基于“宏觀辨識與微觀探析”剖析化學概念中的相異構(gòu)想及其轉(zhuǎn)變策略

董擁軍

摘要：化學概念是化學學科知識體系的基礎(chǔ)，化學學習活動一般都是從現(xiàn)象、實驗事實上升為對化學概念的學習開始。“HCl”作為重要的知識載體，在氧化還原反應(yīng)概念及本質(zhì)的學習和化學鍵概念的建立過程中都起著重要的作用，但學生對“HCl”的認識存著很多相異構(gòu)想，實質(zhì)上是對化學中的某些核心概念的理解偏離或背離了科學概念。文章基于“宏觀辨識與微觀探析”剖析與“HCl”有關(guān)的化學概念中的相異構(gòu)想并提出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)變策略。

關(guān)鍵詞：化學概念;相異構(gòu)想;“HCl”的認識;宏觀辨識;微觀探析;轉(zhuǎn)變策略

文章編號：1008-0546（2022）09-0026-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

化學概念是將化學現(xiàn)象、化學事實經(jīng)過比較、綜合、分析、歸納、類比等方法抽象出來的理性知識，它是已經(jīng)剝離了現(xiàn)象的一種更高級的思維形態(tài)，反映著化學現(xiàn)象及事實的本質(zhì)，是化學學科知識體系的基礎(chǔ)。[1]化學概念猶如人的骨架一樣，構(gòu)成了化學知識體系大廈的鋼架支梁。所以，化學的學習活動一般都是從現(xiàn)象、實驗事實上升為化學概念的學習開始。建構(gòu)主義學習理論認為，學習者的學習過程是建構(gòu)在原有的認知結(jié)構(gòu)和知識經(jīng)驗基礎(chǔ)上的，學習的過程是一個主體主觀積極建構(gòu)的過程，而不是被動地吸收和存儲外界所提供的信息。學生正式學習某一學科（如化學）前頭腦中也并非一片空白，而是已經(jīng)存在著他們對周圍世界（化學世界）的看法和觀點，這些形成的前概念，有些與科學概念方向一致，有些卻相悖，這些偏離或背離科學概念的觀點與認識即為“相異構(gòu)想”[2]。

一、問題的提出

“HCl”作為重要的知識載體，在氧化還原反應(yīng)概念及本質(zhì)的學習和化學鍵概念的建立過程中都起著“腳手架”的作用。在以往的教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)學生對“HCl”的認識并不科學、全面，甚至會有不少錯誤之處。在今年校園招聘的現(xiàn)場，有位名校的研究生把“HCl”說成了“鹽酸分子”。張琦、谷黎芳等老師在關(guān)于化學鍵的學生調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)學生“對于物質(zhì)的構(gòu)成微粒，出現(xiàn)的問題比較大，集中體現(xiàn)在HCl上，全班有29名學生認為氯化氫是由氫離子和氯離子構(gòu)成的，比例超過了50%”[3]。學生在學習這些概念之前，對“HCl”的認識到底如何，有哪些相異構(gòu)想會使學生對科學概念的學習造成困難？教育心理學家奧蘇伯爾認為：“影響學習最重要的因素就是我們要知道學習者已經(jīng)知道了什么，我們應(yīng)當根據(jù)學生已有認知的狀況再去進行教學”。劉建偉等老師認為學生的“相異構(gòu)想”有如下特點：廣泛性、自發(fā)性、頑固性、隱蔽性、再生性。[4]

因此，了解學生對于“HCl”的認知以及由此而產(chǎn)生的思維習慣，尤其是了解學生有關(guān)“HCl”的已有概念中那些不太科學、不太全面甚至錯誤的想法與觀點，是進行科學教育的基礎(chǔ)和前提，對提高學習者學習氧化還原反應(yīng)概念及本質(zhì)和化學鍵概念的建立過程有著重要的意義。

二、有關(guān)“HCl”認識的調(diào)查

1.被試

在研究有關(guān)“HCl”的相異構(gòu)想中，抽取南師大附屬揚子中學兩個平行自然班級，總計109位學生作為被試，收回有效樣本82份，見表1。

2.研究工具與施測

本研究首先對《普通高中教科書化學必修第一冊》和《普通高中教科書化學必修第一冊教師教學用書》中關(guān)于“HCl”在氧化還原反應(yīng)概念及本質(zhì)的學習和化學鍵概念的建立過程中所起的作用進行梳理，嚴格按照《普通高中化學課程標準（2017版）》學業(yè)質(zhì)量標準編制“‘對有關(guān)HCl的認識的調(diào)查問卷”測試題。

