一种评量学生对化学平衡观念精熟度的方法

学生在学习化学平衡时，经常对于一些重要的概念产生混淆，诸如化学反应的可逆性 (reversibility)；反应平衡时是反应完成或是终结？平衡是静态 (static) 或动态 (dynamic)；平衡是否在振荡 (oscillating) 后完成…等，以致造成后续的学习困扰。有经验的教师在教导这些章节时，均会利用各种方法，以强化这些概念，并釐清迷思，更辅以评量试题，以诊断学生是否确实能精熟这些内容。但使用一般选择题的评量方式，很难看出学生选择某个选项后面的真正理由，无法得知产生迷失的所在。Marco Ghirardi 等作者曾提出以画出微观图像的评量方式（请参酌参考文献 4）做为替代方式，具有立即性的诊断效果，兹将其法引用于高中教学并介绍如后，供大家参酌。

现以高中化学常被提到的二个实例做说明，一为碳酸钙的加热分解反应，一为氯化亚钴溶液的变色实验。首先使用不同形状、颜色的简单图例，分别代表系统中各类物种的粒子，例如灰色的长方形为 $$\mathrm{CaCO_{3(s)}}$$、蓝色的圆圏为 $$\mathrm{CoCl^{2-}_4}$$、红色圆圏为 $$\mathrm{Co(H_2O)^{2+}_6}$$、星星代表异丙醇分子…等。接着要学生画出碳酸钙加热分解，如（式— 1）所示，分别在开放系统和密闭系统中的反应过程，以反应开始、反应中及反应完成的三幅微观图像呈现心中的想法。

$$\mathrm{CaCO_{3(s)}}\overset{\Delta}{\rightarrow}CaO_{(s)}+CO_{2(g)}$$ （式— 1）

学生会有许多不同的画法，以表达其心中所理解的反应过程及结果，老师能从其中看出其理解的程度及其误解的关键。图一及图二为参考答案，在（式— 1）的开放系统中分解碳酸钙，反应前如图一 (A) 只有碳酸钙存在，灰色的四方形只要画成聚集在一起即可、分成几堆也可以，但不能像气体一样四处飞扬，反应进行中如图 (B)，有部分灰色的四方形转变为氧化钙的白色方形图例，尚有代表 $$\mathrm{CO_2}$$ 的红色圏圏生成，四处移动，有些飘至容器外头。至反应完成时，仅剩下白色方形物质，红色圏圏也几乎全数离开容器。

图一、碳酸钙在开放系统之分解反应过程示意图 (A) 反应前 (B) 反应中 (C) 反应完成。（作者绘製）

图二和图一最大的不同即前者为密闭系统，反应之前图二 (A) 的条件和前述开放系统完全一样，但反应进行中如图二 (B) 则不同，因为此时生成的二氧化碳无法离开容器，当反应完成时如图 (C) 中所示，所有系统中的物种均存在，固体物质沉积在底部，而气体则均匀分布在空气中。学生若能画出类似的图形则代表其可逆的关念已确立，此时请同学再画一幅，平衡后一段时间，系统中的微观图像，如果能画出类似 (C) 的模式，各粒子的总数不变，唯摆设的位置不同，则其动态平衡的概念已然确立，无庸置疑。

图二、碳酸钙在密闭系统中分解反应过程之微观示意图 (A) 反应前 (B) 反应中 (C) 反应完成。（作者绘製）

氯化亚钴溶于异丙醇后呈蓝色，属于非水溶液，水在此为反应物，当加入少量水时，溶液呈粉红色达到新平衡，如（式— 2）所示。

$$\mathrm{CoCl^{2-}_{4}+6H_2O\rightleftharpoons Co(H_2O)^{2+}_6+4Cl^-+heat}$$ （式— 2）

  蓝色                              粉红色

图三为氯化亚钴系统在反应前、反应中及达成平衡时的微观图像之一，评量学生的答案只要合乎下列几项条件即可。

图三、氯化亚钴平衡系统进行过程之微观示意图 (A) 反应前 (B) 反应中 (C) 反应完成。（作者绘製） 

其一、反应前即 (A) 图，代表异丙醇溶剂分子的星星图形，数量最多密布于容器中，而代表蓝色物质的圆圏及三角形的水分子较少，均匀分布在溶剂中。其二、反应中，如 (B) 图所示，有部分蓝色物质转成粉红色物质，蓝色物质居多数，此时有部分水分子消失，同时有代表氯离子的四方形生成，数量多少，不必要求太严格，唯需均匀分散。其三、反应完成时如 (C) 图，此时粉红色圏圏的数量比蓝色多，氯离子比 (B) 图更多，水分子更少，均匀分布。能合乎上列标準即表示通过评量。若要进一步测试，可在图 (C) 的状况下增添氯离子，询问学生其图像会如何改变？由图形的变化可以了解学生对勒沙特列原理的掌握程度。

在图二中如果固体没有画成聚集在一起或沉积底部，气体没有均匀的分布在容器各个角落，则代表学生对于固、气相物质的特性不了解。如果图二中所画的物种有一种完成消失，则代表学生对于可逆的观念尚不清楚，而平衡后画出的第一幅图像和第二图像完全一样，则学生可能对动态平衡的概念尚有迷失，只有在二幅图各物种的数量维持不变，而所在的位置变了，才是正确的理解。使用微观图像的评量方式，虽然没有传统选择题的方便和快速，学生的画法也会千奇百怪，但是教师恰恰可以藉此多元的表达方式，真正诊断出学生学习困难的徵结所在，并设法釐清及修正。另外，请学生上台分享个人的画法，也是一种变通的方式，可以消弥部分学生因不善于绘图的困扰，而使用口语叙说其心中的真正想法。

参考文献