化学问题解决的三维新论与实践

化学问题解决的三维新论与实践

湖南省澧县第一中学415500刘镇锋***

提纲 duy360@swu.edu.cn1、化学问题解决的三维新论

1.1．教学水平与过程特点

1.2．学习水平与心理特征

1.3．问题类型与能力要求

2、化学问题解决的心理机制与常用策略

3、化学问题设计要素把握

4、化学问题解决的综合评价

5、化学问题解决理解和表征的重要性

5.1.问题结构

5.2.问题表征模型

6、化学问题解决的综合措施及例析：

6.1．加强师生交流，把握学生学习水平，拿准学生的学习心理；

6.2．深入研究试题，全面掌握试题特点，预测不同的学习障碍；

6.3．系统掌握教法，整体了解学生状况，选择有效的教学方法。

关键词：化学问题解决 三维新论 综合措施

摘要：本文通过建立化学问题解决的三维新论模型，提出化学问题解决的三维新的理论，从教学水平与过程特点，学习水平与心理特征，问题类型与能力要求三维方向，整体把握中学化学教学过程中的问题的设计与教学，问题的表征与解决，问题的解决与评价等等，由学生、问题、教师三维整合，提出化学问题解决的综合措施，并付诸实施，为中学化学问题解决的综合教学改革研究做出了新的有益的探索。

提高中学生化学问题解决能力是众多学者正在研究的课题，也是众多教师正在苦苦实践着的一个课题。在当今教育教学的环境中，如何利用现有教学资源，如何用先进的理念和方法，高效培养不同层次学生解决化学问题的能力，已是摆在当今化学教育工作者面前的重大课题！本文根据作者的理论修养和实践积累，拙文“化学问题解决的三维新论与实践”，以求抛砖引玉。

化学问题解决的三维新论模型：

教学水平：将中学化学教师的教学水平分为基础水平、发展水平和艺术水平三个层次。

学习水平：将中学生的学习水平分为低级水平、初级水平、高级水平三个层次。

问题类型：将中学化学问题分为了解类、理解（掌握）类、综合应用类三种类型。

将中学化学问题解决过程中的问题设计、问题教学、问题解决评价等等，整合到三维分区系统中综合把握，从而提出问题解决教学的高效综合措施。

1.1．教学水平与过程特点

中学化学教师的教学水平评估是一个复杂的问题。涉及教育教学的理念、方法、目标等等。教师的教学水平评估可以是过程评估，也可以是教学效果评估，更可以是综合评估。就中学化学课堂而言，根据教学过程特点和主要手段，我们可将其分为基础水平、发展水平和艺术水平。以期在化学问题解决过程中，对化学教师的教学水平能进行定位分析指导【1】。

1.2．学习水平与心理特征

化学问题的解决过程就是学生学习水平不断提高的过程。学生能否解决化学问题，涉及学生的身体状况、知识储备、心理素质等等因素。为了便于教师在化学问题解决过程中把握学生的学习状况，进行针对性的指导，依据学生的心理特征和学习过程的主要特点，将学生的学习水平分为低级水平、初级水平、高级水平三个层次。

1.3．问题类型与能力要求

中学生化学问题解决能力的提高方向，必须紧跟国家高考考试大纲方向。依据考试大纲对知识内容的要求层次和对化学学习能力的要求，将中学化学问题分为了解类、理解（掌握）类、综合应用类，以期在问题解决过程中教师把握问题类型。表中问题类型与能力要求不是单一对应关系，如理解（掌握）类可包含表格中三项能力要求等（4）。

2、化学问题解决的心理机制与常用策略

现代心理学的研究表明，一个问题包括3个基本成分：（1）给定：一组已知的关于问题条件的描述，即问题的起始状态。（2）目标：关于构成问题结论的描述，即问题要求的答案或目标状态。（3）障碍：正确的解决方法不是显而易见的，必须间接通过一定的思维活动才能找到答案，达到目标状态。这样，问题就是给定信息和目标之间有某些障碍需要被克服的刺激情境，问题解决就可以理解为克服问题的起始状态和目标状态之间的障碍，填补其间的空隙，使问题状态转变为目标状态的过程。【5】

问题解决(problem solving)也称解决问题，是当个人在面对问题情境而没有现成的方法可以利用时，指向于将已知情境转化为目标情境的认知过程。根据个人的问题空间的起始状态，目标状态和从起始状态达到目标状态的途径的知识差异，可以把问题空间分成如图所示4种类型：

几种类型的问题空间

目标 目标 目标 目标1?目标2?目标3?

