四段式多項選擇測試法在診斷中學化學相異構想中的應用

馮雅琪 魏夢雪

摘要：采用四段式多項選擇測試法，以寧夏鹽池縣某中學高二年級99名學生為研究對象，診斷學生在“化學反應與熱能”相關內容中存在的相異構想。結果顯示，被試在“化學反應與熱能”內容中共出現(xiàn)35個錯誤認識，其中有14個屬于典型相異構想，對典型相異構想進行程度分析后發(fā)現(xiàn)有9個真性相異構想和5個假性相異構想，針對學生存在的問題，文章提出了解決問題的四項建議。

關鍵詞：四段式多項選擇測試法;相異構想;化學反應與熱能

文章編號：1008-0546（2022）10-0012-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

一、問題的提出

化學反應與熱能是高中化學學科的重要組成部分，是學生學習化學熱力學知識的基礎。由于該部分內容包含概念較多，且涉及“能量”這一抽象概念，學習過程中需要學生具有一定的抽象思維將宏觀與微觀聯(lián)系起來，致使學生在學習基本概念和相關知識時，容易產生與科學概念不相符的理解，我們將這種與科學概念不一致的觀念或想法稱為“相異構想”。[1]相異構想的存在會阻礙學生科學概念的建立，對后續(xù)的學習效果造成不良影響，因此診斷并轉變學生關于化學反應與熱能知識中的相異構想是極為重要的。

當前，診斷學生相異構想最常用的工具之一是切爾格斯特（Treagust）提出的二段式診斷試題。國內已有不少研究者在關于相異構想的研究中使用二段式診斷測試法，如盧珊珊、畢華林利用二段式診斷測驗探查了不同發(fā)展階段的學生在“電解質”相關知識中相異構想的表現(xiàn)形式;[2]張雯雯采用二段式診斷法探查了高二年級處于不同學習水平學生在學習物質結構與性質知識的過程中存在的相異構想。[3]但這種診斷方法存在一定的缺陷，一般通過回答錯誤人數(shù)占總人數(shù)的比例高低來確定學生在相關內容中是否存在相異構想，不能對相異構想的性質和程度進行分析，無法辨別學生到底是因為缺乏知識，還是因為存在相異構想而選擇錯誤，導致提出的教學策略針對性不強，相異構想的轉變效果不佳。為使診斷結果更加準確，Caleon等人開發(fā)了四段式多項選擇測試法，在二段式的基礎上分別在答案段和原因段之后增加了信心指數(shù)段，即一個0%～100%的數(shù)軸，學生作答完后需要在數(shù)軸上標出回答問題時的自信程度，通過分析測試者所做的選擇和信心指數(shù)程度來判斷其相異構想的性質和程度。

綜上分析，本研究旨在以四段式多項選擇測試題為研究工具，診斷高二學生在化學反應與熱能內容中存在的相異構想，并依據(jù)學生給出的信心指數(shù)分析相異構想的性質和程度，從而為相異構想的轉變教學提供參考依據(jù)。

二、研究設計

1.測試題編制

本研究基于Treagust提出的“三階段十步驟”的二段式測試題編制程序，對部分步驟進行了修改，制定出四段式多項選擇測試題的編制程序。首先，對《普通高中化學課程標準（2017年版）》、人教版《化學必修二》和《化學反應原理》教科書中化學反應與熱能的內容進行分析和整理，確定本次測查內容圍繞吸熱反應、放熱反應、反應熱、焓變、熱化學方程式、能源、中和熱、燃燒熱、蓋斯定律這九個核心概念展開，并建立知識概念圖（見圖1），確定化學反應與熱能相異構想的具體診斷內容。

其次，通過查閱相關文獻、課堂觀察和教師訪談等方式，了解學生在學習中容易出錯的知識點和相異構想，為編制四段式多項選擇測試題提供依據(jù)。然后，建立測試內容與測驗項目的雙向細目表（見表1），根據(jù)雙向細目表確定要探查的內容，從而保證兩主題的一致性。最后，編制出“‘化學反應與熱能四段式多項選擇測試題（初稿）”，測試題由本專業(yè)的兩位導師和有豐富教學經驗的一線高中化學教師對測試內容的效度進行審核，根據(jù)各位導師和中學一線教師的意見對四段式多項選擇測試題進行修改和完善，以保證測試內容的效度。

