從問題解決機制分析化學難題

摘要：從一個化學問題的解決機制出發，提出難題之所以產生的原因。

關鍵詞：問題；解決機制；難題

文章編號：1005－6629(2008)05－0057－03中圖分類號：G632.479 文獻標識碼：B

1 化學問題解決機制

在教育統計學中，一般把試題按其難度分為容易題、中檔題和難題，其中難度系數值為0.4以下的試題我們稱之為難題。

試題之所以變成難題，除了與如何理解設置試題的已知知識點有關外，還與一個人的認知過程有關。作為教師，不應只關心如何制造難題及給出難題答案，更重要的是應關心這些難題形成的原因及如何在教學中幫助學生解決難題。對于影響問題解決的認知因素，已經認知心理學家確認的分別是：工作記憶容量、對問題的編碼、個人與問題相關知識的深度和整合度、從長時記憶提取相關信息、元認知過程[1][2]。

這些認知因素又是如何在化學問題解決過程中相互起作用的呢？對于這個問題，很多心理學研究者對此有各自的認識，他們在各自工作的基礎上構造出各自不同有關問題解決機制的模型。一般認為學生的化學問題解決過程大致可以分為問題表征、原型匹配、反思結果及元認知監控等步驟(見左圖)。

2 從化學問題解決機制看難題產生的原因

分析化學問題解決機制我們可以看出，一道試題之所以會變成難題，可能原因有以下幾種情況：

2.1 問題難以表征

問題難以表征的原因除了學生的心理因素外，還可能是知識因素及信息難度因素等。

知識因素對問題的表征影響體現在兩個方面，一是表現為能不能成功識別信息，二是能不能把識別出的信息轉化成解題的有用信息。例如，在1997年全國化學競賽初賽中有這樣一個題目。

例1(1997年全國初賽第一題)：次磷酸H3PO₂是一種強還原劑，將它加入CuSO₄水溶液，加熱到40℃～50℃，會析出一種紅棕色的難溶物A。經鑒定：反應后的溶液是磷酸和硫酸的混合物；X射線衍射證實A是一種六方晶體，結構類同于纖維鋅礦(ZnS)，組成穩定；A的主要化學性質如下：

①溫度超過60℃，分解成金屬銅和一種氣體；

②在氯氣中著火；

③與鹽酸反應放出氣體。

回答如下問題：(問題略)

對于“X射線衍射證實A是一種六方晶體，結構類同于纖維鋅礦(ZnS)， 組成穩定”這句話，很多同學把注意點集中在“X射線衍射證實A是一種六方晶體”這句話中，從而產生“‘X射線衍射、六方晶體’我沒有學過，也不知道信息怎么用”這種想法。當然，也有同學注意到了“結構類同于纖維鋅礦(ZnS)”這句話，但由于缺乏相關知識，還是不能把這個信息成功轉化成晶體A的陰陽離子之比為1∶1的解題關鍵點上。

信息難度的含義包含兩個方面：一是指原始信息要轉化成目標信息所經過的步驟，步驟越多，信息難度就越大。二是指信息量的多少，信息量越多，信息表現形式越復雜，對解題者駕馭信息的能力要求就越大，信息難度也就越高。這種多種信息集中的情形在化學競賽中經常出現。

例2(1992年全國決賽第五題)：取2.5克KClO₃粉末，置于冰水冷卻的錐形瓶中，加入5.0克研細的I2，再注入3cm3水，在45分鐘內不斷振蕩錐形瓶，并分批加入9cm3～10cm3濃HCl，直到I2完全消失為止(整個反應過程保持在40℃以下)。將錐形瓶置于冰水中冷卻，得到橙黃色的晶體A。

將少量A置于室溫下干燥的試管中，發現A有升華現象，用濕潤的KI一定粉試紙在管口檢測，發現試紙變藍；接著把試管置于熱水浴中，有黃綠色的氣體生成，管內的固體逐漸變成紅棕色液體。

