“沉淀溶解平衡”认知结构测查及其学习困难分析

白洁+闫春更+寇向博+周青

摘要：采用流程图法探测高中生有关“沉淀溶解平衡”的认知结构，研究结果表明，学生的纸笔测验成绩与其认知结构的广度、丰富度、信息检索率分别显著相关；学习成绩较高的学生认知结构的完备性好、延伸性强、系统性强、抽象概括水平高；学生“沉淀溶解平衡”认知的主要错误集中体现在“平衡影响因素”及“沉淀溶解平衡常数”方面，最后给出了相应的教学建议。

关键词：沉淀溶解平衡；认知结构；学习困难；流程图法；教学建议

文章编号：1008-0546（2016）10-0002-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.10.001

一、提出问题

“沉淀溶解平衡”是人教版选修4《化学反应原理》第三章“水溶液中的离子平衡”第四节的内容。此前，学生已经学习了溶解度、化学平衡等知识，学习了从化学平衡的角度去分析弱电解质的电离、水的电离、溶液的酸碱性及盐类的水解等现象。由于沉淀溶解平衡知识在实际生活、工农业生产、科学研究中的应用十分广泛，加之沉淀溶解平衡知识本身涉及的知识储备较多，导致这一内容成为高中化学教学的重难点之一。

目前关于“沉淀溶解平衡”的教学研究主要集中在教学设计与反思、教学策略研究、知识分析与习题解答等方面，而对学生具体学习结果与困难的研究较少。刘瑞东在《高中生化学平衡迷思概念的调查研究》中对沉淀溶解平衡的迷思概念进行测查，得出学生的迷思概念集中于：学生单纯地认定只要是加入固体就不影响平衡系统内各溶质的浓度；难溶性盐类易电离或是以为盐类皆可溶；加入溶剂不影响平衡；以盐类中所含金属的活动性大小判断平衡移动的方向等[1]。许凯旋在其硕士论文中对沉淀溶解平衡的迷思概念以及来源进行分析，并给出相应的教学建议[2]。这些研究能够在一定程度上反映学生关于“沉淀溶解平衡”学习的真实情况，但大多是对学生认知的片段式、零碎化的反映，未能对学生的学习结果进行系统地表征和呈现，未能探查有关具体内容的认知结构结果与学生纸笔测验成绩之间的关系。因此，本研究针对学生有关“沉淀溶解平衡”的认知结构进行了测查，呈现了学生相关认知的图形化整体表征结果，比较了学生认知结构及其与纸笔测验成绩之间的关系，分析了学生存在的学习困难，并给出了针对性的教学建议。

二、研究对象与方法

1. 研究对象

本研究选取西安市某中学高三30名学生进行访谈录音及纸笔测验（在高三一轮复习结束一周后实施访谈录音）。测验涉及的学科知识内容为人教版高中化学选修4《化学反应原理》中的“沉淀溶解平衡”。

2. 研究方法

本研究采取流程图法[3-5]测查学生相关认知结构，其基本步骤如下。

第一步，访谈录音。提出不含任何提示性语言的三个问题：①关于沉淀溶解平衡你认为有哪些重要的知识点或重要概念？②你对以上所说的知识点或概念能不能描述更详细（具体）一些？③你能告诉我以上所说的知识点之间有什么联系吗？对学生的回答过程进行录音。

第二步，转录并绘制流程图。将学生的访谈录音转化成文字形式，并用顺序箭头和回归箭头分别表明其中的概念呈现顺序和概念重现关系（见图1）。例如，在学生1的流程图中，叙述5提及“沉淀溶解平衡的特征包括：逆、等、动、定、变”，叙述6、7、8、9分别对上述“逆”“等”“定”“变”进行了说明，即出现了“逆”“等”“定”“变”等信息的重现，因此有4个由叙述6、7、8、9指向叙述5的回归箭头。

第三步，基于流程图的变量统计和内容分析。变量统计涉及认知结构的五个核心变量即广度、丰富度、整合度、信息检索率、错误描述，内容分析主要从质性评价的角度对学生的认知结构进行评价。

三、结果与讨论

1. 个体认知结构差异分析

根据流程图计算认知结构变量的方法如下：①广度：用流程图中的知识点数目表示，即学生1、2、3认知结构广度依次为20、12、4。②丰富度：以流程图中回归箭头的总数来表示，如学生1认知结构的丰富度为17。③整合度：用[丰富度/（广度+丰富度）]的值来表示，如学生1认知结构的整合度为17/（17+20）=0.46。④错误数：出现错误叙述的知识点总数，如学生1认知结构的错误数为2。⑤信息检索率：表示被试回忆知识时的效率，用（广度/时间）的值表示。如学生1认知结构的信息检索率为20/191=0.104。

表1展示了3名学生“沉淀溶解平衡”认知结构变量的统计结果。

由表1可见，学生1“沉淀溶解平衡”认知结构的广度、丰富度、整合度、信息检索率均明显优于学生2、3，说明学生1“沉淀溶解平衡”的相关知识最为完备，知识间的联系丰富、整合度高，具有更高的信息检索效率即其认知结构的可利用性更强。

