關于選擇性必修1《化學反應原理》熱化學迷思概念的探討

葉華濤　許招會　李瑜玨

摘要：由于許多化學概念本身存在高度抽象性以及教材對部分概念定義的不完善性，導致學生極易產生迷思概念，對學習產生不利影響。以魯科版和人教版高中化學教材中對概念的定義方式及語義描述為著手點，對選擇性必修1《化學反應原理》熱化學部分內容可能產生的相關迷思概念進行探析。不僅可幫助學生解除迷思概念、提高對概念的認識深度，還能促進學生形成正確的知識結構、提高思維能力。

關鍵詞：迷思概念;熱化學;化學反應原理;概念定義類型

文章編號：1005-6629（2021）04-0081-06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

科學概念是構成科學理論體系的基礎，是學生形成認知結構的基石，所以任何學習都離不開對概念的認識?；瘜W概念是化學事實的結晶，是化學學者站在化學歷史發(fā)展的角度將化學事實性知識通過類比分析、歸納比較、科學抽象以及高度概括而形成的理性知識，它是對化學現象的本質闡述，是化學學科理論體系的骨架，同時也是學生深度把握化學知識、發(fā)展核心素養(yǎng)的關鍵所在。正因為科學概念具有高度概括、抽象的特點，所以學生在認識化學核心概念時易產生迷思概念（Misconception）。“迷思概念”是由我國臺灣學者翻譯英文而來，而對于它的理解和界定，不同學者有不同的看法：Bransford認為迷思概念是指學生不正確的已有概念;Disessa認為迷思概念是學生頭腦中片段的、零散的、簡單的、有待形成網絡化結構的概念;Watts D.M.和Gilbert J.K.認為迷思概念是學生在進階性學習建構中由于理解偏差或缺乏有機聯系而形成的有礙于新概念形成的知識或認識;Gunstone認為迷思概念是一種似是而非的理解，是學生的概念和科學概念之間的差異性概念，這種差異概念可作為教學的基點。盡管不同學者對迷思概念的解釋有所不同，但這些解釋的內涵大體一致，即迷思概念是不完善的、有瑕疵的、甚至是錯誤的有待轉變成科學概念的已有概念。

熱力學在化學學科中扮演著十分重要的角色，是選擇化學學科的學生必學的重要內容之一，因其具有高度的抽象性，所以學生在學習熱化學相關內容時極易產生迷思概念，阻礙學生進一步的學習。作為教師，要幫助學生解除迷思概念，促進學生正確理解化學概念，使學生深度把握化學知識的同時發(fā)展學科核心素養(yǎng)。針對迷思概念，本文以人教版及魯科版高中化學教材為依據，基于教材中概念的表達形式及其本質特征就選擇性必修1《化學反應原理》熱化學部分的內容淺談個人看法。

1化學概念定義類型

概念是通過語言對客觀事物認識的總結，隨著認識的發(fā)展而發(fā)展且具有高度的抽象性和概括性。有學者根據不同的認識水平總體上把概念分為：常識概念、具體概念及抽象概念，而熱化學相關概念幾乎全為抽象概念，因此學生在學習熱化學相關內容時極易產生迷思概念。一個完整概念的最基本特征便是它的內涵和外延，內涵指向事物的本質屬性，外延則規(guī)定概念固有的范圍。因此傳統(tǒng)的概念定義方法是以“屬概念加種差”的形式進行的，如“在水溶液或熔融狀態(tài)下能導電的化合物叫做電解質”這一定義中屬概念是“化合物”，種差是“在水溶液或熔融狀態(tài)下能導電”，這里就揭示了電解質與其他化合物的本質區(qū)別。傳統(tǒng)的概念定義方式并不能囊括所有，因而有學者在此基礎上進行了延伸。武衍杰、王秀紅總結前人經驗并基于化學學科特點將化學概念定義類型分為內涵定義、外延定義及語詞定義，其中內涵定義包括本質定義（揭示事物本質特征）、發(fā)生定義（揭示事物現象產生過程）、關系定義（揭示不同概念問的特殊關系）及功用定義（揭示事物的特殊功能）;外延定義包括列舉定義（列舉概念所包含的對象）;語詞定義則包括規(guī)定性定義（以“規(guī)定”的形式下定義）、上下文定義（引證上文具體示例）、說明性定義（對專用名詞做出說明）及類比定義（與熟悉的現象進行類比）。不同的定義方法會影響學生對概念的理解，例如舊人教版高中化學教材將“共價鍵”定義為“共價鍵是常見的化學鍵之一，它的本質是在原子之間形成共用電子對”，根據概念定義類型可以判斷其為本質定義，但是這樣的“共價鍵”定義有很大的問題，常常使學生產生以下迷思概念：（1）共價鍵其實就是共用電子對;（2）之所以形成共價鍵是由于形成共用電子對的需要。顯然，學生這樣對共價鍵的理解是錯誤的，共價鍵是兩個原子核對共用電子對所形成的負電區(qū)域的吸引力，其本質應為靜電作用力?；瘜W概念定義類型的總結如圖1所示。