? ? ? ?

起点 起点 起点 起点

a b c d

（见皮连生著《智育心理学》202页）

a、表示问题空间起始状态和目标状态明确，而且达到目标状态的两条途径都是相同的。

b、表示问题空间起始状态和目标状态明确，但有两条不同效率的达到目标的途径。

c、表示问题空间起始状态和目标状态明确，但不知如何达到目标。

d、表示问题空间只有起始状态明确，目标和达到目标的途径或方法都不明确。

现代认知心理学把问题解决过程分解为问题的表征，设计解题计划，执行计划和监控4种过程。

不同的学者对问题解决过程划分出不同的阶段,综合各家理论模式,结合学生解决化学问题的思维过程分析,学生解决化学问题的心理机制主要经历上述程序，【6】问题解决的阶段只能说大体上是遵循上述程序的,并不是所有问题解决都要经过这几个阶段,有些情况下这些阶段可能会有一些重叠,也有些时候个体会跳过其中某一或某些阶段,或从后一阶段返回到前面的阶段。因此,不能把问题解决过程看成一个刻板的不变的程序。

化学问题解决的常用策略有类比策略、分解策略、逆推策略、探究策略、程序策略、整体策略、模型策略、推理策略、信息策略、反思策略等【5】。

我们从如下网络图中可看出，化学问题解决活动过程中的心理机制与策略运用的一些规律。

【6】以上分析可看出陈述性知识、程序性知识和策略性知识在解决问题的每一阶段所起的作用是不同的。问题的表征、即问题的表层和深层理解需要陈述性知识；执行计划阶段需要程序性知识；而解决问题过程的每一个环节都离不开策略性知识。

策略性知识也是一种程序性知识，但它是处理内部世界的能力。策略性知识有助于学习者学会学习、记忆和思维，是发展人的智力的核心部分。但策略性知识的对内组织性质意味着教学条件只能对它们的获得和改进起间接的作用。因此在教学中，策略性知识的发展和应用只能遵循创设“有利条件”来进行，而不能规定“充分条件”来实现。换言之，要学会思维，必须给学生以思维的机会【7】。

3、化学问题设计要素把握

试题设计的三要素

第一：以能力和态度的培养为出发点和目标；

第二：以知识为载体，强调对知识的理解和应用；

第三：以情境让知识变得生动有意义，注重能力、态度与情境融合。

举例：普通锌锰干电池的简图(如右下图所示),它是用锌皮制成的锌筒作电极兼做容器，中央插一根碳棒，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液；该电池工作时的总反应为:（8）

Zn＋2NH4+＋2MnO2＝[Zn(NH3)2]2+＋Mn2O3＋H2O

关于锌锰干电池的下列说法中正确的是（B）

A．当该电池电压逐渐下降后，利用电解原理能重新充电复原；

B．电池正极的电极反应式为：

2MnO2+2NH4++2e-== Mn2O3+2NH3+H2O

C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极；

D．外电路中每通过0.1 mol电子，锌的质量理论上减小6.5g。

分析：迁移原电池的基本知识，解决新情境的该题，要求学生有定性、定量的类比分析推理能力。

4、化学问题解决的综合评价

问题解决过程的评价。下文概述我国台湾地区黄茂在、陈文典《“问题解决”的能力》一文中进行的问题解决能力分类及其评价所使用的方法──“三项” 评价法（包括“面对问题的态度”“处理问题的方式”和“问题解决的品质”三个维度）。

