基于認(rèn)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(shí)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(fù)講解或重復(fù)習(xí)題訓(xùn)練以求學(xué)生鞏固，這種只求效果不考慮學(xué)生學(xué)習(xí)情感的教學(xué)方法，以當(dāng)前課程改革的觀點(diǎn)分析，就是典型的缺乏課程意識(shí)。教師的課程意識(shí)，不但是一種理念滲透，也是一種對(duì)基于當(dāng)代教育學(xué)、心理學(xué)學(xué)習(xí)與運(yùn)用的體現(xiàn)。本文以“中和滴定誤差分析”為例，試用認(rèn)知心理學(xué)對(duì)問題難易的分析原理進(jìn)行解構(gòu)，以供對(duì)其他知識(shí)難點(diǎn)作難度分析的借鑒。
“中和滴定實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確體會(huì)各種操作誤差的產(chǎn)生，學(xué)生感到誤差分析結(jié)果容易“南轅北轍”。
一、中和滴定實(shí)驗(yàn)誤差分析問題的復(fù)雜性分析
依據(jù)德國(guó)認(rèn)知心理學(xué)家J·芬克關(guān)于復(fù)雜問題的判定標(biāo)準(zhǔn)(“不透明性”“多目標(biāo)性”“情境的復(fù)雜性”“變量及變量間的聯(lián)系復(fù)雜性”“動(dòng)態(tài)性”“延遲性)，對(duì)比中和滴定誤差分析問題，可以發(fā)現(xiàn)問題的設(shè)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(fù)的，就需要做多步的變量轉(zhuǎn)換，思考就需多步且要細(xì)致，即誤差分析具有復(fù)雜問題的“不透明性”與“多目標(biāo)性”特征;對(duì)中和滴定中引起結(jié)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，即問題分析具有多變量，而且這些操作可以單獨(dú)設(shè)置為變量，也可以多種操作組合形成多變量的問題，可見這些操作(變量)間的關(guān)系比較復(fù)雜，即具有復(fù)雜問題的“情境的復(fù)雜性”“變量及變量間的聯(lián)系”的特征;中和滴定實(shí)驗(yàn)誤差分析問題中，因?yàn)橐鹫`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(qiáng)記憶力與較強(qiáng)的推理能力，即具有復(fù)雜問題的“延遲性”特征;若在新課學(xué)習(xí)時(shí)對(duì)中和滴定的誤差分析技能掌握不扎實(shí)，隨著時(shí)間推移，學(xué)生則會(huì)感到越來越難掌握，而失卻思維推理的條理與耐心，從學(xué)習(xí)者的思維特點(diǎn)來分析，即具有復(fù)雜問題的”動(dòng)態(tài)性”特征。
二、中和滴定實(shí)驗(yàn)中引起誤差結(jié)果的操作變量數(shù)目分析
關(guān)于中和滴定誤差分析問題的所有復(fù)雜性特征，最根本的因素就是中和滴定實(shí)驗(yàn)中能引起誤差的操作變量較多。以“標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定待測(cè)溶液的操作”為例，分析能引起誤差的操作種類數(shù)即變量數(shù)目。
1.洗滌方式
因滴定管內(nèi)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(rùn)洗2～3次;而錐形瓶只是反應(yīng)的容器，只需保持已量定體積的所裝待測(cè)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�？勺魅缦路诸惗O(shè)置問題：(1)滴定管洗滌：量取待測(cè)液的滴定管未曾用待測(cè)液潤(rùn)洗而直接量取，若其他操作準(zhǔn)確，則結(jié)果偏大?偏小?無影響?裝標(biāo)準(zhǔn)液的滴定管未曾用標(biāo)準(zhǔn)溶液潤(rùn)洗，而其他操作正確則測(cè)得濃度偏大?偏小?無影響?(2)錐形瓶洗滌：錐形瓶用蒸餾水洗凈后，瓶?jī)?nèi)殘留少量蒸餾水，測(cè)得濃度偏大?偏小?無影響?錐形瓶用蒸餾水洗凈后，再用待測(cè)液潤(rùn)洗2～3次，則測(cè)得待測(cè)溶液的濃度偏大?偏小?無影響?
