基于信息加工理論的高考化學(xué)試題解題及教學(xué)研究

黎華瓊 盧運(yùn)

【摘 要】本文結(jié)合化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，以 2019 年高考全國(guó)卷 Ⅲ 理綜第 26 題為例，論述將加涅的信息加工理論應(yīng)用于高考化學(xué)試題解題的一般流程，并提出了具體的教學(xué)策略，為化學(xué)學(xué)科教學(xué)提供參考。

【關(guān)鍵詞】高考化學(xué) 信息加工理論 解題 教學(xué)策略

【中圖分類號(hào)】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2020）30-0153-03

近年來，高考化學(xué)試題日趨重視考查學(xué)生在特定情境或真實(shí)情境中運(yùn)用化學(xué)思想方法、化學(xué)思維能力等來解決實(shí)際問題。縱觀獨(dú)立命題的各個(gè)省市及全國(guó)卷的化學(xué)高考題，試卷頁(yè)面平均達(dá) 6 頁(yè)，閱讀字?jǐn)?shù)甚多。學(xué)生普遍反映題目太難，題目太長(zhǎng)。這些題目大多有文字有圖形，看不出重點(diǎn)，也看不下去，看不懂。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的根本原因在于學(xué)生缺乏提取信息、組織并加工信息以幫助解決問題的方法與能力。

有關(guān)青少年如何學(xué)習(xí)方面，心理學(xué)家提出過很多理論以解釋學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)，信息加工理論是其中之一。教師運(yùn)用信息加工理論可以找到學(xué)生出現(xiàn)閱讀困難的原因，進(jìn)而找出針對(duì)性的策略以解決這種現(xiàn)象，有效提高學(xué)生的成績(jī)。本文嘗試將信息加工理論應(yīng)用到高考化試題解答中，幫助學(xué)生掌握一定的解題策略，提高學(xué)生解決問題的能力。

一、信息加工理論概述

加涅的信息加工理論的基本取向是學(xué)習(xí)的過程包括信息接收與使用，它是學(xué)習(xí)者內(nèi)部加工的過程，同時(shí)也是學(xué)習(xí)者與環(huán)境互動(dòng)的結(jié)果。加涅把學(xué)習(xí)者加工信息的過程概括為注意、記憶以及問題解決與推理三個(gè)基本環(huán)節(jié)，其中注意意味著信息的輸入，記憶意味著信息加工以及提取，問題解決與推理意味著信息轉(zhuǎn)換輸出。加涅在多重記憶模式中詳細(xì)描述了個(gè)體的信息加工系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上是學(xué)習(xí)者與環(huán)境聯(lián)動(dòng)的過程，涉及感覺登記、短時(shí)記憶、長(zhǎng)時(shí)記憶三個(gè)各有獨(dú)特作用的部分，具體模型圖見圖 1 所示。大多數(shù)的記憶模式中還包括執(zhí)行控制過程（即加涅學(xué)習(xí)分類中的元認(rèn)知），通過執(zhí)行控制，學(xué)習(xí)者可以計(jì)劃和調(diào)控信息加工過程，并在適當(dāng)時(shí)機(jī)選擇適當(dāng)?shù)牟呗浴?/p>

（一）信息加工流程

信息加工理論指導(dǎo)下解決問題的流程簡(jiǎn)單來說，包括注意—— 提取記憶—— 問題解決三個(gè)環(huán)節(jié)，也可以詳述成如圖 2 所示的過程。學(xué)習(xí)者從環(huán)境中接受刺激，刺激激活感覺器并轉(zhuǎn)化成神經(jīng)沖動(dòng)。這些沖動(dòng)流入感覺登記器并短時(shí)存儲(chǔ)，在這里沖動(dòng)被登記或被加工成可以理解的信息及其特征或特性。有的信息被登記，有的被遺棄消逝，這個(gè)過程即注意。被登記的信息很快流入到短時(shí)記憶中，有的信息經(jīng)過復(fù)述后被送入長(zhǎng)時(shí)記憶編碼予以保留，有的信息則在短時(shí)記憶中因?yàn)槎虝r(shí)記憶容量問題被更替，這個(gè)過程即記憶。當(dāng)需要使用信息時(shí)，學(xué)習(xí)者就可以從長(zhǎng)時(shí)記憶中檢索提?。ㄒ部梢詮亩虝r(shí)記憶檢索，但短時(shí)記憶容量有限，故檢索提取的信息只占少部分）。這些被檢索提取出來的信息可以刺激反應(yīng)發(fā)生器，從而產(chǎn)生反應(yīng)，并最終激活效應(yīng)器進(jìn)而作出一定的表現(xiàn)，這也意味著問題的解決。

