基于信息加工理論的高考化學試題解題及教學研究

黎華瓊 盧運

【摘 要】本文結合化學學科的特點，以 2019 年高考全國卷 Ⅲ 理綜第 26 題為例，論述將加涅的信息加工理論應用于高考化學試題解題的一般流程，并提出了具體的教學策略，為化學學科教學提供參考。

【關鍵詞】高考化學 信息加工理論 解題 教學策略

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2020）30-0153-03

近年來，高考化學試題日趨重視考查學生在特定情境或真實情境中運用化學思想方法、化學思維能力等來解決實際問題。縱觀獨立命題的各個省市及全國卷的化學高考題，試卷頁面平均達 6 頁，閱讀字數甚多。學生普遍反映題目太難，題目太長。這些題目大多有文字有圖形，看不出重點，也看不下去，看不懂。導致這種現象的根本原因在于學生缺乏提取信息、組織并加工信息以幫助解決問題的方法與能力。

有關青少年如何學習方面，心理學家提出過很多理論以解釋學生的認知發展特點，信息加工理論是其中之一。教師運用信息加工理論可以找到學生出現閱讀困難的原因，進而找出針對性的策略以解決這種現象，有效提高學生的成績。本文嘗試將信息加工理論應用到高考化試題解答中，幫助學生掌握一定的解題策略，提高學生解決問題的能力。

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習的過程包括信息接收與使用，它是學習者內部加工的過程，同時也是學習者與環境互動的結果。加涅把學習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基本環節，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換輸出。加涅在多重記憶模式中詳細描述了個體的信息加工系統，這個系統實際上是學習者與環境聯動的過程，涉及感覺登記、短時記憶、長時記憶三個各有獨特作用的部分，具體模型圖見圖 1 所示。大多數的記憶模式中還包括執行控制過程（即加涅學習分類中的元認知），通過執行控制，學習者可以計劃和調控信息加工過程，并在適當時機選擇適當的策略。

（一）信息加工流程

信息加工理論指導下解決問題的流程簡單來說，包括注意—— 提取記憶—— 問題解決三個環節，也可以詳述成如圖 2 所示的過程。學習者從環境中接受刺激，刺激激活感覺器并轉化成神經沖動。這些沖動流入感覺登記器并短時存儲，在這里沖動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，這個過程即注意。被登記的信息很快流入到短時記憶中，有的信息經過復述后被送入長時記憶編碼予以保留，有的信息則在短時記憶中因為短時記憶容量問題被更替，這個過程即記憶。當需要使用信息時，學習者就可以從長時記憶中檢索提取（也可以從短時記憶檢索，但短時記憶容量有限，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發生器，從而產生反應，并最終激活效應器進而作出一定的表現，這也意味著問題的解決。

（二）執行控制過程

加涅認為大多數記憶模式中還包括一個重要的組成部分—— 執行控制過程。執行控制過程，加涅也將其稱之為認知策略或者元認知，是計劃或調控外部信息處理的循環往復的過程。它決定著何種信息被登記，信息進入何種記憶方式以及信息該如何編碼和如何提取，以便學習者完成各種具體的學習任務。一般來說，執行控制過程影響著問題的解決。對于不同的外部環境以及不同類型的問題，執行控制過程可能采取不同的解決步驟，但一般會包括 7 個步驟：（1）識別問題的存在;（2）定義該問題;（3）表征和組織關于問題的信息;（4）設計或選擇一個問題解決的策略;（5）分配問題解決的資源;（6）監控問題的解決;（7）對問題的解決方案進行評估。

二、基于信息加工理論的具體解題步驟

以 2019 年高考全國卷 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，工業上可由天然二氧化錳粉與硫化錳礦（還含Fe、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：

根據信息加工流程，我們可以簡單地從注意—— 提取記憶—— 問題解決三個環節進行解題，并在問題解決環節調用執行控制。

（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，故而可以采用相應的策略對有效信息進行提取。

文字材料：先快速瀏覽，鎖定材料的主題，然后仔細閱讀并標畫出有用信息或關鍵詞。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”“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。其中較為關鍵且陌生的字眼有“溶浸”“沉錳”。“溶浸”是指采礦中，采用化學試劑或化工原料溶解、浸出礦石中主要有用組分。“沉錳”顧名思義是將錳元素以某種形式的沉淀分離出來，結合圖中信息，該形式為 MnCO3。表給出的是雜質離子形成氫氧化物沉淀的 pH 數據，與之相匹配的信息是流程圖中的“氨水調 pH”。

信息編碼：編碼整合上述提取得到的信息可得以下結論：“溶浸”過程分離出 SiO2、氨水調 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鍵詞為依據，大致匹配書本的知識并粗略定位至哪本書哪個章節;其次，以編碼整合的信息為依據，檢索記憶中的信息并初步定位至必修 2 第四章第一節《開發利用金屬礦物和海水資源》、選修 4 第三章第四節《難溶電解質的溶解平衡》等章節的知識;最后，根據具體的問題再從這些章節中提取更多的信息，并將其與記憶中與問題相關的元素化合物知識結合進行問題解答。

