学生对化学键与分子间作用力的理解水平研究案例

　　摘要：总结学生学习化学键和分子间作用力所面临的障碍，介绍国外测查学生对化学键和分子间作用力理解水平的研究案例，分析研究案例对今后教学、评价、研究的启示。
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　　关键词：化学键；分子间作用力；学习评价；案例研究
　　文章编号：1005–6629（2014）1–0036–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
　　化学键和分子间作用力是化学教学的核心概念，因而需要深刻而全面的理解。然而，与化学键和分子间作用力相关的概念，例如共价键、分子、离子、晶格能和氢键都比较抽象。为了理解这些概念，学生甚至需要熟悉与化学键和分子间作用力相关的数学和物理概念，例如轨道、电负性和极性等。根据相关研究，化学键和分子间作用力被师生公认为是比较抽象、复杂、难以理解的概念，学生对化学键和分子间作用力的核心概念缺乏深入的理解。
　　1 学生学习化学键和分子间作用力所面临的障碍
　　学生学习化学键和分子间作用力存在的问题主要有：（1）混淆分子内的作用和分子间的作用，例如不会区分分子内氢键和分子间氢键[1]；（2）倾向于一般化的结论和死记硬背而不是科学的理解[2]；（3）通常使用伪概念，学生能正确使用相关的术语和概念答题，但不理解其真正的含义[3]；（4）倾向于绝对化的分类和不够全面的总结，例如涉及到微粒之间化学键的类型，习惯于要么纯粹是离子键，要么是纯粹的共价键或金属键[4]；（5）除了几种常见的物质，学生不能真正辨别物质的构成微粒和相互作用；（6）学生在化学键和分子间作用力的学习上存在一些相异概念（alternative conceptions）和迷思概念（misconception）[5]。具体见表1所示。
　　有研究表明，学生在化学键和分子间作用力学习上存在的诸多障碍，并不都来源于学习者的非正式经验和化学键概念本身的复杂性，部分源自于目前教师的教学方式以及评价方式。目前的教学反馈或评价诊断有些本身不够科学或很难检测出学生是否真正理解相关的概念，如以下两道高考题（以色列教育部组织的入学考试）[6]。
　　（1）问题和答案都不符合当前的科学研究
　　哪种材料有更高的熔点——BaCl2还是C（金刚石）？并说明你判断的理由。
　　答案：金刚石的熔点高于BaCl2的熔点，因为金刚石中碳原子之间的共价键比BaCl2中的离子键更强。
　　一直以来，化学家们认为这类问题是不相关的，因为学生需要比较不同类型晶体的熔点，但学生不能应用定性的理解来回答[7]。因此这种问题的回答仅仅建立在对化学键强度未理解欠科学以及过分归纳、记忆的基础上。
　　（2）问题和相关的答案建立在死记硬背的基础上，不能培养学生的科学思维
　　Cl2O的沸点比H2O2的沸点低，请解释这一事实。
　　答案：Cl2O的沸点比H2O2的沸点低，是因为H2O2分子间的氢键比Cl2O分子间的范德华力更强。
　　对这类问题，学生能回答并能得到高分。但是，会使用正确的术语并不能表明他们理解相关的概念，有研究表明，学生似乎依靠死记硬背来判断哪些元素能形成氢键[8]。
　　国内在化学键和分子间作用力的考查上存在着类似的问题。因而，一般而言，普通的问题并不能作为评价学生是否理解的诊断工具。尽管有时能揭示学生是否持有迷思概念，但并不能表征学生对核心概念的理解水平，因为学生通过应用死记硬背的术语也能提供正确的答案。
　　2 测查学生对化学键和分子间作用力理解水平的研究案例
　　为了考查学生对传统问题和新评价问题的回答，并判断学生对核心概念的理解水平，以色列学者Tami等人通过测验法，选取77名11年级学习化学的学生作为被试，对学生关于化学键和分子间作用力的理解水平进行了实验研究[9]。
