1、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 湖北武汉 430079）摘要：提高化学问题解决能力是化学新课程的要求，更是我国基础教育改革和发展的重要内容。本文探讨了问题解决的机制，并结合实例提出了化学问题解决的类比策略、分解策略、逆推策略、探究策略、整体策略、模型策略、信息策略、反思策略。让缄默知识显性化是提高学生解决问题能力的重要途径。关键词：问题解决；策略；缄默知识提高化学问题解决能力是化学新课程的要求，更是我国基础教育改革和发展的重要内容。 国务院关于基础教育改革与发展的决定提出要“充分利用各种课程资源，培养学生收集、处理和利用信息的能力；开展研究性学习，培养学生
2、提出问题、研究问题、解决问题的能力” ；基础教育课程改革纲要（试行） 中也提出要“培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。 ”普通高中化学课程标准（实验） 指出“能综合运用有关知识、技能与方法分析和解决一些化学问题。 ”“具有较强的问题意识，能发现和提出有价值的化学问题。 ”可见，化学知识的广泛应用和化学教育的功能要求学生学会解决化学问题。一、化学问题解决的机制现代心理学的研究表明，一个问题(problem)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
3、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。解决任何问题，必需的信息（内容）和推导（过程）是非常重要的两个因素。阿什莫等人（Ashmore, Frazer & Casey）将化学问题解决过程分为 4 个阶段：明确问题，选择适当的信息，组合零散的信息，评价。成功地解决化学问题需要：（1）扎实的化学知识基础；（2）问题解决的有关策略；（3）自信心这三个方面的有机结合
4、。本文试图结合案例研讨化学问题解决的诸种方法和策略，并以此对化学教学给予启迪。二、化学问题解决的策略1.类比策略问题解决是以已有的知识经验为基础的，离开了相关的已有知识，问题解决则无法进行。即使我们通常所说的“新问题” ，也不是完全与已有的知识经验无关，只是相关的知识经验存在于不同的图式中，头脑中没有可以直接利用的问题解决原型，所以感到陌生。类比策略是指设法将新问题转化为已有知识经验中相似的问题（原型） ，通过比较在二者之间建立联系，从而利用已有问题的解决方法来解决新问题的一种策略。它是一种常用的问题解决策略。利用类比策略的关键是找到新问题的一种策略，它是一种常用的问题解决策略。利用类比策略的
5、关键是找到新问题与原型之间的可类比点，也就是说二者要有一定的相似性，类比才可以发生。示例 1 （浙江省竞赛题）已知液体 SO2和纯水的导电性相近，实验测得两者的比电导分别为 810-8-1cm-1和 610-8-1cm-1。试用简要的文字和化学方程式给出解释，为什么在液体 SO2中，可用 Cs2SO3去滴定 SOCl2？ 案 例 分 析 液 体 SO2的 类 比 原 型 应 是 纯 水 ， 但 是 两者 之 间 的 联 系 若 即 若 离 。 因 此 只 能 类 比 推 理 采 用 逐 步 逼 近的 方 法 ：至此类比的结果与类比原型几乎已脱胎换骨了。但是万变不离其宗。此“宗”就是离子电荷的自
6、身传递。由液体 SO2和纯水的自偶电离，我们就会很自然地联想到其逆过程酸碱中和滴定。类比原型 推理结果溶剂 纯水 液体 SO2离子方程式H3O+OH-=2H2O SO2- 3+SO2+=2SO2化 CsOH+HCl=CsCl+H2O Cs2SO3+SOCl2=2CsCl+2SO2学方程式新问题与原型之间的相似性有 3 种情况：问题情景之间的相似性、表面关系之间的相似性和深层关系之间的相似性。其中问题情景之间的相似性和表面关系之间的相似性直接影响着问题解决者能否唤醒与新问题相似的原型，也就是它决定着能否在新旧问题之间产生类比。但是，它们只是进行类比的前提，如果仅以这种相似性为基础来进行类比，往往
