真實(shí)情境中基于關(guān)系模型的高中化學(xué)推理類問題解決研究

陳 鍵 沈紹波

（1.福建省普通教育教學(xué)研究室，福建 福州 350000；2.福建省浦城第一中學(xué)，福建 浦城 353400）

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》強(qiáng)調(diào)命題要以真實(shí)情境為測試載體，以實(shí)際問題為測試任務(wù)。《中國高考評價(jià)體系》強(qiáng)調(diào)對關(guān)鍵能力（蘊(yùn)含基于真實(shí)情境的問題解決能力）的考查?？梢娦抡n標(biāo)和新高考都注重考查學(xué)生基于真實(shí)情境的問題解決能力，以引導(dǎo)一線教學(xué)扎實(shí)推進(jìn)核心素養(yǎng)的落地。通過對《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020年修訂）》中核心素養(yǎng)水平劃分、學(xué)業(yè)質(zhì)量水平劃分以及王磊教授提出的化學(xué)學(xué)科能力活動(dòng)表現(xiàn)的分析，［1］發(fā)現(xiàn)推理類問題（例如運(yùn)用理論模型解釋或推測物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與變化）是真實(shí)情境中重要而常見的一類化學(xué)問題。其中，國內(nèi)高中化學(xué)紙筆測試中，考查基于關(guān)系模型的演繹推理能力的化學(xué)問題居多。因此，課題組對真實(shí)情境中基于關(guān)系模型的高中化學(xué)推理類問題解決進(jìn)行研究，以期建構(gòu)該類問題解決的思維模型，并分析概括該類問題解決的關(guān)鍵障礙點(diǎn)，提出應(yīng)對之策，以促進(jìn)學(xué)生相關(guān)問題解決能力的提高，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、關(guān)系模型的建構(gòu)與表征

在科學(xué)教育中，模型的概念與心智模型扮演著越來越重要的角色，科學(xué)教師應(yīng)主動(dòng)深入地了解與研究模型與建模。［2］從問題研究或問題解決維度考慮，化學(xué)模型建構(gòu)應(yīng)為“揭示研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系”服務(wù)；［3］可見，關(guān)系模型的關(guān)鍵在于構(gòu)成要素及其相互關(guān)系。基于這樣的理念，課題組從不同類型的高中化學(xué)內(nèi)容主題（物質(zhì)性質(zhì)與轉(zhuǎn)化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、反應(yīng)變化與規(guī)律、實(shí)驗(yàn)原理與方法）中，［4］建構(gòu)了部分核心的“關(guān)系模型”并以關(guān)系圖的方式進(jìn)行表征，文章以實(shí)驗(yàn)室或工藝制備中“操作—目的”關(guān)系模型（見圖1，以下簡稱“操作—目的”關(guān)系模型）為例進(jìn)行闡釋?！瓣P(guān)系模型”圖中箭頭由源要素指向目標(biāo)要素，代表源要素對目標(biāo)要素起影響性或決定性作用。例如圖1 中，源要素與目標(biāo)要素間就大量存在決定與被決定、影響與被影響等關(guān)系（例如溫度能影響反應(yīng)速率）。此外，本研究所指“要素”并不局限于“實(shí)體概念”“物理量”，而包括各種“元素”，譬如圖1所示的“操作”與“目的”。這樣處理，是因?yàn)橐罁?jù)“要素”關(guān)系進(jìn)行的推理，其在認(rèn)知層面上的關(guān)聯(lián)操作并無本質(zhì)的差別，拓寬“要素”所指，有利于將研究結(jié)果遷移應(yīng)用到更為廣闊的情境中。

