中學化學“問題解決”的主要策略

趙立勝

【摘 要】面對化學問題能夠靈活選擇并運用相宜的策略，不僅能順利地實現問題解決，而且可以促進學生對化學概念和認知策略的內化。所以，化學教學要重視問題解決策略的教學，讓學生領悟類比遷移、整體思維、歸納演繹、數形結合等問題解決策略的要義，促使他們在獲得化學問題解決經驗的同時，進一步提高學習和探索新知識的能力。

【關鍵詞】中學化學 問題解決 認知策略

問題解決是“個體從給定狀態到目標狀態之間所采取的一系列行動的過程，是一種認知途徑和思維探索步驟”[1]。現代認知心理學研究表明，問題解決一般包括4個環節：（1）問題表征。就是將問題轉化為內部的心理表征，其實質就是對問題的主動建構與理解。（2）策略選擇。就是選擇特定的問題解決方法或程序。（3）策略運用。就是執行一個問題解決方案，包括在策略選擇中所決定的各種操作和策略。（4）結果評價。就是運用元認知對解題過程、結果是否得當做出評估[2]。“對于同一個化學問題，有的學生采取簡便的方法，能在較短時間內正確解決，而有的學生卻按部就班去解決，過程復雜還可能出現錯誤，產生這樣的差別盡管其原因不一，但與思維策略的不當有重要的關系”[3]。換言之，在問題解決的過程中，策略的選擇是最重要的環節。所以，有關問題解決的教學要特別重視問題解決策略的教學。實踐表明，化學問題解決主要有類比遷移、整體思維、歸納演繹、數形結合等策略。

一、類比遷移

問題解決是以已有知識為基礎的，離開了相關的已有知識，問題解決則無法進行。所謂類比是一種推理方法，它是指設法將新問題轉化為與已有知識經驗中相似的某些特征，做出它們在其他特征上也可能相似的結論，從而將已有問題的解決方法遷移到對新問題解決的一種策略。新問題與已有問題之間的相似性，有問題情境之間的相似性、表面關系之間的相似性和深層關系之間的相似性等幾種。其中問題情境之間的相似性和表面關系之間的相似性直接影響著問題解決者能否喚醒與新問題相似的已有問題，也就是它決定著能否在新舊問題之間產生類比，最終從隱含著的深層結構上的相似性出發來考慮問題的解決。值得注意的是，有時被遷移的已有“知識”或“解決問題的方法”是新的信息，需要在問題解決的同時進行感知和領悟。

例1 下列有關說法正確的是：

A. 反應NH3（g）+HCl（g）=NH4Cl（s）在室溫下可自發進行，則該反應的ΔH<0。

B. 電解法精煉銅時，以粗銅作陰極，純銅作陽極。

C. CH3COOH溶液加水稀釋后，溶液中■的值減小。

D. Na2CO3溶液中加入少量Ca（OH）2固體，CO32-水解程度減小，溶液的pH減小。

例1的答案是AC。對于C選項來說，原本CH3COOH溶液中存在著電離平衡CH3COOH？葑CH3COO-+H+。在加水稀釋時，CH3COOH的濃度減小，CH3COO-和H+的濃度也減小。從CH3COOH濃度減小的角度看，平衡逆向移動；從CH3COO-和H+濃度減小的角度看，平衡正向移動。這樣就難以判斷C選項的正誤。其實，這時可以將溶液中的平衡體系類比成氣態的平衡體系，加水稀釋導致溶液中各組分濃度同比下降，相當于氣態平衡體系中的壓強減小，平衡向粒子數增大的方向移動，即正向移動。所以，體系中各組分在濃度同比下降的基礎上，c（CH3COOH）減小，c（CH3COO-）增大，即■的值減小。

二、整體思維

整體思維策略是指拋開問題的某些方面、部分或具體細節，抽象出問題的本質特征或變化實質，從整體上理解問題并尋求解決問題的獨特方法。整體思維策略多用于對結構復雜又存在著一定內在關系的問題的分析和解決過程中，如連續反應、循環反應以及晶胞組成等的計算。整體思維策略往往需要排除問題表層現象的干擾，從整體的角度審視問題，常常會涉及質量守恒、物料守恒、電子守恒和電荷守恒等。另外，有機合成中逆合成分析法也是建立在整體思維基礎上的。

例2 鎂鋁合金（Mg17Al12）是一種潛在的貯氫材料，可在氬氣保護下，將一定化學計量比的Mg、Al單質在一定溫度下熔煉獲得。該合金在一定條件下完全吸氫的反應方程式為Mg17Al12+17H2=17MgH2+12Al。得到的混合物X（17MgH2+12Al）在6.0 mol/L HCl溶液中能完全釋放出H2。則1 mol Mg17Al12完全吸氫后得到的混合物X與上述鹽酸完全反應，釋放出H2的物質的量為 。

由題中所給的反應方程式可知，1 mol Mg17Al12完全吸氫得到混合物X是17 mol MgH2和12 mol Al。根據化學反應中的守恒關系，混合物X的原料是1mol Mg17Al12和17mol H2，同時又相當于17mol Mg、12mol Al和17mol H2，它們分別與鹽酸作用所能得到H2的總物質的量為17+12×1.5+17=52mol，這也是對應混合物X與鹽酸完全反應所能釋放出H2的物質的量。