對“有關(guān)HCl的認識”的調(diào)查問卷，見表2。

（1）你是否能區(qū)別“HCl”和“鹽酸”的不同？

A.能

B.不能

（2）你覺得“HCl”的組成是：

A.是HCl分子構(gòu)成的

B.是由H+和Cl-構(gòu)成的

（3）如果你覺得“HCl”是HCl分子構(gòu)成的，理由是什么？

A.“HCl”在常溫下是氣體

B.液態(tài)“HCl”不導電

（4）如果你覺得“HCl”是由H+和Cl-構(gòu)成的，理由是什么？

A.“HCl”中H的化合價為+1價，Cl化合價為-1價

B.“HCl”是酸，可電離出H+

C.“HCl”是電解質(zhì)，可導電

D.H2與Cl2反應(yīng)時，H2做還原劑失電子，Cl2做氧化劑得電子

（5）你覺得“HCl”是共價化合物還是離子化合物？

A.共價化合物

B.離子化合物

3.數(shù)據(jù)處理（本文所引用數(shù)據(jù)來源于“問卷星”）

三、基于“宏觀辨識與微觀探析”對上述數(shù)據(jù)的剖析

學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是要求學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。“宏觀辨識與微觀探析”是化學學科核心素養(yǎng)5個方面之一，是“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”的基礎(chǔ)。作為“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng)要求學生：“能從不同層次認識物質(zhì)的多樣性，并對物質(zhì)進行分類;從元素和原子、分子水平認識物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，形成‘結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的觀念。能從宏觀和微觀結(jié)合的視角分析與解決實際問題。”在相應(yīng)的課程目標中要求學生：“通過觀察能辨識一定條件下物質(zhì)的形態(tài)及變化的宏觀現(xiàn)象，初步掌握物質(zhì)及其變化的分類方法，能運用符號表征物質(zhì)及其變化;能從物質(zhì)的微觀層面理解其組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的聯(lián)系，形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定應(yīng)用的觀念;能根據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)預測物質(zhì)在特定條件下可能具有的性質(zhì)和發(fā)生的變化，并能解釋其原因。”[5]

1.三重表征轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的相異構(gòu)想

根據(jù)Johnstone的觀點，化學學習包括從宏觀、微觀上理解物質(zhì)的性質(zhì)和變化，并用化學符號表達，從而形成了化學學習中的三重表征：宏觀表征、微觀表征、符號表征。[6]就如“S”這個符號，它在宏觀上可以表征為硫元素，也可以表征為單質(zhì)硫，在微觀上還可表征為硫原子。正是由于在化學中存在著一種符號表征宏觀與微觀含義的多重性，造成了許多相異構(gòu)想產(chǎn)生于三重表征的轉(zhuǎn)換，特別是有些重要概念中包含著微觀和符號表征。正如“HCl”，它在“H2+Cl2=2HCl”中在宏觀上表征為“氫氣與氯氣反應(yīng)生成氯化氫”，在微觀上可表征為“氫分子與氯分子反應(yīng)生成氯化氫分子”，但都不能說成是“生成鹽酸”或“生成鹽酸分子”。而在“Fe+2HCl=FeCl2+H2↑”應(yīng)該表征為：鐵與鹽酸反應(yīng)生成氯化亞鐵和氫氣，而不能表征為：鐵與氯化氫反應(yīng)。也正是因為“在化學中存在著一種符號表征宏觀與微觀含義的多重性”的原因，在82位學生中還有2位學生不能區(qū)分“HCl和鹽酸”。

2.首因效應(yīng)產(chǎn)生的相異構(gòu)想

從心理學角度分析，相異構(gòu)想含有學生對化學現(xiàn)象的首因效應(yīng)，即第一印象會對后繼過程產(chǎn)生影響，第一印象最深刻、也最頑固。[7]高中學生接觸“HCl”起源于《義務(wù)教育教科書九年級下冊》第52頁，在實驗10-2（1）觀察鹽酸、硫酸的顏色和狀態(tài)，填寫的表格中出現(xiàn)了：鹽酸（HCl）。[8]學生在閱讀教材時很容易將鹽酸與HCl等同起來。

