基于“宏觀辨識與微觀探析”剖析化學概念中的相異構想及其轉變策略

董擁軍

摘要：化學概念是化學學科知識體系的基礎，化學學習活動一般都是從現象、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，在氧化還原反應概念及本質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想，實質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”有關的化學概念中的相異構想并提出了相應的轉變策略。

關鍵詞：化學概念;相異構想;“HCl”的認識;宏觀辨識;微觀探析;轉變策略

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象、化學事實經過比較、綜合、分析、歸納、類比等方法抽象出來的理性知識，它是已經剝離了現象的一種更高級的思維形態，反映著化學現象及事實的本質，是化學學科知識體系的基礎。[1]化學概念猶如人的骨架一樣，構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象、實驗事實上升為化學概念的學習開始。建構主義學習理論認為，學習者的學習過程是建構在原有的認知結構和知識經驗基礎上的，學習的過程是一個主體主觀積極建構的過程，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，在氧化還原反應概念及本質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，筆者發現學生對“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、谷黎芳等老師在關于化學鍵的學生調研中，發現學生“對于物質的構成微粒，出現的問題比較大，集中體現在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知道了什么，我們應當根據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“相異構想”有如下特點：廣泛性、自發性、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生的思維習慣，尤其是了解學生有關“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和前提，對提高學習者學習氧化還原反應概念及本質和化學鍵概念的建立過程有著重要的意義。

二、有關“HCl”認識的調查

1.被試

在研究有關“HCl”的相異構想中，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》中關于“HCl”在氧化還原反應概念及本質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）》學業質量標準編制“‘對有關HCl的認識的調查問卷”測試題。

對“有關HCl的認識”的調查問卷，見表2。

（1）你是否能區別“HCl”和“鹽酸”的不同？

A.能

B.不能

（2）你覺得“HCl”的組成是：

A.是HCl分子構成的

B.是由H+和Cl-構成的

（3）如果你覺得“HCl”是HCl分子構成的，理由是什么？

A.“HCl”在常溫下是氣體

B.液態“HCl”不導電

（4）如果你覺得“HCl”是由H+和Cl-構成的，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，可導電

D.H2與Cl2反應時，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.數據處理（本文所引用數據來源于“問卷星”）

三、基于“宏觀辨識與微觀探析”對上述數據的剖析

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

1.三重表征轉換產生的相異構想

根據Johnstone的觀點，化學學習包括從宏觀、微觀上理解物質的性質和變化，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，造成了許多相異構想產生于三重表征的轉換，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“氫氣與氯氣反應生成氯化氫”，在微觀上可表征為“氫分子與氯分子反應生成氯化氫分子”，但都不能說成是“生成鹽酸”或“生成鹽酸分子”。而在“Fe+2HCl=FeCl2+H2↑”應該表征為：鐵與鹽酸反應生成氯化亞鐵和氫氣，而不能表征為：鐵與氯化氫反應。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位學生不能區分“HCl和鹽酸”。

2.首因效應產生的相異構想

從心理學角度分析，相異構想含有學生對化學現象的首因效應，即第一印象會對后繼過程產生影響，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，填寫的表格中出現了：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-構成的”重要原因。

3.由聯系激化過程導致的相異構想

大腦會與經常見到的事物建立更加密切的聯系——記憶，如果所遭遇的陌生情境與曾經經歷過的以往情境有類似時，大腦更易建立起比較現實的聯系。學生在化學學習的過程中，經常接觸到的是“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的方程式更多，所以學生把“HCl”更多與“鹽酸”產生聯系而導致相異構想。

4.由加工流暢性導致的相異構想

由于大腦容量有限，不可能輕易地處理所呈現的一切信息，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構和經驗有差異，對于信息的敏感程度也一定存在著天壤之別，學習者更容易根據自己最順暢的線索去理解信息并建構新的知識結構。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“HCl”的問題時，會首先聯想到“鹽酸”所具有的性質。

