核心素养导向下初中化学心智模型的测评

欧廉　杨发福　高兴远　刘振威

摘要： 基于《义务教育化学课程标准（2022年版）》提出的化学观念和科学思维核心素养，采用二段式纸笔测验和半结构访谈的方法，分别围绕质量守恒定律的概念、质量守恒的原因、化学方程式表示的意义、质量守恒定律的应用等4个维度对初三学生持有的“质量守恒定律”心智模型进行测评，根据学生的知识缺陷归纳9种缺陷模型，并提出相关教学建议，促进学生化学观念和科学思维核心素养的发展。

关键词： 初中化學； 化学观念； 科学思维； 质量守恒定律； 心智模型

文章编号： 10056629（2023）10001205 中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 问题的提出

《义务教育化学课程标准（2022年版）》提出要培养学生的核心素养，包括化学观念、科学思维、科学探究与实践、科学态度与责任［1］。落实核心素养是实现化学学科育人价值的必然路径，为使之更好地落实到位，需对学生素养发展情况作出评价。文献研究表明，通过心智模型诊断学生核心素养发展情况是一种有效方式［2，3］。心智模型是一种抽象的心理概念，是个体对外界认识形成的一种解释，包括科学的解释和非科学的解释［4］。心智模型包括科学模型和缺陷模型两大类型，科学模型指教师、专家等科学工作者或团体在某一现象、概念、理论等方面达成一致或类似认识的心智模型，缺陷模型指学生头脑中存在知识内容错误或知识要素缺失的心智模型［5］。心智模型的测查能很好地诊断学生核心素养发展状况，深入推进教、学、评一体化，更好地提升学生的核心素养。

化学观念和科学思维居于基础性的地位，对科学探究与实践和科学态度与责任的培养具有先导支撑作用［6，7］。因此，如何结合化学学科基础知识培养初中生的化学观念和科学思维已迫在眉睫。质量守恒定律是化学基础学科知识和核心概念，能够引导学生从量的角度认识化学反应，理解定性与定量的相互转化［8］，有助于学生发展分析、推理、计算等科学思维，形成微粒观、守恒观、定量观、变化观等化学观念，进而促进核心素养的发展。基于此，本研究以质量守恒定律为载体，探索化学观念和科学思维核心素养下的心智模型，厘清学生对知识的理解建构过程，分析学生的错误认知和学习困难，以期为教师改进教学提供参考。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

选取广东省广州市花都区某省级一级中学（该校为广东省广州市的重点学校之一，整体处于本市中等偏上水平）初三年级两个普通班的90名学生作为研究对象，这两个班在月考中化学平均分较接近，均高于年级均值线。

2.2 研究方法

采用二段式纸笔测验和半结构访谈相结合的方法测查学生关于质量守恒定律的心智模型。试卷设计前期根据相关文献确定试卷的维度，分别是质量守恒定律的概念、质量守恒的原因、化学方程式表示的意义、质量守恒定律的应用等四个维度［9～11］，并结合布鲁姆认知领域教育目标确定试卷编制的双向细目表［12］，见表1。

试卷采用选择题形式，共6题，每题2分。二段式纸笔测验由两部分组成，第一部分为回答段，学生根据题目内容答题，目的是考查学生对知识的掌握程度；第二部分为理由段，学生根据回答给出作答理由，目的是考查学生对知识的理解程度，为更好地把握学生对知识的理解情况，理由段被设置为选择该选项的理由和不选择其他选项的理由。试题以质量守恒的原因维度中的题目为例：

物质在发生化学反应前后肯定没有变化的是（）。

① 原子数目 ② 分子数目 ③ 原子种类 ④ 分子种类 ⑤ 元素种类

⑥ 物质种类 ⑦ 原子质量 ⑧ 元素质量 ⑨ 物质总质量

A. ①③⑤⑥⑦⑧⑨B. ①③⑤⑦⑧⑨

C. ①②③⑤⑦⑧⑨D. ①③④⑤⑨

选择该选项的理由是：_________。

不选择其他选项的理由是：_________。

在试卷编制过程中，向多位化学教学论专家与中学一线优秀教师询问意见，根据意见进行多次修改和完善，保证试卷的效度。最终得到的试卷在90名学生中进行试测，试测结果显示试题的一致性信度系数α为0.798，基本满足研究需要。二段式纸笔测验考查学生对知识的具体认知情况，在学生测试完成后，对测试结果进行分析与统计，总结归纳学生形成的错误认知，并针对学生在二段式纸笔测验中错误率较高和理由段阐述较模糊的问题，设计半结构访谈提纲，指定15名学生进行访谈，通过访谈了解学生对知识的建构情况，进而测查出学生的心智模型。半结构访谈提纲以质量守恒的原因维度为例：

