應(yīng)用微觀示意圖探究初中生對化學反應(yīng)的認識

劉崇清 麥裕華 何宗艷

摘要： 為了解初三年級學生在微觀層面對化學反應(yīng)的認識，以廣州市中考化學試題的改編題為測試任務(wù)，組織78名學生繪制二氧化碳參與變化的微觀示意圖。發(fā)現(xiàn)4種表現(xiàn)二氧化碳在水中溶解和反應(yīng)的作答結(jié)果、8種表現(xiàn)容器中氣體種類和流動方向的作答結(jié)果，歸納出對應(yīng)的化學學科認識方式的類別和認識不足。圍繞學生的化學反應(yīng)微觀認識情況，提出針對性的教學建議和研究建議。

關(guān)鍵詞： 化學學科認識方式; 微觀認識; 化學反應(yīng); 氣體壓強; 二氧化碳

文章編號： 10056629（2022）02001307

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

從原子、分子的微觀層次認識物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是中學化學課程的重要學習內(nèi)容[1]。對于抽象和復雜的微觀事物，學生不僅要建立科學的陳述性知識和程序性知識，還需要在教師的引導下，逐步形成完善的、從微觀層次認識和思考化學問題的學科認識方式。化學學科認識方式是學生在化學問題解決時，表現(xiàn)出來的傾向性思維模式和信息處理模式。它包括認識域、認識角度、認識方式的類別、認識方式的水平。其中，認識方式的類別指學生使用的不同思維模式的抽象反映，包括“宏觀—微觀”“靜態(tài)—動態(tài)”“孤立—系統(tǒng)”“定性—定量”類別[2]。學生具有的認識方式類別是組合性和發(fā)展性的。

繪制物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學反應(yīng)過程微觀示意圖的評價任務(wù)，是有效反映學生微觀事物認識和分析能力的重要方式[3，4]。學生的繪圖結(jié)果被分類整理后，不僅可用于分析學生對化學概念和化學反應(yīng)過程的具體認識[5，6]，也可反映學生具有的學科認識方式類別，為教師評價學生的思維能力發(fā)展情況，判斷和改進教學提供有益參考。

根據(jù)人教版初中化學教科書，初三年級學生在建立分子和原子概念后，再學習碳及其化合物的性質(zhì)[7]。此后，學生可以嘗試應(yīng)用分子和原子觀點，分析化學反應(yīng)的微觀過程和結(jié)果。為了解學生對化學反應(yīng)的微觀認識的具體狀態(tài)，本研究以CO2參與變化為例，使用學生較為陌生且難度較大的微觀示意圖測試任務(wù)，組織學生繪制相應(yīng)的微觀示意圖，歸納學生的學科認識方式類別和認識不足。

2 測試設(shè)計

2.1 研究參與者

筆者任教的兩個初三班級共78名學生參與本研究。測試在第一學期期末總復習階段進行，用時15分鐘。他們已學習人教版初中化學教科書上冊的CO2基礎(chǔ)知識，他們的作答能夠充分反映個人對CO2參與變化的實際認識。

2.2 測試任務(wù)

測試任務(wù)參考2020年廣州市中考化學試題第24（4）題改編，主要分析學生為甲瓶和丙瓶繪制的微觀示意圖。該題能夠綜合考查學生從微觀層面分析和比較多個化學反應(yīng)體系變化情況的能力。由于學生在測試時尚未學習氫氧化鈉的化學性質(zhì)，因而將問題中的氫氧化鈉溶液修改為澄清石灰水。問題修改后如下：

如圖所示，某小組收集了三瓶CO2氣體（均為大小相同的玻璃瓶），分別加入1/3體積的相應(yīng)試劑，甲、乙立即塞緊瓶塞，丙敞口，均振蕩一會兒。（水的揮發(fā)忽略不計）

