猜想图在诊断学生微观模型构建水平方面的应用
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摘要 以59名7年级学生为被试，采用绘制棉花糖和钢铁内部结构猜想图的方式，诊断他们微观模型的构建水平。研究发现：7年级学生经显微镜使用、分子模型制作和化学反应微观过程动画演示后，能够自主形成成熟的物质微观结构猜想，意识到物质结构影响性质，同时存在大量前概念。
微粒观是化学学习中极为重要的一种学科思想，有关原子、分子结构微观模型的构建一直是中学化学教学的重点和难点。学生在正式学习前和学习之初，头脑里有没有自己的理解？他们头脑中的物质结构是什么样的？他们如何理解物质结构与性质之间的关系？目前，国内外学者普遍认为学生基于生活经验和现有知识水平而产生的前概念将直接影响到正式学习的效果。但是，学生头脑中的想法，尤其是微观模型猜想，的确很难为教师所知。为了解决这一难题，我们创设了以绘制猜想图为主要手段的诊断方法，数据显示，猜想图能够客观、有效地诊断出学生对物质内部结构的猜想，从而判断学生微观模型构建的水平。
本研究以59名7年级学生为被试，采用绘制棉花糖和钢铁内部结构猜想图的方式诊断其微观模型构建水平。
1 活动介绍
3周前，布置任务：水分子、乙醇分子、金刚石分子模型的制作。提供实物和分子模型的对比图，无相关知识介绍。2周后，80%的学生完成了水分子模型的制作，10%的学生还完成了乙醇和金刚石分子模型制作。
3周前，播放动画：在物理变化和化学变化知识内容学习时，为判断蔗糖溶解属于何种变化，播放蔗糖溶解的微观过程，简单介绍动画中大小不同的彩色球代表水分子和蔗糖分子。
3周后，开始用“绘制棉花糖和钢铁内部结构猜想图”活动诊断学生微观模型构建水平。
具体活动过程如下：
引言：美丽奇妙的实验现象总让我们禁不住问“为什么”：为什么镁条燃烧会发出耀眼的白光？为什么水结成冰会变硬？为什么棉花糖又软又甜，而钢铁却冰冷而坚硬？在化学发展史上，化学家也在精心研究这些“为什么”。究竟物质是由什么构成的？大家有没有想过为什么棉花糖是软的甜的？
1位女生应声作答：因为棉花糖是糖做的。另一位科学学习能力突出的女生回答：棉花糖是圆的，里面有气体，气体使棉花糖又松又软。
教师继续设问：那么你能想象出棉花糖和钢铁的内部构造是什么样的吗？如果让你用图画表示“为什么棉花糖是软的，钢铁是硬的”你会怎么画呢？
此时，有学生脱口而出：“没看过，怎么画？”
教师引导：你们在生物课有没有用过显微镜？（学生异口同声回答：用过！）现在，假如你的眼睛是一台超级显微镜的话，如果你去看棉花糖和钢铁，你会看到什么？请迅速把它画在纸上。
此时，半数学生表现为迟疑、思索、不动笔……有一位男生提出来：“老师，如果错了呢，怎么办？”教师接着引导：“没关系，错了就错了，猜想有对有错，否则怎么叫猜想呢。你们都听说过哥白尼吧，如果没有他的大胆猜想的话，人们以为太阳绕着地球转呢。（学生表现认同）大家尽管大胆地猜！猜一猜，它们内部是什么结构，才使棉花糖是软的、甜的，而钢铁是硬的。”
1分钟后，学生停笔，教师播放《世界百大发现――化学》视频片段，视频中有关于“是什么让钢铁如此坚固，为什么冰淇淋如此美味”的影像展示，影像中出现了冰淇淋和钢铁的内部结构模型。
课堂围绕物质构成的奥秘――微粒进行了1课时初步学习。