问题解决过程中所运用的能力。黄茂在、陈文典认为问题解决过程中各个阶段包含了20项不同的能力（见表）。

问题解决过程中所运用的能力 【9】

5、化学问题解决理解和表征的重要性

5.1.问题结构：

问题表征是问题解决活动的重要组成部分。问题解决过程的四阶段之一，从信息学角度看，问题表征即转换问题中的信息，是问题解决者接受和转译问题中的所有信息并以一种自己更容易接受和理解的方式把它们贮存或输出的过程。表征在整个问题解决过程中占据着举足轻重的地位，没有正确的问题表征就没有问题解决活动的顺利完成。如果一个问题得到了正确的表征，可以说它已经解决了一半。

问题解决的首要任务就是分析问题的结构，明确问题的疑项和定项(内在结构)，把问题分解成一系列可能的子问题，然后利用自己的背景知识，结合对问题的认识状态，使问题解决能够在充分、有利的条件下开展进行。研究发现，学生问题结构的分析能力一般较低。

问题信息难度为影响学生问题表征的另一重要因素。问题中所含信息的质和量两个方面都会影响这问题解决者的表征。其中质是信息组块的种类，可体现在以一个概念为中心的语句上：量是指信息的多少，信息量越多，对问题解决者去除冗余信息和干扰信息的要求就越高，问题中的概念种类和数目是计算信息的重要依据之一【10】。

问题表征是问题解决活动的重要组成部分，而且是相当一部分学生化学问题解决的重点和难点。学生可用多种方式表征化学问题，如符号表征、图文表征、言语表征、数学表征等。

5.2.问题表征模型：

认识轴：问题任务→外部表征→内部表征共三个层面，通过问题要素的阅读和把握，知觉了解到问题的孤立、静止的表层信息，进而结合自身知识体系经思维加工形成动态的、融合的、抽象的信息及问题解决可能方案；

“空间轴”：宏观表征和微观表征是从视觉角度进行区分的, 两种表征方式所表征对象的空间尺度不同；

“抽象轴”： 一个抽象维度，从宏观表征、微观表征到符号表征,是从直观逐渐过渡到抽象的过程。

宏观表征、微观表征、符号表征，学生学习化学的三类知识信息表征，构成的表征三角形

即三者的共存依赖与促进关系。

我们从学习的过程和特点出发,依据认知的深刻程度将认知过程划分为“三个世界”:

现实世界、知觉世界和认知世界。

现实世界是外在于学生头脑的客观存在,例如可以是某个现实发生的化学变化过程,也可以是电子显微镜所提供的细胞运动过程,还可以是教师所提供的某个观念等。这些都是外界提供给学习者的,学习者还没有对其进行知觉和认知,因此属于现实世界中的对象。

知觉世界是学习者对现实世界对象的一种知觉反映,即仅仅进行知觉但还未予以认知加工时所产生的一种表象,多为形象化的对象。根据知觉理论可以认为这通常是对现实世界对象的一种有选择的知觉过程,所形成的是一种简约化的、直观的、形象化的知觉对象。知觉世界所形成的表征属于外部表征或者称为感知表征。

认知世界是由学习者利用已有经验对知觉对象进行加工所产生的众多认知产物所构成的,是学习者对知觉世界进行意义建构的过程和场所。我们将这种过程称为内部表征或者意义表征。【11】

研究结果：

学生的符号表征能力远远强于微观表征能力。团体调查和个别访谈都表明：学生善于利用符号表征进行算法类问题解决，而拙于利用微观表征解决相关概念类问题。通过系列教学实践初步说明，在化学教学的相关领域中实行基于多重表征的问题解决教学是可实行的，且具有较好的教学效果。