例3 某市對大氣進行監測，發現該市首要污染物為可吸入顆粒物PM2.5（直徑小于等于2.5μm的懸浮顆粒物），其主要來源為燃煤、機動車尾氣等。因此，對PM2.5、SO2、NOx等進行研究具有重要意義。現將某PM2.5樣本用蒸餾水處理成待測試樣，若測得該試樣所含水溶性無機離子的化學組分及其平均濃度如下表：

根據表中數據判斷PM2.5的酸堿性為 ，試樣的pH= 。

對于溶液這個整體，一定存在離子電荷守恒的關系。因此試樣溶液中應該有c（K+）+c（Na+）+c（NH4+）+c（H+）=2c（SO42-）+c（NO3-）+c（Cl-）+c（OH-），將表中相關離子濃度代入可得c（H+）=c（OH-）+10-4。又因為常溫時有c（H+）c（OH-）=10-14，所以c（H+）=10-4，c（OH-）=10-10。即PM2.5呈酸性，試樣的pH=10-4。

三、歸納演繹

從個別事物中概括出一般規律的思維方法叫歸納；從一般規律出發得出個別結論的思維方法叫演繹。“歸納與演繹是必然相互聯系的，其中演繹以歸納為基礎，而歸納又需要通過演繹才能進行驗證”[4]。用演繹的方法解決問題，特別在解論述性和證明性問題時，關鍵應抓住某個一般性的原理作前提，推出個別對象的結論。

例4 “碘鐘”實驗中，3I-+S2O82-=I3-+2SO42-的反應速率可以用I3-與加入的淀粉溶液顯藍色的時間t來度量，t越小，反應速率越大。某探究性學習小組在20℃時進行實驗，得到的數據如下表：

分析比較上表數據，可以得到的結論是_______；其中t2=_______s。

在分析實驗數據時不難發現，題中實驗是通過調節c（I-）或c（S2O82-）來“研究反應物濃度對反應速率的影響”。從c（I-）和c（S2O82-）與對應顯色時間看，可以歸納出顯色時間與c（I-）和c（S2O82-）的關系，即t=■，這樣可以得到“反應速率與反應物起始濃度乘積成正比（或顯色時間與反應物起始濃度乘積成反比）”的結論。將①到④中任意一組數據代入關系式中，都可以求得k=0.1408。再將第⑤組數據代入關系式時，可以求得t2=■=29.3s。

四、數形結合

“數形原本是數學研究的基本對象，隨著化學科學數學化的不斷深入，物質的組成、結構、性質及其變化等信息都可以借助于相應的數形進行呈現”[5]。因此，數形結合受到了中學化學教學的廣泛關注。利用數形結合分析或求解的策略，主要是化學語言和直觀圖像的相互轉化，或將抽象的文字描述利用示意圖的形式具體化，或將復雜的數據信息利用表格、圖像等形式進行整理和歸納，以獲取解決問題的有用信息。解決問題時，要抓住有關概念、反應規律、物質性質特別是圖像特征，分析辨識圖中“原點”“交點”“轉折點”等的意義，對“數”“形”“義”“性”進行綜合思考，從中發掘隱含信息快速解題。

例5 磷的重要化合物NaH2PO4、Na2HPO4和Na3PO4可通過H3PO4與NaOH溶液反應獲得，含磷各物種的分布分數（平衡時某物種的濃度占各物種濃度之和的分數）與pH的關系如圖所示。為獲得盡可能純的NaH2PO4，pH應控制在 ；pH=8時，溶液中主要含磷物種濃度大小關系為 。

由圖中坐標以及曲線的極點和交點可以看出，溶液中含磷各物種的總量為1.0，其中H2PO4-的分布分數在pH=0.2或pH=9.2時為0，而pH在4～5.5時為1.0，所以，要獲得盡可能純的NaH2PO4應控制pH在4～5.5。在pH=8時，HPO42-的分布分數為0.85，H2PO4-的分布分數為0.15，所以此時溶液中主要含磷物種濃度大小的關系為c（HPO42-）>c（H2PO4-）。

化學問題解決的水平是學生運用化學知識解決實際問題能力的綜合體現，也是評價教學效果的重要標志。面對化學問題能夠靈活選擇并運用相宜的策略，不僅能順利地實現問題解決，而且可以促進學生對化學概念和認知策略的內化。所以，化學教學要注重學習策略，特別是問題解決策略的教學，促使學生在獲得化學問題解決經驗的同時，進一步提高學習和探索新知識的能力。

【參考文獻】

[1]任紅艷，李廣洲.理科“問題解決”教學的反思[J].課程·教材·教法，2003（12）.

[2]高文.一般的問題解決模式[J].外國教育資料，1999（6）.

[3]夏本成.論化學問題解決[J].安徽教育學院學報，2005（3）.

[4]陸軍.高中化學必修教科書中的科學方法體系[J].中學化學教學參考，2007（7）.

[5]陸軍.2012年高考化學試題中的數形呈現策略[J].化學教學，2012（10）.

（作者系江蘇省特級教師，現為江蘇省徐州市第三中學教師）