7、会得到错误的结果。因为只有两个问题在深层关系上具有相似性，才能保证类比的顺利进行。示例 2图 1 是三支高度不同燃着的蜡烛，当用一个透明的大玻璃筒倒扣住三支燃着的蜡烛时，所观察到的现象是_，原因是_。图 1 图 2案例分析测试结果显示，有 70.5%的学生回答结果是：（现象）从下至上，三支蜡烛依次逐渐熄灭；（原因）CO 2 的密度比空气大，且既不燃烧，也不支持燃烧。进一步问卷调查显示，这一错误结果，在错答的学生中有95.5%的学生解题思维是受初中阶段的思维“相似块”负迁移引起的，这种“相似块”见图 2 实验现象及原因。因此，利用类推策略首先需要对问题进行转换，去粗取精，抓住其主要特征，忽略其无
8、关或次要特征，以突破问题间表层关系，找出新旧问题在深层关系上的相似性，进行类比。研究表明，新手常以两个问题的表面特征为基础进行类比，而专家则能从隐含着的深层结构上的相似性出发来考虑问题的解决。可见，找到问题的深层关系的相似性是运用类比策略的关键。2.分解策略对于一些复杂的问题，往往难以直接找到问题解决的思路。分解策略是指按照一定的原则将问题分解为一系列相互联系、具有一定层次结构的具体问题，即将问题的目标状态分解为几个次一级的子目标，尽量不要一次处理太多的信息，通过子目标的实现使问题获得解决的一种策略。利用分解策略要注意的问题是，在分解之前，需要从问题的整体结构出发对问题进行分析，从全局上把握问
9、题的起始状态与目标状态及其相互联系，做到对问题的整体理解，然后对其进行分解，避免把问题割裂成没有联系的部分。在各个子目标都完成之后，需要对其进行归纳总结，使之完整合为一个整体，使复杂的问题得到最后解决。也就是说，一个完整的分解策略实际上要经历一个综合分解综合的过程。示例 3FeS 2 与 O2 在高温下会发生什么反应？生成什么产物？案例分析 （1）因为氧化性：O 2S根据置换反应规律，可写出如下方程式：2FeS2+O2 2FeO+4S(置换反应 ) （2）置换反应生成的 S 可在 O2 中剧烈燃烧：S+O2 SO2（化合反应） （3）FeO 被氧化而生成高价化合物：4FeO+O2 2Fe2O3
10、（化合反应） 、式生成的 SO2、Fe 2O3 在这个反应环境中不可能再被氧化而生成更高价氧化物，SO 3 在高温下容易分解。SO2 和 Fe2O3 不能化合生成盐，故反应到此终止。2+8+2 整理得总反应式：4FeS2+11O2 2Fe2O3+8SO23.逆推策略逆推策略，又称逆向推理策略，是化学问题解决中常用的一种策略。有些化学问题，如果从起始状态出发推至目标状态往往很烦琐，甚至难以解决。逆向推理就是逆向思维，反向思考，它是由于对问题不能进行整体表征，而采取的自下而上的推理活动。解题时从目标状态出发，逐步向后逆推，同时激活与问题有关的各种化学知识，逐个“去伪存真” ，一步步地缩小目标状态与
11、起始状态之间的距离。示例 4 （2006 年江苏高考题）（4）请设计合理方案从 合成 （用反应流程图表示，并注明反应条件） 。案例分析要合成目标生成物，可由产物进行逆推，直至搜寻到起始物。 逆 推 逆 推 逆 推 逆 推（起始物）要注意的是，在分析问题的时候利用逆推策略，在解决问题的时候，通常需要将逆推的思路反过来，即从已知条件开始组织解题过程。另外，有些问题单纯的逆向推理也难以解决，这时将正向推理和逆向推理有机结合恰是一种不错的策略，它能够使问题解决更简便快捷。4.探究策略对于一些难以利用已有知识直接推理获得答案的问题，可以采用探究策略。探究策略是指通过对问题的分析，先提出对问题的假设，即对
12、问题的一种推测性论断和假定性解释，然后设法收集能够证实假设的证据，通过对收集到的证据进行抽象概括确定问题的答案，从而达到问题目标状态的一种策略。在探究策略中收集证据的途径有多种，例如设计实验、查阅资料、实地调查等。以实验为基础是化学学科的重要特征，因此，设计并实施实验是常用的获取证据的方式。示例 5探究 Mg(OH)2 沉淀溶于 NH4Cl 溶液的原因案例分析假设一：NH 4Cl 水解呈酸性：NH+ 4+H2O NH3H2O+H+，H +与 Mg(OH)2 发生中和反应而使沉淀溶解：2H +Mg(OH)2 Mg2+2H2O。假设二：Mg(OH) 2 在水中存在溶解平衡：Mg(OH) 2(s)