二、基于關(guān)系模型的推理類問解決思維模型的建構(gòu)與分析

為了建構(gòu)“基于關(guān)系模型的高中化學(xué)推理類問題解決思維模型”，課題組成員搜集并解決真實(shí)情境中蘊(yùn)含各類關(guān)系模型的高中化學(xué)推理類問題，對問題解決的思維過程進(jìn)行分析總結(jié)，進(jìn)而提出相應(yīng)子類型的問題解決思維模型。最終，綜合各子類問題的解決思維模型，在參考其他學(xué)者提出的“問題解決思維模型”的基礎(chǔ)上，［5］建構(gòu)了“基于關(guān)系模型的高中化學(xué)推理類問題解決思維模型”（見圖2）。該類問題解決的第一階段為明確目標(biāo)并調(diào)用相應(yīng)的關(guān)系模型。第二階段為要素識別，即依據(jù)“關(guān)系模型”，提取真實(shí)問題情境中的有效信息，并將其與“關(guān)系模型”中的相關(guān)要素進(jìn)行匹配。第三階段為要素關(guān)聯(lián)，即利用“關(guān)系模型”中各要素間的相互關(guān)系，推理出所求的目標(biāo)要素，這樣的推理，在邏輯學(xué)上屬于連鎖三段論推理。［6］若最終能關(guān)聯(lián)到目標(biāo)要素，則完成問題解決的任務(wù)；若不能關(guān)聯(lián)到目標(biāo)要素，則需重新關(guān)聯(lián)其他中間要素，或者返回到前面的不同階段，重新進(jìn)行問題表征并調(diào)用其他“關(guān)系模型”，重新識別其他有效要素。

下面以2020 年全國理綜Ⅰ卷第26 題“（6）‘沉釩’中析出NH4VO3晶體時(shí)，需要加入過量NH4Cl，其原因是_____”為例，對圖2 所示的“基于關(guān)系模型的高中化學(xué)推理類問題解決思維模型”進(jìn)行舉例說明。本小題實(shí)質(zhì)上是對“加入過量NH4Cl”的“目的”進(jìn)行設(shè)問，首先可調(diào)用“操作－目的”關(guān)系模型進(jìn)行要素識別，將真實(shí)情境中的“加入過量NH4Cl”與關(guān)系模型中的操作（加入物質(zhì)）相關(guān)聯(lián)，然后聯(lián)系“操作—目的”關(guān)系模型，將“加入物質(zhì)”與“溶解度”關(guān)聯(lián)（因?yàn)樵龃驨H4+離子濃度，利用同離子效應(yīng)，可減小NH4VO3的溶解度），再將“溶解度”與“多”關(guān)聯(lián)，即促進(jìn)NH4VO3盡可能析出完全，獲得更多的產(chǎn)品。

三、基于關(guān)系模型的推理類問題解決的關(guān)鍵障礙點(diǎn)分析

借助“基于關(guān)系模型的高中化學(xué)推理類問題解決思維模型”，對學(xué)生解決這類問題中存在的障礙點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的主要問題為：“關(guān)系模型”障礙、要素識別障礙、要素關(guān)聯(lián)障礙。

（一）“關(guān)系模型”障礙

“關(guān)系模型”是解決“基于關(guān)系模型的推理類問題”的基礎(chǔ)與核心。不難理解，如果學(xué)生對“關(guān)系模型”本身掌握不到位，勢必會(huì)直接影響問題解決的質(zhì)量。學(xué)生的“關(guān)系模型”障礙，主要表現(xiàn)為：長時(shí)記憶中沒有存儲(chǔ)相關(guān)的“關(guān)系模型”，或者其存儲(chǔ)的不完整，或者其存儲(chǔ)的不清晰導(dǎo)致提取困難。例如，在上述例題的解答中，學(xué)生會(huì)因?yàn)橹R儲(chǔ)備中缺失“加入物質(zhì)—同離子效應(yīng)—溶解度”的關(guān)聯(lián)而導(dǎo)致解題失敗。又如，在2021 年全國理綜Ⅰ卷第27 題“（2）步驟Ⅰ中，需分批緩慢加KMnO4粉末并使用冰水浴，原因是_____”的解答中，學(xué)生解題失敗的原因之一在于“反應(yīng)速率—安全”的關(guān)聯(lián)不牢固。需要強(qiáng)調(diào)的是，“關(guān)系模型”障礙，是學(xué)生中最常發(fā)生的一類障礙。

