基于三阶试题的“化学平衡”学习困难分析

摘要：采用三阶试题诊断高中生“化学平衡”知识学习成果，探查了学生的迷思概念与储备不足的知识。研究发现学生过高评估自身化学平衡认知水平，知识不足主要在浓度、催化剂对化学平衡的影响；迷思概念主要体现在对化学平衡状态的判断、浓度与压强对化学平衡的影响、勒夏特列原理内涵的认识，对化学平衡体系中气体属性（是否惰性）、气体物质的量、气体浓度、气体压强等因素的认知的割裂性特征明显。

关键词：三阶试题；化学平衡；迷思概念；知识不足

文章编号：1005C6629（2017）2C0026C06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

化学平衡是中学化学基础理论之一，是培养“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”等核心素养的重要知识载体。但由于化学平衡囊括一系列抽象而内涵丰富的知识，对学生的能力要求较高，学生容易产生学习困难，造成对后续溶液中离子平衡学习的认知障碍。在化学教学中，教师只有准确探查出学生的学习困难，才能选择有效的教学策略及时补救或转变概念，促进学生的有意义学习。

目前，对化学平衡学习困难的研究集中于探查迷思概念，发现了学生在“可逆反应”、“化学平衡状态特征”、“化学平衡移动方向”、“化学平衡常数”等知识点上存在迷思概念，如“认为可逆反应是‘钟摆式’单向进行的”，“将化学平衡混淆于静态的物理平衡”等。已有研究主要是通过常规测验、二阶试题或规则空间模型对学生解决问题结果的评判来揭示学生存在的迷思概念，但使用常规测验、二阶试题不能判断学生回答正确是由于掌握了知识还是猜测，容易造成迷思概念的过当评价[1，2]；而规则空间模型具有复杂的数理公式，试题编制的难度大，且依赖于计算机程序的使用，难以在教学实际中推广[3，4]。近年国外科学教育逐渐兴起三阶试题的使用[5，6]，它能够有效弥补已有方法的缺陷，区分学生的迷思概念及知识储备不足等问题，更加准确地解释学生的学习困难。

1 研究设计

1.1 研究对象

本研究所选择课程内容为高中学段“化学平衡”，被试群体为陕西省西安市某中学同一化学教师任教的高二年级四个平行班的学生。

1.2 研究方法

参考高中化学课程标准、教科书内容及已有研究，确定从可逆反应、化学平衡状态、化学平衡移动、化学平衡常数四个知识维度展开测试。记录“化学平衡”教学过程，并通过对任课教师的录音访谈了解其发现的学生迷思概念，并抽取该班级化学学业成绩前、中、后各4名学生，进行半结构化晤谈以深入搜集迷思概念。随后，初步设计三阶试题。委请3位专家检核内容效度，修正后进行小范围预试（50人），根据预试结果调整试题内容与数目，确定11道正式施测的三阶试题（见表1）。

三阶试题第一阶为设有4～6个选项的化学平衡单项选择题。第二阶为第一阶问题答案对应的理由项，这些理由是科学模型以及来源于教师访谈、学生半结构化晤谈与文献中高频出现的迷思概念在具体问题情境下的变式，其中有一个空白选项方便学生表达不同于选项的想法。第三阶调查学生对前两阶问题的回答是否确定，评量学生的自信水平。图1展示了一道化学平衡三阶试题。

使用化学平衡三阶试题对该教师任教的四个平行班施测，答题时间为40分钟。施测前已向学生说明研究目的在于了解化学平衡主题的学习情况，施测结果不列入学科成绩。发放试题205份，回收203份，回收率99.02%，有效样本197份，有效率97.04%。评阅试卷并将结果导入Microsoft Excel 2010与SPSS 20.0。

A.变深 B.变浅 C.不变 D.无法判断3.2回答3.1题的理由是（ ）

A.平衡正向移动，消耗NO2，NO2的浓度减小

B.平衡不移动，消耗NO2的同时产生NO2，NO2的浓度不变

C.平衡正向移动，消耗NO2，但最终浓度仍旧大于初始平衡的浓度

D.平衡正向移动，消耗NO2，但无法判断充入量与消耗量大小

2 结果与分析

2.1 响应类型的划分

根据学生在三阶试题的8种答题情况，可判断其对某个知识点的认识水平，即“响应类型”。将响应类型划分为6种：“科学知识”、“假正”、“假负”、“迷思概念”、“自信不足或幸运”、“知识不足”[7]，见表2。

