基于三阶试题的“化学平衡”学习困难分析

基于三阶试题的“化学平衡学习困难分析摘要：采用三阶试题诊断高中生“化学平衡知识学习成果，探查了学生的迷思概念与储藏缺乏的知识。研究发现学生过高评估自身化学平衡认知水平，知识缺乏主要在浓度、催化剂对化学平衡的影响；迷思概念主要表达在对化学平衡状态的判断、浓度与压强对化学平衡的影响、勒夏特列原理内涵的认识，对化学平衡体系中气体属性是否惰性、气体物质的量、气体浓度、气体压强等因素的认知的割裂性特征明显。关键词：三阶试题；化学平衡；迷思概念；知识缺乏文章编号：1005662920212002606中图分类号：G633.8文献标识码：B化学平衡是中学化学根底理论之一，是培养“宏观辨识与微观探析、“变化观念与平衡思想等核心素养的重要知识载体。但由于化学平衡囊括一系列抽象而内涵丰富的知识，对学生的能力要求较高，学生容易产生学习困难，造成对后续溶液中离子平衡学习的认知障碍。在化学教学中，教师只有准确探查出学生的学习困难，才能选择有效的教学策略及时补救或转变概念，促进学生的有意义学习。目前，对化学平衡学习困难的研究集中于探查迷思概念，发现了学生在“可逆反应、“化学平衡状态特征、“化学平衡移动方向、“化学平衡常数等知识点上存在迷思概念，如“认为可逆反应是钟摆式单向进行的，“将化学平衡混淆于静态的物理平衡等。已有研究主要是通过常规测验、二阶试题或规那么空间模型对学生解决问题结果的评判来揭示学生存在的迷思概念，但使用常规测验、二阶试题不能判断学生答复正确是由于掌握了知识还是猜测，容易造成迷思概念的过当评价1，2；而规那么空间模型具有复杂的数理公式，试题编制的难度大，且依赖于计算机程序的使用，难以在教学实际中推广3，4。近年国外科学教育逐渐兴起三阶试题的使用5，6，它能够有效弥补已有方法的缺陷，区分方法参考高中化学课程标准、教科书内容及已有研究，确定从可逆反应、化学平衡状态、化学平衡移动、化学平衡常数四个知识维度展开测试。记录“化学平衡教学过程，并通过对任课教师的录音访谈了解其发现的学生迷思概念，并抽取该化学学业成绩前、中、后各4名学生，进行半结构化晤谈以深入搜集迷思概念。随后，初步设计三阶试题。委请3位专家检核内容效度，修正后进行小范围预试50人，根据预试结果调整试题内容与数目，确定11道正式施测的三阶试题见表1。三阶试题第一阶为设有46个选项的化学平衡单项选择题。第二阶为第一阶问题答案对应的理由项，这些理由是科学模型以及来源于教师访谈、学生半结构化晤谈与文献中高频出现的迷思概念在具体问题情境下的变式，其中有一个空白选项方便学生表达不同于选项的想法。第三阶调查学生对前两阶问题的答复是否确定，评量学生的自信水平。图1展示了一道化学平衡三阶试题。使用化学平衡三阶试题对该教师任教的四个平行班施测，答题时间为40分钟。施测前已向学生说明研究目的在于了解化学平衡主题的学习情况，施测结果不列入学科成绩。发放试题205份，回收203份，回收率99.02%，有效样本197份，有效率97.04%。评阅试卷并将结果导入MicrosoftExcel2021与SPSS20.0。A.变深B.变浅C.不变D.无法判断3.2答复3.1题的理由是A.平衡正向移动，消耗NO2，NO2的浓度减小B.平衡不移动，消耗NO2的同时产生NO2，NO2的浓度不变C.平衡正向移动，消耗NO2，但最终浓度仍旧大于初始平衡的浓度D.平衡正向移动，消耗NO2，但无法判断充入量与消耗以下变量进行赋值11：1各阶分数：只要某阶答复正确赋值1，否那么赋值0。第三阶答复“确定赋值1，否那么赋值0。第三阶分数可表征学生的自信水平。可利用各阶分数对响应类型进行编码12，见表2。2前二阶分数：假设第一、二阶均答复正确赋值1，否那么赋值0。它将与第三阶分数用于评价试题的结构效度13。