在《義務(wù)教育教科書九年級下冊》57頁的實驗10-7中，證明了鹽酸能導電，“HCl在水中會解離出H+和Cl-”。這也是有47.56%的學生覺得“HCl”是由“H+和Cl-構(gòu)成的”重要原因。

3.由聯(lián)系激化過程導致的相異構(gòu)想

大腦會與經(jīng)常見到的事物建立更加密切的聯(lián)系——記憶，如果所遭遇的陌生情境與曾經(jīng)經(jīng)歷過的以往情境有類似時，大腦更易建立起比較現(xiàn)實的聯(lián)系。學生在化學學習的過程中，經(jīng)常接觸到的是“鹽酸”而不是“HCl氣體”，在中學化學學習過程中學生書寫與鹽酸反應(yīng)的方程式更多，所以學生把“HCl”更多與“鹽酸”產(chǎn)生聯(lián)系而導致相異構(gòu)想。

4.由加工流暢性導致的相異構(gòu)想

由于大腦容量有限，不可能輕易地處理所呈現(xiàn)的一切信息，所以大腦更傾向于對流暢信息的加工。由于不同學習者的已有認知結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗有差異，對于信息的敏感程度也一定存在著天壤之別，學習者更容易根據(jù)自己最順暢的線索去理解信息并建構(gòu)新的知識結(jié)構(gòu)。因為學生對“鹽酸”很熟悉，而對“HCl”不熟悉，所以學生在回答有關(guān)“HCl”的問題時，會首先聯(lián)想到“鹽酸”所具有的性質(zhì)。

5.由表面相似性導致的相異構(gòu)想

在日常生活中，我們發(fā)現(xiàn)許多表面相似的事物具有相似的性質(zhì)，這種經(jīng)驗形成的“類推理論”容易誘使學生被外在的、非本質(zhì)特征干擾。正是因為“HCl氣體”和“鹽酸”都可用化學符號“HCl”表征，這種表面的相似性很容易導致學生會認為“HCl氣體”和“鹽酸”的性質(zhì)也具有相似性。因為“鹽酸”是“酸”，所以會有73.17%的學生會認為“HCl”是酸，會電離出H+。

6.由過度概括導致的相異構(gòu)想

學習者在認識事物時往往會加以歸納，這樣可以使學習者在處理新問題時，幫助學習者解釋、預測和遷移已有知識，所以如果學習者對所學知識進行歸納概括，就可以在一定程度上減輕學習新知識的負擔。但是如果學習者沒有充分考慮到所涉及的所有變量情況下，就籠統(tǒng)地概括所學的知識和規(guī)則，很容易因過度概括而形成相異構(gòu)想。在氧化還原反應(yīng)中一定存在著電子轉(zhuǎn)移，有的是電子得失，有的是共用電子對偏移。在一個化學反應(yīng)中，一種元素的原子失去電子（或電子對偏移），必然同時有元素的原子得到電子（或電子對偏向）。在反應(yīng)時，所含元素的化合價升高，即失去電子（或電子對偏離）的物質(zhì)是還原劑;所含元素的化合價降低，即得到電子（或電子對偏向）的物質(zhì)是氧化劑。在“H2+Cl2=2HCl”反應(yīng)中，學生很容易通過元素化合升降判斷出H2做還原劑，Cl2做氧化劑。又由于過度概括的原因?qū)е碌贸觥癏2與Cl2反應(yīng)時，H2失電子，Cl2得電子”的相異構(gòu)想。

7.由思維定勢導致的相異構(gòu)想

學習者在處理一個新的問題時，傾向于在以往的認知結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗中回憶，不斷探索出現(xiàn)過的類似問題以及當時的解決方法和流程。這種思維方式可以幫助學生快速地解答類似問題。但思維定勢有時卻使得學習者的想法和思維僵化，也會帶來一定的相異構(gòu)想。由于在高中的化學方程式中，“HCl”代表“鹽酸”的概率極高，大部分時間這種理解是正確的，學生再碰到“HCl”時，為了快速解答類似的問題，學生會沿著以往的思維定勢去解決問題，出現(xiàn)“HCl”只代表“鹽酸”的相異構(gòu)想。