（二）執(zhí)行控制過程

加涅認(rèn)為大多數(shù)記憶模式中還包括一個(gè)重要的組成部分—— 執(zhí)行控制過程。執(zhí)行控制過程，加涅也將其稱之為認(rèn)知策略或者元認(rèn)知，是計(jì)劃或調(diào)控外部信息處理的循環(huán)往復(fù)的過程。它決定著何種信息被登記，信息進(jìn)入何種記憶方式以及信息該如何編碼和如何提取，以便學(xué)習(xí)者完成各種具體的學(xué)習(xí)任務(wù)。一般來說，執(zhí)行控制過程影響著問題的解決。對(duì)于不同的外部環(huán)境以及不同類型的問題，執(zhí)行控制過程可能采取不同的解決步驟，但一般會(huì)包括 7 個(gè)步驟：（1）識(shí)別問題的存在;（2）定義該問題;（3）表征和組織關(guān)于問題的信息;（4）設(shè)計(jì)或選擇一個(gè)問題解決的策略;（5）分配問題解決的資源;（6）監(jiān)控問題的解決;（7）對(duì)問題的解決方案進(jìn)行評(píng)估。

二、基于信息加工理論的具體解題步驟

以 2019 年高考全國(guó)卷 Ⅲ 理綜第 26 題為例，闡述基于信息加工理論的具體解題步驟。全國(guó)卷 Ⅲ 理綜第 26 題原題如下：

高純硫酸錳作為合成鎳鈷錳三元正極材料的原料，工業(yè)上可由天然二氧化錳粉與硫化錳礦（還含F(xiàn)e、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素）制備，工藝如圖 3 所示。回答下列問題：

相關(guān)金屬離子[c0（Mn+）=0.1 mol·L-1]形成氫氧化物沉淀的 pH 范圍如下：

根據(jù)信息加工流程，我們可以簡(jiǎn)單地從注意—— 提取記憶—— 問題解決三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行解題，并在問題解決環(huán)節(jié)調(diào)用執(zhí)行控制。

（一）注意

引起注意的前提是將信息輸入感覺登記，因此首先需要通讀材料，提取題目中的有效信息。這道高考題給出的材料信息以文字和圖表兩種不同形式呈現(xiàn)，故而可以采用相應(yīng)的策略對(duì)有效信息進(jìn)行提取。

文字材料：先快速瀏覽，鎖定材料的主題，然后仔細(xì)閱讀并標(biāo)畫出有用信息或關(guān)鍵詞。如，通過瀏覽，可以鎖定本題的主題為“二氧化錳粉與硫化錳礦制備硫酸錳”，關(guān)鍵詞包括題干中的“硫酸錳”“還含 Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si 等元素”以及問題中的“二氧化錳與硫化錳反應(yīng)”“鐵和鋁”“目的是除去 Zn2+和 Ni2+”“酸度過高，Mg2+ 沉淀不完全”等。

圖表材料：首先判斷圖表類型，圖是二氧化錳粉與硫化錳礦制備硫酸錳的工藝流程圖，涉及制備和除雜過程。其中較為關(guān)鍵且陌生的字眼有“溶浸”“沉錳”。“溶浸”是指采礦中，采用化學(xué)試劑或化工原料溶解、浸出礦石中主要有用組分?！俺铃i”顧名思義是將錳元素以某種形式的沉淀分離出來，結(jié)合圖中信息，該形式為 MnCO3。表給出的是雜質(zhì)離子形成氫氧化物沉淀的 pH 數(shù)據(jù)，與之相匹配的信息是流程圖中的“氨水調(diào) pH”。

信息編碼：編碼整合上述提取得到的信息可得以下結(jié)論：“溶浸”過程分離出 SiO2、氨水調(diào) pH 使 Fe 和 Al 變成氫氧化物沉淀、加入 Na2S 使 Zn2+ 和 Ni2+ 變成硫化物沉淀、加入 F- 使 Mg2+ 沉淀、“沉錳”過程得到 MnCO3。

（二）提取記憶

首先，以已提取的有效信息或者關(guān)鍵詞為依據(jù)，大致匹配書本的知識(shí)并粗略定位至哪本書哪個(gè)章節(jié);其次，以編碼整合的信息為依據(jù)，檢索記憶中的信息并初步定位至必修 2 第四章第一節(jié)《開發(fā)利用金屬礦物和海水資源》、選修 4 第三章第四節(jié)《難溶電解質(zhì)的溶解平衡》等章節(jié)的知識(shí);最后，根據(jù)具體的問題再?gòu)倪@些章節(jié)中提取更多的信息，并將其與記憶中與問題相關(guān)的元素化合物知識(shí)結(jié)合進(jìn)行問題解答。

