初中学生对原子及原子结构示意图理解的调查研究.doc

初中学生对原子及原子结构示意图理解的调查研究[*]
梁永平⑴  张忠强⑵
（⑴山西师范大学 ，山西临汾  041004  ⑵旧县中学  山西古县 042407）
摘要： 微观世界对初中学生来说是陌生的，学生从宏观进入微观是学习的关键，对原子结构示意图的理解是化学学科的一个重要教学内容。 学生理解原子结构示意图的有效途径是通过观察、想象、类比、模型化等方法的综合运用来实现的 。本文对农村中学生对原子结构示意图的理解情况进行了调查。调查表明农村中学生对原子结构示意图的理解与课标的要求存在较大的差距。
关键词： 初中学生；原子结构示意图；理解  
初中学生初次学习化学对最基本的化学概念，物质的微观构成，化学变化的基本特征等内容是化学教学的重要教学内容[①]。学生对于物质及其转化认识的深化是随着原子概念、原子结构认识等知识的建构与理解不断深化的。原子概念的建立，使学生认识到物质的分子是由比其更小的微粒原子构成的，新分子生成的过程是原子之间进行重新组合的过程。原子结构知识是理解物质及其转化最核心的概念，其学习价值主要体现在：有助于理解物质结构的可分性；有助于理解元素、核素、同位素概念；有助于理解元素相对原子质量的计算；有助于理解化学式、化合价概念；能够解释和预测元素性质；能够解释元素周期律；能够解释化学键作用方式；能够解释氧化还原反应。学生只有理解了原子及其原子结构的基本内容并能够进行相关的解释，才算形成了对化学基本的理解。 
本文通过调查的方式了解农村初中学生对原子结构示意图理解的现状。

   1．调查方法
1．1调查目的与内容
调查目的是了解农村初中学生对原子及原子结构示意图理解情况，调查的内容是原子以及原子结构示意图。虽然课程标准不要求初中学生运用原子结构示意图内容，但是对于学生来说，只有理解了原子结构示意图理论，才能进一步认识到原子结构知识的学习价值。
1．2调查对象
调查对象是102名初级阶段学习的农村学生。
1．3调查工具
调查工具是围绕调查内容进行设计的，包含3个问题：
（1）谈谈你对原子概念的理解。
（2）谈谈你对Na原子结构示意图的理解。
（3）谈谈你对原子和原子结构示意图的理解。
1．4调查的实施
调查是在2009年10月实施的。作答是在研究者的监控之下进行的，以保证作答的真实性。作答时间没有严格限制，以保证有较为足够的时间让学生写出对这些问题的理解。为每一问题的作答提供一张A4纸，以保证作答者有足够的空间完成书写。
1．5数据分析
研究者首先对学生进行编码；然后将每一位学生的每一项作答的关键性表述用红色笔标出；对照评价参考标准，将标出部分按照其对应水平进行编码；进行数据统计分析。
2．           理解水平评价标准的确定
化学科学认识有两大基本任务，一是探寻物质及其转化规律，二是从原子微观水平提出理论来解释物质及其转化规律。原子结构、原子结构示意图认识及其理论。理论是在一定事实基础上建构出的具有解释功能的科学知识。学生对于科学理论形成深刻理解的标志应该是对于理论能够进行WWHW的认识论思考[②]，即所认识的知识是什么（What）？所认识的知识价值是什么（What）？所认识的知识是如何产生的(How)？为什么所认识的知识是合理的(Why)？因此，在确定学生对于理论理解的评价标准时，应该按照认识论的思维水平来确定其理解水平。
