四段式多项选择测试法在诊断中学化学相异构想中的应用

冯雅琪 魏梦雪

摘要：采用四段式多项选择测试法，以宁夏盐池县某中学高二年级99名学生为研究对象，诊断学生在“化学反应与热能”相关内容中存在的相异构想。结果显示，被试在“化学反应与热能”内容中共出现35个错误认识，其中有14个属于典型相异构想，对典型相异构想进行程度分析后发现有9个真性相异构想和5个假性相异构想，针对学生存在的问题，文章提出了解决问题的四项建议。

关键词：四段式多项选择测试法;相异构想;化学反应与热能

文章编号：1008-0546（2022）10-0012-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

一、问题的提出

化学反应与热能是高中化学学科的重要组成部分，是学生学习化学热力学知识的基础。由于该部分内容包含概念较多，且涉及“能量”这一抽象概念，学习过程中需要学生具有一定的抽象思维将宏观与微观联系起来，致使学生在学习基本概念和相关知识时，容易产生与科学概念不相符的理解，我们将这种与科学概念不一致的观念或想法称为“相异构想”。[1]相异构想的存在会阻碍学生科学概念的建立，对后续的学习效果造成不良影响，因此诊断并转变学生关于化学反应与热能知识中的相异构想是极为重要的。

当前，诊断学生相异構想最常用的工具之一是切尔格斯特（Treagust）提出的二段式诊断试题。国内已有不少研究者在关于相异构想的研究中使用二段式诊断测试法，如卢珊珊、毕华林利用二段式诊断测验探查了不同发展阶段的学生在“电解质”相关知识中相异构想的表现形式;[2]张雯雯采用二段式诊断法探查了高二年级处于不同学习水平学生在学习物质结构与性质知识的过程中存在的相异构想。[3]但这种诊断方法存在一定的缺陷，一般通过回答错误人数占总人数的比例高低来确定学生在相关内容中是否存在相异构想，不能对相异构想的性质和程度进行分析，无法辨别学生到底是因为缺乏知识，还是因为存在相异构想而选择错误，导致提出的教学策略针对性不强，相异构想的转变效果不佳。为使诊断结果更加准确，Caleon等人开发了四段式多项选择测试法，在二段式的基础上分别在答案段和原因段之后增加了信心指数段，即一个0%～100%的数轴，学生作答完后需要在数轴上标出回答问题时的自信程度，通过分析测试者所做的选择和信心指数程度来判断其相异构想的性质和程度。

综上分析，本研究旨在以四段式多项选择测试题为研究工具，诊断高二学生在化学反应与热能内容中存在的相异构想，并依据学生给出的信心指数分析相异构想的性质和程度，从而为相异构想的转变教学提供参考依据。

二、研究设计

1.测试题编制

本研究基于Treagust提出的“三阶段十步骤”的二段式测试题编制程序，对部分步骤进行了修改，制定出四段式多项选择测试题的编制程序。首先，对《普通高中化学课程标准（2017年版）》、人教版《化学必修二》和《化学反应原理》教科书中化学反应与热能的内容进行分析和整理，确定本次测查内容围绕吸热反应、放热反应、反应热、焓变、热化学方程式、能源、中和热、燃烧热、盖斯定律这九个核心概念展开，并建立知识概念图（见图1），确定化学反应与热能相异构想的具体诊断内容。

其次，通过查阅相关文献、课堂观察和教师访谈等方式，了解学生在学习中容易出错的知识点和相异构想，为编制四段式多项选择测试题提供依据。然后，建立测试内容与测验项目的双向细目表（见表1），根据双向细目表确定要探查的内容，从而保证两主题的一致性。最后，编制出“‘化学反应与热能四段式多项选择测试题（初稿）”，测试题由本专业的两位导师和有丰富教学经验的一线高中化学教师对测试内容的效度进行审核，根据各位导师和中学一线教师的意见对四段式多项选择测试题进行修改和完善，以保证测试内容的效度。

