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基于認知心理學(xué)原理下高中化學(xué)教學(xué)難點(diǎn)的歸因探析論文
化學(xué)教學(xué)中有些知識點(diǎn)(例如化學(xué)平衡、中和滴定的誤差分析、電離平衡等)難以突破，若只從反復講解或重復習題訓練以求學(xué)生鞏固，這種只求效果不考慮學(xué)生學(xué)習情感的教學(xué)方法，以當前課程改革的觀(guān)點(diǎn)分析，就是典型的缺乏課程意識。教師的課程意識，不但是一種理念滲透，也是一種對基于當代教育學(xué)、心理學(xué)學(xué)習與運用的體現。本文以“中和滴定誤差分析”為例，試用認知心理學(xué)對問(wèn)題難易的分析原理進(jìn)行解構，以供對其他知識難點(diǎn)作難度分析的借鑒。
“中和滴定實(shí)驗誤差分析”是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，教與學(xué)都感到滴定誤差分析是“紛紛擾擾”，教師感到難以讓學(xué)生準確體會(huì )各種操作誤差的產(chǎn)生，學(xué)生感到誤差分析結果容易“南轅北轍”。
一、中和滴定實(shí)驗誤差分析問(wèn)題的復雜性分析
依據德國認知心理學(xué)家J·芬克關(guān)于復雜問(wèn)題的判定標準(“不透明性”“多目標性”“情境的復雜性”“變量及變量間的聯(lián)系復雜性”“動(dòng)態(tài)性”“延遲性)，對比中和滴定誤差分析問(wèn)題，可以發(fā)現問(wèn)題的設置層面一般只能獲得一些表面的信息如操作描述等，而是否產(chǎn)生誤差、引起的誤差是正的還是負的，就需要做多步的變量轉換，思考就需多步且要細致，即誤差分析具有復雜問(wèn)題的“不透明性”與“多目標性”特征;對中和滴定中引起結果偏差的操作因素作最少的分析也約20種，而這些操作似是而非，即問(wèn)題分析具有多變量，而且這些操作可以單獨設置為變量，也可以多種操作組合形成多變量的問(wèn)題，可見(jiàn)這些操作(變量)間的關(guān)系比較復雜，即具有復雜問(wèn)題的“情境的復雜性”“變量及變量間的聯(lián)系”的特征;中和滴定實(shí)驗誤差分析問(wèn)題中，因為引起誤差的變量較多，記憶量就較大，而且從操作變量到誤差產(chǎn)生不是“一蹴而就”的，需要分析者有耐心、有較強記憶力與較強的推理能力，即具有復雜問(wèn)題的“延遲性”特征;若在新課學(xué)習時(shí)對中和滴定的誤差分析技能掌握不扎實(shí)，隨著(zhù)時(shí)間推移，學(xué)生則會(huì )感到越來(lái)越難掌握，而失卻思維推理的條理與耐心，從學(xué)習者的思維特點(diǎn)來(lái)分析，即具有復雜問(wèn)題的”動(dòng)態(tài)性”特征。
二、中和滴定實(shí)驗中引起誤差結果的操作變量數目分析
關(guān)于中和滴定誤差分析問(wèn)題的所有復雜性特征，最根本的因素就是中和滴定實(shí)驗中能引起誤差的操作變量較多。以“標準溶液滴定待測溶液的操作”為例，分析能引起誤差的操作種類(lèi)數即變量數目。
1.洗滌方式
因滴定管內溶液須保持所裝溶液的原濃度，因此滴定管用蒸餾水洗凈后須用待裝溶液潤洗2～3次;而錐形瓶只是反應的容器，只需保持已量定體積的所裝待測液的溶質(zhì)的物質(zhì)的量即可，因此只需用蒸餾水洗凈即可。作為產(chǎn)生誤差的變量，操作�？勺魅缦路诸�(lèi)而設置問(wèn)題：(1)滴定管洗滌：量取待測液的滴定管未曾用待測液潤洗而直接量取，若其他操作準確，則結果偏大?偏小?無(wú)影響?裝標準液的滴定管未曾用標準溶液潤洗，而其他操作正確則測得濃度偏大?偏小?無(wú)影響?(2)錐形瓶洗滌：錐形瓶用蒸餾水洗凈后，瓶?jì)葰埩羯倭空麴s水，測得濃度偏大?偏小?無(wú)影響?錐形瓶用蒸餾水洗凈后，再用待測液潤洗2～3次，則測得待測溶液的濃度偏大?偏小?無(wú)影響?