2.滴定管尖嘴部的氣泡
裝滿溶液的滴定管，應(yīng)檢查滴定管尖嘴內(nèi)有無氣泡，如有氣泡，會(huì)使滴定管刻度讀數(shù)偏小，因此必須排出。作為問題的變量，操作�？勺魅缦路诸惗O(shè)置問題：(1)量取待測(cè)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(yàn)測(cè)得待測(cè)溶液的濃度偏大?偏小?無影響?若記錄起始刻度時(shí)尖嘴部無氣泡，而在記錄終點(diǎn)刻度時(shí)尖嘴部出現(xiàn)氣泡，則結(jié)果偏大?偏小?無影響?(2)滴定用滴定管(裝標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確，則實(shí)驗(yàn)測(cè)得待測(cè)溶液的濃度偏大?偏小?無影響?若記錄起始刻度時(shí)尖嘴部無氣泡，而在記錄終點(diǎn)刻度時(shí)尖嘴部出現(xiàn)氣泡，則結(jié)果偏大?偏小?無影響?
3.滴定管尖嘴端存在掛滴
滴定管裝滿溶液后尖嘴部存在掛滴，則應(yīng)用濾紙吸掉掛滴，以保證滴入錐形瓶中的每滴標(biāo)準(zhǔn)液都有刻度記錄。中和滴定在臨近滴定終點(diǎn)時(shí)操作應(yīng)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(xiàn)掛滴，然后將尖嘴掛滴靠近錐形瓶?jī)?nèi)壁，使掛滴沿內(nèi)壁引流而流入錐形瓶?jī)?nèi)，并用蒸餾水沖洗錐形瓶?jī)?nèi)壁)，可見正確的滴定操作在滴定終點(diǎn)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)掛滴。作為問題的變量，操作常可作如下分類而設(shè)置問題：(1)量取待測(cè)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(cè)得溶液濃度結(jié)果偏大?偏小?無影響?在記錄起始刻度時(shí)尖端無掛滴，而達(dá)到終點(diǎn)刻度時(shí)尖端出現(xiàn)掛滴，其余操作準(zhǔn)確則測(cè)得溶液濃度偏大?偏小?無影響?(2)滴定用滴定管(裝標(biāo)準(zhǔn)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(cè)得溶液濃度結(jié)果偏大?偏小?無影響?在記錄起始刻度時(shí)尖端無掛滴，而達(dá)到終點(diǎn)時(shí)尖端出現(xiàn)掛滴，其余操作正確則測(cè)得溶液濃度偏大?偏小?無影響?
4.滴定管的讀數(shù)
讀數(shù)時(shí)滴定管應(yīng)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(nèi)的液面呈下凹彎月形，讀數(shù)時(shí)視線應(yīng)與凹液面下緣最低點(diǎn)在同一水平線上，仰視與俯視都會(huì)使讀數(shù)產(chǎn)生偏差。作為問題的變量，關(guān)于讀數(shù)可作如下分類而設(shè)置問題：(1)用滴定管量取待測(cè)液體積時(shí)：記錄起始刻度時(shí)仰視讀數(shù)其余操作正確，則待測(cè)溶液濃度結(jié)果偏大?偏小?無影響?記錄起始刻度時(shí)俯視讀數(shù)其余操作正確，則待測(cè)溶液濃度結(jié)果偏大?偏小?無影響?讀取終點(diǎn)刻度時(shí)仰視讀數(shù)其余操作正確，則待測(cè)溶液濃度結(jié)果偏大?偏小?無影響?讀數(shù)終點(diǎn)刻度時(shí)俯視讀數(shù)其余操作正確，則待測(cè)溶液濃度結(jié)果偏大?偏小?無影響?(2)滴定讀數(shù)：記錄起始刻度時(shí)仰視讀數(shù)其余操作正確，則待測(cè)溶液濃度結(jié)果偏大?偏小?無影響?記錄起始刻度時(shí)俯視讀數(shù)其余操作正確，則待測(cè)溶液濃度結(jié)果偏大?偏小?無影響?讀取終點(diǎn)刻度時(shí)仰視讀數(shù)其余操作正確，則待測(cè)溶液濃度結(jié)果偏大?偏小?無影響?讀數(shù)終點(diǎn)刻度時(shí)俯視讀數(shù)其余操作正確，則待測(cè)溶液濃度結(jié)果偏大?偏小?無影響?