根据教学论理论和认知心理学理论的相关研究成果，并结合教学实际，提出了六条问题解决教学原则：学生主体性原则；知识问题化原则；多维度合作性原则；

探错容错纠错性原则；结构性原则；发展性原则。【11】

6、化学问题解决的综合措施及例析：

6.1．加强师生交流，把握学生学习水平，拿准学生的学习心理

高中学生知觉和观察的水平不断提高，更富有目的性和系统性。高中学生在知觉和观察事物时比以前更全面、更深刻了。他们能发现事物的一些主要细节和事物的本质方面，稳定性、持久性都比初中生有了很大的提高。

高中生更多地采用意义识记的方法来识记材料，机械识记的成分逐渐减少。记忆材料时，力求理解教材内容的内在联系，而不是单纯地进行机械识记。

高中学生的思维发展达到了新的水平。具有更高的抽象概括性、反省性和监控性特点。他们能够用理论作指导分析综合各种材料，以不断加深对事物发展规律的认识，抽象逻辑思维趋向理论型。

高中学生想象的特点主要表现在他们的创造性成分的增加和理想的形成、发展方面。高中生更重视现实，他们的理想不仅考虑到自己的兴趣，而且还考虑到有无实现的可能和条件，一旦有可能如愿，他们还会为之而奋斗，争取实现自己的理想。

从总体来讲，高中生的认知发展已接近成人的水平。他们精力旺盛，思想敏锐、能言善辩，反应迅速，能够用发展的眼光看问题。但毕竟还未完全成熟，对他们还不能完全用对成人的要求来对待。在对高中生进行心理教育时，要结合其认知发展的特点，全面、辩证地晓之以理。论证要有力，论据要充足，并要充分估计他们可能产生的各种认识，讲清道理，和他们友善地商讨问题。要尊重他们的独立性、批判性，引导他们正确看待自己。同时针对他们认知发展的不足，教给他们思考的方法，培养良好的思维品质，使其克服思维发展中的主观性、片面性，开阔其视野，促进思维的进一步成熟。

在教学过程中，通过课堂提问、课间谈话、作业批改等多种师生交流形式，形成师生心理相融、情感相通、信息反馈流畅的氛围，教师能准确把握学生的学习心理状态、学习方法特点、学习水平层次；进而根据不同学习阶段的问题特点和层次，针对性地引导学生解决化学问题。

6.2．深入研究试题，全面掌握试题特点，预测不同的学习障碍

不同学习阶段的化学问题呈现不同的特点和具于不同的层次，如通常可将化学问题分为了解类、理解（掌握）类、综合应用类三个层次。教师通过研究试题的特点，根据学生的学习心理状态、学习方法特点、学习水平层次，可预测不同特征学生可能会遇到的学习障碍，从而进行针对性教学。

举例：（2010年全国理综卷1的30题）有机化合物A~H的转换关系如下所示：

请回答下列问题：

（1）链烃A有支链且只有一个官能团，其相对分子质量在65~75之间，1 mol A完全燃烧消耗7 mol氧气，则A的结构简式是，名称是 ；

（2）在特定催化剂作用下，A与等物质的量的H2反应生成E。由E转化为F的化学方程式是 ；

（3）G与金属钠反应能放出气体，由G转化为H的化学方程式是 ；

（4）①的反应类型是 ；③的反应类型是 ；

（5）链烃B是A的同分异构体，分子中的所有碳原子共平面，其催化氢化产物为正戊为烷，写出B所有可能的结构简式

（6）C也是A的一种同分异构体，它的一氯代物只有一种（不考虑立体异构，则C的结构简式为。

【解析】（1）由H判断G中有5个碳，进而A中5个C，再看A能与H2加成，能与Br2加成，说明A中不饱和度至少为2，又据A1mol燃烧，消耗7molO2,故A分子式为：C5H8,再据题意A中只有一个官能团，且含有支链，可以确定A的结构简式如下：（CH3）2CHCCH，命名：3-甲基-1-丁炔（炔烃的命名超纲）；