2.施測

研究以寧夏回族自治區(qū)鹽池縣某中學高二年級兩個平行班的學生為測試對象，共99人，兩班學生的化學成績相近，均已完成化學反應與熱能相關內容的學習，且未進入復習階段。

本次共發(fā)放四段式多項選擇測試題99份，回收有效試題99份，有效率100%。為確保學生能夠如實給出信心指數(shù)評分，教師告知學生該測試只是一種診斷性測試，僅用于教育調研，不會將測試結果納入考試成績中。

三、調查結果分析

1.數(shù)據(jù)處理方法

在統(tǒng)計四段式多項選擇測試題答案段和原因段的數(shù)據(jù)時，主要采用以下兩種計分標準：（1）分別對答案段和原因段進行計分，正確計1分，錯誤計0分，不進行扣分;（2）當某一項目的答案段和原因段均正確時，可計1分，否則為0分，不進行扣分，滿分9分。

2.測試題質量分析

使用MicrosoftExcel和SPSS23.0對本次測試結果進行統(tǒng)計分析，所有被試的總分介于0～9分之間，平均得分為4.9分，說明該測試題對被試來說具有一定的難度。由檢測結果表明，本研究中四段式多項選擇測試題的克隆巴赫系數(shù)為0.702，大于0.7，說明該測試題信度較好。

3.數(shù)據(jù)分析

在相異構想的診斷研究中，不僅要關注學生對相關科學概念的掌握情況，更要注重學生所選答案與其自信程度是否相匹配。表2統(tǒng)計了四段式多項選擇測試題中每個項目的正確率和信心指數(shù)，當同時考慮答案段與原因段時，項目的正確率在29.29%～72.73%之間，平均正確率為54.32%，說明測試卷具有一定的難度和區(qū)分度，為研究的準確性提供了支持。與此同時，測試對象的正確信心指數(shù)在57.56%～82.88%之間，平均值為70.72%，信心指數(shù)不是很高，說明學生雖然回答正確，但對自己的選擇缺乏信心，出現(xiàn)了“低信心指數(shù)正解”的情況;錯誤信心指數(shù)在44.17%～72.05%之間，平均值為60.26%，且有三分之二的項目其平均信心值高于50%，表明學生雖然回答錯誤，但對自己的選擇充滿信心，出現(xiàn)了“高信心指數(shù)錯解”的情況。通過分析項目中學生回答錯誤的選項組合、人數(shù)比例和平均信心指數(shù)，發(fā)現(xiàn)學生共出現(xiàn)35個錯誤認識，說明利用四段式多項選擇測試法能夠有效地診斷出學生頭腦中與科學概念不符的想法，也表明大部分學生并沒有完全掌握“化學反應與熱能”的相關知識，仍然存在較多困惑。

但是，學生的錯誤認識并不都屬于相異構想，學生因為缺乏知識或通過猜測回答錯誤的情況就不屬于真正的相異構想。為了區(qū)分相異構想的性質，我們利用測得的信心指數(shù)將探查出的相異構想分為真性相異構想和假性相異構想。Tan在研究中指出，多項選擇測試中項目的每個選項都有被隨機選中的概率，當某個選項或選項組合的選擇率比其被隨機選中的概率高10%時，那么該選項或選項組合涉及到的相異構想就屬于“典型相異構想”[4]。Caleon對典型相異構想做了更詳細的劃分，將平均信心指數(shù)大于或等于50%的歸為“真性相異構想”，將平均信心指數(shù)小于50%的歸為“假性相異構想”[5]。假性相異構想通常是由于學生缺乏知識或猜測錯誤而造成，經過及時的教學可以很快轉變。但真性相異構想比較頑固，轉變的難度比較大，需要教師長期采取合適的教學方法和教學策略加以轉變。因此，辨別探查出的典型相異構想屬于“真性相異構想”還是“假性相異構想”對實際教學具有重要的意義。

本研究中的四段式多項選擇測試題均由選擇題構成，每個項目中答案段和原因段分別有4個選項，共16種不同的組合方式，其中隨機選中每種組合的概率為6.25%，當錯誤選項組合的選擇率高于16.25%時，將其劃分為“典型相異構想”。對數(shù)據(jù)進行分析后，將診斷出的35個錯誤認識進行了劃分，共存在14個典型相異構想（見表3），其中有9個平均信心指數(shù)大于或等于50%的真性相異構想和5個平均信心指數(shù)小于50%的假性相異構想。