5.其他能產(chǎn)生誤差的操作變量
(1)配制待測(cè)溶液或標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)液滴入定量標(biāo)準(zhǔn)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。問題變量繁復(fù)。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(jié)果的產(chǎn)生并不是直接產(chǎn)生，一般需要轉(zhuǎn)換，如從讀數(shù)的偏大或偏小來判斷所用溶液體積大小就需注意是數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)溶液與待測(cè)溶液”等等�？梢娭泻偷味ㄕ`差分析問題，若從影響問題難度的因素分析，雖然從認(rèn)知心理學(xué)分析解決此類問題的算子并不多，但其變量之多，為中學(xué)化學(xué)問題中之最，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(xì)致，于是教師在組織此知識(shí)點(diǎn)教學(xué)時(shí)也因此而變得枯燥乏味。
三、從專家與新手解決問題的變量處理方式談中和滴定誤差分析的歸因教學(xué)
認(rèn)知心理學(xué)家認(rèn)為某個(gè)方向的問題解決專家，主要是解決此方向問題的知識(shí)之間已形成各種聯(lián)系，這些知識(shí)可以歸成同一類，這樣幾類的知識(shí)又可以歸成更大的一類，即專家借以較大的意義單元即組塊加工信息，使解決問題時(shí)便于迅速檢索與提取。認(rèn)知心理學(xué)家也從實(shí)驗(yàn)角度證明，在教學(xué)中按問題解決專家的知識(shí)結(jié)構(gòu)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(yùn)用專家式的認(rèn)知模式來組織教學(xué)。
1.明確中和滴定的誤差類型，克服解決問題時(shí)的“功能固著性”
所謂認(rèn)知功能固著性，即解決問題時(shí)總是按照事物的傳統(tǒng)功能，不會(huì)變通，不能用新的方式來表征問題情境。如問題設(shè)置為“用滴定管量取待測(cè)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(biāo)準(zhǔn)溶液也不是相應(yīng)地多用了嗎?結(jié)果無影響吧”，不少學(xué)生因?yàn)閷?duì)數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用總有一種“一定要應(yīng)用”的功能固著副作用，就把此多加的“1/20mL”數(shù)據(jù)也代入計(jì)算式計(jì)算，而根本沒認(rèn)識(shí)到此“一滴”不是本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，只想到有數(shù)據(jù)就要代入計(jì)算式計(jì)算，即具有一種認(rèn)知心理學(xué)家認(rèn)為的“功能固著”認(rèn)知偏差。讓學(xué)生掌握誤差的概念與類型較為重要。對(duì)于誤差，中學(xué)教材與教師一般都只涉及對(duì)結(jié)果的直接分析，不作對(duì)誤差知識(shí)的系統(tǒng)說明，導(dǎo)致學(xué)生缺乏如專家般的誤差分析系統(tǒng)知識(shí)，而完善知識(shí)結(jié)構(gòu)是克服功能固著性的前提。因此，在組織該知識(shí)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(yàn)誤差定義為直接或間接測(cè)量的數(shù)據(jù)與真實(shí)情況的差值，若高于真實(shí)值，稱之為結(jié)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(tǒng)誤差與操作誤差兩大類：系統(tǒng)誤差即儀器或指示劑的精確度所限，具有客觀性，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(yàn)操作所產(chǎn)生的偏差，具有實(shí)驗(yàn)者的主觀性，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(shè)置。(3)明確中和滴定是用標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定待測(cè)溶液的濃度，一般通過滴定管讀數(shù)，代入反應(yīng)計(jì)算關(guān)系式而運(yùn)算得到結(jié)果，是一種間接測(cè)量，而誤差是由直接測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生。誤差分析即分析直接測(cè)量所得的數(shù)據(jù)偏差情況在計(jì)算式中對(duì)結(jié)果的影響，完善學(xué)生特定領(lǐng)域的知識(shí)結(jié)構(gòu)是有效解決特定領(lǐng)域問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，形成解決問題所需知識(shí)的組塊加工信息