2.施测

研究以宁夏回族自治区盐池县某中学高二年级两个平行班的学生为测试对象，共99人，两班学生的化学成绩相近，均已完成化学反应与热能相关内容的学习，且未进入复习阶段。

本次共发放四段式多项选择测试题99份，回收有效试题99份，有效率100%。为确保学生能够如实给出信心指数评分，教师告知学生该测试只是一种诊断性测试，仅用于教育调研，不会将测试结果纳入考试成绩中。

三、调查结果分析

1.数据处理方法

在统计四段式多项选择测试题答案段和原因段的数据时，主要采用以下两种计分标准：（1）分别对答案段和原因段进行计分，正确计1分，错误计0分，不进行扣分;（2）当某一项目的答案段和原因段均正确时，可计1分，否则为0分，不进行扣分，满分9分。

2.测试题质量分析

使用MicrosoftExcel和SPSS23.0对本次测试结果进行统计分析，所有被试的总分介于0～9分之间，平均得分为4.9分，说明该测试题对被试来说具有一定的难度。由检测结果表明，本研究中四段式多项选择测试题的克隆巴赫系数为0.702，大于0.7，说明该测试题信度较好。

3.数据分析

在相异构想的诊断研究中，不仅要关注学生对相关科学概念的掌握情况，更要注重学生所选答案与其自信程度是否相匹配。表2统计了四段式多项选择测试题中每个项目的正确率和信心指数，当同时考虑答案段与原因段时，项目的正确率在29.29%～72.73%之间，平均正确率为54.32%，说明测试卷具有一定的难度和区分度，为研究的准确性提供了支持。与此同时，测试对象的正确信心指数在57.56%～82.88%之间，平均值为70.72%，信心指数不是很高，说明学生虽然回答正确，但对自己的选择缺乏信心，出现了“低信心指数正解”的情况;错误信心指数在44.17%～72.05%之间，平均值为60.26%，且有三分之二的项目其平均信心值高于50%，表明学生虽然回答错误，但对自己的选择充满信心，出现了“高信心指数错解”的情况。通过分析项目中学生回答错误的选项组合、人数比例和平均信心指数，发现学生共出现35个错误认识，说明利用四段式多项选择测试法能够有效地诊断出学生头脑中与科学概念不符的想法，也表明大部分学生并没有完全掌握“化学反应与热能”的相关知识，仍然存在较多困惑。

但是，学生的错误认识并不都属于相异构想，学生因为缺乏知识或通过猜测回答错误的情况就不属于真正的相异构想。为了区分相异构想的性质，我们利用测得的信心指数将探查出的相异构想分为真性相异构想和假性相异构想。Tan在研究中指出，多项选择测试中项目的每个选项都有被随机选中的概率，当某个选项或选项组合的选择率比其被随机选中的概率高10%时，那么该选项或选项组合涉及到的相异构想就属于“典型相异构想”[4]。Caleon对典型相异构想做了更详细的划分，将平均信心指数大于或等于50%的归为“真性相异构想”，将平均信心指数小于50%的归为“假性相异构想”[5]。假性相异构想通常是由于学生缺乏知识或猜测错误而造成，经过及时的教学可以很快转变。但真性相异构想比较顽固，转变的难度比较大，需要教师长期采取合适的教学方法和教学策略加以转变。因此，辨别探查出的典型相异构想属于“真性相异构想”还是“假性相异构想”对实际教学具有重要的意义。

本研究中的四段式多项选择测试题均由选择题构成，每个项目中答案段和原因段分别有4个选项，共16种不同的组合方式，其中随机选中每种组合的概率为6.25%，当错误选项组合的选择率高于16.25%时，将其划分为“典型相异构想”。对数据进行分析后，將诊断出的35个错误认识进行了划分，共存在14个典型相异构想（见表3），其中有9个平均信心指数大于或等于50%的真性相异构想和5个平均信心指数小于50%的假性相异构想。

通过表3可以看出，学生关于化学反应与热能的知识学习上存在较多问题，在判断化学反应类型、反应热与物质能量及键能的关系、能源、热化学方程式、燃烧热、中和热和盖斯定律这7方面的知识中存在不同程度的相异构想，下面本文将分别从这7个方面探查出的相异构想进行讨论。