（二）要素識別障礙

所謂要素識別障礙，即在復(fù)雜的真實(shí)情境中，學(xué)生無法提取有效信息用于關(guān)聯(lián)“關(guān)系模型”中的有效要素。尤其是當(dāng)真實(shí)情境的信息量大、復(fù)雜度高、關(guān)鍵信息隱蔽，或者存在強(qiáng)干擾信息時(shí)，要素識別的難度則會(huì)加劇。例如，學(xué)生經(jīng)常忽略由于化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)而導(dǎo)致的反應(yīng)體系的溫度變化，即無法識別“溫度”這一要素，進(jìn)而無法基于溫度的變化作進(jìn)一步的關(guān)聯(lián)推理。

（三）要素關(guān)聯(lián)障礙

所謂要素關(guān)聯(lián)障礙，是指問題解決者在長時(shí)記憶中已經(jīng)存有“關(guān)系模型”，但當(dāng)源要素可與同一個(gè)關(guān)系模型中多個(gè)要素關(guān)聯(lián)時(shí)，不知選擇和哪個(gè)關(guān)聯(lián)；或當(dāng)源要素可與多個(gè)關(guān)系模型關(guān)聯(lián)時(shí)，不知選擇和哪個(gè)模型關(guān)聯(lián)。例如在圖1 所示關(guān)系模型中，溫度這一要素可同時(shí)和多個(gè)要素關(guān)聯(lián)，在具體問題情境中，有些學(xué)生會(huì)無法確定要將其和哪個(gè)要素關(guān)聯(lián)。

四、應(yīng)對問題解決障礙的教學(xué)建議

通過上述分析，已經(jīng)知道“基于關(guān)系模型的推理類問題解決”主要有三類障礙點(diǎn)。為了幫助學(xué)生更好地克服這三類障礙，在相關(guān)高中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)關(guān)注學(xué)生所建構(gòu)的“關(guān)系模型”的質(zhì)量以及“關(guān)系模型”的運(yùn)用能力，從而提高學(xué)生解決真實(shí)情境中化學(xué)問題的能力。

（一）提升“關(guān)系模型”建構(gòu)的質(zhì)量

“關(guān)系模型”是一類抽象的教學(xué)內(nèi)容，可運(yùn)用類似“概念形成”的教學(xué)方式，讓學(xué)生在感知、了解“關(guān)系模型”的具體實(shí)例后，進(jìn)行歸納總結(jié)，這符合由具體到抽象的認(rèn)知規(guī)律。同時(shí)，應(yīng)遵循建構(gòu)主義的教學(xué)理念，讓學(xué)生體驗(yàn)自主建構(gòu)模型的全過程，而非教師替代學(xué)生完成“關(guān)系模型”的建構(gòu)過程，直接呈現(xiàn)事先建構(gòu)好的“關(guān)系模型”讓學(xué)生進(jìn)行分析理解。從而增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，使“關(guān)系模型”更加鮮活深刻地存儲(chǔ)于學(xué)生的長時(shí)記憶中，真正加深學(xué)生對模型所涉科學(xué)現(xiàn)象與過程的理解。［7］此外，對于基礎(chǔ)和能力較弱的學(xué)生，可以設(shè)置有梯度的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生在完成分級任務(wù)的過程中實(shí)現(xiàn)模型建構(gòu)。［8］在學(xué)生自主建構(gòu)“關(guān)系模型”的過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生利用“關(guān)系圖”的方式來表征“關(guān)系模型”，從而促使內(nèi)隱于大腦的信息外顯化，減輕認(rèn)知負(fù)荷，增大記憶容量，提升“關(guān)系模型”記憶和理解的有效性。