2.滴定管尖嘴部的氣泡
裝滿(mǎn)溶液的滴定管，應檢查滴定管尖嘴內有無(wú)氣泡，如有氣泡，會(huì )使滴定管刻度讀數偏小，因此必須排出。作為問(wèn)題的變量，操作�？勺魅缦路诸�(lèi)而設置問(wèn)題：(1)量取待測液體積之滴定管：記錄起始刻度時(shí)尖嘴部有氣泡，量取后氣泡消失，其他操作正確，則實(shí)驗測得待測溶液的濃度偏大?偏小?無(wú)影響?若記錄起始刻度時(shí)尖嘴部無(wú)氣泡，而在記錄終點(diǎn)刻度時(shí)尖嘴部出現氣泡，則結果偏大?偏小?無(wú)影響?(2)滴定用滴定管(裝標準溶液)：記錄起始刻度時(shí)尖嘴部有氣泡，滴定后氣泡消失，其他操作準確，則實(shí)驗測得待測溶液的濃度偏大?偏小?無(wú)影響?若記錄起始刻度時(shí)尖嘴部無(wú)氣泡，而在記錄終點(diǎn)刻度時(shí)尖嘴部出現氣泡，則結果偏大?偏小?無(wú)影響?
3.滴定管尖嘴端存在掛滴
滴定管裝滿(mǎn)溶液后尖嘴部存在掛滴，則應用濾紙吸掉掛滴，以保證滴入錐形瓶中的每滴標準液都有刻度記錄。中和滴定在臨近滴定終點(diǎn)時(shí)操作應是逐半滴滴入錐形瓶(半滴滴定操作即為控制活塞或小玻璃球使尖嘴端出現掛滴，然后將尖嘴掛滴靠近錐形瓶?jì)缺�，使掛滴沿內壁引流而流入錐形瓶?jì)�，并用蒸餾水沖洗錐形瓶?jì)缺?，可見(jiàn)正確的滴定操作在滴定終點(diǎn)時(shí)不會(huì )出現掛滴。作為問(wèn)題的變量，操作�？勺魅缦路诸�(lèi)而設置問(wèn)題：(1)量取待測液之滴定管：量取前滴定管尖端有掛滴，而直接記錄起始刻度，其后操作正確，則測得溶液濃度結果偏大?偏小?無(wú)影響?在記錄起始刻度時(shí)尖端無(wú)掛滴，而達到終點(diǎn)刻度時(shí)尖端出現掛滴，其余操作準確則測得溶液濃度偏大?偏小?無(wú)影響?(2)滴定用滴定管(裝標準溶液)：滴定前滴定管尖端有掛滴，而直接記錄起始刻度，其后操作正確，則測得溶液濃度結果偏大?偏小?無(wú)影響?在記錄起始刻度時(shí)尖端無(wú)掛滴，而達到終點(diǎn)時(shí)尖端出現掛滴，其余操作正確則測得溶液濃度偏大?偏小?無(wú)影響?
4.滴定管的讀數
讀數時(shí)滴定管應垂直地夾在滴定管架上，由于水溶液與玻璃的表面張力的特點(diǎn)，滴定管內的液面呈下凹彎月形，讀數時(shí)視線(xiàn)應與凹液面下緣最低點(diǎn)在同一水平線(xiàn)上，仰視與俯視都會(huì )使讀數產(chǎn)生偏差。作為問(wèn)題的變量，關(guān)于讀數可作如下分類(lèi)而設置問(wèn)題：(1)用滴定管量取待測液體積時(shí)：記錄起始刻度時(shí)仰視讀數其余操作正確，則待測溶液濃度結果偏大?偏小?無(wú)影響?記錄起始刻度時(shí)俯視讀數其余操作正確，則待測溶液濃度結果偏大?偏小?無(wú)影響?讀取終點(diǎn)刻度時(shí)仰視讀數其余操作正確，則待測溶液濃度結果偏大?偏小?無(wú)影響?讀數終點(diǎn)刻度時(shí)俯視讀數其余操作正確，則待測溶液濃度結果偏大?偏小?無(wú)影響?(2)滴定讀數：記錄起始刻度時(shí)仰視讀數其余操作正確，則待測溶液濃度結果偏大?偏小?無(wú)影響?記錄起始刻度時(shí)俯視讀數其余操作正確，則待測溶液濃度結果偏大?偏小?無(wú)影響?讀取終點(diǎn)刻度時(shí)仰視讀數其余操作正確，則待測溶液濃度結果偏大?偏小?無(wú)影響?讀數終點(diǎn)刻度時(shí)俯視讀數其余操作正確，則待測溶液濃度結果偏大?偏小?無(wú)影響?