5.由表面相似性導致的相異構想

在日常生活中，我們發現許多表面相似的事物具有相似的性質，這種經驗形成的“類推理論”容易誘使學生被外在的、非本質特征干擾。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，就籠統地概括所學的知識和規則，很容易因過度概括而形成相異構想。在氧化還原反應中一定存在著電子轉移，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）的物質是氧化劑。在“H2+Cl2=2HCl”反應中，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導致得出“H2與Cl2反應時，H2失電子，Cl2得電子”的相異構想。

7.由思維定勢導致的相異構想

學習者在處理一個新的問題時，傾向于在以往的認知結構和經驗中回憶，不斷探索出現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“HCl”只代表“鹽酸”的相異構想。

四、相異構想的轉變策略

1.提高“宏觀—微觀—符號”三重表征的轉換能力

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

為了減少學生三重表征轉換產生相異構想，需要加強學生將“符號”轉換成“微觀構成或粒子”再到“宏觀物質或現象”的過程，從單向的思維過程轉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“氫氣與氯氣反應生成氯化氫氣體”，在微觀上的意義為“氫分子與氯分子反應生成氯化氫分子”。

2.展示正確的化學用語表達，形成正向的首因效應

既然學生在學習化學時，第一印象會對后繼過程產生影響，第一印象最深刻，那么在教科書上出現的化學用語就應該盡可能地不讓人產生混淆，符號與宏觀物質或現象及微觀構成或粒子要盡可能地產生對應關系而不讓人產生誤解。所以在學生第一次接觸“鹽酸”時，應注明“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”的內容時，“2Na+Cl2=2NaCl”反應和“H2+Cl2=2HCl”的反應并不是這節課學習的重點。大多數教師在處理“2Na+Cl2=2NaCl”反應會附加講解：“鈉在氯氣中劇烈燃燒，反應生成大量的白煙，白煙就是氯化鈉固體小顆粒”;在處理“H2+Cl2=2HCl”反應時會附加講解：“氫氣在氯氣中燃燒，反應生成的是氯化氫氣體，在集氣瓶口與水蒸氣結合，呈現霧狀。”氯化氫是氣體，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合。在實驗“氫氣與氯氣”反應后，我們可以增設這樣的問題：“在集氣瓶內為什么沒有看到白煙？”“為什么白霧不在集氣瓶內生成？”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.引發學生宏觀性質與微觀構成上的認知沖突，培養學生“基于證據的推理能力”。

所謂認知沖突，就是學生對新實驗、新現象的認識與原有認知結構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構來同化對新知識的理解，當遇到不能解釋的現象時，就會引發認知沖突。[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”還不能很好地區分，學生還不能把“離子化合物”“共價化合物”與物質的性質（導電性和物質的狀態）形成良好的聯結。這時候展示“離子化合物”“共價化合物”與物質的性質（導電性和物質的狀態）的圖片（見表3）可引發學生的認知沖突[9]。

不管是物質的宏觀性質：物質的熔沸點和物質的導電性，還是探析物質的微觀構成：原子、分子、離子，都是我們尋找物質的宏觀性質與微觀構成之間關系的證據，也是我們推理“結構決定性質”的基礎。經學生討論得如下結論：（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、陽離子構成，之間的作用力較強——離子鍵。（2）熔沸點低的純凈物（單質或化合物）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，能形象表達命題網絡中一系列概念含義及其關系的圖解，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的概念圖，可以加強學生對核心概念內涵的理解和相關知識結構間邏輯關系的認識。在學習者已有原子結構知識的基礎上，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成物質，以及化學反應中物質變化的實質。

如圖1所示，可以從兩個視角分析關于“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，可以較好地對關于HCl分子的相異構想進行轉變。

五、結語

學生已有的經驗、背景、語言、環境、教育經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換。如果學生沒有適當的原有知識用以統整新的知識到其原有的知識結構時，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的活動，只有當學習者自愿主動積極地建構，才會有現實而具體的效果。在“化學鍵”授課結束后，再次對學生進行“有關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-構成的。

對于這極少部分同學的相異構想已經不適合在課堂中進行統一的轉變，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學生“重新步入正軌”，學生的相異構想才能得以轉變。

參考文獻

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