甲

乙

丙

① CO2與澄清石灰水反應(yīng)的化學方程式為??????????? 。

② 振蕩后，甲、乙、丙中氣體壓強由大到小的順序是??? ，仿照乙畫出此時甲、丙中氣體組成的微觀示意圖。

微觀示意圖的答案是： 甲瓶畫出CO2分子且其分子數(shù)應(yīng)多于乙瓶的（即多于3個），見圖1（a）;丙瓶畫出CO2、 N2和O2分子，CO2分子數(shù)可以等于或少于3個，而且各分子的總數(shù)多于甲瓶的，見圖2（a）。該題考查學生： （1）是否能夠比較CO2在水中溶解、和澄清石灰水反應(yīng)的氣體消耗程度，估計剩余氣體壓強大小;（2）是否能夠推斷密閉容器中氣體分子的數(shù)量，以及在考慮氣體流動的情況下，推斷敞口容器中氣體分子的種類和數(shù)量;（3）是否能夠繪制出代表分子的圓圈。學生的繪圖結(jié)果反映出他們對上述考查內(nèi)容的綜合認識。

由于學生在問題解決中考慮的氣體分子種類和數(shù)量，涉及具體的反應(yīng)過程、容器間和容器內(nèi)外、物理量數(shù)量變化等方面，學生的作答結(jié)果因而可以體現(xiàn)個人的“靜態(tài)—動態(tài)”“孤立—系統(tǒng)”“定性—定量”學科認識方式類別。

2.3 結(jié)果分析方法

筆者統(tǒng)計學生在甲瓶和丙瓶的作答結(jié)果類型及其比例，在每類作答結(jié)果的學生中抽取2至3名代表性學生進行訪談，要求學生解釋個人微觀示意圖的含義和憶述繪圖時的思路。根據(jù)學生的多方面信息，綜合歸納出學生具有的學科認識方式類別和認識不足。

根據(jù)本研究的實際情況，特別對學科認識方式類別的含義作如下定義。訪談學生如果能夠結(jié)合物質(zhì)的性質(zhì)，明確說明物質(zhì)具體的變化過程，可以認為具有“動態(tài)”認識方式類別，否則為“靜態(tài)”類別;如果能夠比較和分析不同反應(yīng)容器內(nèi)物質(zhì)變化情況的異同，可以認為具有“系統(tǒng)”類別，否則為“孤立”類別;如果能夠從數(shù)量角度分析物質(zhì)在化學反應(yīng)前后的數(shù)量變化，可以認為具有“定量”類別，否則為“定性”類別。

3 測試結(jié)果

3.1 甲瓶的作答結(jié)果

甲瓶的作答結(jié)果反映出學生對于CO2在密閉容器中，分別溶解于水、和澄清石灰水反應(yīng)后的比較分析結(jié)果。歸類出學生的4種作答結(jié)果（表1），第1種作答結(jié)果是正確的，其他是不完善的。

首先，只有19.2%的學生畫出比乙瓶更多數(shù)量的CO2分子[結(jié)果1，圖1（a）]。他們能夠正確考慮CO2在甲瓶內(nèi)的變化情況，系統(tǒng)地對比甲、乙兩瓶反應(yīng)體系的差異，準確分析瓶內(nèi)剩余的CO2分子數(shù)量，反映出“動態(tài)—系統(tǒng)—定量”學科認識方式類別。

其次，第2～3種作答結(jié)果的主要特征是甲瓶的CO2分子數(shù)等于或少于乙瓶的。34.6%的學生畫出與乙瓶相同數(shù)量的CO2分子[結(jié)果2，圖1（b）]。訪談學生

