概念及概念结构研究是教育心理学和认知心理学的重点课题,旨在探究概念间的组织规律和结构关系。相较于心理学领域中社会属性概念结构研究的成熟发展,学科领域的概念结构发展则稍显滞后。为深化学科领域概念结构的研究,丰富概念结构在学科科研及学科实践方面的方法论基础,提出概念结构研究的方法模型,即概念结构探究过程的“引出表征评价改善(Eliciting-Representing-Assessing-Improving)”ERAI四阶梯模型。同时,以高中化学主题“反应热”的概念结构探究为例,阐明如何通过模型将心理学研究工具应用于概念结构研究中。最后,思考当前化学学科领域内概念结构研究仍存在的问题及未来可能的发展方向。

当前博物馆教育引发热潮,但博物馆教育在高中阶段的开展还有所欠缺,且缺乏对学科内容的关注。以“硅酸盐材料”为例,在基于博物馆资源进行高中化学作业设计时,可以以大概念为线索,按照教学逻辑串联博物馆资源,基于文物的社会文化背景发展学科文化深度,利用第二课堂研学活动给予真实体验,基于数字化手段突破场域限制。

在配合物教学中,以“组成结构决定性质,性质决定用途”的化学观念为统领,将配合物的组成和结构特点、性质、用途等相关知识与认识物质的一般思路有机整合,实现了单元知识的整体架构。选取学生熟悉的关联性素材,创设启发性问题链,为学生的认知发展搭建台阶,利用“宏观微观符号”三重表征开展学生活动,引导学生从宏微结合的视角分析物质的性质和变化,打通了知识间的纵横联系,促进知识结构化、认识思路结构化,培养学生的结构化思维及学科核心素养。

“分类观”的建构有助于学生对物质世界形成有序的认识,并为其他化学观念的形成提供基本框架,促进学生核心素养的培养。针对学生“分类观”建构存在的困难,设计卡牌游戏并进行教学实践,不仅完成了教学目标,也让学生对化学的兴趣更加浓厚。

通过文献分析法找出了诺贝尔化学奖获得者成长过程中的教育影响因素,并制定了教育影响因素的赋分标准。通过诺贝尔化学奖获得者在诺贝尔奖官方网站中提供的自传与相关书籍资料,依据赋分标准对诺贝尔化学奖获得者成长过程中的教育影响因素赋分。将赋分结果进行主成分分析,揭示这些因素之间存在的关系,解释得到的结论。

以四段式测试题为主要工具对高一学生“乙醇”的心智模型建构情况进行了测评,分别围绕乙醇的分子结构、乙醇的酸碱性、乙醇与钠的反应、乙醇的氧化反应、乙醇的酯化反应等5个知识点,对心智模型的种类及持有相应种类的学生比例进行了统计和分析,对相关学习困难进行了探讨。研究发现学生建构了5类共17种非科学心智模型,其中13种为信心指数较高的真性缺陷模型。

本研究的目的是诊断高中生对分子空间结构概念群的掌握情况,并探究高中生分析分子空间结构的方法及学习困难。研究工具是自编的分子空间结构认知诊断测验,被试是来自海南省5所高中学校的639名学生,采用DINA模型和极大后验估计方法获得属性掌握模式和掌握比率。研究结果发现,(1)高中生在分子空间结构概念群的学习困难主要涉及孤电子对数、价层电子对数和分子的极性;(2)高中生分子空间结构概念群的学习之路,除了存在理论描述的学习之路以外,还存在一些非理论的学习之路,主要涉及孤电子对数、VSEPR模型、分子的空间结构和杂化轨道类型。

中学有机化学教材以溴乙烷与氢氧化钠的反应为例介绍了卤代烃的取代和消去反应,定性描述了反应规律(水和醇溶液分别有利于取代和消去反应)。用计算化学方法研究了反应的分子机理,计算了反应的动力学和热力学性质,给出了反应的微观结构信息和直观物理图像。研究结果有助于学生加深对卤代烃反应性能和反应规律的理解,研究方法有益于学生充分认识计算化学是研究化学反应机理的重要手段。

铜与浓硫酸反应的实验是高中学生理解浓硫酸具有强氧化性的重要实验。按照教材给定的方法进行实验,发现反应后的溶液有黑色不溶物存在,干扰学生对浓硫酸具有强氧化性的认知,同时实验中产物硫酸铜的鉴定过程烦琐且具有危险性。针对此问题,从浓硫酸的浓度、反应温度、铜片用量等3个因素进行实验条件优化,实验结果表明,在5 mL硫酸浓度为90%、反应温度为180 ℃、铜片质量为0.1 g的条件下,能明显地观察到白雾二氧化硫的生成、蓝色溶液(CuSO₄)的存在且没有不溶物的出现。优化后的实验其实验现象和教材中所给出的该反应化学方程式之间匹配度更高,能有效地帮助学生建构浓硫酸的强氧化性,同时操作过程简单,用时少,安全性好,重现性增强。