四、相異構(gòu)想的轉(zhuǎn)變策略

1.提高“宏觀—微觀—符號”三重表征的轉(zhuǎn)換能力

由于三重表征轉(zhuǎn)換容易產(chǎn)生相異構(gòu)想，尤其是一種符號有時會出現(xiàn)多重含義的時候，那么我們轉(zhuǎn)變相異構(gòu)想也要從三重表征轉(zhuǎn)換入手。學習者認識化學事物的過程一般為：從宏觀物質(zhì)或現(xiàn)象到微觀構(gòu)成或粒子，再到符號表征。

為了減少學生三重表征轉(zhuǎn)換產(chǎn)生相異構(gòu)想，需要加強學生將“符號”轉(zhuǎn)換成“微觀構(gòu)成或粒子”再到“宏觀物質(zhì)或現(xiàn)象”的過程，從單向的思維過程轉(zhuǎn)變成雙向的可逆思維過程。

例如在學習“H2+Cl2=2HCl”時，學生除了會用符號表征這個反應(yīng)外，還要會用語言表述出在宏觀上的意義為“氫氣與氯氣反應(yīng)生成氯化氫氣體”，在微觀上的意義為“氫分子與氯分子反應(yīng)生成氯化氫分子”。

2.展示正確的化學用語表達，形成正向的首因效應(yīng)

既然學生在學習化學時，第一印象會對后繼過程產(chǎn)生影響，第一印象最深刻，那么在教科書上出現(xiàn)的化學用語就應(yīng)該盡可能地不讓人產(chǎn)生混淆，符號與宏觀物質(zhì)或現(xiàn)象及微觀構(gòu)成或粒子要盡可能地產(chǎn)生對應(yīng)關(guān)系而不讓人產(chǎn)生誤解。所以在學生第一次接觸“鹽酸”時，應(yīng)注明“HCl的水溶液”，并伴有對這兩者不同之處的說明。

3.強化宏觀辨識能力，提高學生微觀探析水平

在學生學習“氯及其化合物”的內(nèi)容時，“2Na+Cl2=2NaCl”反應(yīng)和“H2+Cl2=2HCl”的反應(yīng)并不是這節(jié)課學習的重點。大多數(shù)教師在處理“2Na+Cl2=2NaCl”反應(yīng)會附加講解：“鈉在氯氣中劇烈燃燒，反應(yīng)生成大量的白煙，白煙就是氯化鈉固體小顆?！?在處理“H2+Cl2=2HCl”反應(yīng)時會附加講解：“氫氣在氯氣中燃燒，反應(yīng)生成的是氯化氫氣體，在集氣瓶口與水蒸氣結(jié)合，呈現(xiàn)霧狀?！甭然瘹涫菤怏w，在實驗中我們并不能看到氯化氫氣體的生成，但我們能觀察到的是“集氣瓶口出現(xiàn)大量白霧”，是因為生成的“氯化氫氣體”溢出集氣瓶與水蒸氣結(jié)合。在實驗“氫氣與氯氣”反應(yīng)后，我們可以增設(shè)這樣的問題：“在集氣瓶內(nèi)為什么沒有看到白煙？”“為什么白霧不在集氣瓶內(nèi)生成？”這兩個問題說明了——生成的氯化氫不是固體也不是液體，而是氣體。

4.引發(fā)學生宏觀性質(zhì)與微觀構(gòu)成上的認知沖突，培養(yǎng)學生“基于證據(jù)的推理能力”。

所謂認知沖突，就是學生對新實驗、新現(xiàn)象的認識與原有認知結(jié)構(gòu)之間存在著無法包容的矛盾。學生學習新知識時，總是試圖通過原有的認知結(jié)構(gòu)來同化對新知識的理解，當遇到不能解釋的現(xiàn)象時，就會引發(fā)認知沖突。[4]在學習“化學鍵”時，學生對“NaCl是離子化合物，由陰、陽離子構(gòu)成”的認知并不困難，但對“氯化氫中沒有陰、陽離子”卻不好理解，因為這兩者的水溶液都可以導電，有47.56%的學生認為因為“HCl是離子化合物”。學生對“離子化合物”“共價化合物”還不能很好地區(qū)分，學生還不能把“離子化合物”“共價化合物”與物質(zhì)的性質(zhì)（導電性和物質(zhì)的狀態(tài)）形成良好的聯(lián)結(jié)。這時候展示“離子化合物”“共價化合物”與物質(zhì)的性質(zhì)（導電性和物質(zhì)的狀態(tài)）的圖片（見表3）可引發(fā)學生的認知沖突[9]。