提出，甲、乙兩瓶均為密閉容器，而且瓶內(nèi)試劑均能夠與CO2反應(yīng)，因而認為兩瓶中剩余的CO2分子數(shù)應(yīng)該一樣多。另外，29.5%的學生畫出少于乙瓶數(shù)量的CO2分子[結(jié)果3，圖1（c）]。訪談學生提出，甲瓶中的CO2既能溶于水，又與水反應(yīng)，而乙瓶中的CO2只與氫氧化鈣反應(yīng)，因而認為甲瓶會比乙瓶消耗更多CO2。這顯示訪談學生能夠?qū)Ρ确治黾?、乙兩瓶中CO2參與的化學反應(yīng)，也有定量判斷剩余CO2分子數(shù)的意識，但未認識到CO2在水中溶解、和澄清石灰水反應(yīng)的具體過程和差異，反映出“靜態(tài)—系統(tǒng)—定量”學科認識方式類別。此外，個別訪談學生也提出，在作答時只想到甲瓶中會剩余CO2，但未曾認真考慮過它的數(shù)量問題，所以只畫出一些CO2分子。這顯示個別訪談學生僅孤立地考慮甲瓶的信息和隨意地判斷CO2分子數(shù)，反映出“靜態(tài)—孤立—定性”學科認識方式類別。

最后，第4種作答結(jié)果的主要特征是甲瓶出現(xiàn)非氣體分子。16.7%的學生畫出H2CO3、水，部分學生也畫出CO2分子[結(jié)果4，圖1（d）]。訪談學生提出，CO2會消失而全部轉(zhuǎn)化為碳酸，水也會揮發(fā)，所以應(yīng)該畫出這些分子。由于學生尚未學習酸的組成，所以未見學生畫出H+和CO2-3。這顯示訪談學生不清楚物質(zhì)的存在狀態(tài)，認為碳酸分子也是氣體分子，反映出“靜態(tài)—孤立—定性”學科認識方式類別。

總體而言，學生表現(xiàn)出多種不完善和不科學的認識。具體包括： （1）不了解CO2在水中溶解、和澄清石灰水反應(yīng)有不同的消耗程度，即可能不了解CO2在相應(yīng)情境的具體變化過程;（2）認為同一反應(yīng)物在不同的化學反應(yīng)中，會消耗相同的分子數(shù);（3）認為同一反應(yīng)物參與越多的化學變化和物理變化，會消耗越多的分子數(shù);（4）缺乏從定量角度考慮物質(zhì)數(shù)量變化的意識;（5）不了解碳酸分子的存在狀態(tài)。

3.2 丙瓶的作答結(jié)果

丙瓶的作答結(jié)果反映出學生對于CO2與澄清石灰水溶液在密閉容器和敞口容器反應(yīng)的比較分析結(jié)果。歸納出學生的8種作答結(jié)果（表2），第1種作答結(jié)果是正確的，其他是不完善的。由于本研究主要關(guān)注丙瓶中分子的種類及其總數(shù)，已經(jīng)獲得多種作答結(jié)果，因而不再單獨關(guān)注“丙瓶中的CO2分子數(shù)”“N2和O2分子數(shù)的比例”等問題。

首先，只有26.9%的學生畫出CO2、 N2和O2分子，而且分子總數(shù)比甲瓶的多[結(jié)果1，圖2（a）]。這顯示他們能夠考慮到丙瓶內(nèi)的化學反應(yīng)導致瓶內(nèi)外氣體壓強不同，使得空氣流入瓶中，也能夠全面考慮空氣的主要成分，同時畫出N2和O2分子，并且能夠綜合考慮不同瓶內(nèi)的氣體壓強情況，準確確定丙瓶內(nèi)的分子數(shù)。相對地，9.0%的學生畫出CO2和構(gòu)成空氣的分子，而且分子總數(shù)比甲瓶的多，但僅畫出N2或O2中的一種[結(jié)果2，圖2（b）]。這顯示他們忽略了空氣的主要成分，思維