按照上述原则，对于原子认识的评价主要从两个方面，一是对原子存在的认同，一是对于原子概念的理解。
对于原子存在的认同是原子概念建立的前提。原子是我们肉眼看不到的。认同原子的存在需要在事实的基础上进行推论性思维。起初科学家是通过物质分解这一事实推论出分子能够分解，进而推论出分子可以分解为更小的微粒，从而引出原子这一概念。随着科学的进步，科学家能够通过先进仪器拍摄到原子的照片，有力地证明了原子的存在。所以，对于原子存在认同的解释性水平评价由低到高确定为3个水平：只认同原子的存在，但不能说明理由，定为水平1；能以物质分解的事实为基础，说明原子的存在或补充后来人们能拍摄到原子照片说明原子的存在，则定为水平2；能以物质分解的事实为基础，并能显性区别观察和推论，能够说明我们的肉眼不能看到原子，但可以从物质分解这一事实推论出分子能够分解，进而推论出分子可以分解为更小的微粒，说明原子的存在，则定为水平3。
原子概念的建立是通过原子重新组合模型建构的。化学变化是一个有新分子生成的过程，该过程是人们无法看到的，现代仪器至今也是无法观察到此过程。人们在认同原子存在的基础上，提出了“原子重新组合模型”解释了新分子的生成过程，将化学变化在原子水平上解释为是一个原子之间重新组合的过程，进而定义为“原子是化学变化中的最小微粒”。原子重新组合模型也很好地解释质量守恒定律。因此，对于原子概念的理解性评价由低到高确定为3个水平。只能说出“原子是化学变化中的最小微粒”，但不能给予解释的定为水平1；能从原子重新组合模型角度解释“原子是化学变化中的最小微粒的”，定为水平2；能够强调化学变化是人们无法看到的，是人们在认同原子存在的基础上根据想象提出的原子重新组合模型，很好地解释了化学变化中新分子的生成过程，进一步又解释了质量守恒定律，定为水平3。
原子结构的理解是以能量式思维为标志的。如果仅能说出电子分层运动，可判断该理解属于典型的轨道式思维，即牛顿式思维，定为水平1；如果能说明电子的分层运动是电子按照能量高低进行的运动，即半能量式思维，定为水平2。如果能说明电子的分层运动是对于电子按照能量高低及其在一定能量区域出现几率多少的描述，即能量式思维，定为水平3。
同样，原子结构示意图的理解水平也相应分为牛顿式思维水平、半能量式思维水平和能量式思维水平。
3．调查结果与分析
表1统计了102位初中学生对原子概念、原子结构及其理论理解的作答水平人数及比例。由于原子结构示意图知识是高中教学内容，初中学生属于了解的内容，只有34个学生进行了作答。从表1中可以看出，学生对于原子存在的认同，原子结构示意图的理解基本处于水平1。也就是说，大部分学生对于原子存在的认同是盲目的，对于原子结构示意图的理解处于牛顿式思维水平。被调查的所有学生对于原子概念的理解，能从原子重新组合模型角度解释“原子是化学变化中的最小微粒的”（达到水平2）学生的人数也不足一半。在用电子层含义说明原子结构示意图时学生认识模糊不清。总体上说，初中学生对化学核心概念的理解处于低水平。