　　先结合研究参与者（化学权威专家）的观点，制定学习目标、学习行为，在此基础上确立新的评价任务，然后设计用于判断学生对化学键和分子间作用力理解水平的测试题。
　　2.1 新评价方式的确立
　　研究的参与者包括优秀化学教师、化学教学领域的研究者、化学课程的开发者以及资深的化学家，通过科学论坛、集中小组讨论、深入访谈来了解收集相关信息。在（信息）数据收集过程中，应用了三角互证法。具体而言，为了减少研究解释的不确定性以及使研究结论无效性最小化，采用了不同的数据来源和多种数据收集方法。其具体过程如表2所示。
　　将科学论坛、深入访谈、集中小组讨论中收集的数据进行定性整理和分析，具体程序包括下面几个阶段：
　　（1）把每一份记录（录音和笔记）划分成单元，根据内容，对每一单元进行分类，例如：主要原理、核心概念、评价方法等；
　　（2）提炼更一般的主题，例如涉及化学键、学习目标或教学策略；
　　（3）根据选择的主题，对所有相关记录做好标记；
　　（4）寻找焦距：根据选择的主题，重新组织（做好标记的）数据内容；
　　（5）在已收集数据的基础上，坚持自己的主张，将有望促成对研究议题更好的理解。
　　结合科学家、优秀化学教师以及研究者的观点，制定了具体的化学键和分子间作用力学习目标，主要内容如下所述。
　　（1）提高对化学键的理解，化学键不能通过严格的定义或一分为二的分类来描述；
　　（2）根据库仑定律，所有的化学键和分子间作用力都是静电作用（加减相互作用）；
　　（3）化学键和分子间作用力存在一系列的范围，根据静电作用的强度，存在连续性；
　　（4）对于所有的化学键都是主要的原则与核心概念，例如引力和斥力、平衡点、键能、键长和电负性；
　　（5）培养科学地解释一些化学现象的能力，意识到定性模型可能解释一些现象，但并不能解释所有现象；
　　（6）知道如果要计算化学键相关的问题，量子力学是公认的科学使用的定量理论。 　　在集中小组讨论中，优秀化学教师根据学习目标开发了一套学习行为（表现）（learning performances），下面例举其中的一部分。
　　（1）用自己的语言解释化学键概念；
　　（2）指出给定的模型中化学键的类型并解释相应的特征；
　　（3）指出给定模型中最强或最弱的化学键并解释；
　　（4）例举与给定模型性质或现象相似的其他例子；
　　（5）画出与给定模型化学键相似的其他分子或晶体；
　　（6）知道化学键存在于不同的情境中；
　　（7）识别给定分子中包含最强或最弱电子密度的原子或原子团，然后解释；
　　（8）说出与给定结构相关的一类物质的特征，并解释相应的特征。
　　根据这些学习行为，确立新的评价方式。下面例举一个新评价问题。
　　a.在上面烧杯中分别画出在三种状态下的溴分子；
　　b.溴分子在液态和固态通过范德华力结合在一起，请用自己的语言解释这种相互作用；
　　c.溴分子中每两个溴原子通过共价键结合，解释分子内共价键与分子间相互作用的差异；
　　d.例举与溴分子存在相似的分子间相互作用的其他物质。
　　2.2 学生对化学键和分子间作用力理解水平的测试及结果分析
　　在新评价方式确立的基础上，设计用于测查学生对化学键和分子间作用力理解水平的测试题。总的包括7个开放性问题：4个传统问题，3个新评价问题。
　　将学生对传统问题（1-4）与相关的新评价问题（5-7）的测试结果通过卡方检验进行交叉检测，具体如下：
　　问题1和2与问题5（主题：氢键）；
　　问题2和3与问题6（主题：范德华力）
　　问题4和7（主题：晶体及其性质）
　　下面例举某个学生对问题1和5的回答：
　　问题1（传统问题）：哪种物质具有更高的沸点——LiF还是HF？说明理由。