美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)教授紐威爾和西蒙在關(guān)于影響問題難度因素的論述中，提到問題空間是影響問題難度的最重要的因素，問題空間即解決問題的迷津，空間越大即迷津越多，并認(rèn)為解決問題的思維過程就是采取有效的策略和方法不斷縮小問題空間以至問題解決的過程。而要縮小問題空間的一個(gè)根本因素就是解決者可以采取的內(nèi)部知識(shí)命題集的大小，即知識(shí)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(duì)各個(gè)引起誤差的變量進(jìn)行“組塊”，以降低解決此類問題的難度，在教學(xué)中較為常見的“組塊”是以引起相同誤差結(jié)果的操作歸類。如對(duì)引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏高的操作進(jìn)行“組塊”(以標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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標(biāo)準(zhǔn)液便開始滴定。滴定前俯視滴定管，滴定后仰視滴定管讀數(shù)。滴定結(jié)束時(shí)，部分標(biāo)準(zhǔn)液附在錐形瓶瓶壁上。(4)滴定結(jié)束時(shí)，滴定管尖嘴處仍掛有半滴定液。(5)用酚酞作指示劑，當(dāng)紅色變成無色。(6)返滴一滴NaOH溶液無顏色變化。(7)滴定結(jié)束后，立即讀數(shù)。同樣可以對(duì)引起實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yàn)中的各操作階段的誤差情況進(jìn)行“組塊”。將知識(shí)信息梳理得井然有序，并把有意義的或有內(nèi)在聯(lián)系的知識(shí)信息以一定的編碼方式貯存，均可提高短時(shí)記憶與長(zhǎng)時(shí)記憶容量，從而大大提高解決問題的正確率與效率。
3.歸納與反思誤差分析，形成問題解決的“如果……那么”產(chǎn)生式系統(tǒng)
認(rèn)知心理學(xué)家認(rèn)為，在知識(shí)傳授中，不僅要重視陳述性知識(shí)的學(xué)習(xí)，更重要的是要重視程序性和策略性知識(shí)的學(xué)習(xí)。程序性知識(shí)和策略性知識(shí)對(duì)學(xué)生提高問題解決能力起著十分重要的作用，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”式的問題解決系統(tǒng)。在中和滴定誤差分析過程中，應(yīng)首先讓學(xué)生明白，中和滴定誤差是間接測(cè)量誤差，是直接測(cè)量的數(shù)據(jù)代入計(jì)算式而產(chǎn)生，誤差分析中應(yīng)理解計(jì)算式中哪些因子是常量，哪些是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù);其次讓學(xué)生明白“如果實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)偏大或偏小，那么計(jì)算結(jié)果偏大還是偏小”;再次讓學(xué)生分析清楚實(shí)驗(yàn)中“如果是這樣的操作，那么實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)偏大還是偏小抑或無影響?”……在誤差分析中運(yùn)用如此的逆推法和“如果……那么”的假設(shè)，能讓學(xué)生從繁復(fù)的變量對(duì)應(yīng)分析中，歸因到結(jié)果的計(jì)算分析，使分析有條理、能監(jiān)控并調(diào)整。通過適當(dāng)?shù)木毩?xí)，使學(xué)生從最初的依據(jù)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(guī)則的程序性分析，并在分析過程中進(jìn)行調(diào)控自己解決問題的方向、方法與原理，即策略性知識(shí)的運(yùn)用，從而使自己從一個(gè)解決問題的新手轉(zhuǎn)變成為一個(gè)解決問題的專家。
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(yīng)該而且必須思考的問題，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(fù)練習(xí)及講解”等解決難點(diǎn)的教學(xué)方式著手，因?yàn)橹挥性诶碚撋戏治銮宄y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)新性地開展新的適合于不同學(xué)生的解決難點(diǎn)的各類教學(xué)方法與方式。
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