2魯科版和人教版《化學反應原理》熱力學相關的概念統(tǒng)計

從本質上看，兩個版本的高中化學教材對熱化學相關概念的內涵闡述基本一致，但從形式上看，不同版本教材對相關概念的語義描述有所差異，而概念的形成和鞏固要靠詞語的幫助，詞語是概念的“形”，概念是詞語的“心”。因此，盡管內涵相同，不同的表達形式也會影響學生對概念的理解，從而使學生產生迷思概念。在人教版高中化學教材中，熱力學內容主要集中在選擇性必修1《化學反應原理》的第一章“化學反應的熱效應”及第二章第3節(jié)“化學反應的方向”中;在魯科版高中化學教材中，熱力學內容主要集中在《化學反應原理》的第一章第1節(jié)“化學反應的熱效應”及第二章第1節(jié)“化學反應的方向”中，兩版教材中熱化學相關概念及其定義類型的歸納統(tǒng)計如表1所示。

根據統(tǒng)計，魯科版選擇性必修1《化學反應原理》中涉及熱化學并有較為明確的定義闡述的概念共10個，其中“熱容”“比熱”“體積功”及“自由能變”以非正文形式出現;人教版《化學反應原理》中涉及熱力學并且有一定闡述的概念共有9個，其中“自由能變”以“資料卡片”欄目方式呈現。對兩版本教材中出現的熱化學概念進行整合，統(tǒng)計其概念定義類型分布情況如圖2所示。

相較于人教版教材，魯科版教材增添了“熱容”“比熱”及“體積功”的概念，在“焓變”的解釋上強調能量轉化形式問題，其條件化的描述更加準確;對于“燃燒熱”及“自發(fā)過程”，魯科版教材未做相關定義闡述，而人教版則有一定的解釋說明，并用類比定義的方式呈現自發(fā)過程;“熱化學方程式”在魯科版教材中是以功用定義的方式出現，在人教版中則是以上下文定義的方式出現，魯科版教材強調了物質變化和焓變化的共時性，其概念闡釋更加科學。在對“內能”的概念描述上，魯科版教材結合了微觀視角，強調物質微觀粒子能量總和，而人教版僅從宏觀物質視角呈現;對于“反應熱”“蓋斯定律”“熵”及“自由能變”概念，兩個版本的描述幾乎一致。從概念認識水平的角度來看，熱化學相關概念多為抽象概念，因此大多數定義類型為“內涵定義”，而內涵定義中屬“關系定義”居多，可見相關概念環(huán)環(huán)相扣、聯系緊密。對于有些化學概念，因其定義本身的復雜性以及定義分類標準的不完善性，導致這些概念可能從屬于多種概念定義類型，如人教版教材中“燃燒熱”的定義為“在101 kPa時，1mol純物質完全燃燒生成指定產物時所放出的熱量”，它既可以是規(guī)定性定義，也可以為發(fā)生定義，前者表明該概念處在一種規(guī)定的情形，后者則表明它的屬概念為“熱量”，種差為“在101kPa時，1mol純物質完全燃燒生成指定產物”，這里筆者將其劃分為規(guī)定性定義。雖然這種劃分有一定的模糊性，但總體上能夠反映教材中概念定義的類型。

3相關迷思概念分析

3.1反應熱、熱量以及能量之間相關迷思概念的思考

對“反應熱”“焓變”“內能”及“鍵能”等概念的掌握是學生中學階段學習熱化學的重要基礎，而理清反應熱、熱量以及能量三者之間的關系能夠使學生更加清晰地認識化學熱效應，學生只有深刻把握這些概念之后方能進行下一步的學習。然而由于這些概念本身的抽象性以及教材中概念描述的不完整性，導致學習者很可能會產生迷思觀念。

盡管反應熱與熱量以及能量之間的邏輯關系不是中學熱化學核心知識點，但它們卻是學生進一步學習熱化學的重要基礎。倘若在教學實踐中適當地引導學生理解它們之間的關系，使學生建立正確的符號表征觀念，無疑會幫助學生更加深刻地認識相關概念，有助于學生進一步深入地學習。

3.2反應熱與焓變相關迷思概念的思考

對于“焓變”的定義，魯科版和人教版均采用關系定義的方法。人教版教材從反應熱與焓變的關系入手進行“焓變”概念的描述，其語言表達首先規(guī)定的是“等壓”這一關鍵條件，其次再闡明“反應熱等于焓變”;與人教版不同，魯科版除了闡明“等壓”這一條件外，還強調了“沒有電能、光能等其他形式的能量轉化”，在條件的表述上更加嚴謹，學生比較容易理解反應熱與焓變的關系。但是，為什么要引入“焓”？“焓”有什么樣的物理意義？這里，想必會有學生產生諸如此類的疑問——對“焓”本質認識的不足將會導致學生后面學習的困難，學生帶著模模糊糊的概念往后學習將會導致更多迷思概念的出現。