3三阶分数：假设前二阶均答复正确且第三阶答复“确定赋值1，否那么赋值0。4第一阶迷思分数：第一阶答复错误赋值1，否那么赋值0。5前二阶迷思分数：前二阶均答复错误赋值1，否那么赋值0。6三阶迷思分数：前二阶均答复错误且第三阶答复“确定赋值1，否那么赋值0。某题第一阶、前二阶、三阶的正确率或迷思比例可分别用该题第一阶、前二阶和三阶总分数或迷思分数与样本数N=197的商表征，其与响应类型比例的关系见图2。值得注意的是，此处“第一阶迷思与“前二阶迷思的内涵等同于传统单项选择题的“错误与二阶试题中的“错误/错误，“三阶迷思才对应“迷思概念响应类型。正确率与迷思比例将用于验证三阶试题的优势。2.3试题质量评价化学平衡三阶试题的第一阶、前二阶和三阶的Cronbach值分别为0.758、0.782和0.889，符合选择题测验的信度参照标准14，试题信度良好。试题的内容效度可用假正与假负的比例量化表征。各题假正、假负比例见表3。由表3可知，假正平均比例为5.68%，假负平均比例为4.89%，均小于10%，说明试题内容效度良好15。学生前二阶分数与第三阶分数的相关性可验证试题的结构效度。图3是前二阶分数与第三阶分数的相关性散点图。由图3可知，普遍地，在前二阶得分越高，自信水平越高。但也存在局部学生前两阶的分数偏低但仍旧自信的情况，其散点分布于图像的右下角，暗示了这些学生存在顽固的化学平衡迷思概念。学生前二阶分数与第三阶分数呈显著正相关，Pearson相关系数为0.530p对于化学平衡状态，10.15%的学生负迁移化学反应速率与计量数的关系的知识迷思概念2。16.75%的学生错误引申教学中总结的化学平衡状态的特征“定的内涵，不能在具体的问题情境下判断可逆反应是否到达了化学平衡状态迷思概念3。对于化学平衡移动，9.13%的学生在浓度对于化学平衡的影响出现学习困难迷思概念4，这主要是教科书与教学注重对宏观实验现象的感性认识而缺乏微观表征与符号表征引起的。11.17%的学生没有理解特定反应下只有改变各组分分压才能影响平衡状态迷思概念5。各有15.23%、14.21%的学生存在迷思概念6、7，说明学生不能正确推断平衡移动的效果，没有正确理解勒夏特列原理的内涵，再一次反映了学生没有充分理解可逆反应的“不完全性，这两个迷思概念是在以往研究未曾报道的。对于化学平衡常数，9.64%的学生将某种反应物的“转化率与“反应程度混为一谈，不理解某一温度下的平衡常数可对应多个化学平衡状态，不知道具体反应的化学平衡常数只与温度有关迷思概念10。2.03%的学生没有理解化学平衡常数公式中物理量的意义迷思概念11。此外，通过分析“假正比例大于10%的题5和题11发现，5.58%的学生错误建构化学平衡的前概念温度对化学反应速率的影响迷思概念8。6.60%的学生对催化剂的性质存在片面认识迷思概念9。前概念是建构新知识的生长点，虽然这两个强隐蔽性迷思概念未使学生在第一阶问题做出错误判断，但有碍于学生科学认识化学反应。在三阶试题诊断中，认定比例高于10%的具体的迷思概念为学生中主要存在迷思概念17，包括：利用浓度判断化学平衡状态迷思概念2，与气体压强相关的判断化学平衡状态与平衡移动效果迷思概念3、5、7，以及对勒夏特列原理内涵的理解迷思概念6、7。究其原因，在学生认知角度，学生对于化学平衡体系中气体属性是否惰性、气体物质的量、气体浓度、气体压强等因素的认知总体上是割裂的，还无法建立系统化的认知模型以认识上述因素之间的对立统一关系，因此导致了通过气体压强判断化学平衡状态与平衡移动的较大认知负荷。在教科书内容组织角度，人教版教科书只阐述了浓度与温度因素，缺乏对压强因素的探讨见图4；只涉及化学平衡常数的意义与表达式的简单应用，并不涉及其在平衡移动的应用，未充分表达化学平衡常数的教育价值18。