2 数据采集与分析
2.1样品量及分析方法
59名学生当堂测试，在1分钟时间内完成棉花糖内部结构猜想图56份，钢铁内部结构猜想图58份。分析方法：对2种猜想图进行分类和频数统计，对同一被试的2个猜想图进行比较分析。分别得出表1和表2。
2.2总体分类和频数统计分析
对棉花糖和钢铁内部结构猜想图进行分类频数统计可得到表1，数据分析如下：
（1）学生的微观模型构建水平
近70%的学生具有微粒思想，能够使用球棍连接方式清晰描述微观模型，18.4%的学生意识到物质在微观上具有与宏观表现不同的结构，使用空心圆等示意组成物质的微粒，12.3%的学生没有微粒思想，对物质内部结构无法做出清晰猜想。
（2）棉花糖和钢铁内部结构猜想的数量和质量
棉花糖内部结构猜想图（以下简称棉花糖）共回收56份，钢铁内部结构猜想图（以下简称钢铁）回收58份，3人未描绘出棉花糖的内部结构，1人未描绘出钢铁的内部结构。G1类猜想图中，棉花糖占14.9%，钢铁占25.4%，约为棉花糖的2倍。G2、G3、G4类猜想图中，棉花糖所占比例均略高于钢铁。
（3）学生构建出的微观模型种类
从使用图示及表现形式上对学生猜想图进行分类，可细分为13类，其中包括：简单线条仅描绘物质外形，运用线条和圈点示意物质组成特点，运用单线网格示意物质密度，运用空心圆聚集示意物质微粒，运用单线连接呈神经末梢状、树状结构，运用大小空心圆组合呈细胞群状结构，运用空心圆与短线连接呈哑铃状简单球棍模型，运用空心圆与短线连接呈折线型、DNA双螺旋型、漩涡型等单链结构，运用空心圆与短线连接呈带支链的不规则链状结构，运用空心圆与短线连接呈单环状、简单网状或规则网格状结构，运用水分子球棍模型分散或连接呈链状结构，运用空心圆与短线连接呈三脚架、正五面体、正三角形、规则渔网状等规则结构单元，运用空心圆与短线连接呈复杂环状结构。
（4）猜想图中生活经验和已有知识的反映
整齐排列的曲线间点缀实心点反映出学生模拟白糖颗粒式形状，柳树枝叶状、花蕊状、钢铁架状、三脚架状、网格状、渔网状、哑铃状等结构模型明显来源于学生的生活观察。DNA双螺旋状、神经末梢状、细胞群状等结构来源于学生在7年级生物课中所接触的相关知识。此外，学生在毫无提示的情况下，在1分钟时间内，绘制出链状、正多面体、规则环状、足球烯状、带支链的不规则环状等分子模型图。其中包括准确的水分子球棍模型图和类似金刚石结构的模型。
2.3同一被试猜想图对比分析
为了诊断学生对物质结构与性质关系的前概念，我们对同一被试的棉花糖和钢铁内部结构猜想图进行了对比研究，表2展示了部分典型图例及具体分析。学生对棉花糖和钢铁性质差异的理解为：棉花糖柔软、有甜味，钢铁坚硬、没有味道。主要存在以下猜想：
（1）密度不同
2个学生认为棉花糖和钢铁的区别在于棉花糖密度小、钢铁密度大。
前概念：柔软的物质密度小，微观结构分散度大；坚硬的物质密度大，微观结构密集度高。
表现形式：空心圆聚集程度和网格线密度。
（2）键合程度不同
①有无键合
4个学生认为棉花糖微观粒子间存在键合，钢铁相反。
前概念：具有味觉口感的物质微观构成需键合，无味觉口感的物质微观上为相同微粒单纯聚集排列。
2个学生认为棉花糖微观粒子间不存在键合，钢铁相反。
前概念：微粒间不键合，宏观表现为质地柔软；键合后宏观表现为质地坚硬。