不夠嚴密。這兩種作答結(jié)果都可以反映出相應(yīng)學生具有“動態(tài)—系統(tǒng)—定量”學科認識方式類別。

其次，第3～4種作答結(jié)果的主要特征是丙瓶的分子種類較合理，但分子總數(shù)等于或少于甲瓶的。分別有3.9%、 7.7%的學生畫出的分子總數(shù)少于或等于甲瓶的。前者畫全了CO2、 N2和O2[結(jié)果3，圖2（c）]，后者畫出CO2以及N2或O2中的一種[結(jié)果4，圖2（d）]。訪談學生的敘述顯示，他們能夠考慮到分子的運動性和正確分析空氣的流動方向，但忽視要和甲瓶作比較，也缺乏考慮瓶內(nèi)氣體壓強和分子數(shù)關(guān)系的意識，反映出“動態(tài)—孤立—定性”學科認識方式類別。

再者，第5～7種作答結(jié)果的主要特征是丙瓶僅有CO2或空氣。7.7%的學生僅畫出N2和O2分子[結(jié)果5，圖2（e）]。訪談學生認為丙瓶中的CO2分子會在打開瓶塞后全部逸出，瓶中只有流入的空氣。另一方面，7.7%的學生僅畫出CO2分子，分子數(shù)比甲瓶的多[結(jié)果6，圖2（f）]。訪談學生認為打開丙瓶的瓶塞后，瓶內(nèi)的CO2分子可以運動到瓶外。他們完全沒有考慮到空氣會進入瓶內(nèi)，也未能夠?qū)Ρ瓤紤]瓶內(nèi)適合的CO2分子數(shù)。此外，24.4%的學生僅畫出CO2分子，分子數(shù)比甲瓶的少[結(jié)果7，圖2（g）]。訪談學生認為CO2分子大多運動到丙瓶外，只留下少數(shù)分子在瓶內(nèi)。綜合這3種訪談學生的認識情況，他們均只有樸素的分子無規(guī)則運動的觀念，但對于氣體流動方向和氣體壓強的具體關(guān)系，有較模糊的認識，不能準確全面地分析瓶內(nèi)的氣體組成和分子數(shù)，反映出“靜態(tài)—孤立—定性”學科認識方式類別。

最后，第8種作答結(jié)果的主要特征是丙瓶出現(xiàn)非氣體分子。12.8%的學生畫出非氣體物質(zhì)，如CaCO3、 Ca（OH）2等[結(jié)果8，圖2（h）]。他們的情況與甲瓶第4種作答結(jié)果的學生相似，未考慮瓶內(nèi)外氣體分子的運動情況，只是畫上一些反應(yīng)物或產(chǎn)物，反映出“靜態(tài)—孤立—定性”學科認識方式類別。

總體而言，學生表現(xiàn)出多種不完善和不科學的認識。具體包括： （1）未考慮到氣體壓強會影響氣體分子的運動方向及其數(shù)量;（2）未考慮到敞口體系中氣體會流動;（3）缺乏從定量角度考慮物質(zhì)數(shù)量變化的意識;（4）忽略了空氣的主要成分，僅想到某種主要成分;（5）不了解Ca（OH）2、 CaCO3的存在狀態(tài)。

4 討論和教學建議

學生的作答結(jié)果反映出個人對CO2參與變化、實驗情境的綜合認識，是學生的階段性學習結(jié)果，展示個人在第一學期期末總復習階段的思維水平和表現(xiàn)。學生表現(xiàn)出的多種不完善和不科學的認識，受學生化學學科知識學習和抽象思維發(fā)展情況、教師化學教學實踐情況等因素的影響。以下對學生認識情況的可能成因和教學改進作討論。

4.1 二氧化碳在水中溶解和反應(yīng)問題

學生的作答結(jié)果顯示學生可能不清楚CO2在水中溶解和生成碳酸的具體變化過程，也可能不清楚CO2在水中溶解、和澄清石灰水反應(yīng)的消耗程度差異。

在新授課中，教師通過實驗64“二氧化碳的溶解性”、實驗65“二氧化碳與水的反應(yīng)”，分別驗證了CO2能溶于水和能與水反應(yīng)，為學生提供了豐富和印象深刻的實驗事實。教科書說明“在通常狀況下，1體積的水約能溶解1體積的二氧化碳”，但學生容易認為溶解的大多數(shù)CO2都轉(zhuǎn)化成碳酸，未注意到僅有較少CO2和水反應(yīng)的事實。另一方面，學生知道CO2可以和澄清石灰水反應(yīng)，但是未必能夠主動和有效地比較CO2在水中溶解、和澄清石灰水反應(yīng)的消耗程度。