不管是物質(zhì)的宏觀性質(zhì)：物質(zhì)的熔沸點和物質(zhì)的導電性，還是探析物質(zhì)的微觀構(gòu)成：原子、分子、離子，都是我們尋找物質(zhì)的宏觀性質(zhì)與微觀構(gòu)成之間關(guān)系的證據(jù)，也是我們推理“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的基礎(chǔ)。經(jīng)學生討論得如下結(jié)論：（1）導電性好的化合物熔沸點高，在常溫不可能是氣體，離子化合物是由陰、陽離子構(gòu)成，之間的作用力較強——離子鍵。（2）熔沸點低的純凈物（單質(zhì)或化合物）導電性差，也就是說在常溫下是氣體的化合物就不可能是離子化合物，它們的微觀構(gòu)成也不可能是離子而只能是分子。

5.繪制概念圖，形成良好的概念體系

概念圖是由美國康奈爾大學的諾瓦克在20世紀70年代末提出，能形象表達命題網(wǎng)絡(luò)中一系列概念含義及其關(guān)系的圖解，是用來組織與表征知識的工具。[10]要求學習者圍繞某一核心概念繪制與之相關(guān)的概念圖，可以加強學生對核心概念內(nèi)涵的理解和相關(guān)知識結(jié)構(gòu)間邏輯關(guān)系的認識。在學習者已有原子結(jié)構(gòu)知識的基礎(chǔ)上，建立化學鍵的概念，從而使學習者可以從粒子間相互作用的視角，認識元素的原子如何構(gòu)成物質(zhì)，以及化學反應(yīng)中物質(zhì)變化的實質(zhì)。

如圖1所示，可以從兩個視角分析關(guān)于“HCl”的一些認識：HCl氣體中HCl分子間存在著分子間作用力，HCl分子內(nèi)氫原子與氯原子之間存在共價鍵，這樣從分子之間的相互作用和分子內(nèi)原子之間的相互作用兩個視角來看待粒子間的相互作用，可以較好地對關(guān)于HCl分子的相異構(gòu)想進行轉(zhuǎn)變。

五、結(jié)語

學生已有的經(jīng)驗、背景、語言、環(huán)境、教育經(jīng)歷的不同都會造成他們理解概念的角度和層次不同。學生在學習過程中往往會忽略宏觀現(xiàn)象背后的微觀解釋以及“宏觀—微觀—符號”三重表征之間的互相轉(zhuǎn)換。如果學生沒有適當?shù)脑兄R用以統(tǒng)整新的知識到其原有的知識結(jié)構(gòu)時，不管他聽或讀多少遍，這些知識都無法真正地被學生了解。[11]建構(gòu)主義心理學家認為，任何學習者都不能代替別人學習，學習者學習的過程是一種自主建構(gòu)的活動，只有當學習者自愿主動積極地建構(gòu)，才會有現(xiàn)實而具體的效果。在“化學鍵”授課結(jié)束后，再次對學生進行“有關(guān)HCl的認識”的測試，在參與測試的67位學生中仍然有2位學生覺得“HCl”是離子化合物。參與測試的67位學生中仍有5人認為“HCl”是由H+和Cl-構(gòu)成的。

對于這極少部分同學的相異構(gòu)想已經(jīng)不適合在課堂中進行統(tǒng)一的轉(zhuǎn)變，只有通過個別訪談、個性化輔導等方式，通過讓學生畫出思維導圖等方式使得學生內(nèi)隱的思維顯性化。我們只有知道學生在哪兒走上了“迷途”，我們也才能在那兒引領(lǐng)學生“重新步入正軌”，學生的相異構(gòu)想才能得以轉(zhuǎn)變。

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