学生在化学平衡认知上的迷思概念（上）？ 甫教高中生有关化学平衡的章节时，经常碰到几个观念学生容易混淆、无法了解，例如可逆性 (reversibility)、反应完成或终结有何差别、平衡是静态 (static) 或动态 (dynamic)、平衡位置向左或向右移动的意涵…等，这些困扰有些源自于学生先备知识的认知架构，匡限了后学内容的认知了解，有些源自于教学用语的不良沟通，更有些出自没有适当的模型或演示，造成微观现象的不了解，这些问题不仅在国内的教学现场处处可见，在国外的研究探讨也屡见不鲜，详见参考文献。本文将以一些实例说明这些迷失概念产生的原因，并藉助一些演示实验，加以釐清及说明。 一、平衡是反应的终结或完成 国中阶段，有关化学反应，老师的教学内容，通常是将反应方程式写在黑板上，以单一箭头表示反应朝生成物的方向进行，当有一反应物用罄时，反应就告终结或停止。但后来开始教化学平衡时，则隐含化学反应有可逆性，即反应不只朝一个方向进行，亦即在达成平衡后的反应系统中没有一个物种会被完全用罄，正逆反应仍会持续进行。显然由于「初学者」尚未有微观的概念，教师教学时只能藉由巨观、可观察的现象来教导学生书写化学方程式，因而此一概念会持续固着，甚至延伸至开始学习化学平衡，因此巨观现象没有变化即代表反应已终结的困扰，于焉产生。事实上除了没有微观概念以外，尚有开放和密闭系统的差异，在开放系统中很难有平衡现象产生。 通常化学变化 (chemical transformations) 依照反应进行的时程可区分如图一，尚在进行中者代表不停有生成物产生，反应尚未终止，巨观和微观的现象仍在继续进行中。化学变化已完成者则有二种情况，其一为反应已终结者，此时不管微观或巨观反应均已终止不再进行，若在平衡状态者，巨观上虽已无变化，但微观仍持续进行中。 图一、一般化学变化的分类。（作者绘製） 基于上述迷思，老师开始进行化学平衡的教学时，可藉下列实例及演示实验加以说明，以建立学生的正确认知，首先以碳酸钙加热分解的反应为例： 图二、相同条件下，在 (A) 开口容器和 (B) 密闭容器中加热碳酸钙的示意图。（作者绘製） 在开口的容器中，定温加热碳酸钙粉末如图二 (A) 所示，会有二氧化碳生成，容器中反应物的量持续减轻，此时化学变化正在进行，待容器内物质的重量不再变化时，反应即达终结，碳酸钙已用磬，容器中巨观和微观的现象均已无改变，此一认知和学生在国中阶段的理解相仿。若同一反应，所有反应条件也一样，在密闭的定容容器中加热，则情况迥异。反应进行时，容器内物质的总重量不变，若测量容器内的压力，则其压力由原来的大气压力持续上升，但到达一特定点时，即为定值不再变化。 经过上述说明后，可提出下列问题，请学生思考： 两者的实验条件有何重大差异？ 实验期间，为何第二个实验容器内的重量维持不变？而第一个却是持续减轻？ 经过精密的检测，密闭容器中仍有碳酸钙存在，它不会继续反应吗？ 侦测容器内的压力，为何达特定值后即不再改变？ 学生对于第 1 个问题，大多不会有问题，不是容器有密闭和开口的不同，就是一者有气体生成物溢洩，一者无。第 2 个问题也大部分答对，闭密系统合乎质量不灭定律，开放系统则有二氧化碳溢散至容器外。但学生开始思考第 3、4 个问题时，便和旧经验产生冲突，此时学生开始产生疑问，密闭系统中尚有碳酸钙存在，为何不会继续反应呢？如果能继续反应，为何二氧化碳的分压不再增加？为了解答这个矛盾，此时?反应不只会朝正反应的方向进行，也会朝逆反应的方向进行?的概念，便有可能被诱发出来，如果正逆反应的速率恰好相等时，即碳酸钙继续分解，但氧化钙和二氧化也继续合成碳酸钙，因此微观的反应持续进行，但巨观的分压已不再改变，于是上面的疑问便能豁然开朗。这个过程中，可以观察学生把旧的知识架构重整，将新的概念加以融合，建构出新的知识架构，就如图一右半部所列，已完成的反应并不只有已终结的反应，还必须含括已平衡的反应。 连结：学生在化学平衡认知上的迷思概念（下） 参考文献 Tyson, L., Treagust, D. F., & Bucat, R. B. (1999). The complexity of teaching and learning chemical equilibrium. Chem. Educ , 76 (4), 554. Bergquist, W., & Heikkinen, H. (1990). Student ideas regarding chemical equilibrium: What written test answers do not reveal. Chem. Educ , 67 (12), 1000. Van Driel, J. H., Verloop, N., & de Vos, W. (1999). Introducing dynamic equilibrium as an explanatory model. Chem. Educ , 76 (4), 559. Ghirardi, M., Marchetti, F., Pettinari, C., Regis, A., & Roletto, E. (2013). A teaching sequence for learning the concept of chemical equilibrium in secondary school education. Journal of Chemical Education , 91 (1), 59-65. Olney, D. J. (1988). Some analogies for teaching rates/equilibrium. Chem. Educ , 65 (8), 696. Garritz, A. (1997). The painting-sponging analogy for chemical equilibrium. Chem. Educ , 74 (5), 544. Laurita, W. (1990). Another look at a mechanical model of chemical equilibrium. J. Chem. Educ , 67 (7), 598. 查看更多
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