表现形式：空心圆或云朵状单位聚集成团代表不存在键合，球棍结合代表键合。
②结构单元键合度
6个学生认为2者都存在键合，但棉花糖结构单元键合度低，钢铁结构单元键合度高。
前概念：开放式或支链较多的结构键合度较低，物质较柔软；封闭式环状或网状结构键合度较高，物质较坚硬。
表现形式：球棍相连呈链状、漩涡状、三脚架状、花蕊状等开放式结构，规则网格状、环状带支链等键合度低的结构；球棍相连呈环状、渔网状、足球烯状等封闭式键合度高的结构。
（3）结构规则程度不同
3个学生认为棉花糖由简单规则式结构构成，钢铁为复杂不规则结构构成。
前概念：规则式微观结构可导致物质柔软，不规则结构可导致物质坚硬。
2个学生认为棉花糖由不规则神经末梢状结构构成，钢铁由规则结构构成。
前概念：微观构成的规则程度决定了物质宏观形状的规则程度。棉花糖为丝状物聚集成团，因而微观构成上类似神经末梢状，形状不规则。钢铁形状感强，故微观上呈流线型或聚合成流线型。
表现形式：球棍连接呈DNA双螺旋状、单链状、环状、渔网状等规则式结构，球棍连接呈单链带支链、折线型单链、神经末梢状等不规则式结构。
（4）链状或网状结构不同
2个学生认为棉花糖呈网状结构，钢铁为链状结构。
前概念：网状结构可使物质呈球形，链状结构可使物质呈条形。棉花糖外形为球状，钢铁外形多见长方体状。
4个学生认为棉花糖呈链状结构，钢铁为网状结构。
前概念：链状结构不稳固，因而棉花糖较软。网状结构较稳定，故钢铁较坚硬。
表现形式：球棍连接呈折线型单链、单链带支链、空心圆聚集再用短线连接呈链状、水分子球棍模型式结构相连呈链状等链状结构。网状结构少至三元环，多至八元环无限相连。
（5）结构单元分散程度不同
9个学生认为棉花糖由若干结构单元散乱分布构成，钢铁由微粒相互键合成统一整体。
前概念：结构单元间不键合、散乱分布可导致物质柔软，微观粒子键合成统一整体可使物质坚硬。
表现形式：球棍连接呈简单结构单元，示意其散乱分布；球棍连接呈钢铁架状、网状、链状。
（6）微粒集合数不同
2个学生认为棉花糖由多个微粒集合再键合组成微观结构，钢铁由单微粒之间直接键合而成。
前概念：物质在微观构成上均存在键合作用；微粒聚集后再键合可使物质带味觉口感，单个微粒直接键合使其不带味觉口感。
表现形式：空心圆聚集成团后再由短线连接呈一定形状视为多微粒集合，单个空心圆间由短线连接呈一定形状视为单微粒集合。
（7）棉花糖微观上存在丝状或颗粒状微粒
统计发现8个学生能够清晰表达钢铁内部结构猜想，但不能清晰指出棉花糖的微观构成。其中2人仅描绘棉花糖外形，6人认为棉花糖在微观构成上存在丝状、颗粒状结构。
前概念：钢铁给人以冰冷、结构简单感，容易将日常看到过的微观结构与其宏观表现统一。棉花糖既柔软又甜蜜，学生很难想象出如此复杂的物质的内部结构。此外，棉花糖呈细丝状，日常生活中白糖为细小颗粒状，因而学生用丝状、颗粒状图形代表棉花糖中的糖分，用曲线代替棉花糖中的未知物，或是用排列成组的曲线示意其在微观上具有结构性。
表现形式：使用线条或实心点描绘棉花糖外观形状，将曲线整齐排列，中间点缀实心点；使用球棍连接成水分子球棍模型式、链状、正五面体状、网状等常见结构。
（8）其他猜想
2人将棉花糖的内部结构描绘成了类似细胞群状，1人将棉花糖内部想象成一条条的柳树枝叶状。
2.4男女生微观模型构建能力比较分析