將少量A分別和KI、Na2S2O₃、H₂S等溶液反應，均首先生成I2。

酸性的KMnO₄可將A氧化，得到的反應產物是無色的溶液。

寫出A的化學式；寫出上述制備A的配平的化學方程式……

分析：A到底是什么？我們可以從下表中得到一些啟示。

之所以提供這么多信息，其目的就是希望由這些信息得出A物質化學式應該為IClx型，然后通過數據計算就可獲得X的數值。

2.2 沒有原型

原型是什么？關于這個概念，認知心理學家安德森(J.R.Anderson)認為， 所謂原型是“關于范疇的最典型的樣例的設想”，專家與新手問題解決能力的重要差別之一就在于此。對數學學科教學心理的有關研究表明，通過心理模擬方法可將專家或優秀學生的問題解決過程和心理歷程外化或物質化成心智活動操作程序，即為問題解決原型[3]。一旦出現一道沒有原型的試題，學生就會普遍感覺題目不好操作。

例3(改編自2000年全國初賽11題)：“可燃冰”是蘊藏在海底的甲烷在高壓下形成的外觀像冰的甲烷水合物的固體。已知每1立方米這種固體能釋放出164立方米的甲烷氣體(標準狀況)。請發揮你的想象力和聰明才智，推算這種甲烷水合物固體的化學式。(提示：推算這種甲烷水合物固體的化學式還缺少什么數據？你認為所缺少的數據應取什么值較科學？)

此題的信息比較簡單，但此題得分情況卻不是特別理想。有一項實驗調查發現[4]， 在做此題時，很多解決此問題失敗的學生在“每1立方米這種固體能釋放出164立方米的甲烷氣體(標準狀況)”這句話周圍畫有標志，經詢問，被試者一般答曰“這是問題解決的關鍵信息，但不知如何運用”、“不知該如何理解”等，說明在沒有一個原型能操作的情況下，對學生的解題要求會很高。

2.3 原型不能成功匹配

2006年浙江省高二化學競賽省一級重點中學組試題有這樣一道試題。

例4(27題)：將0.45gA完全燃燒后的產物依次通過盛有濃硫酸與澄清石灰水的洗氣瓶，燃燒產物全部被吸收，兩個洗氣瓶依次增重0.57g與1.32g。已知A有六種可能結構，且每種結構均存在甲基。求A的化學式與其可能的六種結構。

這題是名副其實的難題，我校參加化學競賽的同學無人做對，連寫對分子式的同學也沒有，更別說寫結構式了。后來也有老師撰文說，此題整個衢州地區沒有學生做對，大多數考生誤認為本題數據出現問題而放棄解題，甚至以空白卷告終[5]。所以此題雖然為難題，但試題區分度基本為0，不是一個好題。

據賽后筆者對本校參賽同學的調查發現，很多同學在實際解題過程中，開始認為濃硫酸吸收的是水、澄清石灰水吸收的是二氧化碳，但隨著解題過程的展開，發現0.57這個數據并不能整除18，所以開始懷疑濃硫酸吸收的除了水外，還可能吸收了氨氣等物質，從而進一步懷疑這個有機物并非為烴！對照化學問題解決的機制模型我們可以看出，對于此題，學生不能解決問題的原因很可能在于原型匹配不成功后，在聯結重組環節中很多人甚至懷疑自己選擇的原型是否正確，從而不能順利解決試題。所以，此題只要給學生一個提示，做對此題的同學就會大大增加。為了驗證筆者的想法，筆者把對此題進行略微修改后在高三年級其中一個班級中進行了測試。

例5：已知A是從某星球采集來的物質，此星球的同位素分布比例與地球不同。為測試A結構，將0.45gA完全燃燒后的產物依次通過盛有濃硫酸與澄清石灰水的洗氣瓶，燃燒產物全部被吸收，兩個洗氣瓶依次增重0.57g與1.32g。已知A有六種可能的結構，且每種結構均存在甲基。求A的化學式與其可能的六種結構。

筆者把班級中的48人隨即等分為兩組，第一組24人做例4(沒有修改的試題)，第二組做例5(修改后的試題)。結果發現，第一組24人中無人做對，第二組24人中有8人做對，剩下的18人中也有12人成功寫出了分子式，把此題結果與他們的平時成績相對照，發現改過后的試題有良好的區分度。