　　学生回答：HF的沸点比LiF低，因为HF分子间的氢键比LiF离子晶体中阳离子和阴离子之间的静电作用要弱。
　　尽管这是正确答案，但不知道学生是否理解了什么是氢键，根据学生对问题5（新评价任务）的回答可以检测学生是否理解氢键。
　　任务5（a）：液态水和固态水，存在分子间的氢键，请用自己的语言解释什么是氢键。
　　学生回答：氢键就是N、O、F原子与H原子之间形成的分子间作用力，当H原子把电子给N、O、F原子时，氢键就形成了。
　　任务5（b）：例举存在氢键的其他分子化合物，解释氢键为什么存在以及怎样形成。
　　学生回答：我的例子是H2O2——在这个化合物中氢键存在于O2分子和H2分子之间。
　　从这个例子可看出，对于传统问题，学生能作出正确回答，也能说出氢键的概念，但并不理解氢键的真正含义。因为，H2O2分子中，没有O2分子和H2分子，更不可能氢键存在于O2分子和H2分子之间。其氢键在于一个H2O2分子中的氢原子与另一个H2O2分子中氧原子间所形成的分子间作用力。
　　将学生对化学键和分子间作用力理解水平的测试数据进行统计，其结果如表4所示。
　　从表4可知学生对传统问题与新评价问题的回答存在显著性差异。40%～70%的学生能成功回答传统问题，但在新评价问题中回答错误。相反，只有0～8%的学生在新评价任务中理解较好但不能成功回答传统问题。这些说明，在许多情况下，传统问题中尽管学生不理解潜在的核心概念，但能获得较好的成绩。同时也说明，新评价任务能检测学生更深水平的理解，学生需要在理解的基础上应用相关知识来回答问题。因而，新评价问题比传统问题更能诊断学生的理解水平。
　　3 研究启示
　　3.1 对教学的启示
　　3.2 对评价设计的启示
　　为促进和鼓励课堂教学采取有意义、促进学生概念理解的方式完成，评价就应考查学生对核心概念的理解。概念的理解主要表现在两方面[13]：一是概念之间的关联；二是新的情境下对概念的应用。若完全使用封闭式客观题，如判断、选择、填空等，无论学生的回答如何，都很难测查出学生的理解水平。对于教师来说，不了解学生的真实情况，就很难在教学过程中基于学生已有知识帮助学生建构新的知识框架，更谈不上帮助学生去修正、改变和完善学生头脑中已有的迷思概念。因此要考查学生对核心概念的理解，应当采用含有一定情境的开放式评价方式，如访谈、简答、任务报告、绘制概念图、真实情境下的问题解决等，这将有助于对学生关于核心概念理解水平的考查。
　　3.3 对教育研究的启示
　　由于研究发现传统的评价方式不能测查学生对核心概念的理解水平，因而需要一种新的评价方式。而上述案例中新评价方式的建构不是主观臆断，而是采用了定性研究。而定性研究所搜集的资料是描述性的资料，被称为“软资料”，是在自然场合下得来的资料，带有很大程度的模糊性和不确定性。为了减少研究的不确定性以及研究结论的无效性，研究者选取了多种数据收集来源（如科学论坛、集中小组讨论、深入访谈等）以及较多的不同类型的研究参与者（如优秀化学教师、化学教学领域的研究者、资深的化学家等）。此外，对研究收集的资料进行定性分析和整理的缜密程序，尤其是分析所得材料（一些化学专家的观点）的过程中，坚持自己的主张，否则很容易出现人云亦云或是迷信权威等不科学的做法。简而言之，在整个定性研究的过程中，研究者所采用的科学的分析方法值得我们借鉴。
　　综上所述，提高学生的科学素养是当前我国科学教育的一个基本目标，对科学概念的理解是科学素养的重要组成之一。学生科学思维能力的发展也需要以理解重要科学概念作为基础，因此以核心概念为代表的化学知识的教学与研究应该更多地关注学生对科学概念的构建和深层次的理解与迁移应用。 　　参考文献：
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