高中生化学可逆反应心智模式的诊断和分析

摘要提出完整的可逆反应心智模式分析框架，通过纸笔测验诊断高二理科实验班、理科平行班、文科班共369名学生在高一化学必修模块建立的可逆反应心智模式。研究发现，3个学生群体均主要具有可逆反应是双向变化的心智模式，出现多种不完善、不科学的心智模式，对可逆反应具有科学的综合认识的学生比例不高。最后，对研究结果进行讨论，对教学实践和后续研究提出建议。

关键词　心智模式　可逆反应　化学平衡　高中生　理科班　文科班　迷思概念1　问题的提出1.1　心智模式概述

心智模式(mental model)是国际科学教育研究领域一个重要的研究主题。早在行为主义盛行的年代，Kenneth Craik于1943年提出心智模式的概念；其后，Johnson-Laird、Norman、Vosni—adou和Brewer等研究者对心智模式的定义、组成和功能进行了详细探讨。任宗浩曾综合概括不同研究者对心智模式的定义，他认为“心智模式是人们日常理解事物和推理过程时，在短期记忆或工作记忆中所建立对问题情境或外在事物的一种暂时性表征，也可以是人们储存在长期记忆中对外在世界的稳定表征或‘图像’”。Johnson-Laird认为人们使用已有的个人经验和理解来建立表征问题的心智模式，心智模式会影响着人们对外部环境的判断，Vosniadou和Brewer也提出心智模式源自和受限于个人原有的概念结构；Norman认为人们与目标系统互动时会形成心智模式，心智模式会受目标系统的影响。许多研究者认为心智模式并非一成不变，而是不断建构、修正的，初始的心智模式可以经过模式化转变为完善、概念化的心智模式；发展中的心智模式通常是不完善的、甚至是不完全正确的，但是心智模式必须具有实用价值，即能够有效推理、预测情境和解决问题。1.2　待研究的问题

学生通过与教师和各种信息的交互作用，经历学科知识学习的同化和顺应过程，建立各种科学概念和原理的心智模式。化学教师如果充分了解学生对化学概念和原理的心智模式，将有助于选择有针对性的教学方法完善学生的已有认知，提高教学的有效性。

可逆反应和化学平衡是高中化学课程中紧密相关、重要却容易产生迷思概念的化学基本概念。化学平衡是可逆反应存在限度的表现，只有充分理解可逆反应的过程才可以深入理解化学平衡的判断和移动。可逆反应和化学平衡在高中化学课程必修、选修模块有不同的学习要求。在必修模块，学生需要达到的基本要求水平之一是“能结合实例说明什么是可逆反应；了解化学平衡的含义，认识化学平衡状态的特征”。在以往的研究中，人们主要系统研究可逆反应和化学平衡迷思概念的类型和分布情况，有关心智模式的研究尚较少，而且已报道的心智模式的研究主要以初中生为研究对象。在教学实践中，高二学生在经历高一化学必修模块的学习后，对可逆反应具有怎样的心智模式?具有文、理科学习倾向的学生的可逆反应心智模式又有怎样的差异?这些均是值得深入探研的问题。2　可逆反应心智模式的分类2.1　已有的实证研究概述

一些研究者使用量的、质的或混合研究对学生的可逆反应和化学平衡心智模式进行了初步研究，不同的研究者从不同的角度对心智模式进行分类和探讨，为丰富这一研究主题提供了可供借鉴的研究范例和分析框架。在心智模式的分类上，邓雅文结合学生在测试中作答失误的原因，将初、高中学生对平衡概念的心智模式分为直观模式、语言模式和记忆错误连结模式等6种心智模式。与之不同的是，陈婉茹根据访谈结果将初中生对可逆反应的过程的心智模式分为单向一完全反应模式、单向一双向反应模式、双向一双向完全反应模式、双向一双向反应模式共4种心智模式，根据纸笔测试结果将心智模式分为静止变化模式、单向变化模式、单向一双向变化模式和双向变化模式共4种模式；其中，双向变化模式又分为双向变化非科学模式(双向变化非融贯模式和双向变化瑕疵模式)和双向变化科学模式。在许添丁的研究中，初中生对可逆反应的初始心智模式也类似地分为单向变化模式、单向双向变化模式、双向变化不融贯模式、双向变化瑕疵模式和双向变化科学模式共5种模式。郑玮婷根据纸笔测试的设计和学生的作答情况，将可逆反应达到化学平衡前的心智模式分为5大类6种子类型，可逆反应达到化学平衡后的心智模式分为6大类10种子类型。在上述的实证研究中，心智模式的分类存在明显差异。一些研究主要是从学生的作答中总结和提炼出心智模式类型，心智模式的分类标准显得模糊和随意；各研究未建立能够包括各种心智模式类型的分析框架，仅从某一角度(宏观或微观)来确定学生在该认识角度下对可逆反应某一反应阶段的心智模式，而且并未综合地探讨宏观、微观的心智模式的联系。因此，有必要先从完善心智模式分类标准入手，获得完整的心智模式分析框架。2.2　本文提出的分析框架

可逆反应根据是否达到化学平衡而分成2个反应阶段进行分析，具体内容列于表1。笔者综合已有的研究，从正反应和逆反应的进程、微粒的运动这2方面定义4种可逆反应基本心智模式，即静止模式、单向模式、双向交替模式和双向模式(表2)。笔者将学生对可逆反应某一反应阶段的过程的认识，归类为这4种基本心智模式；并且将学生对可逆反应某一反应阶段宏观、微观的基本心智模式综合起来，得到学生的综合心智模式。因此，将单向模式、双向交替模式、双向模式3种基本心智模式相互结合，可逆反应达到化学平衡前的综合心智模式共有9种；将静止模式、单向模式、双向交替模式、双向模式4种基本心智模式相互结合，可逆反应达到化学平衡后的综合心智模式共有12种。

如图1所示，某位学生认为可逆反应达到化学平衡前只发生正反应，不同反应方向的反应物和生成物微粒同时结合和分离，那么他在宏观、微观的基本心智模式分别是单向模式、双向模式(记作单向一双向综合模式)，2者不一致；该生认为可逆反应达到化学平衡后同时发生正反应和逆反应，不同反应方向的反应物和生成物微粒同时结合和分离，那么他在宏观、微观的基本心智模式均是双向模式(记作双向一双向综合模式)，2者一致。

根据宏观、微观的双向模式是否存在矛盾或相互对应，笔者将双向一双向综合模式分为双向非融贯综合模式和双向融贯综合模式(表3)。若宏观、微观的双向模式在细节上存在矛盾，该综合心智模式是双向非融贯综合模式；若这2种双向模式在细节上相互对应，该综合心智模式是双向融贯综合模式。双向融贯综合模式分为双向瑕疵综合模式和双向科学综合模式。教师通过进一步的访谈可以确定学生的双向融贯综合模式是双向瑕疵综合模式还是双向科学综合模式。双向科学综合模式是科学反映可逆反应某一反应阶段的综合心智模式，其余的综合心智模式均为不完善或不科学的综合心智模式。若学生对可逆反应在2个反应阶段的综合心智模式