（1）化学反应类型的判断

在有关判断化学反应类型的项目中，共探查出1个典型相异构想，其平均信心指数为64.17%，为真性相异构想。有18.18%的学生认为“能量升高的物理变化属于吸热反应”，把液态水汽化过程中发生的能量变化视为反应热，不清楚反应热是描述化学反应热量变化的量，简单地认为只要变化过程中能量升高即属于吸热反应，实际上物理变化中发生的能量变化不属于反应热。

（2）反应热与物质能量及键能的关系

在有关能量、键能与反应热关系的项目中，共探查出2个典型相异构想，其平均信心指数分别为60.42%和50.00%，均属于真性相异构想。有18.18%的学生认为“ΔH=生成物总键能—反应物总键能”，将利用键能和利用物质能量计算ΔH的公式发生了混淆，认为利用物质能量计算ΔH时需要用生成物总能量减反应物总能量，则使用键能计算ΔH时也要用生成物总键能减反应物总键能。另有22.22%的学生认为“物质具有的能量越高，物质越稳定”，没有理解物质具有的能量和物质稳定性之间的关系，受到以往生活经验的影响，想当然地认为能量越多物质稳定性越好。实际上，一般物质具有的能量越低，物质越稳定。

（3）能源

在有关能源的项目中，共探查出1个典型相异构想，其平均信心指数为71.82%，属于真性相异构想。有22.22%的学生认为“水力是二级能源，需要依靠其他能源的能量间接制取”，不清楚水力获取的形式，水力是直接来自自然界的能源，属于一级能源。而造成许多学生不能区分能源类型的原因是大多数教师认为这部分内容在高考中考查较少，不重视能源相关内容的教学。

（4）热化学方程式

在有关热化学方程式的项目中，共探查出3个典型相异构想，其平均信心指数分别为60.50%、73.96%和68.16%，均属于真性相异构想。有20.20%的学生认为“可逆反应热化学方程式中焓变的大小与实际焓变的大小相同”，不清楚可逆反应的热化学方程式中焓变表示的是完全反应后的反应热，或者忽略了在实际反应中可逆反应的反应物不能完全反应的这一特点，实际上可逆反应反应热的绝对值小于焓变的绝对值。有24.24%的学生认为“热化学方程式的化学计量数发生改变时，ΔH不变”，不理解焓变单位中“mol-1”的含义，ΔH的单位kJ·mol-1中每摩尔是指每摩尔反应，所以当热化学方程式中的化学计量数发生变化时，ΔH也应随之发生相同倍数的改变。有19.19%的学生认为“热化学方程式中的化学计量数表示粒子数目”，没有把化学方程式和热化学方程式中化学计量数表示的意义区分开来，认为二者的化学计量数都表示粒子数目。实际上，化学方程式中化学计量数表示物质的量或微粒个数，只能是整数;而热化学方程式中化学计量数只表示物质的量，可以是整数，也可以是分数。

（5）燃烧热

在有关燃烧热的项目中，共探查出3个典型相异构想，17.17%的学生认为“碳完全燃烧生成的稳定氧化物是CO”，其平均信心指数为57.06%，为真性相异构想;18.18%的学生认为“氢气完全燃烧生成的稳定氧化物是气态水”，其平均信心指数为42.64%，属于假性相异构想，上述两种情况说明很多学生都不清楚物质完全燃烧后形成的稳定化合物到底是什么。实际上，CO2是碳完全燃烧后形成的稳定氧化物，液态水是氢气完全燃烧后形成的稳定氧化物。另有23.23%的学生认为“燃烧热的热化学方程式中可燃物的化学计量数不一定为1mol”，其平均信心指数为43.26%，为假性相异构想。这部分学生没有将燃烧热的热化学方程式与物质燃烧的热化学方程式区分开来，以为两者是相同的。燃烧热的热化学方程式中，可燃物必须为1mol;而物质燃烧的热化学方程式中，可燃物不一定是1mol。