本活动被试的59名学生中，21名男生，38名女生，女生人数是男生的1.8倍，男女比例不协调。假设男女生在测试前不存在差异，将女生的各类猜想图频数除以1.8后与男生进行同比例比较可得到表3：
通常人们认为男生的空间想象能力与女生相比较强，本研究表明，G1即优秀类微观模型图，女生是男生的1.2倍；G2即良好类，男生是女生的1.7倍；G3即中等合格类，女生是男生的1.8倍；G4即不合格类，男生是女生的1.4倍。空白卷中女生是男生的1.7倍。数据显示，事实上，男女生均有人显示出高水平的猜想能力。假设男生比女生空间想象能力具有先天优势，那么，通过后天学习，女生或许因观察仔细、学习认真、思维细腻，故而优秀猜想略高于男生，同时男生由于观察粗糙、学习不认真、思维粗犷，故而不合格猜想略高于女生。去掉G1类和G4类2种极值，比较G2、G3类猜想图数量，差异较为明显：良好水平的猜想，男生明显高于女生，可以从某种程度上说明男生的空间想象能力高于女生。中等合格水平猜想，女生明显高于男生，进一步佐证这一假设。
3 结论与启示
结论1：7年级学生经显微镜使用、分子模型制作和化学反应微观动画展示后，70%的学生能够自主形成微粒思想，做出合理性猜想，并运用球棍符号描绘出水平较高的清晰物质微观模型图；18%的学生已意识到物质宏观与微观表现存在差异，做出初步猜想，并运用曲线圈点描绘出水平一般的粗糙物质微观模型图。没有构建出微观模型的学生约占12%。从学生完成的猜想图数量和质量上看，对钢铁内部结构的猜想相比棉花糖要容易。
结论2：我们认为，显微镜的使用为学生构建微观模型奠定了不可磨灭的基础。显微镜下的“世界”能够让学生直观感受到物质的宏观微观表现具有极大差异。
结论3：分子模型制作及化学反应微观过程演示能够有效帮助学生积累个人体验，加深学生对物质微观模型的认识与理解。学生在没有提示的情况下，凭借记忆，对映射在头脑中的图像进行改造，有些同学甚至能发挥想象，富有创意地猜想出微粒团连接呈不规则链状或球棍相连呈复杂网状等结构。
结论4：学生意识到物质结构决定物质性质，但对2者的具体关系存在诸多前概念。
结论5：猜想图能够客观、有效地诊断学生的前概念，尤其是和微观模型构建一样，难于了解、表征困难的前概念。如猜想棉花糖和钢铁内部结构一类的生活化、对比冲突强烈的任务能够引导学生运用对比的方法，从生活经验中提取有效信息，理清猜想思路。
结论6：男生空间想象能力比女生具有先天优势、微观模型构建起步容易。但因本研究总人数不多，被试男女比例严重不协调，此结论有待于进一步严格论证。
启示1：在微粒知识教学中，化学教师可充分利用学生在生物课上获得的感性认识，创设问题情境，帮助学生进行同化顺应，从而构建知识。
启示2：化学教师可在微粒教学前布置学生自制水、乙醇、金刚石等分子模型。任务由易到难，逐步开展。教师应提供实物与分子模型对比图，供学生长期参照。
启示3：建议化学教师在微粒教学前3至4周内，结合当时教学内容，适当引入微观模型相关的简易动画展示。展示时，建议谨慎讲解，淡化微粒知识内容，以免学生一知半解，产生畏难情绪。
启示4：本研究通过引导学生描绘棉花糖和钢铁内部结构的猜想图，并对文本材料进行分类统计，揭示了7年级学生关于物质结构和性质关系的前概念。此方法可为一线教师诊断前概念、进行有针对性教学提供参考。建议对于难于了解和表征困难的任务进行生活化强烈对比处理。