在质量守恒定律中，你认为分子数目______（回答“可能发生变化”或“肯定不发生变化”或“一定发生变化”），为什么？分子种类______（回答“可能发生变化”或“肯定不发生变化”或“一定发生变化”），为什么？物质种类______（回答“可能发生变化”或“肯定不发生变化”或“一定发生变化”），为什么？

3 研究结果与讨论

二段式纸笔测验安排时间为学生学习完质量守恒定律后，以试卷的处理结果为基础，结合半结构访谈的内容，最终以文本的形式呈现、分析和归纳学生的心智模型。

3.1 “质量守恒定律的概念”的心智模型

“质量守恒定律的概念”的心智模型分析结果如表2所示。58.89%的学生持有科学模型。此外，学生还形成了两种不同的缺陷模型，20.00%的学生持有质量不守恒缺陷模型，他们难以理解质量不变的深层原理，不会具体分析化学反应过程中的质量守恒，如10g水受热变成10g水蒸气，则认为遵循质量守恒定律；而纸燃烧后变成灰烬，质量变小，则认为不遵循质量守恒定律，忽视质量守恒定律的前提是只适用于化学变化，而不适用于物理变化。21.11%的学生持有变化混淆缺陷模型，他们不能正确区分物理变化与化学变化，如认为蔗糖溶于水后得到的糖水是新物质，将该变化分析认为是化学变化，这说明学生对化学变化和物理变化的本质特征与区别掌握不够全面，不能准确分析化学变化中产生的新物质，对物质变化观的认识不够透彻。由此可见，变化观存在缺陷和分析能力不足会影响学生对质量守恒定律概念的理解，因而，教师应注重培养学生化学观念中的变化观和科学思维中的分析能力。

3.2 “质量守恒的原因”的心智模型

“质量守恒的原因”的心智模型分析结果如表3所示。61.11%的学生持有科学模型。此外，学生还形成了两种不同的缺陷模型，26.67%的学生持有物种守恒缺陷模型，他们根据化学反应中原子种类与元素种类不变，推理出物质种类不变的错误结论，对物质种类与原子种类、元素种类的关系认识不清，没有理解宏观物质种类的意义。12.23%的学生持有分子守恒缺陷模型，他们根据化学反应中原子种类和数目不变，类比得出分子种类和数目也不变的错误结论，未正确把握化学变化的微观实质，忽视了在原子重新组合过程中分子数目可能会发生改变。持有这两种缺陷模型表明他们已经掌握化学变化中原子数目与种类等不变，但是没有理解物质、分子、原子之间的相互联系，未把握化学变化的微观和宏观实质，从而进行错误推理、类比，对物质微粒观的认识不够透彻。由此可见，微粒观存在缺陷和推理、类比能力不足会影响学生对质量守恒原因的理解，因而，教师应注重培养学生化学观念中的微粒观和科学思维中的推理、类比能力。

3.3 “化学方程式表示的意义”的心智模型

“化学方程式表示的意义”的心智模型分析结果如表4所示。84.44%的学生持有科学模型。此外，学生还形成了两种不同的缺陷模型，4.44%的学生持有符号表述模糊缺陷模型，他们把化学方程式中的符号“+”错误读作“加”，符号“”错误读作“等于”，这说明学生对这些符号表述仅停留在数学层面的认识，缺少化学层面的准确理解。11.11%的学生持有质量关系缺陷模型，他们把质量关系与化学计量数直接联系，忽视了相对分子质量（或相对原子质量），这说明学生还没有建立起利用相对分子质量（或相对原子质量）来计算、理解质量关系的思维方式，对物质定量观的认识不够透彻。由此可见，定量观存在缺陷和计算能力不足会影响学生对化学方程式表示意义的理解，因而，教师应注重培养学生化学观念中的定量观和科学思维中的计算能力。