對于學生的這些認識不足，教師可以在教學過程中追問：“CO2與水混合的過程中發(fā)生了哪些物質(zhì)變化？混合后的溶液成分是什么？”教師可以展示： （1）汽水瓶上的成分表： 汽水主要成分是水和CO2。（2）資料信息：“實際上二氧化碳溶于水后，只有其中的1%與水結(jié)合成碳酸，其余仍以二氧化碳分子的形式溶于水中。[8]”教師可以組織學生繪制CO2通入水后變化的微觀示意圖[9]。這些教學活動用于引發(fā)學生有意識地思考和認識CO2在水中溶解、和水反應(yīng)的微觀變化過程，了解這些變化過程都是有限度的，認識CO2溶液是由大量CO2分子和少量碳酸分子共存的混合體系。該教學改進有助于促進學生從微觀層次認識氣體物質(zhì)的溶解和反應(yīng)，促進初步形成思考化學反應(yīng)微觀過程的意識。

其次，教師可以補充演示實驗，展示2個相同體積、裝滿CO2的塑料瓶，分別往瓶內(nèi)加入相同體積的水或澄清石灰水，振蕩瓶后再引導學生觀察瓶的變形情況。明確的實驗現(xiàn)象用于引發(fā)學生認識CO2在水中溶解、和澄清石灰水反應(yīng)有不同的消耗程度，了解這是反應(yīng)物化學性質(zhì)和實驗條件的客觀結(jié)果，與反應(yīng)物參與變化的個數(shù)無必然關(guān)系。該教學改進有助于促進學生初步形成從定量角度比較同一反應(yīng)物在不同變化過程中消耗程度不一的意識。

4.2 氣體分子與氣體壓強關(guān)系問題

學生的作答結(jié)果也顯示學生對氣體參與的化學反應(yīng)，可能忽略考慮氣體分子數(shù)量與其產(chǎn)生的氣體壓強的關(guān)系，也可能忽略敞開體系內(nèi)外氣體壓強差異和氣體流動問題。

初中物理、化學課程對氣體壓強的教學要求和關(guān)注點迥異。在初中物理課程，學生認識壓強的概念及其影響因素，“知道大氣壓強及其與人類生活的關(guān)系”[10]，學習氣體壓強與海拔的關(guān)系，但并非從氣體分子運動的角度認識氣體壓強。

《義務(wù)教育化學課程標準（2011年版）》未要求學生知道氣體分子的數(shù)量與氣體壓強的具體關(guān)系。但在初中化學教學實踐，教師會在一些教學內(nèi)容中補充介紹氣體分子的數(shù)量與氣體壓強的基本關(guān)系。例如，教師在講解實驗21“測定空氣中氧氣含量”、實驗64“二氧化碳的溶解性”的實驗原理時，均分別引導學生認識集氣瓶中O2的量、軟質(zhì)塑料瓶中CO2的量減少，導致瓶內(nèi)氣體壓強的減少，感知氣體的量和氣體壓強有密切關(guān)系。由于該關(guān)系并非是教學重點，是為了促進核心內(nèi)容理解而出現(xiàn)在教學解釋中，也未曾顯性化地出現(xiàn)在教科書內(nèi)，學生可能不了解和容易忽視該關(guān)系的內(nèi)容，缺乏從該關(guān)系分析氣體參與的化學反應(yīng)的意識。