结合图1内容可见，学生1的认知遵循了（括号内为所包含的知识点数目）：沉淀溶解平衡的概念的内涵与外延（4）、基本特征（5）、影响因素（3）、平衡常数（6）、应用（2）的逻辑顺序，条理分明且覆盖知识点最为全面。学生1首先描述了对沉淀溶解平衡的轮廓性认识，即研究对象为难溶电解质，溶解度小，饱和状态，属于化学平衡等，这些轮廓性认识是学生建立清晰、稳固的“沉淀溶解平衡”认知结构的重要着力点，有助于学生将新旧概念相联系，通过清晰的逻辑关系与有意义的联系实现新知识结构的“自然生长”，也有利于学生完善或拓展对饱和溶液、化学平衡等知识的原有认知。学生1的认知结构中遗憾地出现了两条错误叙述，分别是对Ksp和Q的定义表述，均忽略了相关离子的系数。

学生2按照沉淀溶解平衡的概念内涵（2）、基本特征（1）、平衡常数（2）、影响因素（5）、应用（2）等顺序进行了表述，覆盖知识点较为全面但存在局部缺陷。与学生1相比，学生2认知结构并不存在明显的结构性缺陷，但存在认知结构的平衡性失调现象，即更多关注了沉淀溶解平衡的具体影响因素，较为忽视对概念内涵、平衡特征和平衡常数的认知。另外，同样是对于沉淀溶解平衡影响因素的认知，学生2更多地基于具体案例进行说明（如叙述7、8），相比之下，学生1的相关认知的抽象概括水平较高（如叙述11、12）。

学生3主要从沉淀溶解平衡的平衡常数（1）、影响因素（3）两方面进行表述，其认知存在较为明显的结构性缺陷，即对沉淀溶解平衡的概念内涵、基本特征、应用等内容没有明确的建构。与学生2相似，学生3对沉淀溶解平衡影响因素的叙述也对案例或情境的依赖性较强即抽象性水平略低，如叙述3“加水，平衡正向移动”其实是浓度因素的具体化体现，叙述4“绝大多数沉淀溶解为吸热过程，升温，平衡正向移动”同样关注了“大多数情况”“升温”这一情境或案例的具体结果。

从学生1、2、3认知结构的质性比较可见，学习成绩较高的学生（学生1）认知结构的完备性好、延伸性强、系统性强、抽象概括水平高；学习成绩中等的学生（学生2）认知结构的完备性较好、平衡性欠佳、抽象水平不高，存在局部认知缺陷；学习成绩较低的学生（学生3）认知结构的完备性差，较多的认识缺陷可能是导致其成绩低下的内在原因。

2. 认知结构变量和学业成绩的相关性分析

表2是用SPSS20.0软件处理的学生认知结构变量与学业成绩的相关性统计结果。

由表2可见，学生的学习成绩与其“沉淀溶解平衡”认知结构的广度、丰富度、信息检索率等变量分别显著相关。这说明具有高学业水平的学生对相应知识的掌握越完整、知识点之间的联系越多，从而越容易提取相关知识。结合图1中三名学生认知结构的质性比较可见，学生1认知结构中知识点数目多且联系紧密，其信息检索率明显高于学生2、3的主要原因在于其认知的条理性和清晰性更强。较高的信息检索率也是其认知结构可利用性的保证，即检索率越高的学生在问题解决中对相关知识的提取会更加有效，问题解决效果更好，成绩也更为突出。

学生认知结构的广度分别与丰富度、整合度、信息检索率等显著相关，导致这一结果的原因可能是由“沉淀溶解平衡”内容本身的特征决定的。“平衡特征”“平衡的影响因素”等均有明确的“团化”现象：即学生一旦能回忆起平衡的基本特征有“逆”“等”“动”“定”“变”，往往能进一步引出每个具体特征的表现；学生一旦能回忆起平衡的影响因素有温度、浓度，也往往会分别就温度、浓度因素进一步说明。上述知识点间的内在联系成为学生在回忆该领域知识时有效的“信息提取线索”，增强了其认知结构的可利用性。

3. “沉淀溶解平衡”认知结构的内容分析

对30名学生关于沉淀溶解平衡的认知结构流程图中的知识叙述进行归纳，统计结果如表3所示。

沉淀溶解平衡的特征：有56.67%的学生认知涉及沉淀溶解平衡的特征，总体比例不是很高。谈到“逆”这一特征的学生最多，其百分比为36.67%，但也有少数学生认为沉淀溶解平衡时不再有沉淀生成。可见，部分学生在对沉淀溶解平衡特征的认知中，不能很好地将宏观结果（静态的沉淀量）与微观本质（动态的沉淀溶解与沉淀生成的平衡）区分开来。