通過表3可以看出，學生關于化學反應與熱能的知識學習上存在較多問題，在判斷化學反應類型、反應熱與物質能量及鍵能的關系、能源、熱化學方程式、燃燒熱、中和熱和蓋斯定律這7方面的知識中存在不同程度的相異構想，下面本文將分別從這7個方面探查出的相異構想進行討論。

（1）化學反應類型的判斷

在有關判斷化學反應類型的項目中，共探查出1個典型相異構想，其平均信心指數(shù)為64.17%，為真性相異構想。有18.18%的學生認為“能量升高的物理變化屬于吸熱反應”，把液態(tài)水汽化過程中發(fā)生的能量變化視為反應熱，不清楚反應熱是描述化學反應熱量變化的量，簡單地認為只要變化過程中能量升高即屬于吸熱反應，實際上物理變化中發(fā)生的能量變化不屬于反應熱。

（2）反應熱與物質能量及鍵能的關系

在有關能量、鍵能與反應熱關系的項目中，共探查出2個典型相異構想，其平均信心指數(shù)分別為60.42%和50.00%，均屬于真性相異構想。有18.18%的學生認為“ΔH=生成物總鍵能—反應物總鍵能”，將利用鍵能和利用物質能量計算ΔH的公式發(fā)生了混淆，認為利用物質能量計算ΔH時需要用生成物總能量減反應物總能量，則使用鍵能計算ΔH時也要用生成物總鍵能減反應物總鍵能。另有22.22%的學生認為“物質具有的能量越高，物質越穩(wěn)定”，沒有理解物質具有的能量和物質穩(wěn)定性之間的關系，受到以往生活經驗的影響，想當然地認為能量越多物質穩(wěn)定性越好。實際上，一般物質具有的能量越低，物質越穩(wěn)定。

（3）能源

在有關能源的項目中，共探查出1個典型相異構想，其平均信心指數(shù)為71.82%，屬于真性相異構想。有22.22%的學生認為“水力是二級能源，需要依靠其他能源的能量間接制取”，不清楚水力獲取的形式，水力是直接來自自然界的能源，屬于一級能源。而造成許多學生不能區(qū)分能源類型的原因是大多數(shù)教師認為這部分內容在高考中考查較少，不重視能源相關內容的教學。

（4）熱化學方程式

在有關熱化學方程式的項目中，共探查出3個典型相異構想，其平均信心指數(shù)分別為60.50%、73.96%和68.16%，均屬于真性相異構想。有20.20%的學生認為“可逆反應熱化學方程式中焓變的大小與實際焓變的大小相同”，不清楚可逆反應的熱化學方程式中焓變表示的是完全反應后的反應熱，或者忽略了在實際反應中可逆反應的反應物不能完全反應的這一特點，實際上可逆反應反應熱的絕對值小于焓變的絕對值。有24.24%的學生認為“熱化學方程式的化學計量數(shù)發(fā)生改變時，ΔH不變”，不理解焓變單位中“mol-1”的含義，ΔH的單位kJ·mol-1中每摩爾是指每摩爾反應，所以當熱化學方程式中的化學計量數(shù)發(fā)生變化時，ΔH也應隨之發(fā)生相同倍數(shù)的改變。有19.19%的學生認為“熱化學方程式中的化學計量數(shù)表示粒子數(shù)目”，沒有把化學方程式和熱化學方程式中化學計量數(shù)表示的意義區(qū)分開來，認為二者的化學計量數(shù)都表示粒子數(shù)目。實際上，化學方程式中化學計量數(shù)表示物質的量或微粒個數(shù)，只能是整數(shù);而熱化學方程式中化學計量數(shù)只表示物質的量，可以是整數(shù)，也可以是分數(shù)。

（5）燃燒熱

在有關燃燒熱的項目中，共探查出3個典型相異構想，17.17%的學生認為“碳完全燃燒生成的穩(wěn)定氧化物是CO”，其平均信心指數(shù)為57.06%，為真性相異構想;18.18%的學生認為“氫氣完全燃燒生成的穩(wěn)定氧化物是氣態(tài)水”，其平均信心指數(shù)為42.64%，屬于假性相異構想，上述兩種情況說明很多學生都不清楚物質完全燃燒后形成的穩(wěn)定化合物到底是什么。實際上，CO2是碳完全燃燒后形成的穩(wěn)定氧化物，液態(tài)水是氫氣完全燃燒后形成的穩(wěn)定氧化物。另有23.23%的學生認為“燃燒熱的熱化學方程式中可燃物的化學計量數(shù)不一定為1mol”，其平均信心指數(shù)為43.26%，為假性相異構想。這部分學生沒有將燃燒熱的熱化學方程式與物質燃燒的熱化學方程式區(qū)分開來，以為兩者是相同的。燃燒熱的熱化學方程式中，可燃物必須為1mol;而物質燃燒的熱化學方程式中，可燃物不一定是1mol。