對于化學實驗中的氣體壓強問題，教師主要關(guān)注實驗體系中氣體壓強的整體分析[11]、專題復習課的設(shè)計[12，13]，較少關(guān)注討論化學反應(yīng)中微粒的數(shù)量和運動與氣體壓強的關(guān)系、新授課的分散教學安排。教師可以有意識地圍繞新授課中出現(xiàn)的氣體參與的化學反應(yīng)，規(guī)劃多次和有序的教學活動，設(shè)計和使用反映氣體分子的數(shù)量與氣體壓強關(guān)系的教學問題或任務(wù)。該教學改進有助于逐步顯性化氣體分子的數(shù)量與氣體壓強的關(guān)系，增強學生從微觀層次和定量角度認識氣體宏觀行為的思維能力與意識。

4.3 化學學科認識方式類別發(fā)展問題

學生的微觀示意圖是學生問題解決的產(chǎn)物，可以表現(xiàn)出個人潛在的學科認識方式類別。在繪圖過程中，學生只要在問題解決的某一步思維過程中出現(xiàn)理解偏差，或未考慮到某些具體內(nèi)容，或已具有較穩(wěn)定的迷思概念，均容易畫出不正確的分子種類或數(shù)量，展現(xiàn)個人不完善或不合理的認識，表現(xiàn)為組合多樣的學科認識方式類別。本研究根據(jù)訪談學生的敘述及其作答結(jié)果來歸納學科認識方式類別，可能還存在某些學科認識方式類別未被發(fā)現(xiàn)的情況。但已發(fā)現(xiàn)的學科認識方式類別有助于了解學生的學習狀態(tài)。

除了部分訪談學生分別在兩個集氣瓶的圖像中表現(xiàn)出科學的“動態(tài)—系統(tǒng)—定量”學科認識方式類別，其他訪談學生在甲瓶表現(xiàn)出“靜態(tài)—系統(tǒng)—定量”等3種學科認識方式類別，在丙瓶表現(xiàn)出“動態(tài)—孤立—定性”等3種學科認識方式類別。如果從樣本類推到群體，這顯示在第一學期期末總復習階段，具有科學的學科認識方式類別的學生人數(shù)比例并不高（甲瓶： 19.2%;丙瓶： 35.9%）。大多數(shù)學生具有“靜態(tài)”“孤立”“定性”一種或多種的學科認識方式類別，學生的認識傾向性也具有較大的差異。

學生的學科認識方式類別是可以在學科知識增長和認識深入的學習過程中變化的。針對上述學生科學學科認識方式類別人數(shù)比例較低、不完善學科認識方式類別多樣化的特點，教師可以將學生對化學反應(yīng)的微觀認識、學科認識方式類別作為學生認知發(fā)展的重要方向，以初中化學課程中出現(xiàn)的許多化學反應(yīng)為學習載體，在日常教學活動中通過繪制微觀示意圖的教學方式開展思維訓練活動。學生通過完成繪圖任務(wù)，不斷完善個人對微粒運動和化學反應(yīng)等方面的認識，建立從微觀層次思考和圖像顯性化表達的思維習慣，調(diào)整、形成自覺和科學的學科認識方式類別。

5 研究建議

本研究顯示繪制微觀示意圖是一種良好的、能夠外顯學生潛在的微觀認識的評價任務(wù)。學生的答題情況是教師了解學生化學反應(yīng)微觀認識，歸納學生學科認識方式類別和認識不足的重要資源，也是教師規(guī)劃加強思維能力培養(yǎng)，改進教學設(shè)計與實踐的重要依據(jù)。教師值得充分挖掘繪制微觀示意圖評價任務(wù)的教學功能與價值，編制和應(yīng)用合適的微觀示意圖繪制任務(wù)。

另外，本研究僅在第一學期期末總復習階段對學生進行橫斷面調(diào)查，尚未能了解學生在階段性教學干預后的化學反應(yīng)微觀認識發(fā)展情況和學科認識方式類別轉(zhuǎn)變情況。日后可以通過一定時間內(nèi)的動態(tài)評價，了解學生在這些方面的變化情況，為進一步的教學優(yōu)化決策提供參考。

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