表1   农村初中学生对原子概念以及原子结构理解作答情况
内   容
水平
人数
百分比（%）
原子概念

原子存在的认同
水平1
96
94.12
水平2
6
5.88
水平3
0
0
原子概念的建立
水平1
81
79.41
水平2
21
20.59
水平3
0
0
原子结构示意图
水平1
84
82.35
水平2
18
17.65
水平3
0
0
下面就初中学生原子及原子结构概念理解的具体作答情况进行较为详细的分析。
3．1原子概念的理解情况
   （1）原子存在的认同
   96位（94.12%）学生对于原子存在的认同不能说明支持其存在的理由。大多数学生对原子存在的认同只强调是客观事实，是科学家经过无数次实验总结出来的正确知识，但不能说明其理由。下面是学生作答的代表性观点：
   “物质是客观存在的，原子分子是组成物质的微观粒子，也是客观事实。”【T1】
   “构成物质的微观粒子有分子、原子、离子等，教材上既然能提出这句话，说明科学家经过无数次实验研究观察总结出来的。”【T17】
   “物质由三种微粒构成：分子、原子、离子，分子是由原子构成，如果原子不存在，如何解释分子呢？“【T25】
    有6位（5.88%）学生虽能够说出“因为科学家已通过先进技术拍到原子的照片，从而证明原子是存在的”，但不能以物质分解的事实为基础进行推论。
没有1位学生能以物质分解的事实为基础，推论出分子能够分解，进而推论出分子可以分解为原子，并能显性区别观察和推论。也即说没有1位学生真正说明对原子存在认同的理由。
（2）原子概念建立的理解
有81位学生（79.41%）对于原子概念的描述只是停留在记忆性水平，“原子是化学变化中的最小微粒”，除此之外说不出更多的理解。如：
“原子是化学变化中的最小微粒——这个概念是前人进行了无数次实验总结出来的。”【T22】
“原子是化学变化中的最小微粒，这是课本上明确提出来的，最起码在初中阶段这一概念是正确的。”【T4】
有21位（20.59%）学生能从原子重新组合的角度描述原子是化学变化的最小微粒，但没有强调“模型”及其建构性。如：
“化学变化的实质是反应物中的分子先分裂成原子，原子再重新组合成新的分子，所以原子是化学变化中的最小微粒。”【T5】
“从水的分解微观示意图我们可看到水分子先断裂成氢、氧原子，原子再重新组合成氢气分子和氧气分子，分子变了原子却没变，所以原子是化学变化中的最小微粒。”【T11】
没有1位学生谈到原子重新组合模型是人们在认同原子存在的基础上提出的解释化学变化的模型，更没有学生对该模型的合理性进行评价。
 (3)原子结构示意图
84位（82.35%）学生在描述钠原子结构示意图时，只能说出钠原子核外有11个电子，分3层排布，第1层排2个电子，第2层排8个电子，最外层排1个电子，该电子极易失去。没有从能量角度说出该电子极易失去的理由。对于原子结构示意图的这种理解属于低水平（轨道式思维）的描述。
只有18位（17.65%）学生能从能量的角度描述钠原子核外电子的排布。如：
“最外层有1个电子，它具有的能量要高于前两层的电子，由于它的能量比较高，很容易失去。”【T11】
“能量越高，电子离核越远，反之，能量越低，电子离核越近。通过实验发现钠很容易失去1个电子形成稳定的化合物，可以推测钠有一个电子能量很高，容易脱离核的束缚。”【T41】
没有学生能够结合电子层的知识，从“能量、运动区域、出现几率”的角度描述钠原子核外的11个电子的分层运动。
原子结构示意图是对电子层含义的模型化表达，学生对二者的理解情况以及表述都不理想，但对于原子结构示意图理解达到水平2以上的 有20人（17.65%）。这进一步说明学生对于原子结构的理解还没有把原子结构示意图与电子层的含义结合起来。
4．结论与反思
调查表明，农村初中学生对于原子及原子结构概念的理解不容乐观。学生对于原子存在的认同缺乏支持性理由,几乎没有形成以物质分解的事实为基础，推论出分子能够分解，进而推论出分子可以分解为原子，并能显性区别观察和推论的学科教学知识。对于原子概念基本属于纯记忆水平，没有认识到原子重新组合模型的建构性特征，也没有评价原子重新组合模型合理性的意识。对于原子结构的认识基本处于牛顿式轨道式思维水平，没有形成能量式思维。学生将原子结构示意图与电子层含义结合起来进行理解的意识比较薄弱。学生对于科学理论缺乏认识论思考。
学生的认识论水平影响着他对内容的理解水平及其学习行为水平。作为初中学生应该从以下几个方面认识原子及原子结构概念。（1）化学学科的基本特征是从微观的角度认识和研究物质及其转化。人们对微观世界所形成的认识是以经验事实为基础的，但是微观认识并不是事实本身， 也不是实验事实的连续性逻辑推理，而是负载有人的想象性和创造性，是人类建构的说明物质微观世界的可能性认识，在观察和微观认识推论之间是有根本区别的。（2）理论是被建立的比较满意的、高度证明的、内部一致的解释系统。理论是用于解释所观察到的事实的。科学理论的产生方式是建构式，科学理论的合理性可以从科学理论的“来龙去脉”进行评价。“来”指的就是科学理论的产生方式，“去”指的就是科学理论的解释性和预测性功能。因此，学生对于科学理论合理性评价的思维方式有助于学生把握科学理论的本质，深化理论的理解。（3）“物质及其转化”是化学的基本问题。原子及原子结构概念的学习要以“物质及其转化”这一基本问题作为回归性问题。如果学生具有了这种思维意识，就能认识到原子结构的学习价值及其“核心”地位，也就能将概念间的关系整合到“物质及其转化”的根本问题上来。             

＊本文—

[①]中华人民共和国教育部.全日制义务教育化学课程标准（实验）.北京:北京师范大学出版社,2001.
[②]梁永平.在化学微观认识学习中发展学生科学本质理解的思考.化学教育,2006,(3)
③梁永平.农村化学教师教育观念理解的调查研究. 化学教育，2009.﹙7﹚