迷思概念比例為25.89%。學(xué)生在“化學(xué)平衡常數(shù)的簡(jiǎn)單應(yīng)用”（題8）中迷思概念最少（5.08%）。

此外，學(xué)生在化學(xué)平衡移動(dòng)維度的“濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響”（題3）中，表現(xiàn)出明顯的知識(shí)欠缺，知識(shí)不足響應(yīng)類型比例達(dá)15.74%；其次為題11“催化劑對(duì)化學(xué)平衡影響的判斷（12.69%）”。而對(duì)于“化學(xué)平衡狀態(tài)的建立過程”（題9）“惰性氣體對(duì)化學(xué)平衡的影響”（題4），學(xué)生建立有相對(duì)完整的知識(shí)體系。學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備不足往往是因?yàn)闆]有及時(shí)復(fù)習(xí)，以致新知識(shí)沒有穩(wěn)定地同化、整合到原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。

2.4.3 迷思概念分析

將第一階、前二階和三階的迷思比例統(tǒng)計(jì)于表6。

由表6可見，除題4外，隨著試題階數(shù)的增加，迷思比例逐漸減小。第一階、前二階、三階平均迷思比例依次為28.10%、18.78%、15.92%。前二階平均迷思比例低于第一階9.32%，這是因?yàn)榈谝浑A迷思比例額外包含了假負(fù)（4.89%）和知識(shí)不足010（4.43%）。三階迷思比例比前二階低2.86%，是因?yàn)橹R(shí)不足000的存在?？赏浦?，單憑第一階或是前二階測(cè)試評(píng)價(jià)學(xué)生的迷思概念均會(huì)造成對(duì)迷思概念的過度評(píng)價(jià)[16]。

為深入探查學(xué)生化學(xué)平衡知識(shí)的學(xué)習(xí)困難，將學(xué)生迷思概念進(jìn)行了歸納，見表7。

由表7可見，對(duì)于可逆反應(yīng)，7.61%的學(xué)生沒有正確認(rèn)識(shí)可逆反應(yīng)的特征，對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)知水平仍停留在“化學(xué)反應(yīng)是完全的”階段（迷思概念1）。

對(duì)于化學(xué)平衡狀態(tài)，10.15%的學(xué)生負(fù)遷移化學(xué)反應(yīng)速率與計(jì)量數(shù)的關(guān)系的知識(shí)（迷思概念2）。16.75%的學(xué)生錯(cuò)誤引申教學(xué)中總結(jié)的化學(xué)平衡狀態(tài)的特征“定”的內(nèi)涵，不能在具體的問題情境下判斷可逆反應(yīng)是否達(dá)到了化學(xué)平衡狀態(tài)（迷思概念3）。

對(duì)于化學(xué)平衡移動(dòng)，9.13%的學(xué)生在濃度對(duì)于化學(xué)平衡的影響出現(xiàn)學(xué)習(xí)困難（迷思概念4），這主要是教科書與教學(xué)注重對(duì)宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)而缺乏微觀表征與符號(hào)表征引起的。11.17%的學(xué)生沒有理解特定反應(yīng)下只有改變各組分分壓才能影響平衡狀態(tài)（迷思概念5）。各有15.23%、14.21%的學(xué)生存在迷思概念6、7，表明學(xué)生不能正確推斷平衡移動(dòng)的效果，沒有正確理解勒夏特列原理的內(nèi)涵，再一次反映了學(xué)生沒有充分理解可逆反應(yīng)的“不完全性”，這兩個(gè)迷思概念是在以往研究未曾報(bào)道的。

對(duì)于化學(xué)平衡常數(shù)，9.64%的學(xué)生將某種反應(yīng)物的“轉(zhuǎn)化率”與“反應(yīng)程度”混為一談，不理解某一溫度下的平衡常數(shù)可對(duì)應(yīng)多個(gè)化學(xué)平衡狀態(tài)，不知道具體反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)（迷思概念10）。2.03%的學(xué)生沒有理解化學(xué)平衡常數(shù)公式中物理量的意義（迷思概念11）。