若W生答题情况表现为“正确/正确/确定”，则响应类型为“科学知识”。若学生答题情况表现为“错误/错误/确定”，则响应类型为“迷思概念”。这与迷思概念的不科学性、顽固性的特点一致。

“假正”是指正确回答第一阶问题，但不能使用正确的理由加以解释且第三阶选择“确定”的响应类型。“假负”是指错误回答第一阶问题，但推理的理由选择正确且第三阶选择“确定”的响应类型[8]。试题表述不清、提供的理由项与学生解决问题的推理过程脱节是造成假正与假负的主要原因。因此，可借由假正与假负各自的比例检验试题的内容效度[9]。

此外，将前二阶均回答正确，但第三阶选择“不确定”归类为“自信不足或幸运”。它是由于学生的自我效能感低，或是前二阶试题自身特性造成的，即第一阶试题的答案往往与第二阶的某个理由项存在对应关系[10]。

共有三种答题情况属于“知识不足”：“正确/错误/不确定”“错误/正确/不确定”“错误/错误/不确定”，据此可判定学生认知体系中的某一知识盲点。

2.2 变量赋值

根据答题情况对以下变量进行赋值[11]：（1）各阶分数：只要某阶回答正确赋值1，否则赋值0。第三阶回答“确定”赋值1，否则赋值0。第三阶分数可表征学生的自信水平。可利用各阶分数对响应类型进行编码[12]，见表2。（2）前二阶分数：若第一、二阶均回答正确赋值1，否则赋值0。它将与第三阶分数用于评价试题的结构效度[13]。（3）三阶分数：若前二阶均回答正确且第三阶回答“确定”赋值1，否则赋值0。（4）第一阶迷思分数：第一阶回答错误赋值1，否则赋值0。（5）前二阶迷思分数：前二阶均回答错误赋值1，否则赋值0。（6）三阶迷思分数：前二阶均回答错误且第三阶回答“确定”赋值1，否则赋值0。

某题第一阶、前二阶、三阶的正确率（或迷思比例）可分别用该题第一阶、前二阶和三阶总分数（或迷思分数）与样本数（N=197）的商表征，其与响应类型比例的关系见图2。值得注意的是，此处“第一阶迷思”与“前二阶迷思”的内涵等同于传统单选题的“错误”与二阶试题中的“错误/错误”，“三阶迷思”才对应“迷思概念”响应类型。正确率与迷思比例将用于验证三阶试题的优势。

2.3 试题质量评价

化学平衡三阶试题的第一阶、前二阶和三阶的Cronbachα值分别为0.758、0.782和0.889，符合选择题测验的信度参照标准[14]，试题信度良好。试题的内容效度可用假正与假负的比例量化表征。各题假正、假负比例见表3。由表3可知，假正平均比例为5.68%，假负平均比例为4.89%，均小于10%，说明试题内容效度良好[15]。

学生前二阶分数与第三阶分数的相关性可验证试题的结构效度。图3是前二阶分数与第三阶分数的相关性散点图。由图3可知，普遍地，在前二阶得分越高，自信水平越高。但也存在部分学生前两阶的分数偏低但仍旧自信的情况，其散点分布于图像的右下角，暗示了这些学生存在顽固的化学平衡迷思概念。学生前二阶分数与第三阶分数呈显著正相关，Pearson相关系数为0.530（p

2.4 学习结果评价

2.4.1 正确率与自信水平分析

将第一阶、前二阶、三阶和第三阶的正确率统计如下，见表4。

由表4可见，试题第一阶、前二阶和三阶的平均正确率分别为71.90%、63.41%、56.02%，反映出试题整体的难度中等。第一阶平均正确率高于前二阶8.49%，这是因为第一阶正确率中额外包含假正（5.68%）、知识不足100（2.81%）两种响应类型造成的。前二阶平均正确率比三阶高7.39%，则是由于部分学生回答正确前二阶问题但不确定自己的答案造成的。以上差异证明三阶试题可以弥补二阶试题过度评价学生学习成果的缺陷，第三阶自信水平的设置使研究结论更为准确。另外，在第三阶学生表现出的正确率均大于80%，远高于三阶正确率，说明学生对自身化学平衡认知水平的评估过于理想，认知结构中存在顽固的迷思概念。