13、Mg2+2OH-，加入 NH4Cl 后生成弱电解质NH3H2O：NH+ 4+OH- NH3H2O，使溶解平衡体系中的 OH-浓度减小，平衡向沉淀方向移动。设计实验向 Mg(OH)2 沉淀中加入 CH3COONH4 溶液（中性） ，观察到沉淀逐渐溶解。探究结论溶解的原因是生成弱电解质（NH 3H2O） ，降低平衡体系中 OH-浓度，促进平衡向沉淀方向移动。即假设合理。利用探究策略相对需要较多的时间，但它能让问题解决者经历获得结论的过程，学会解决问题的科学方法。另外，探究策略注重以证据为基础，因此利用它所获得的结论正确程度是较高的。5.程序策略化学问题解决，需通过一步一步的操作。按什么样的步骤去操
14、作，学习策略将指示出这种操作的步骤和顺序。当学习者掌握了这种顺序时，就可以减少许多因程序的不明或混乱而造成时间浪费和产生消极情绪。如果学习者已经具备一定数量的知识，但在学习者头脑中各个知识太分散，就像在信息时代计算机系统没有网络化，信息资源不能共享一样，就形不成一定的知识结构。面对各种各样大大小小的“信息孤岛”如何进行整合，形成知识的有序性和连续性才是问题解决的正确途径。从同时性加工或继时性加工理论出发，可得到解决问题的两种基本形式：一是将问题中包含的多种信息（刺激）整合成特定的系列，把各种信息按一定方式组成线性顺序排列，即：信息 1 信息 2 信息 3 信息 4二是将问题中包含的多种信息按照
15、共同的特性彼此整合成特定的系列，这种形式（非线性顺序）可表示成右图。至于按何种形式进行解决 （信息整合图示）问题，则要根据问题的特征和解决问题的要求进行。在问题解决过程中，如何使这些知识内化为学习者有序的认知结构，再外化为解决问题的操作步骤和程序，这就需要学习者具备必备的程序策略。如果这些知识只是杂乱无章地堆积在头脑中，那么，在解决上述问题时就无法提取储存在头脑中的知识并对其进行加工。程序策略提供了解决从认知结构中提取知识去解决问题时遇到的困难或障碍的方法。示例 6将铜、铁、铝三种金属（按等质量混合）的混合物 W g 加入三氯化铁和盐酸的混合液中，充分反应。若无固体剩余，则溶液中的阳离子一定有
16、哪些离子？没有的是什么离子？案例分析解决具体问题思维过程图解为：在此问题解决的活动中，学生对知识的记忆不再是简单的内容呈现，在遇到实际问题时能够将内化的知识与问题的刺激相交融，对应用知识进行整理，使之在解决问题时提取更加有序，知识的呈现更加连续。思维由此而清晰明朗。6.整体策略对一个问题不急于从局部入手探求解题途径，而是从整体出发作综合分析，整体处理，可使思路明晰，计算简捷。例如运用守恒法解题，就是利用物质变化过程中，某一特定的量固定不变（如质量守恒，元素或原子团的物质的量守恒，氧化还原反应中得失电子守恒，溶液中阳、阴离子的正负电荷守恒等）而进行化学计算的解题方法。这种方法的优点是基于宏观的统
17、揽全局的方式列式，不去探究某些细微末节，因而可简化步骤，方便计算，快而准地得出答案，是较为简捷的一种解题方法。示例 7已知 NO2 和 NaOH 溶液反应方程式为3NO2+2NaOH 2NaNO2+NO+H2O；NO 和 NO2 与 NaOH溶液反应为 NO+NO2+2NaOH 2NaNO2+H2O。在盛 a mol NO、b mol NO2 和 c mol O2 的密闭容器中，加入 V L某浓度的烧碱溶液后，容器中压强几乎为零，试求 NaOH溶液的物质的量浓度。案例分析解题过程中若按方程式分步求解，过程繁琐且易出错。从整个反应过程分析，反应完毕压强为零，则 NO、NO 2 和 O2 完全反应
18、无剩余，最终产物为 NaNO2，而 NaNO2 中氮元素来自 NO2 和 NO 共( a+b)mol，即NaNO2 为(a+b)mol，由 Na 元素守恒可得 NaOH 也为( a+b)mol，则 NaOH 物质的量浓度为( a+b)/V mol/L。化学计算中还有诸如关系式法、终态法、整体化学方程式法等都是整体思维方法的体现。7.模型策略以某种程度的类似再现另一个系统（原物）的系统，并且在认识过程中以它代替原物，以至对模型的研究能够得到关于原物的信息，这种方法称为模型策略。模型策略是为了探索未知的“原型” ，依据其表现出来的某些特性，在思维中去设计一种在理论预料中能够产生相似特性的“模型”