此外，通過分析“假正”比例大于10%的題5和題11發(fā)現(xiàn)，5.58%的學(xué)生錯(cuò)誤建構(gòu)化學(xué)平衡的前概念溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響（迷思概念8）。6.60%的學(xué)生對(duì)催化劑的性質(zhì)存在片面認(rèn)識(shí)（迷思概念9）。前概念是建構(gòu)新知識(shí)的生長(zhǎng)點(diǎn)，雖然這兩個(gè)強(qiáng)隱蔽性迷思概念未使學(xué)生在第一階問題做出錯(cuò)誤判斷，但有礙于學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)。

在三階試題診斷中，認(rèn)定比例高于10%的具體的迷思概念為學(xué)生中主要存在迷思概念[17]，包括：利用濃度判斷化學(xué)平衡狀態(tài)（迷思概念2），與氣體壓強(qiáng)相關(guān)的判斷化學(xué)平衡狀態(tài)與平衡移動(dòng)效果（迷思概念3、5、7），以及對(duì)勒夏特列原理內(nèi)涵的理解（迷思概念6、7）。

究其原因，在學(xué)生認(rèn)知角度，學(xué)生對(duì)于化學(xué)平衡體系中氣體屬性（是否惰性）、氣體物質(zhì)的量、氣體濃度、氣體壓強(qiáng)等因素的認(rèn)知總體上是割裂的，還無法建立系統(tǒng)化的認(rèn)知模型以認(rèn)識(shí)上述因素之間的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系，因此導(dǎo)致了通過氣體壓強(qiáng)判斷化學(xué)平衡狀態(tài)與平衡移動(dòng)的較大認(rèn)知負(fù)荷。在教科書內(nèi)容組織角度，人教版教科書只闡述了濃度與溫度因素，缺乏對(duì)壓強(qiáng)因素的探討（見圖4）；只涉及化學(xué)平衡常數(shù)的意義與表達(dá)式的簡(jiǎn)單應(yīng)用，并不涉及其在平衡移動(dòng)的應(yīng)用，未充分體現(xiàn)化學(xué)平衡常數(shù)的教育價(jià)值[18]。在實(shí)際教學(xué)角度，雖然教師針對(duì)壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響有所補(bǔ)充，但偏重傳授利用勒夏特列原理的定性推理，忽視規(guī)律背后的量化本質(zhì)。

3 結(jié)論與啟示

本研究編制了信度、內(nèi)容效度與結(jié)構(gòu)效度良好、難度中等的化學(xué)平衡三階試題。利用三階試題診斷學(xué)生的化學(xué)平衡的學(xué)習(xí)成果并分析學(xué)習(xí)困難。研究發(fā)現(xiàn)：（1）第三階的正確率高于各階正確率，顯現(xiàn)出學(xué)生高估自身的認(rèn)知水平的現(xiàn)象。（2）學(xué)生在4個(gè)知識(shí)維度均存在迷思概念與知識(shí)儲(chǔ)備不足，“可逆反應(yīng)”與“化學(xué)平衡常數(shù)”知識(shí)建構(gòu)相對(duì)準(zhǔn)確。對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷、壓強(qiáng)與濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響以及勒夏特列原理的內(nèi)涵存在相對(duì)較多的迷思概念；在濃度、催化劑對(duì)化學(xué)平衡的影響表現(xiàn)出明顯的知識(shí)欠缺。（3）從迷思概念看，學(xué)生對(duì)化學(xué)平衡體系中氣體屬性（是否惰性）、氣體物質(zhì)的量、氣體濃度、氣體壓強(qiáng)等因素的認(rèn)知總體上是割裂的，化學(xué)平衡知識(shí)體系的建構(gòu)缺乏整體性和系統(tǒng)性。

根據(jù)研究結(jié)論，可以得出以下教學(xué)啟示：（1）在發(fā)揮實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象宏觀表征優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，充分利用模擬動(dòng)畫等幫助學(xué)生從微觀角度理解壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響。（2）重視化學(xué)平衡常數(shù)的支點(diǎn)作用，挖掘化學(xué)平衡常數(shù)的教育價(jià)值，幫助學(xué)生理解勒夏特列原理的內(nèi)涵與適用范圍。（3）化學(xué)原理類內(nèi)容教學(xué)中，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理思維傾向與能力，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中重視科學(xué)問題的情境性，重視科學(xué)推理過程的邏輯性，重視科學(xué)論述與表達(dá)的嚴(yán)謹(jǐn)性和完整性。

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