（6）中和热

在有关中和热的项目中，共探查出2个典型相异构想，22.22%的学生认为“稀的强酸和强碱发生反应生成水时放出的热量为57.3kJ”，其平均信心指数为50.45%，属于真性相异构想，这部分学生不清楚中和热的概念中强调生成水的量必须为1mol。23.23%的学生认为“稀的酸和碱反应生成1mol水时放出的热量是中和热”，其平均信心指数为44.89%，属于假性相异构想，这部分学生不知道产生中和热的酸和碱必须是强酸和强碱，同时反映出学生没有掌握弱酸和弱碱在水溶液中电离会吸热的性质。

（7）盖斯定律

在有关盖斯定律的项目中，共探查出2个典型相异构想，其平均信心指数分别为36.63%和45.69%，均属于假性相异构想，说明大部分学生并没有掌握利用盖斯定律计算反应热的知识。有20.20%的学生认为“利用盖斯定律计算反应热只需根据目标方程式中各物质的位置调整反应方向”，不知道还要依照目标方程式中各物质的化学计量数对已知方程式进行处理。另有18.18%的学生认为“利用盖斯定律计算反应热只需根据目标方程式对化学计量数进行调整”，不知道还要依照目标方程式中各物质的位置调整反应方向。

从上述分析结果来看，学生在关于化学反应与热能的知识内容上掌握情况并不理想，尤其是在反应热与物质能量及键能的关系、热化学方程式、燃烧热、中和热和盖斯定律这几方面的知识上存在的典型相异构想较多，需要教师在实际教学过程中重点关注这几部分内容的讲解，采用合适的教学方法和教学策略，帮助学生建立科学概念，减少相异构想的形成。

四、研究结论与建议

针对四段式多项选择测试题诊断出高二学生在化学反应与热能中存在的典型相异构想，提出如下教学建议：

1.采用对比辨析策略，帮助学生理解概念内涵

学生在学习反应热与焓变、燃烧热与中和热以及能源的相关知识时，教师可以用表格归纳的方式对反应热和焓变、燃烧热和中和热及能源的分类进行对比教学，理清它们之间的区别与联系，从而达到建立科学概念的目的。此外，通过诊断发现部分学生容易混淆化学方程式和热化学方程式，因此教师在教授热化学方程式的内容时也可以通过对比教学帮助学生区分两者的异同。

2.利用类比教学策略，将抽象知识具体化

在物质能量、键能与反应热关系内容的讲解上，教师可以采用类比策略，将物质具有的能量比作山坡上的石头，将键能比作爬山距离，从而得出“键能越大，物质具有的能量越低，物质就越稳定”的结论，把抽象的知识具体化，使知识变得通俗易懂，减少学生相异构想的形成。

3.运用思维导图，帮助学生形成解题思路

应用盖斯定律计算反应热是教学的难点，由于这类型题目计算过程繁杂，学生稍有不慎就会计算错误，所以教师在进行教学时可以利用思维导图这一可视化工具，对反应热的不同计算方法、计算步骤进行可视化表征，使学生清楚利用盖斯定律计算反应热的过程，从而通过练习进一步巩固学生对盖斯定律的应用。

4.应用概念图策略，促使学生构建完整知识体系

化学反应与热能的相关内容中涉及到的化学概念较多，在进行复习时教师可以为学生提供概念图框架让学生对概念图中空缺内容进行补充和完善或让学生自主绘制概念图，从而加强学生对概念的理解，提供学生对知识的整合能力。

參考文献

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[2]卢姗姗，毕华林.化学学习中“电解质”概念相异构想的跨年级研究[J].化学教育，2013，34（12）：36-40，49.

[3]张雯雯.高中生物质结构概念相异构想的调查及转化策略研究[D].南京：南京师范大学，2017.

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[5]Caleon I，Subramaniam R.Do Students Know What TheyKnow and What They Do Not Know？Using A Four-tier Di-agnostic Test to Assess the Nature of StudentsAlternativeConception[J].Research in Science Education，2010（40）：313-337.