19、，再在实践的考验中区分真伪或修正其错误，使其逐步提高与现实“原型”的近似程度。这种方法中的“模型”是思维训练的“模型” 。示例 8试写出Mg3N2、 NH2Cl、 PCl3、SiCl 4、IBr 、C 2H5SNa、NaNH 2、MgC2、NH 4H、CH 3COCl、CO(NH 2)2、(CH 3CO)2O 等物质与水反应的化学方程式。案例分析根据教科书有关物质水解反应的方程式：FeCl3+3H2O Fe(OH)3+3HClCaC2+2H2O Ca(OH)2+C2H2CH3CH2Br+H2O CH3CH2OH+HBrCH3COOC2H5+H2O CH3OOH+C2H5OH归纳水解反应的实质，
20、构建水解反应的通式思维“模型” ，则不难解决上述问题。8.推理策略因果关系推理策略是指在前后相随的一些现象中，通过某些现象的相变关系，诸如同时出现、同时不出现或同时成比例地发生变化等事实，归纳出现象间的因果关系。这种策略在化学问题解决中经常运用。示例 9下列两种方法，哪一种得到的悬浊液易于溶解成清液，为什么？（1）在盛 0.1mol/L 10 mL CuSO4 溶液的试管中滴加0.2mol/L 10mL NaOH 溶液，然后加入 2 mol/L 的氨水溶解之。（2）在盛 0.1mol/L 10 mL CuSO4 溶液的试管中滴加0.2 mol/L 10mL NH3H2O，然后加入 2 mol/
21、L 氨水溶解之。设计一个实验方案验证上述观点的可靠性。案例分析假设某种现象在(a,b ,x)之下出现，在（a,b）之下不出现，根据存异方法，我们可以归纳出结论：x 是这种现象的原因。Cu 2+2OH- Cu(OH)2Cu 2+2NH3H2O Cu(OH)2+2NH+ 4、最后一步加入 NH3H2O 沉淀溶解的化学方程式均为：Cu(OH)2+4NH3H2O Cu(NH 3)4 2+2OH-+4H2O因产生的 NH+ 4 可与溶解反应产生的 OH-结合成弱电解质 NH3H2O，而使溶解反应向右移动，故可推测（2）易成清液。为验证此观点的正确性，可向 Cu(OH)2 的悬浊液中加入 NH4Cl 或
22、CH3COONH4，悬浊液均成清液。因果关系推理策略除案例中运用的存异方法外，还有求同方法、剩余方法、共变方法等。9.信息策略国际化学奥林匹克（IChO）培训大纲中将信息加工列为首项能力并定义信息为“对文字、图形、直接和间接获得的各种感性和理性认识” ，而加工的涵义更广，包括信息的寻找、选择、整理、储存、重组、应用、预测、评价等。普通高校招生化学科考试（MCE ）也注重考查学生对化学知识（特别是接受新信息）的自学能力和对化学问题分析综合、抽象概括、比较判断、迁移推理的思维能力。至此，信息加工与化学问题的解决已融合、交织于一体。（1）信息简约策略对某些信息密集的化学问题而言，文字叙述往往显得繁杂
23、，特别是其中一些无关信息的干扰与设陷，学生难以准确把握问题之关键或误入歧途。因此，一种值得推荐的策略是：面对复杂问题，首先要大刀阔斧地削去可能屏蔽思维的一些枝节内容，从而在认知结构中清晰地呈现出问题的主干，使复杂的表述简明化，明确问题的始态（已知条件） 、终点（待求结论）和节点（可能遇到的障碍） 。（2）信息引申策略化学问题的难易并不取决于题述文字的多少，而在于隐意的深浅和思路的曲直。虽然，多次解决相类同的问题可以发展对该类问题的解决能力，但具体涉及某一问题，尤其是开放题，方法和规则并非万能，当指向解题目标的特征信息凝聚个别字词或题意之外，则需结合具体问题逐字挖掘有用信息，经多角度思考分析后作
24、合理推想，力求上下兼顾，前后呼应，逐级引申、反复论证，直至问题的释获。信息引申是一项艰难的工作，没有固定的程式可循，因而是对学生知识和能力的综合考验。示例 10为什么镁带燃烧发出耀眼的白光，并有明显的火焰产生，而铁在氧气中燃烧是火星四射而不会有火焰？镁在空气中燃烧的最终产物为什么是 MgO，而难见到有黄绿色的 Mg3N2 生成？案例分析上述问题是对金属燃烧现象的本质的探究，是化学知识联系实际的一个典型实例，是教学中挖掘教学内容的思维性的一个典例。对题述事实，大多数学生熟悉与此有关的化学背景，然而从题意本身却无从寻找可直接类比的知识或方法作为支撑，因而问题的难度陡增。事实上，从“关键词”入手揭示