（2）（CH3）2CHCCH与等物质的量的H2完全加成后得到E：（CH3）2CHCH=CH2,E再与Br2加成的反应就很好写了，见答案(2)；

（3）二元醇和二元酸发生酯化反应，注意生成的水不能掉了！反应条件用应该也可以，或者用 应该也可以，见答案

（5）难度增大，考查了共轭二烯烃的共面问题，超纲！注意有的同学写CH2=CH-CH2-CH=CH2是不符合一定共面这个条件的，球棍模型为：；CH3CH=CH-CH=CH2（存在顺反异构）是共轭二烯烃，中间单键不能旋转可以满足；CH3CH2CCCH3可以满足，三键周围的四个碳原子是在同一条直线的，那另外那个碳原子无论在哪个位置都是和这4个碳共面的，因为（因为：一条直线和直线外一点确定一个平面）

（6）难度更大，超出一般考生的想象范围，其实在早几年的全国化学竞赛试题里已经考过，要抓住1氯代物只有一种，分子中只有一类氢，逼得你想到两个环，5个碳只能是两个环共一个碳了！

【答案】

【命题意图】考查有机物的转化关系，结构—官能团—性质，这条主线一直是高考的主干题型，今年的题目试图烃和烃的衍生物连续起来考查官能团的转化关系，涉及到具体的知识点有：通过计算确定分子式和结构简式，并对其命名；三键的加成，双键的加成，卤代烃的水解，二元醇与二元酸的酯化；方程式的书写，反应类型的书写，同分异构体的判断与书写。

【难度点评】继续延续2009年的题型，将烃和烃的衍生物联系起来考查，考了多年未考的炔烃结构简式及其命题（命名是超纲的，与2009年卤代烃的命名一样），（1）~（4）一般考生能顺利完成，（5）难度增大，其中二烯烃的书写，并且要写共面的共轭二烯烃，这里能力要求太高，超出了教学大纲的要求；（6）书写同分异构体要求过高，明显这是竞赛题的要求，而且是前些年竞赛的原题，根本不是高考要求！

【思维要求】整合信息的问题综合分析能力，如A的分子式、结构简式的推导。有机分子结构的碳四价、原子共面、三维空间的推理想象能力，如（5）B所有可能的结构简式（6）C的结构简式的推理书写。分析试题结构，完成问题表征是解答此问题的关键。

【试题层次】有机物性质、结构的综合应用类难度较大试题。

6.3．系统掌握教法，整体了解学生状况，选择有效的教学方法。

常见教学法有讲授法、练习法、探究法、自学法等。目前中学生可以从学习心理特点方面将其分为活而有序型、仔细严谨型……逆反厌学型等10种类型，按学习过程的综合特点分为低级、初级、高级学习水平，教师根据学生学习心理特点和学习水平，采用不同的教学方法。如针对逆反厌学型的低级、初级学习水平的学生应主要采用讲授法，针对活而有序型的高级学习水平的学生主要采用探究法和自学法。

针对活而有序型的高级学习水平的高中竞赛培训学生采用讲授法、探究法和自学法举例：

问题1.注意氧化还原细微条件（讲授错例，探究正例）

（1）（2010年湖北高中竞赛）向NaClO溶液中通入少量SO2的离子方程式，

错误为：ClO－+SO2+H2O=Cl－+SO42－+2H+

正确为：ClO－+SO2+2OH－=Cl－+SO42－+ H2O

（2）（2010年浙江高中竞赛）在亚硫酸中加入过量的次氯酸钠溶液的离子方程式，

错误为：H2SO3＋ClO－===Cl－＋2H＋＋SO42－

正确为：H2SO3＋2ClO－===Cl2↑＋H2O＋SO42－

问题2.预测氧化还原产物（讲授方向，探究产物并配平方程式）

（2010江苏高中竞赛）已知当溶液的pH在10左右时，铝元素主要以Al(OH)3的形式存在。如果饮用水中含有一定浓度的NO3一将对人类健康产生危害，NO3一能氧化人体血红蛋白中的Fe(II)，使其失去携氧功能；NO3一还能被水中还原性物质还原成强致癌的NO2一。为此世界卫生组织规定饮用水中NO3一中N含量必须小于10mg/L。为了降低饮用水中NO3一的浓度，某研究入员提出以下几种方案：