3 化學問題解決機制對教學的啟示

由上面的討論我們不難看出，難題的成因可以來自于三個方面，但三個方面在教學上的效果卻是是不一樣的。對于沒有原型的難題，學生在成功解決后，優秀的學生會產生新的原型；對于與原型不匹配的難題，它解決的結果是對舊原型的修正；而對于難以表征的難題，它的結果是幫助學生豐富知識點或形成良好的知識結構。所以，在一個教學單元的教學初期，我們應該多一些能幫助學生形成新的原型的試題，并要及時強化，這是因為要使一個新產生的原型成功進入一個人的長時記憶，必須要對這個新原型在適當時候進行強化訓練。在教學后期，就應該出一些幫助學生能形成良好知識結構的試題，以使學生把現有的原型與已有的原型相聯系。

例如，利用有機物燃燒測定簡單有機物分子式是有機化學發展過程中的一個重要研究思路，也是化學試題中一類很重要的題材。在教學初期，我們教師一般多會給出此類試題的原型，并提供解決此類試題相應的步驟。

步驟1：根據濃硫酸增重的質量求出水的質量，從而求出有機物中氫原子的物質的量。

步驟2：根據堿石灰增重的質量求出二氧化碳的質量，從而求出有機物中碳原子的物質的量。

步驟3：有機物的質量減去氫原子和碳原子的質量就是氧原子的質量。

步驟4：根據步驟1、步驟2、步驟3求出有機物的最簡式。

步驟5：結合試題中給出的有機物的式量，求出有機物的化學式。

在教學后期，我們應該提供給學生一些與原型試題不能成功匹配的試題，使學生能與以前的原型題加強有效聯系，例4就能使學生與同位素試題相聯系，除了例4外，筆者在此提供另一實例，以供同行參考。

例6：取3.40g只含羥基、不含其他官能團的液態飽和多元醇，置于5.00L的氧氣中，經點燃，醇完全燃燒。反應后氣體體積減少0.560L，將氣體經CaO吸收，體積又減少2.8L(所有體積均在標況下測定)。求此醇的化學式。

解題思路：本題給出的數據是發生燃燒反應的醇的質量和三種情況下氣體的體積，必須在正確理解題文給出信息的含義后，經過多步運算才能求得醇分子中各原子數之比。解題時需注意分析，醇和氧混合后燃燒反應的示意式為：醇+O₂→CO₂+H₂O，醇和H₂O都呈液態。題文中反應后氣體體積的減少，說明5.00L O₂中除了用于生成CO₂外，還有0.56L用于生成H₂O；還需注意到生成的H₂O中還有部分氧原子來自醇分子，所以不能根據0.56L O₂來計算生成H₂O的量。這一步若沒有考慮到，則后面全盤皆錯。試題給出的另一信息是“將氣體經CaO吸收，體積又減少2.8L”，這就暗示了燃燒后生成的CO₂體積(因H₂O呈液態，其體積可以不予考慮)，據此可以算出CO₂的物質的量：2.8L÷22.4L·mol-1=0.125mol。參加反應的O₂的體積為：0.56L+2.8L=3.36L，質量為4.8g。根據質量守恒推出H₂O的質量為2.7g，將3.4g醇質量去除碳元素、氫元素質量則為氧元素質量，求得醇中C、H、O原子個數比為5∶12∶4，該醇的最簡式為C₅H₁₂O₄，此式中H原子已經飽和，所以它本身就是分子式。

在解決此題過程中，學生除了應用到原型外，還需要以前的另一種很重要的解題思路——質量守恒，這樣對提高學生思維敏捷性、靈活性都是很有幫助的。

參考文獻：

[1]Jeanne Ellis Ormrod(彭運石等譯).教育心理學[M].西安：陜西師范大學出版社，2006：311.

[2]王磊.科學學習與教學心理學基礎[M].西安：陜西師范大學出版社，2002：116-118.

[3]王磊，岳波.“原型”在高中生化學問題解決活動中的作用研究[J].學科教育，2002，(5):6.

[4]何永紅等.中學生化學問題表征現狀及特點的實驗研究[J].化學教學，2006，(8)：22-24.

[5]包朝龍.賞析一道值得玩味的化學競賽題[J].化學教學，2007，(1):58-59.