25、隐含的信息，引申题意，即可迅速改变“疑无路”的局面。以下给出指向问题解决的一系列引申：空气中存在着大量的氧气和氮气，而镁既能在氧气中燃烧，又能在氮气中燃烧。2Mg+O2 2MgO 3Mg+N 2 Mg3N2Mg3N2 是黄绿色粉末或块状固体，它在 800时可分解成镁和氮气，镁燃烧的火焰温度高于 800，那么即便有 Mg3N2 生成，生成的 Mg3N2 也会分解，即燃烧的最终产物是 MgO。火焰是气体燃烧的现象，由镁燃烧有火焰可知，镁在燃烧的过程中一定产生了镁蒸气,可见镁的沸点不会太高,经查镁的熔点为 651，沸点为 1107，铁在氧气中反应放出的热量不能达到铁的沸点，故铁在氧气中的反应现象是火
26、星四射而不会有火焰。（3）信息转换策略化学现象千变万化，从中产生的问题也各式各样，许多截然不同的问题有时可用相同的形式表述，而同一问题时常又以不同的形式呈现。因此，当面临的化学问题信息生疏、概念模糊时，可尝试用自己熟悉的方式（语言、模型、图示、情境等）去描述，一次不行，再换一次，不断调整方向和层次，直至问题的轮廓和关键清晰为止，这就是将一个陌生问题变成一个熟悉的问题，将一个未知变量置换成较易认识的另一个变量，将一个复杂的实际问题简化成一个典型的化学模型。总之，信息转换策略是一种将待解的问题经过某种转化，归结到一类已经认识或较易解决的问题情境中，从而求得原问题之解的思想方法。示例 11工业上常用
27、金属钠与氯化钾在熔融时反应制取金属钾：Na+KCl NaCl+KA一 定 温 度请你根据下表分析，上述反应最适宜的温度(t) 范围是_。K Na KCl NaCl熔点/ 63.6 97.8 770 801沸点/ 774 882.9 1500 1413案例分析解决上述问题，可由结果（目标）追溯原因的方式对信息作逆反置换。适宜温度范围 确定反应发生的条件 纳 入 一 般 模 型为什么上述反应能制取金属钾 转 换任何反应都有一定程度的可逆性 纳 入 一 般 模 型怎样使上述平衡向右进行 化学平衡向 转 换 转 换右移动条件 减小生成物浓度 让钾以蒸 转 换 转 换气形式从熔融液中逸出 什么温度下钾呈
28、气态而 转 换钠不呈气态 温度为 774Na+，故电解 Al3+、Mg 2+、Na +的水溶液时，不可能在阴极上析出金属单质。本题无需计算，答案应为 A。在反思之后，学生可以采用写反思日记的形式使反思结果内化到自己已有的认知结构中，即以日记的形式总结、记录自己在反思过程中的感受、收获和经验教训，使自己点燃 点燃的反思过程具体化。经过一段时间以后，对自己的反思日记进行总结整理，概括提炼出解决某一类问题应注意或遵循的规律、方法，使反思结果转化成能够为以后学习所利用的资源。有研究表明：中等生与优等生的最主要差异不是基本知识，而是解题方法与技巧（即认知策略） 。教给有效的认知策略是引导学生学会解题的重
29、要方面。关于认知策略的训练，近年来受到国内外理科教学的关注，如化学学科的暴露思维教学法，数学、物理等学科的说题训练，通过说题使隐性的缄默知识（即知道何时选用某部分知识）显性化。当教师在讲解分析试题时，不仅要把知识点及其联系讲深讲透，更重要的是要详尽展示思维的过程。让学生说题（说核心知识、说题目结构、说解题步骤、说解题格式、说思路评价等） ，暴露学生的思维过程，捕捉缄默知识，使缄默知识显性化。参 考 文 献 ： 1 刘 知 新 .化 学 教 学 论 （ 第 三 版 ） .北 京 ： 高 等 教 育 出版 社 ， 2004. 2 中 国 化 学 会 编 .最 新 奥 林 匹 克 化 学 竞 赛 题 及 解 答 .北京 ： 科 学 普 及 出 版 社 ， 1993. 3 王 后 雄 .化 学 方 法 论 .长 沙 ： 中 南 大 学 出 版 社 ， 2003. 4 程 国 强 .浅 论 中 学 化 学 学 习 的 有 序 性 和 连 续 性 策 略 .中 学 化 学 教 学 参 考 ， 2005（ 3） ： 4-5