3.4 “质量守恒定律的应用”的心智模型

“质量守恒定律的应用”的心智模型分析结果如表5所示。76.67%的学生能够应用质量守恒定律确定某物质组成元素种类。23.33%的学生持有思维定势缺陷模型，他们知道化学反应中元素种类不变，但受物质与氧气反应的影响，持有惯性思维认为有氧气参加反应，忽视题目条件是隔绝空气的密闭环境，从而错误推理出该反应物的组成元素。由此可见，推理能力不足会影响学生对质量守恒定律应用的理解，因而，教师应注重培养学生科学思维中的推理能力。

82.22%的学生能够应用质量守恒定律准确推断反应物或生成物的化学式。4.44%的学生持有思维定势缺陷模型，他们知道化学反应中元素种类不变，推理出该物质含有氮元素，但是忽视原子个数不变的相关计算，直接用固有思维错误认为该物质是常见的氮气。13.33%的学生持有计算错误缺陷模型，他们知道化学反应中原子种类和数目都不变，但是计算过程出现错误，从而得不到准确答案。即学生不能完全掌握守恒观的原理，对物质守恒观的认识不够透彻。由此可见，守恒观存在缺陷和计算能力不足会影响学生对质量守恒定律应用的理解，因而，教师应注重培养学生化学观念中的守恒观和科学思维中的计算能力。

78.89%的学生能够应用质量守恒定律确定反应物与生成物，计算它们反应前、反应后和变化的质量，并判断反应的基本类型。21.11%的学生持有质量混淆缺陷模型，他们会计算物质反应前、反应后和变化的质量，但对反应后的质量和变化的质量辨别不清。另外，他们不会根据各个物质反应前后的质量确定反应物与生成物以及推理反应的基本类型，这表明他们没有完全理解化学反应中反应物质量变少、生成物质量变多的过程，从而不会推理反应的基本类型。由此可见，推理能力不足会影响学生对质量守恒定律应用的理解，因而，教师应注重培养学生科学思维中的推理能力。

4 结论与建议

综上，学生在“质量守恒定律”内容学习中，共持有9种缺陷模型，这些缺陷模型涉及到变化观、微粒观、守恒观、定量观等化学观念和分析、推理、类比、计算等科学思维核心素养，基于此提出如下教学建议，有的放矢地针对学生的缺陷模型进行完善，促进学生化学观念和科学思维核心素养的提升。

4.1 动画与模型培养微粒观和守恒观

针对物种守恒、分子守恒、思维定势、计算错误这四种缺陷模型，通过播放水的电解微观动画视频，引导学生从分子、原子的微观角度进行探析。另一方面，用卡纸模型演示水的电解微观过程［13］，学生亲自动手演示，感受分子分解为原子、原子重新组合成新的分子的过程。同时，提醒学生注意此过程中分子、原子的个数变化，巩固学生的分析、计算思维能力，使学生能主动阐述分子种类、物质种类的变化，内化学生的理解，完善学生的微粒观和守恒观。

4.2 微观示意图与思维框架图培养定量观

质量关系、质量混淆这两种缺陷模型说明学生对定量观的理解较为模糊，教师可以利用微观示意图与思维框架图培养学生的定量观，从而重构科学模型。例如，根据水的电解微观示意图，引导学生结合相对分子质量（或相对原子质量）计算反应前后的质量，揭示化学变化遵循质量守恒定律的本质［14］。同时引导学生使用思维框架图分析反应前后各自的质量以及变化情况［15］；又如，在进行铁与硫酸铜实验探究时，引导学生逐一分析反应前后所有物质的总质量，把各个物质的质量用思维框架图罗列出来，在实验探究中发展学生的推理思维能力。通过思维框架图分析物质的质量，学生会更清楚反应后的质量和质量变化的区别，也会更容易掌握反应物质量变少、生成物质量变多的变化过程，完善学生的定量观。