在实际教学角度，虽然教师针对压强对化学平衡的影响有所补充，但偏重传授利用勒夏特列原理的定性推理，无视规律背后的量化本质。3结论与启示本研究编制了信度、内容效度与结构效度良好、难度中等的化学平衡三阶试题。利用三阶试题诊断学生的化学平衡的学习成果并分析学习困难。研究发现：1第三阶的正确率高于各阶正确率，显现出学生高估自身的认知水平的现象。2学生在4个知识维度均存在迷思概念与知识储藏缺乏，“可逆反应与“化学平衡常数知识建构相对准确。对化学平衡状态的判断、压强与浓度对化学平衡的影响以及勒夏特列原理的内涵存在相对较多的迷思概念；在浓度、催化剂对化学平衡的影响表现出明显的知识欠缺。3从迷思概念看，学生对化学平衡体系中气体属性是否惰性、气体物质的量、气体浓度、气体压强等因素的认知总体上是割裂的，化学平衡知识体系的建构缺乏整体性和系统性。根据研究结论，可以得出以下教学启示：1在发挥实验现象宏观表征优势的根底上，充分利用模拟动画等帮助学生从微观角度理解压强对化学平衡的影响。2重视化学平衡常数的支点作用，挖掘化学平衡常数的教育价值，帮助学生理解勒夏特列原理的内涵与适用范围。3化学原理类内容教学中，注重培养学生的科学推理思维倾向与能力，引导学生在学习过程中重视科学问题的情境性，重视科学推理过程的逻辑性，重视科学论述与表达2021.【2】邓阳，王后雄.利用二段式测验诊断高三化学复习中学生的迷思概念J.化学教育，2021，3112：4851.【3】李敏.基于RSM的化学平衡概念理解研究D.济南：山东师范大学硕士学位论文，2021.【4】辛涛，焦丽亚.测量理论的新进展：规那么空间模型J.华东师范大学学报教育科学版，2021，3：5056，61.【5】9111516HakiPe？man，AliEry？lmaz.DevelopmentofaThree-TierTesttoAssessMisconceptionsAboutSimpleElectricCircuitsJ.TheJournalofEducationalResearch，2021，1033：208222.【7】17ErdalTaslidere.DevelopmentandUseofaThree-tierDiagnosticTesttoAssessHighSchoolStudentsMisconceptionsaboutthePhotoelectricEffectJ.ResearchinScience&TechnologicalEducation，2021，342：164186.【6】9HarikaOzgeArslan，CeyhanCigdemoglu，ChristineMoseley.AThree-TierDiagnosticTesttoAssessPre-ServiceTeachersMisconceptionsaboutGlobalWarming，GreenhouseEffect，OzoneLayerDepletion，andAcidRainJ.InternationalJournalofScienceEducation，2021，3411：667686.8Hestenes，d.，I.Halloun.InterpretingtheForceConceptInventoryJ.PhysicsTeacher，1995，33：502506.12蘇金豆.三阶诊断工具的开展和应用技职学生化学平衡迷思概念评量J.科学教育学刊，2021，234：321352.13Cataloglu，E.DevelopmentandValidationofanAchievementTestinIntroductoryQuantumMechanics：TheQuantumMechanicsVisualizationInstrumentEB/OL.2021-8-10. 2021，326：2527.