（三）問題解決

在實(shí)際的解題過程中，可以按照上文所提的執(zhí)行控制過程的 7 個(gè)步驟，一步步地執(zhí)行直至問題解決。倘若運(yùn)用熟練，亦可根據(jù)需要靈活調(diào)整，或變換順序或統(tǒng)合幾個(gè)步驟或跳躍某些步驟以快速解決問題，同時(shí)這也意味著學(xué)習(xí)者需反復(fù)練習(xí)強(qiáng)化執(zhí)行控制過程。本題可以參考下述流程調(diào)用執(zhí)行控制以提高得分率。

1.識(shí)別問題的存在。要求抓住問題的關(guān)鍵詞，領(lǐng)悟出題者的意圖，這一步驟實(shí)際上和注意是一致的。

2.定義該問題，即定義問題的性質(zhì)。閱讀問題可以發(fā)現(xiàn)，本題共分為 7 小問，可分成三個(gè)類別，分別為方程式的書寫（如，寫出“溶浸”過程的化學(xué)方程式、“沉錳”的離子方程式）、除雜物質(zhì)的推斷（如，判斷“濾渣 1”和“濾渣 3”的成分、解釋“氧化”中添加 MnO2 的作用、“調(diào) pH 值”的范圍以及“除雜 2”酸度過高使得 Mg2+ 沉淀不完全的原因）、化合價(jià)相關(guān)求解。

3.表征問題信息。此步驟可以與 7 步驟中的第 4 步以及第 6 步統(tǒng)合起來。首先，表征問題并同時(shí)選取問題解決的策略以快速理解問題;其次，從記憶中抽取更詳細(xì)的線索以便深入加工信息;最后，為了避免遺漏已提取的與問題解決相關(guān)的信息，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單羅列，這也方便最后的評(píng)估檢查。如，第 5 小問解釋“除雜 2”酸度過高使得 Mg2+ 沉淀不完全的原因。根據(jù)題意，我們可以提取出腦海中 HF 的相關(guān)知識(shí)，聯(lián)想到當(dāng)酸度過高時(shí)，F(xiàn)- 會(huì)與 H+ 結(jié)合形成 HF，從而破壞 MgF2 的溶解平衡使得沉淀不完全。

4.對(duì)問題的解決方案進(jìn)行評(píng)估，檢查答案，最終解決問題。

三、信息加工理論指導(dǎo)下的化學(xué)教學(xué)策略

（一）培養(yǎng)學(xué)生提取、整理化學(xué)信息能力

通過調(diào)查以及觀察學(xué)生的做題情況，可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生答題效率不高、得分率低與未能準(zhǔn)確提取材料隱含的線索有一定的關(guān)系。參閱歷年化學(xué)高考試題，幾乎只有文字和圖像兩種形式的材料，因此在實(shí)際的教學(xué)中教師應(yīng)有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生從此類材料中獲取有效線索的能力。

1.加強(qiáng)對(duì)文字材料的選擇性注意，形成化學(xué)信息的敏感性。高考化學(xué)試題中的文字材料一般包括某些化學(xué)事物的描述（例如，2019 年全國(guó)卷第 35 題拉維斯相的 MgCu2 等）、某些化學(xué)現(xiàn)象的描述（例如，2016 年全國(guó)卷 Ⅱ 第 28 題等）以及某些化學(xué)新概念的簡(jiǎn)介（例如，2017 年全國(guó)卷 Ⅱ 電子親和能等），等等，給出的信息大多與解題有關(guān)，也有少部分是干擾信息。因此，教師在平時(shí)的訓(xùn)練中，除了教給學(xué)生從文字材料提取有效信息的技巧外，還要加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)文字材料的選擇性注意，讓學(xué)生形成重點(diǎn)化學(xué)信息的敏感性。在平時(shí)的課堂中，當(dāng)學(xué)生表述某一化學(xué)現(xiàn)象時(shí)，教師要指導(dǎo)學(xué)生使用規(guī)范化學(xué)術(shù)語，糾正不當(dāng)用語。