4.3 化學实验与生活情境培养变化观

针对质量不守恒、变化混淆这两种缺陷模型，引导学生分析和理解质量守恒原理，启发学生探讨纸燃烧后质量变轻、镁条燃烧后质量变重等质量发生变化的原因，促进学生理解所有化学变化都遵守质量守恒定律，并在学习化学变化与物理变化时，创设真实情境，加强化学与生活的联系［16］，引导学生从生活现象出发理解化学变化与物理变化，以生活事例促进学生变化观的形成，理解化学变化的本质特征，完善学生的变化观。

4.4 化学游戏巩固化学科学思维

针对符号表述模糊缺陷模型，强化学生的化学思维，有意识地在教学过程中强调化学方程式中“+”和“”的含义，引导学生区分清楚它们在化学与数学方程式中的不同含义，并且利用扑克牌游戏指导学生找出相应的化学物质组合成化学方程式［17］，在游戏中加强学生对符号含义的理解和记忆，充分调动学生思维积极性，渗透化学科学思维。

总之，本文以质量守恒定律为例，归纳9种缺陷模型，并提出相应的教学建议，促进学生化学观念和科学思维核心素养的发展。教无定法，在实际的教学过程中，学生的心智模型在不断地发展，教师要多观察、分析学生学习过程中存在的问题，及时进行心智模型总结，根据学生的具体情况，有针对性地改进教学，促进学生化学学科核心素养的发展。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022： 5.

［2］杨梅. 高中化学实验探究教学中证据推理心智模型建构的实证研究［D］. 兰州： 西北师范大学硕士学位论文， 2021： 66.

［3］周慧智. 建构有机化学心智模型 渗透核心素养培养——以苏教版《化学2》专题3教学为例［J］. 中学化学， 2020， （2）： 4～7.

［4］Rickheit， G.， Sichelschmidt， L. 1 Mental Models： Some answers， some questions， some suggestions ［J］. Advances in Psychology， 1999， 128（99）： 9～40.

［5］杨南南， 闫春更， 白洁， 张聪杰， 张晖英， 周青. 高中生“芳香烃”心智模型的测评及其教学启示［J］. 化学教育（中英文）， 2021， 42（5）： 45～49.

［6］吴丛铎. 单元复习课中养育化学学科观念的教学策略——以初中“化学方程式”为例［J］. 化学教学， 2017， （7）： 41～44.

［7］吴星. 全面提高学生义务教育化学课程所要培养的核心素养——《义务教育化学课程标准（2022年版）》解读（一）［J］. 化学教学， 2022， （9）： 3～8.

［8］胡巢生. 基于学科核心素养的初中化学教学设计——以“质量守恒定律”为例［J］. 化学教学， 2018， （2）： 45～49.

［9］陈义海. 初中化学中的质量守恒定律及其教学应用［J］. 教育观察（中下旬刊）， 2014， 3（21）： 72～73.

［10］张娜. 初中生质量守恒定律认知障碍探查研究［D］. 石家庄： 河北师范大学硕士学位论文， 2019： 5～6.

［11］闵乔. 初中化学学困生质量守恒定律问题解决中思维障碍的诊断［D］. 武汉： 华中师范大学硕士学位论文， 2018： 22～23.

［12］陈雪娟， 陈龙朱. 布鲁姆目标分类法的单元实验教学实践——以“追寻黄铜之旅”为例［J］. 教育与装备研究， 2023， 39（01）： 57～60.

［13］顾杰， 李艳妮， 冯默， 王颖臻， 杨艳华. “素养为本”的初中化学单元教学设计——以《自然界的水》为例［J］. 云南化工， 2023， 50（2）： 208～213.

［14］郑秀明. 学科核心素养视域下的“质量守恒定律”教学再思考［J］. 中小学实验与装备， 2021， 31（6）： 4～7.

［15］钱海如， 赵华. 初中阶段守恒观构建的“进阶模型”研究——从“质量守恒定律”说起［J］. 化学教学， 2017， （8）： 25～29.

［16］姚鳳凤， 刘艳， 周青， 闫春更. 高中生“醛”心智模型的测评［J］. 中学化学， 2019， （2）： 1～4.

［17］潘竞航. 初中化学用语学习现状调查及教学策略研究［D］. 武汉： 华中师范大学硕士学位论文， 2020： 39.