（6）中和熱

在有關中和熱的項目中，共探查出2個典型相異構想，22.22%的學生認為“稀的強酸和強堿發(fā)生反應生成水時放出的熱量為57.3kJ”，其平均信心指數(shù)為50.45%，屬于真性相異構想，這部分學生不清楚中和熱的概念中強調生成水的量必須為1mol。23.23%的學生認為“稀的酸和堿反應生成1mol水時放出的熱量是中和熱”，其平均信心指數(shù)為44.89%，屬于假性相異構想，這部分學生不知道產生中和熱的酸和堿必須是強酸和強堿，同時反映出學生沒有掌握弱酸和弱堿在水溶液中電離會吸熱的性質。

（7）蓋斯定律

在有關蓋斯定律的項目中，共探查出2個典型相異構想，其平均信心指數(shù)分別為36.63%和45.69%，均屬于假性相異構想，說明大部分學生并沒有掌握利用蓋斯定律計算反應熱的知識。有20.20%的學生認為“利用蓋斯定律計算反應熱只需根據(jù)目標方程式中各物質的位置調整反應方向”，不知道還要依照目標方程式中各物質的化學計量數(shù)對已知方程式進行處理。另有18.18%的學生認為“利用蓋斯定律計算反應熱只需根據(jù)目標方程式對化學計量數(shù)進行調整”，不知道還要依照目標方程式中各物質的位置調整反應方向。

從上述分析結果來看，學生在關于化學反應與熱能的知識內容上掌握情況并不理想，尤其是在反應熱與物質能量及鍵能的關系、熱化學方程式、燃燒熱、中和熱和蓋斯定律這幾方面的知識上存在的典型相異構想較多，需要教師在實際教學過程中重點關注這幾部分內容的講解，采用合適的教學方法和教學策略，幫助學生建立科學概念，減少相異構想的形成。

四、研究結論與建議

針對四段式多項選擇測試題診斷出高二學生在化學反應與熱能中存在的典型相異構想，提出如下教學建議：

1.采用對比辨析策略，幫助學生理解概念內涵

學生在學習反應熱與焓變、燃燒熱與中和熱以及能源的相關知識時，教師可以用表格歸納的方式對反應熱和焓變、燃燒熱和中和熱及能源的分類進行對比教學，理清它們之間的區(qū)別與聯(lián)系，從而達到建立科學概念的目的。此外，通過診斷發(fā)現(xiàn)部分學生容易混淆化學方程式和熱化學方程式，因此教師在教授熱化學方程式的內容時也可以通過對比教學幫助學生區(qū)分兩者的異同。

2.利用類比教學策略，將抽象知識具體化

在物質能量、鍵能與反應熱關系內容的講解上，教師可以采用類比策略，將物質具有的能量比作山坡上的石頭，將鍵能比作爬山距離，從而得出“鍵能越大，物質具有的能量越低，物質就越穩(wěn)定”的結論，把抽象的知識具體化，使知識變得通俗易懂，減少學生相異構想的形成。

3.運用思維導圖，幫助學生形成解題思路

應用蓋斯定律計算反應熱是教學的難點，由于這類型題目計算過程繁雜，學生稍有不慎就會計算錯誤，所以教師在進行教學時可以利用思維導圖這一可視化工具，對反應熱的不同計算方法、計算步驟進行可視化表征，使學生清楚利用蓋斯定律計算反應熱的過程，從而通過練習進一步鞏固學生對蓋斯定律的應用。

4.應用概念圖策略，促使學生構建完整知識體系

化學反應與熱能的相關內容中涉及到的化學概念較多，在進行復習時教師可以為學生提供概念圖框架讓學生對概念圖中空缺內容進行補充和完善或讓學生自主繪制概念圖，從而加強學生對概念的理解，提供學生對知識的整合能力。

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