为丰富学生对配合物在生活应用场景中的体验,开发了一个趣味实验。实验使用不同金属盐做媒染剂,从茜草、桑葚、红凤菜中提取天然色素对棉布进行染色,比较染色效果和色彩的牢固性。实验显示,金属离子与色素、纤维素形成配合物,可提高染色牢度并改变染布颜色,并从配合物结构理论对实验现象进行解释。实验发现,桑葚和红凤菜染色的棉布经搓洗后掉色较为严重,且桑葚染布颜色受环境pH的影响大,容易变色,2者不宜作为实验材料。该趣味实验所用试剂廉价,操作简便,可为配合物教学提供实验案例。

一次讨论盐类双水解是否能进行彻底的课堂教学中,学生们通过计算得知氯化铝和乙酸钠作用的平衡常数很大,但随后实验发现2种盐溶液混合后无明显现象。查阅资料和设计实验研究表明,常温下氯化铝和乙酸钠溶液混合可能得到了弱电解质Al(CH₃COO)₃。当温度升高后,Al(CH₃COO)₃一级电离可能得到Al(CH₃COO)⁺₂,并与溶液中OH^-作用形成Al(OH)-(CH₃COO)₂等白色沉淀。以此实验为真实情境实施教学活动,可引导学生感悟“发现问题→提出假设→实验验证→得出结论”之科学思维方法,挖掘实验的教学功能,发展学生的证据推理、实验探究、创新意识等学科核心素养。

对从草木灰中提取粗碳酸钾的实验进行了改进,设计了可代替酒精灯使用的微型炭炉,设计了微型电动搅拌器,设计了浸取压滤一体装置,极大缩短了实验时间,使得该实验更易推广。有目的地挖掘了各种商业成品的新用途,并应用在化学实验中,使实验设备具有成本低、易搬运、节能、绿色化、普适性强等特点。

以乙醇的催化氧化实验为载体,探究了不同种类、接触面积、聚热程度、表面粗糙度和摆放方式等因素对金属催化剂效果的影响。通过记录使溴水褪色所需鼓入空气的次数,以表征乙醇生成乙醛的转化率,从而定量比较不同催化剂的催化效果。结果表明,金属银的催化效果优于金属铜,此外接触面积大、聚热程度高、表面粗糙度高、摆放方式合理等因素都能加强催化效果。

设计了以“滴”为计量单位、以微距摄影为观察方式的可视化微型化学实验。在表面皿中探究铜氨配合物、银氨配合物和铁离子配合物的形成过程,使反应空间平面化。通过智能手机和手机微距镜头的配合使用,可明晰配合物和沉淀的区别。利用投影技术,可清晰地在课堂上呈现实验过程中沉淀的生成和溶解等微观现象。制备铜氨配合物时,晶体的析出更是美不可言。改进后的实验具有可视化、微型化、安全环保等特点。

部分羰基化合物存在酮式与烯醇式的互变异构,从不同角度分析了2种异构体的稳定性差异,以及影响烯醇式结构稳定性的因素,并呈现了烯醇式结构在几个常见有机反应机理中的应用。

以美国、澳大利亚、新西兰为例,从测评框架、测评工具及测评结果等3个维度,深入剖析并比较了国际上的科学素养测评体系建设经验,为我国构建青少年科学素养测评体系提出以下4点建议:以挖掘科技创新人才为目标,建立符合中国国情的科学素养测评框架;以跨学科问题解决能力发展为核心,开发全面、分层次的科学素养测评工具;以国际比较为视野,建立我国中小学科学素养测评尺度;以家庭、学校和社会协同参与为路径,指导中小学科学教育长效发展。

由于COVID-19的影响,混合式教学(Blended Teaching,BT)已成为中学化学教学的新常态。然而,目前少有研究探讨BT在中学化学教学中的有效性。为更好地分析中学化学BT效果,发挥BT的优势,以元分析为研究方法,对国内外近 10 年的 BT 研究成果进行了定量分析。结果表明:(1)BT对中学化学教学有显著的正向影响(Hedges's g=0.811,95% CI [0.659,0.934]),尤其是在提升学生的化学技能和成绩方面;(2)在学科特征方面,BT更有利于实验化学知识的学习;(3)在教学特征方面, 异步交互、在线教学+面对面教学+在线教学 (OFO) 的混合顺序可以提升BT效果;(4)在研究方法特征方面,0~3月的干预时长更有利于提升中学化学BT效果。综上所述,认为BT可以有效提升中学化学教学效果。