沉淀溶解平衡的影响因素：有86.67%的学生叙述内容涉及沉淀溶解平衡的影响因素，总体比例最高，说明学生对该类知识内容掌握丰富。其中提到温度、浓度影响因素的学生分别占70.00%、50.00%，但谈到温度、浓度对平衡的具体影响的学生较少，仅分别占43.34%、26.67%，且错误描述所占比例较大，而且部分学生谈到了压强和催化剂。其原因可能是学生将化学平衡的影响因素机械地迁移到沉淀溶解平衡的认知中，只注意到二者的共性而忽视了沉淀溶解平衡的特殊性；部分学生将平衡的影响因素与速率的影响因素混淆。在谈到温度对平衡的影响因素时不少学生默认了沉淀溶解为吸热的过程而得出“温度升高，平衡右移”的错误推论，只有少数学生能觉察到这一推论中隐含的逻辑错误，选择了诸如“温度升高，平衡向吸热方向移动”等概括性强而正确的表述方式。综上可见，学生对沉淀溶解平衡影响因素的认知受一般化学平衡知识的影响较大，且对沉淀溶解平衡的特殊性认识不足，学生倾向于记忆一些结论明确的知识点，但往往忽视了这些结论成立的条件（特定的情境）。

沉淀溶解平衡常数Ksp及相关知识：沉淀溶解平衡常数为Ksp，该模块教学要求学生掌握Ksp的计算与应用。从表3可知，有83.33%的学生叙述内容涉及沉淀溶解平衡常数Ksp及其相关知识，总体比例很高，但谈到Ksp计算的学生只占36.67%。有10.00%的学生认为“Ksp越大，沉淀的溶解度越大”，这说明学生对溶解度、溶度积常数概念间的关系不够清楚。

沉淀溶解平衡的应用：只有46.67%的学生叙述内容涉及沉淀溶解平衡的应用，总体比例较低。其中20.00%的学生叙述内容涉及沉淀的转化，16.67%的学生叙述内容涉及沉淀溶解平衡的其他应用，只有个别学生能联系生活实际，举例说明沉淀溶解平衡在生活生产中的应用。这说明很少有学生能够将知识与具体生活情境相联系，侧面反映了学生对知识的综合应用能力较差，这就要求教师在教学过程中应加强化学与生活的联系。

四、结论与建议

本研究通过对学生“沉淀溶解平衡”认知结构的测查，得出以下结论：①学生的纸笔测验成绩与其“沉淀溶解平衡”认知结构的广度、丰富度、信息检索率分别显著相关。②学习成绩较高的学生认知结构的完备性好、延伸性强、系统性强、抽象概括水平高；学习成绩中等的学生认知结构的完备性较好、 平衡性欠佳、抽象水平不高，存在局部认知缺陷；学习成绩较低的学生认知结构的完备性差，较多的认识缺陷是导致其成绩低下的内在原因。③学生“沉淀溶解平衡”认知的主要错误集中体现在“平衡影响因素”及“沉淀溶解平衡常数”方面。其原因主要有两方面：学生将一般化学平衡知识机械地迁移于“沉淀溶解平衡”学习中；学生倾向于记忆有情境背景的案例式结论性知识，但往往忽略这些知识其成立的条件。据此，提出以下若干教学建议。

（1）合理发挥前概念（或已有认知）的积极作用，尽量消除其不利影响。沉淀溶解平衡教学中，可以充分利用学生已有认知中“溶解度”“饱和溶液”“化学平衡”等概念，建立清晰而丰富的新旧概念间联系，准确把握沉淀溶解平衡的内涵与外延。同时，可采取多种策略强化学生对沉淀溶解平衡的特殊性认识，避免由一般化学平衡知识到沉淀溶解平衡知识的负迁移。

（2）积极创设教学情境的同时，重视提升学生认知建构的抽象性水平。积极有效的情境创设显然有助于学生对抽象知识的学习，但教学不仅应重视“抽象知识情境化”，更应该关注“情境知识抽象化”，二者兼顾方能让学生在顺利理解沉淀溶解平衡知识的基础上，合理地把握知识的本质，理解知识是怎样的以及为什么是这样。

（3）重视宏观与微观相结合的教学，重视学科理性思维与感性体验的融合。只有这样，才能更好地实现沉淀溶解平衡知识的教学价值，让学生在学科理性思维的发展中建构科学知识，在科学知识形成的体验中习得认识世界的学科视角和解决具体问题的学科素养，诚然，实现这一目标的最大挑战还在于有效教学资源的开发。

参考文献

[1] 刘瑞东. 高中生化学平衡迷思概念的调查研究[J].化学教育，2006（08）：44-47

[2] 许凯旋. 中学生关于水溶液中离子平衡迷思概念的探查[D].东北师范大学，2012

[3] O. Roger Anderson，Olive J. Demetrius. A Flow-Map Method of Representing Cognitive Structure Based on Respondents Narrative Using Science Content[J].Journal of Research in Science Teaching，1993，30（8）： 953-969

[4] Q. Zhou，T. Wang，Q. Zheng. Probing High School Students Cognitive Structures and Key Areas of Learning Difficulties on Ethanoic Acid Using a Flow Map Method[J]. Chemistry Education Research and Practice，2015，16，589-602

[5] Chin-Chung Tsai. Probing students cognitive structures in science：The use of a flow map method coupled with a metalistening technique[J]. Studies in Educational Evaluation，2001，27，257-268