“關(guān)系模型”的建構(gòu)不是一蹴而就、一步到位的，而是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，尤其對于復(fù)雜的“關(guān)系模型”更是如此。例如圖1 所示的“操作—目的”關(guān)系模型，學(xué)生可先初步建立其中最為核心部分的關(guān)系模型，再通過不同的真實(shí)問題情境，不斷增添其他要素及要素間的關(guān)聯(lián)，完成“關(guān)系模型”的學(xué)習(xí)進(jìn)階。

“關(guān)系模型”的學(xué)習(xí)也應(yīng)遵循“教學(xué)評一致性”的原則，在平時(shí)的課堂測驗(yàn)及課后作業(yè)中，可安排檢測“關(guān)系模型”的測試題與練習(xí)題?？梢哉鎸?shí)情境中的問題呈現(xiàn)，也可以“關(guān)系模型”默寫、填空的形式呈現(xiàn)，這樣不僅能及時(shí)直觀地診斷學(xué)生“關(guān)系模型”建構(gòu)的質(zhì)量，也能強(qiáng)化“關(guān)系模型”在學(xué)生認(rèn)知系統(tǒng)中可視化的整體表征。此處需要說明的是，“默寫、填空”意在指向理解基礎(chǔ)上的有意義記憶，而非指向機(jī)械記憶。

（二）提高運(yùn)用“關(guān)系模型”解決真實(shí)情境問題的能力

“關(guān)系模型”的運(yùn)用，體現(xiàn)于相關(guān)問題解決的全過程。針對“明確目標(biāo)并調(diào)用相應(yīng)的關(guān)系模型”階段，應(yīng)變換問題情境，進(jìn)行變式訓(xùn)練，培育學(xué)生目標(biāo)定位和模型調(diào)用的意識，提高學(xué)生快速精準(zhǔn)調(diào)用切適的“關(guān)系模型”的能力。針對“要素識別”階段，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)問題解決需要和要素關(guān)鍵特征，排除陌生情境中無關(guān)干擾信息，提取有效信息以關(guān)聯(lián)“關(guān)系模型”的要素，促進(jìn)“去情境化”能力的提升。［9］雖然以真實(shí)問題情境為載體訓(xùn)練學(xué)生“要素識別”能力至關(guān)重要，但是傳統(tǒng)的“要素與實(shí)例”的關(guān)聯(lián)訓(xùn)練，尤其是“概念與實(shí)例”的關(guān)聯(lián)訓(xùn)練，也是必要的，這是“要素識別”能力形成的基石。

針對“要素關(guān)聯(lián)”，應(yīng)幫助學(xué)生真正理解同一“關(guān)系模型”內(nèi)各要素間的關(guān)聯(lián)，以及辨析同一要素與不同要素間關(guān)聯(lián)的異同，明確何時(shí)需要調(diào)用何種關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)要素關(guān)聯(lián)的精準(zhǔn)化。同時(shí)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的目標(biāo)意識，參照最終目標(biāo)進(jìn)行要素關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)要素關(guān)聯(lián)的定向化。例如，在“操作—目的”關(guān)系模型的運(yùn)用中，學(xué)生應(yīng)始終對標(biāo)最終目的——多快純、安環(huán)?。ò踩?、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)）來思考各具體操作和條件控制的推理去向。至于不同“關(guān)系模型”間的關(guān)聯(lián)，可以結(jié)合具體實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維發(fā)散，通過共有要素，將不同的“關(guān)系模型”進(jìn)行關(guān)聯(lián)。例如，在實(shí)驗(yàn)室用硫酸亞鐵溶液制備硫酸鐵銨中，氧化亞鐵離子時(shí)，不宜一次性加入過多的過氧化氫溶液的緣由，除了從“副反應(yīng)”和“反應(yīng)放熱、平衡移動(dòng)”的視角進(jìn)行思考，還可拓展學(xué)生思路，從三價(jià)鐵離子可能水解出的氫氧化鐵膠體因反應(yīng)放熱溫度升高而發(fā)生聚沉的視角進(jìn)行分析。此處，“操作—目的”關(guān)系模型就是通過溫度這一要素和膠體聚沉的關(guān)系模型產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。