（三）問題解決

在實際的解題過程中，可以按照上文所提的執行控制過程的 7 個步驟，一步步地執行直至問題解決。倘若運用熟練，亦可根據需要靈活調整，或變換順序或統合幾個步驟或跳躍某些步驟以快速解決問題，同時這也意味著學習者需反復練習強化執行控制過程。本題可以參考下述流程調用執行控制以提高得分率。

1.識別問題的存在。要求抓住問題的關鍵詞，領悟出題者的意圖，這一步驟實際上和注意是一致的。

2.定義該問題，即定義問題的性質。閱讀問題可以發現，本題共分為 7 小問，可分成三個類別，分別為方程式的書寫（如，寫出“溶浸”過程的化學方程式、“沉錳”的離子方程式）、除雜物質的推斷（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 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）、化合價相關求解。

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 步統合起來。首先，表征問題并同時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的信息，可以進行簡單羅列，這也方便最后的評估檢查。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。根據題意，我們可以提取出腦海中 HF 的相關知識，聯想到當酸度過高時，F- 會與 H+ 結合形成 HF，從而破壞 MgF2 的溶解平衡使得沉淀不完全。

4.對問題的解決方案進行評估，檢查答案，最終解決問題。

三、信息加工理論指導下的化學教學策略

（一）培養學生提取、整理化學信息能力

通過調查以及觀察學生的做題情況，可以發現，學生答題效率不高、得分率低與未能準確提取材料隱含的線索有一定的關系。參閱歷年化學高考試題，幾乎只有文字和圖像兩種形式的材料，因此在實際的教學中教師應有意識地培養學生從此類材料中獲取有效線索的能力。

1.加強對文字材料的選擇性注意，形成化學信息的敏感性。高考化學試題中的文字材料一般包括某些化學事物的描述（例如，2019 年全國卷第 35 題拉維斯相的 MgCu2 等）、某些化學現象的描述（例如，2016 年全國卷 Ⅱ 第 28 題等）以及某些化學新概念的簡介（例如，2017 年全國卷 Ⅱ 電子親和能等），等等，給出的信息大多與解題有關，也有少部分是干擾信息。因此，教師在平時的訓練中，除了教給學生從文字材料提取有效信息的技巧外，還要加強培養學生對文字材料的選擇性注意，讓學生形成重點化學信息的敏感性。在平時的課堂中，當學生表述某一化學現象時，教師要指導學生使用規范化學術語，糾正不當用語。

2.巧授讀圖、析圖技巧，學會圖文、文圖以及圖圖的靈活轉換。圖表在化學高考試題中屬于“重頭戲”，且考查勢頭強勁，很多與解題有關的信息被糅合在工藝流程圖、實驗裝置圖、物質結構圖、表格數據、設備圖、數軸圖等圖表中，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，很大概率會導致答題不全面而失掉許多分。因此，教師在實際的教學中，可以與學生多總結高考化學試題常考題型中出現的圖表，并充分利用這些已有的圖表培養學生讀圖、析圖的能力，讓學生在比較、綜合、分析、概括推理中全面把握圖表，進行靈活變換。

（二）培養學生化學知識遷移能力

學以致用是學習的最終目標，運用所學解決實際化學問題離不開遷移能力的應用。因此，在教學中培養學生化學知識遷移能力成為重中之重。

1.整合知識、多維復述，變短時記憶為長時記憶。只有對腦海里的知識熟練掌握，才有可能遷移知識以解決問題。而對知識熟練掌握的前提是腦海里要有知識，因此要培養遷移能力需先讓學生化學知識記憶力過關。信息加工理論給出的啟示是，學生從環境習得的知識會被登記輸入到短時記憶中，但短時記憶的容量極為有限，如果不及時把知識輸入長時記憶，那么這些知識很快就會被新信息更替掉從而被學生遺忘。因此要想變短時記憶為長時記憶，最簡單的方式就是不斷重復。需要注意的是，如果只是機械重復，那么獲取的長時記憶很可能是零碎的、脫節的，這不利于學生的長期發展。因此可以采用思維導圖、價類圖等方式對信息進行編碼，將知識整合，形成板塊，并采用多維復述將短時記憶輸入長時記憶中。

2.舉一反三、多變多練，尋共性、覓差異。全國高考理綜化學部分雖日趨重視考查創新能力以及讀取和運用信息的能力，卻沒有太多偏題、難題和怪題。形式雖多變，但萬變不離其宗，化學知識點以及試題類型相對固定。因此教師應多梳理高考化學試題的命題偏好，讓學生多練典型的習題，加強題型之間的因果變換;也可以多讓學生進行題型變換訓練。例如，同一題目進行多種變式訓練或者反思能否嘗試多種解答。在這樣的訓練中尋共性、覓差異，進而謀求思路的多樣化發展，促進學生對化學知識的深度理解以及遷移應用。

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

【參考文獻】

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[2]趙志穎.基于信息加工理論的地理高考解題及教學策略[D].長沙：湖南師范大學，2018.

[3]張 攀，仲玉英.基于加涅信息加工學習理論框架下的小學英語課堂教學設計[J].現代教育科學，2010（5）.

【作者簡介】黎華瓊（1989— ）女，漢族，廣西北流人，中學二級教師，大學本科學歷，研究方向：化學教育與教學。盧 運（1992— ），男，漢族，廣西玉林人，廣西師范大學在讀研究生，研究方向化學學科教學。