3.3與“自發(fā)反應”相關的迷思概念分析

什么是自發(fā)反應？一般認為，自發(fā)反應在某種特定條件下，不需要外在助力就可以自動進行。而在魯科版和人教版教材中沒有明確的定義，其中對于自發(fā)過程人教版倒是有所涉及：“自然界中存在著一些具有方向性的自發(fā)過程。例如，水總是自發(fā)地從高處流向低處，而相反的過程卻不能自發(fā)”。顯然，這是采用類比定義的方式描述自發(fā)過程，使學生較為容易地理解什么是自發(fā)過程。但是當把這種自發(fā)過程遷移到自發(fā)反應時，學生往往會混淆“自發(fā)反應”和“自動發(fā)生”、“一定條件”和“外界幫助”的關系，產生“自發(fā)反應一定能自發(fā)進行”的迷思概念。

化學上的自發(fā)反應與自然界中的一些自發(fā)現象是有一定的差異的，因此不可等同而言。一些化學反應需要在一定的體系環(huán)境中方能進行，而非在“常態(tài)”下就能自動發(fā)生。譬如，碳酸鈣的分解CaCO₃（s）=CaO（s）+CO₂（g）在常溫（25℃）下無法進行，在高溫條件下可以自發(fā)進行，那么這個高溫條件屬于“外界幫助”嗎？所謂外界幫助，是指除維持一定的熱量交換及體積功之外的其他形式的能量輸入，是推動反應進行的非環(huán)境因素如通電、光照等，而加熱改變的是反應體系的起始狀態(tài)，當溫度達到某一點，反應不需外界幫助便能自發(fā)進行，于反應而言，此刻反應條件是確定的，因此溫度的改變不屬于外界幫助，它并未改變反應本身，只是為反應創(chuàng)造條件環(huán)境;“一定條件”指的是反應發(fā)生所需要的體系環(huán)境，如溫度、壓強等。綜上，學生混淆“自發(fā)反應”概念的根本原因是學生未認識到條件的重要性，自發(fā)反應不一定能自動發(fā)生，但在一定條件下可以自發(fā)進行。在實際教學中，教師要幫助學生理清“一定條件”和“外界幫助”“自發(fā)反應”和“自動發(fā)生”的關系，引導學生建構自發(fā)反應的正確觀念，促進學生知識結構的形成，解除學生的迷思觀念。

3.4與“熵”相關的迷思概念分析

“熵”在熱化學當中占有十分重要的地位，深刻認識“熵”是學生建構熱化學觀念以及通過熵增原理認識世界、感悟人生并形成辯證思維的關鍵。魯科版教材通過探討固體在水中溶解的共性即體系的有序程度降低、無序程度增大，引出物理量熵的概念;人教版教材以功能定義的方式呈現熵的概念，圍繞自發(fā)反應的條件和一些宏觀現象逐步引出熵，把熵看做是描述一定體系混亂度的狀態(tài)函數，使學生較易理解熵的內涵。我們知道熵的表達公式：S=klnΩ，在實際教學中，教師可以適當地引入粒子的微觀狀態(tài)數Ω，通過排列組合的方式模擬微粒的排列方式，使學生更加直觀地感受微觀狀態(tài)數對熵的影響，引導學生從微觀的視角認識熵，再結合相應的宏觀現象，使學生能夠從宏微結合的視角認識熵，提升學生對熵的認識深度。熵增原理的重要的前提——“孤立體系/絕熱體系”，學生往往會忽略這一重要條件而產生“任何體系的自發(fā)過程將導致熵的增大”的錯誤觀念。人教版教材對其進行了補充說明，指明了孤立體系或絕熱體系的先決條件。在實際教學中，教師可以將熵增原理與生活實踐聯系起來，使學生認識到熵增對社會產生的不利影響，體會到個人的自律、社會的進步、國家的發(fā)展在某種意義上是克服熵增、從無序到有序的過程，引導學生在日常生活及學習中克服熵增、力求熵減。

4結語

學生產生迷思概念的根本原因在于未理解概念的內在邏輯，往往只知其然而不知其所以然。教材中所呈現的化學概念定義會對學生產生影響，其中不完善、不嚴謹的概念描述更是會直接誤導學生，促使學生產生迷思概念。在熱化學概念的文字表達方面，兩個不同版本的教材可能會有不足之處，如在“化學反應的方向”這一節(jié)中，對于“自發(fā)過程”及“自發(fā)反應”的闡述有些模糊，學生很可能會產生一些疑惑或迷思概念。因此，作為化學教育研究者，要不斷地研究化學概念，不必拘泥于一種概念定義類型，應結合多種呈現方式去表達概念，從多種角度去詮釋化學概念。在實際教學中要靈活多變，不囿于教材所呈現的內容，在概念教學中要做到溯本求源，使學生知其然也知其所以然。