5.其他能產(chǎn)生誤差的操作變量
(1)配制待測溶液或標準溶液的溶質(zhì)含有雜質(zhì);(2)配制一定物質(zhì)的量濃度的標準溶液時(shí)的操作誤差;(3)中和滴定時(shí)指示劑的不同選擇;(4)若用待測液滴入定量標準液方式進(jìn)行中和滴定，而操作變量不變，分析誤差情況;等等。問(wèn)題變量繁復。中和滴定中引起誤差的操作變量繁多，再加上從操作到誤差結果的產(chǎn)生并不是直接產(chǎn)生，一般需要轉換，如從讀數的偏大或偏小來(lái)判斷所用溶液體積大小就需注意是數據為起始刻度還是終點(diǎn)刻度，而且要注意變量間的相互干擾，如“前與后”“標準溶液與待測溶液”等等�？梢�(jiàn)中和滴定誤差分析問(wèn)題，若從影響問(wèn)題難度的因素分析，雖然從認知心理學(xué)分析解決此類(lèi)問(wèn)題的算子并不多，但其變量之多，為中學(xué)化學(xué)問(wèn)題中之最，故為教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。在教學(xué)時(shí)若只重變量的羅列枚舉，很多學(xué)生會(huì )失卻耐心與細致，于是教師在組織此知識點(diǎn)教學(xué)時(shí)也因此而變得枯燥乏味。
三、從專(zhuān)家與新手解決問(wèn)題的變量處理方式談中和滴定誤差分析的歸因教學(xué)
認知心理學(xué)家認為某個(gè)方向的問(wèn)題解決專(zhuān)家，主要是解決此方向問(wèn)題的知識之間已形成各種聯(lián)系，這些知識可以歸成同一類(lèi)，這樣幾類(lèi)的知識又可以歸成更大的一類(lèi)，即專(zhuān)家借以較大的意義單元即組塊加工信息，使解決問(wèn)題時(shí)便于迅速檢索與提取。認知心理學(xué)家也從實(shí)驗角度證明，在教學(xué)中按問(wèn)題解決專(zhuān)家的知識結構組織教學(xué)，可以提高教學(xué)質(zhì)量。在進(jìn)行中和滴定誤差分析教學(xué)中，也可以運用專(zhuān)家式的認知模式來(lái)組織教學(xué)。
1.明確中和滴定的誤差類(lèi)型，克服解決問(wèn)題時(shí)的“功能固著(zhù)性”
所謂認知功能固著(zhù)性，即解決問(wèn)題時(shí)總是按照事物的傳統功能，不會(huì )變通，不能用新的方式來(lái)表征問(wèn)題情境。如問(wèn)題設置為“用滴定管量取待測溶液時(shí)不慎多加了一滴(1/20mL)，分析誤差情況”。部分學(xué)生就思考“那標準溶液也不是相應地多用了嗎?結果無(wú)影響吧”，不少學(xué)生因為對數據的認識與應用總有一種“一定要應用”的功能固著(zhù)副作用，就把此多加的“1/20mL”數據也代入計算式計算，而根本沒(méi)認識到此“一滴”不是本實(shí)驗的測量數據，只想到有數據就要代入計算式計算，即具有一種認知心理學(xué)家認為的“功能固著(zhù)”認知偏差。讓學(xué)生掌握誤差的概念與類(lèi)型較為重要。對于誤差，中學(xué)教材與教師一般都只涉及對結果的直接分析，不作對誤差知識的系統說(shuō)明，導致學(xué)生缺乏如專(zhuān)家般的誤差分析系統知識，而完善知識結構是克服功能固著(zhù)性的前提。因此，在組織該知識點(diǎn)教學(xué)時(shí)可讓學(xué)生明確以下幾點(diǎn)：(1)明確實(shí)驗誤差定義為直接或間接測量的數據與真實(shí)情況的差值，若高于真實(shí)值，稱(chēng)之為結果偏大，反之為偏小。(2)明確誤差從產(chǎn)生的原因可分為系統誤差與操作誤差兩大類(lèi)：系統誤差即儀器或指示劑的精確度所限，具有客觀(guān)性，如滴定管的精確度、指示劑的變色范圍等;而操作誤差即實(shí)驗操作所產(chǎn)生的偏差，具有實(shí)驗者的主觀(guān)性，需要操作手法的正確性，中和滴定誤差分析大多在此方面設置。(3)明確中和滴定是用標準溶液測定待測溶液的濃度，一般通過(guò)滴定管讀數，代入反應計算關(guān)系式而運算得到結果，是一種間接測量，而誤差是由直接測量的實(shí)驗數據產(chǎn)生。誤差分析即分析直接測量所得的數據偏差情況在計算式中對結果的影響，完善學(xué)生特定領(lǐng)域的知識結構是有效解決特定領(lǐng)域問(wèn)題的最重要條件之一。