2.巧授讀圖、析圖技巧，學(xué)會(huì)圖文、文圖以及圖圖的靈活轉(zhuǎn)換。圖表在化學(xué)高考試題中屬于“重頭戲”，且考查勢(shì)頭強(qiáng)勁，很多與解題有關(guān)的信息被糅合在工藝流程圖、實(shí)驗(yàn)裝置圖、物質(zhì)結(jié)構(gòu)圖、表格數(shù)據(jù)、設(shè)備圖、數(shù)軸圖等圖表中，想要完全提取有一定的困難。如果遺漏了圖表中的某些線索，很大概率會(huì)導(dǎo)致答題不全面而失掉許多分。因此，教師在實(shí)際的教學(xué)中，可以與學(xué)生多總結(jié)高考化學(xué)試題?？碱}型中出現(xiàn)的圖表，并充分利用這些已有的圖表培養(yǎng)學(xué)生讀圖、析圖的能力，讓學(xué)生在比較、綜合、分析、概括推理中全面把握?qǐng)D表，進(jìn)行靈活變換。

（二）培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)知識(shí)遷移能力

學(xué)以致用是學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)，運(yùn)用所學(xué)解決實(shí)際化學(xué)問題離不開遷移能力的應(yīng)用。因此，在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)知識(shí)遷移能力成為重中之重。

1.整合知識(shí)、多維復(fù)述，變短時(shí)記憶為長(zhǎng)時(shí)記憶。只有對(duì)腦海里的知識(shí)熟練掌握，才有可能遷移知識(shí)以解決問題。而對(duì)知識(shí)熟練掌握的前提是腦海里要有知識(shí)，因此要培養(yǎng)遷移能力需先讓學(xué)生化學(xué)知識(shí)記憶力過關(guān)。信息加工理論給出的啟示是，學(xué)生從環(huán)境習(xí)得的知識(shí)會(huì)被登記輸入到短時(shí)記憶中，但短時(shí)記憶的容量極為有限，如果不及時(shí)把知識(shí)輸入長(zhǎng)時(shí)記憶，那么這些知識(shí)很快就會(huì)被新信息更替掉從而被學(xué)生遺忘。因此要想變短時(shí)記憶為長(zhǎng)時(shí)記憶，最簡(jiǎn)單的方式就是不斷重復(fù)。需要注意的是，如果只是機(jī)械重復(fù)，那么獲取的長(zhǎng)時(shí)記憶很可能是零碎的、脫節(jié)的，這不利于學(xué)生的長(zhǎng)期發(fā)展。因此可以采用思維導(dǎo)圖、價(jià)類圖等方式對(duì)信息進(jìn)行編碼，將知識(shí)整合，形成板塊，并采用多維復(fù)述將短時(shí)記憶輸入長(zhǎng)時(shí)記憶中。

2.舉一反三、多變多練，尋共性、覓差異。全國(guó)高考理綜化學(xué)部分雖日趨重視考查創(chuàng)新能力以及讀取和運(yùn)用信息的能力，卻沒有太多偏題、難題和怪題。形式雖多變，但萬變不離其宗，化學(xué)知識(shí)點(diǎn)以及試題類型相對(duì)固定。因此教師應(yīng)多梳理高考化學(xué)試題的命題偏好，讓學(xué)生多練典型的習(xí)題，加強(qiáng)題型之間的因果變換;也可以多讓學(xué)生進(jìn)行題型變換訓(xùn)練。例如，同一題目進(jìn)行多種變式訓(xùn)練或者反思能否嘗試多種解答。在這樣的訓(xùn)練中尋共性、覓差異，進(jìn)而謀求思路的多樣化發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解以及遷移應(yīng)用。

本文從實(shí)際教學(xué)中存在的問題出發(fā)，即在考試中，學(xué)生解答化學(xué)問題時(shí)無法從繁雜的材料信息中準(zhǔn)確快速找出關(guān)鍵信息并結(jié)合所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題這一實(shí)際出發(fā)，結(jié)合信息加工理論，總結(jié)了高考化學(xué)試題解題的一般流程，并提出了一些教學(xué)策略。但本文僅就一道高考化學(xué)試題結(jié)合信息加工理論進(jìn)行說明，具有一定的局限性。然而不可否認(rèn)，加涅的信息加工理論在信息提取、解決實(shí)際問題，尤其是解題方面具有重要的促進(jìn)作用。

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【作者簡(jiǎn)介】黎華瓊（1989— ）女，漢族，廣西北流人，中學(xué)二級(jí)教師，大學(xué)本科學(xué)歷，研究方向：化學(xué)教育與教學(xué)。盧 運(yùn)（1992— ），男，漢族，廣西玉林人，廣西師范大學(xué)在讀研究生，研究方向化學(xué)學(xué)科教學(xué)。