2.4.2 响应类型分布

统计“科学知识”“迷思概念”“知识不足”“自信不足或幸运”响应类型的比例，见表5。

由表5可知，56.02%的学生建构了科学的化学平衡知识，15.92%的学生认知结构中存在迷思概念，10.11%的学生化学平衡知识储备不足。四个知识维度中，学生可逆反应、化学平衡常数维度的知识建构更为准确，各题科学知识比例均大于60%。学生的认知结构在各维度均存在迷思概念与知识储备不足。

学生在化学平衡移动维度的“压强对化学平衡的影响以及勒夏特列原理的理解与应用（题6）”中存在知识的错误建构，迷思概念比例最高（26.40%）；其次，在化学平衡状态维度的“对化学平衡状态的判断（题10）”中，迷思概念比例为25.89%。学生在“化学平衡常数的简单应用”（题8）中迷思概念最少（5.08%）。

此外，学生在化学平衡移动维度的“浓度对化学平衡的影响”（题3）中，表现出明显的知识欠缺，知识不足响应类型比例达15.74%；其次为题11“催化剂对化学平衡影的判断（12.69%）”。而对于“化学平衡状态的建立过程”（题9）“惰性气体对化学平衡的影响”（题4），学生建立有相对完整的知识体系。学生的知识储备不足往往是因为没有及时复习，以致新知识没有稳定地同化、整合到原有的认知结构中。

2.4.3 迷思概念分析

将第一阶、前二阶和三阶的迷思比例统计于表6。

由表6可见，除题4外，随着试题阶数的增加，迷思比例逐渐减小。第一阶、前二阶、三阶平均迷思比例依次为28.10%、18.78%、15.92%。前二阶平均迷思比例低于第一阶9.32%，这是因为第一阶迷思比例额外包含了假负（4.89%）和知识不足010（4.43%）。三阶迷思比例比前二阶低2.86%，是因为知识不足000的存在。可推知，单凭第一阶或是前二阶测试评价学生的迷思概念均会造成对迷思概念的过度评价[16]。

为深入探查学生化学平衡知识的学习困难，将学生迷思概念进行了归纳，见表7。

由表7可见，对于可逆反应，7.61%的学生没有正确认识可逆反应的特征，对化学反应的认知水平仍停留在“化学反应是完全的”阶段（迷思概念1）。

对于化学平衡状态，10.15%的学生负迁移化学反应速率与计量数的关系的知识（迷思概念2）。16.75%的学生错误引申教学中总结的化学平衡状态的特征“定”的内涵，不能在具体的问题情境下判断可逆反应是否达到了化学平衡状态（迷思概念3）。

对于化学平衡移动，9.13%的学生在浓度对于化学平衡的影响出现学习困难（迷思概念4），这主要是教科书与教学注重对宏观实验现象的感性认识而缺乏微观表征与符号表征引起的。11.17%的学生没有理解特定反应下只有改变各组分分压才能影响平衡状态（迷思概念5）。各有15.23%、14.21%的学生存在迷思概念6、7，表明学生不能正确推断平衡移动的效果，没有正确理解勒夏特列原理的内涵，再一次反映了学生没有充分理解可逆反应的“不完全性”，这两个迷思概念是在以往研究未曾报道的。

对于化学平衡常数，9.64%的学生将某种反应物的“转化率”与“反应程度”混为一谈，不理解某一温度下的平衡常数可对应多个化学平衡状态，不知道具体反应的化学平衡常数只与温度有关（迷思概念10）。2.03%的学生没有理解化学平衡常数公式中物理量的意义（迷思概念11）。

此外，通过分析“假正”比例大于10%的题5和题11发现，5.58%的学生错误建构化学平衡的前概念温度对化学反应速率的影响（迷思概念8）。6.60%的学生对催化剂的性质存在片面认识（迷思概念9）。前概念是建构新知识的生长点，虽然这两个强隐蔽性迷思概念未使学生在第一阶问题做出错误判断，但有碍于学生科学认识化学反应。

在三阶试题诊断中，认定比例高于10%的具体的迷思概念为学生中主要存在迷思概念[17]，包括：利用浓度判断化学平衡状态（迷思概念2），与气体压强相关的判断化学平衡状态与平衡移动效果（迷思概念3、5、7），以及对勒夏特列原理内涵的理解（迷思概念6、7）。