甲．微碱性条件下用Fe(II)还原NO3一，还原产物为NH3。

乙．pH＝10.25时，用铝粉还原NO3一，NO3一中的N98％被还原成N2（a），2％被还原成NH3（b）。

丙．用氢气催化还原NO3一，还原产物主要为N2（c），还有少量NH3（d）。

⑴ 写出以上三个方案中相关反应的离子方程式。

甲： 。

乙：（a） 。

（b） 。

丙：（c） 。

（d） 。

⑵ 乙方案中，若pH值过大或过小都会造成 的利用率降低。

⑶ 乙方案中常选用生石灰或熟石灰调节pH，理由是 ，且 。

⑷ 与甲方案相比，乙方案不产生难以滤除的Fe(OH)3，也不产生对环境有害的NH3，但仍存在的明显缺点是： 。

⑸ 与甲、乙方案相比，丙方案的优点是： 。

【答案】(1)甲：8Fe(OH)2+NO3－+6H2O==8Fe(OH)3+NH3+OH－

乙：(a)10Al+6NO3－+18H2O==10Al(OH)3+3N2↑+6OH－

(b)8Al+3NO3－+18H2O==8Al(OH)3+3NH3↑+3OH－

催化剂

丙：(c)5H2+2 NO3－==== N2+4H2O+2OH－

催化剂

(d)4H2+2 NO3－==== NH3+2H2O+OH－

(2)铝

（3）引入的Ca2＋对人体有害 价格便宜

（4）引入对人体有害的铝

（5）还原剂来源广泛，氧化产物为不污染环境的水

问题3.建立三维思维模型（启发、建模、探究）

近年来科学家们发现由100个碳原子构成具有完美对称性的C100原子团，每个碳原子可形成4个化学键，最内部是由20个碳原子构成的正十二面体，外层的60个碳原子形成12个分立的正五边形，处于中间层次的碳以单键方式将内外层碳原子连接在一起，当它与氟的单质反应形成分子时，其分子式应为【 】

A.C100F60B.C100F20C.C100F12D.C100F40

（图中只有内层的碳原子画出4个碳碳单键，中层、外层的其余碳原子的价键省略）

【解析】解答此题采取空间建模方法：每个碳原子可形成4个化学键，最内部是由20个碳原子构成的正十二面体，最内部每个碳原子与中间层次的每个碳原子以单键方式结合，中间层次的每个碳以单键方式与外层的3个碳原子结合，外层碳原子连接在一起形成12个分立的正五边形，故只有外层60个碳原子各剩一个价键，故选A。

主要参考文献

【1】治教方略，人民教育，2003第2期

【2】探讨化学教学中高级水平的学习及其能力的培养，刘超，山东泰山学院初等教育系，2003第1期，教师论坛

【3】当代高中生心理特征及学习对策，厦门第一中学，任 勇，360doc--个人图书馆

高中生物网络集体备课 收录于2009-03-31

【4】2010年高考考试大纲（课程标准实验版）

【5】化学问题解决的策略及其对教学的启示, 王后雄,华中师范大学化学教育研究所

【6】吴江明，安徽无为县陡沟中学，化学教育，2005年第4期

【7】化学问题设计与问题解决[M].王祖浩，张天若.北京：高等教育出版社，2003 年第3 版，P40-41。

【8】2010年考纲分析与后期复习策略2010年3月PPT顾建辛,浙江大学附属中学

【9】人民教育出版社主编余林，问题解决能力的评价，首页>>心理研究>>专题研究>>课堂教学评价

【10】中学生化学问题表征现状及特点的实验研究，①何永红，徐祥风，②吴星

①扬州大学化学化工学院，江苏扬州 22 5002；②江苏省金坛市第四中学，江苏金坛

【11】化学教育博士专题研究论坛，化学问题解决及其教学的研究，任 红 艳，南京师范大学化学与环境科学学院