2.梳理與歸納各個(gè)引起誤差的操作，形成解決問(wèn)題所需知識的組塊加工信息
美國卡耐基梅隆大學(xué)教授紐威爾和西蒙在關(guān)于影響問(wèn)題難度因素的論述中，提到問(wèn)題空間是影響問(wèn)題難度的最重要的因素，問(wèn)題空間即解決問(wèn)題的迷津，空間越大即迷津越多，并認為解決問(wèn)題的思維過(guò)程就是采取有效的策略和方法不斷縮小問(wèn)題空間以至問(wèn)題解決的過(guò)程。而要縮小問(wèn)題空間的一個(gè)根本因素就是解決者可以采取的內部知識命題集的大小，即知識組塊大小。引起中和滴定誤差的變量較多，因此教學(xué)中有必要對各個(gè)引起誤差的變量進(jìn)行“組塊”，以降低解決此類(lèi)問(wèn)題的難度，在教學(xué)中較為常見(jiàn)的“組塊”是以引起相同誤差結果的操作歸類(lèi)。如對引起實(shí)驗結果偏高的操作進(jìn)行“組塊”(以標準鹽酸滴定未知濃度氫氧化鈉溶液為例)：(1)錐形瓶用水洗凈后，又用待測液滴洗。(2)酸式滴定管未用待裝液滴洗。酸式滴定管滴定前有氣泡，滴定后氣泡消失。(3)酸式滴定管滴定尖嘴未充滿(mǎn)標準液便開(kāi)始滴定。滴定前俯視滴定管，滴定后仰視滴定管讀數。滴定結束時(shí)，部分標準液附在錐形瓶瓶壁上。(4)滴定結束時(shí)，滴定管尖嘴處仍?huà)煊邪氲味ㄒ骸?5)用酚酞作指示劑，當紅色變成無(wú)色。(6)返滴一滴NaOH溶液無(wú)顏色變化。(7)滴定結束后，立即讀數。同樣可以對引起實(shí)驗結果偏小的操作進(jìn)行“組塊”，也有很多教師采用以中和滴定實(shí)驗中的各操作階段的誤差情況進(jìn)行“組塊”。將知識信息梳理得井然有序，并把有意義的或有內在聯(lián)系的知識信息以一定的編碼方式貯存，均可提高短時(shí)記憶與長(cháng)時(shí)記憶容量，從而大大提高解決問(wèn)題的正確率與效率。
3.歸納與反思誤差分析，形成問(wèn)題解決的“如果……那么”產(chǎn)生式系統
認知心理學(xué)家認為，在知識傳授中，不僅要重視陳述性知識的學(xué)習，更重要的是要重視程序性和策略性知識的學(xué)習。程序性知識和策略性知識對學(xué)生提高問(wèn)題解決能力起著(zhù)十分重要的作用，教學(xué)中不但要告訴學(xué)生“是什么”，更關(guān)鍵是要使學(xué)生懂得“為什么”和“怎樣做”，從而使他們獲得大量牢固的“如果……那么”式的問(wèn)題解決系統。在中和滴定誤差分析過(guò)程中，應首先讓學(xué)生明白，中和滴定誤差是間接測量誤差，是直接測量的數據代入計算式而產(chǎn)生，誤差分析中應理解計算式中哪些因子是常量，哪些是實(shí)驗測得的數據;其次讓學(xué)生明白“如果實(shí)驗測得的數據偏大或偏小，那么計算結果偏大還是偏小”;再次讓學(xué)生分析清楚實(shí)驗中“如果是這樣的操作，那么實(shí)驗測得的數據偏大還是偏小抑或無(wú)影響?”……在誤差分析中運用如此的逆推法和“如果……那么”的假設，能讓學(xué)生從繁復的變量對應分析中，歸因到結果的計算分析，使分析有條理、能監控并調整。通過(guò)適當的練習，使學(xué)生從最初的依據誤差分析范例的陳述性分析，漸變成為“如果……那么”式的產(chǎn)生式規則的程序性分析，并在分析過(guò)程中進(jìn)行調控自己解決問(wèn)題的方向、方法與原理，即策略性知識的運用，從而使自己從一個(gè)解決問(wèn)題的新手轉變成為一個(gè)解決問(wèn)題的專(zhuān)家。
總之，教學(xué)難點(diǎn)為什么是難點(diǎn)?這是我們中學(xué)教師應該而且必須思考的問(wèn)題，我們須從心理學(xué)、教育學(xué)層面進(jìn)行思考，從理論上清楚難點(diǎn)之難以及從難到易的通道，而不能總是單從“分散難點(diǎn)”“逐步分解”“重復練習及講解”等解決難點(diǎn)的教學(xué)方式著(zhù)手，因為只有在理論上分析清楚難點(diǎn)為什么難，才能有更合適的解決難點(diǎn)的教學(xué)方法，才能創(chuàng )新性地開(kāi)展新的適合于不同學(xué)生的解決難點(diǎn)的各類(lèi)教學(xué)方法與方式。
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