究其原因，在学生认知角度，学生对于化学平衡体系中气体属性（是否惰性）、气体物质的量、气体浓度、气体压强等因素的认知总体上是割裂的，还无法建立系统化的认知模型以认识上述因素之间的对立统一关系，因此导致了通过气体压强判断化学平衡状态与平衡移动的较大认知负荷。在教科书内容组织角度，人教版教科书只阐述了浓度与温度因素，缺乏对压强因素的探讨（见图4）；只涉及化学平衡常数的意义与表达式的简单应用，并不涉及其在平衡移动的应用，未充分体现化学平衡常数的教育价值[18]。在实际教学角度，虽然教师针对压强对化学平衡的影响有所补充，但偏重传授利用勒夏特列原理的定性推理，忽视规律背后的量化本质。

3 结论与启示

本研究编制了信度、内容效度与结构效度良好、难度中等的化学平衡三阶试题。利用三阶试题诊断学生的化学平衡的学习成果并分析学习困难。研究发现：（1）第三阶的正确率高于各阶正确率，显现出学生高估自身的认知水平的现象。（2）学生在4个知识维度均存在迷思概念与知识储备不足，“可逆反应”与“化学平衡常数”知识建构相对准确。对化学平衡状态的判断、压强与浓度对化学平衡的影响以及勒夏特列原理的内涵存在相对较多的迷思概念；在浓度、催化剂对化学平衡的影响表现出明显的知识欠缺。（3）从迷思概念看，学生对化学平衡体系中气体属性（是否惰性）、气体物质的量、气体浓度、气体压强等因素的认知总体上是割裂的，化学平衡知识体系的建构缺乏整体性和系统性。

根据研究结论，可以得出以下教学启示：（1）在发挥实验现象宏观表征优势的基础上，充分利用模拟动画等帮助学生从微观角度理解压强对化学平衡的影响。（2）重视化学平衡常数的支点作用，挖掘化学平衡常数的教育价值，帮助学生理解勒夏特列原理的内涵与适用范围。（3）化学原理类内容教学中，注重培养学生的科学推理思维倾向与能力，引导学生在学习过程中重视科学问题的情境性，重视科学推理过程的逻辑性，重视科学论述与表达的严谨性和完整性。

参考文献：

[1]张爱武.高中化学“平衡”概念形成的教学策略研究[D].上海：华东师范大学硕士学位论文，2010.

[2]邓阳，王后雄.利用二段式测验诊断高三化学复习中学生的迷思概念[J].化学教育，2010，31（12）：48～51.

[3]李敏.基于RSM的化学平衡概念理解研究[D].济南：山东师范大学硕士学位论文，2015.

[4]辛涛，焦丽亚.测量理论的新进展：规则空间模型[J].华东师范大学学报（教育科学版），2006，（3）：50～56，61.

[5][9][11][15][16] Haki Pe？man，Ali Ery？lmaz. Development of a Three-Tier Test to Assess Misconceptions About Simple Electric Circuits [J]. The Journal of Educational Research，2010，103（3）：208～222.

[7][17] Erdal Taslidere. Development and Use of a Three-tier Diagnostic Test to Assess High School Students’ Misconceptions about the Photoelectric Effect [J]. Research in Science & Technological Education，2016，34（2）：164～186.

[6][9] Harika Ozge Arslan，Ceyhan Cigdemoglu，Christine Moseley. A Three-Tier Diagnostic Test to Assess Pre-Service Teachers’ Misconceptions about Global Warming， Greenhouse Effect， Ozone Layer Depletion， and Acid Rain [J]. International Journal of Science Education，2012，34（11）：667～686.

[8] Hestenes， d.，I. Halloun. Interpreting the Force Concept Inventory [J]. Physics Teacher，1995，（33）：502～506.

[12]K金豆.三阶诊断工具的发展和应用――技职学生化学平衡迷思概念评量[J].科学教育学刊，2015，23（4）：321～352.

[13] Cataloglu， E. Development and Validation of an Achievement Test in Introductory Quantum Mechanics： The Quantum Mechanics Visualization Instrument [EB/OL].[2012-8-10]. https：//etda.libraries.psu.edu/paper/5937/1204-ABD.

[14] Kane， M.T. The Role of Reliability in Criterionreferenced Test [J]. Journal of Educational Measurement，1986，23（3）：221～224.

[18]徐守兵.勒夏特列原理和化学平衡常数学习现状的调查分析和教学反思[J].化学教育，2011，32（6）：25～27.