化學問題解決的策略研究

摘要：探討了問題解決的機制，并結合實例提出了化學問題解決的類比策略、分解策略、逆推策略、探究策略、整體策略、模型策略、信息策略、反思策略。

關鍵詞：問題解決；策略；緘默知識

文章編號：1005－6629(2008)01－0005－06中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

提高化學問題解決能力是化學新課程的要求，更是我國基礎教育改革和發展的重要內容。化學知識的廣泛應用和化學教育的功能要求學生學會解決化學問題。

1化學問題解決的機制

現代心理學的研究表明，一個問題(problem)包括3個基本成分：（1）給定：一組已知的關于問題條件的描述，即問題的起始狀態。（2）目標： 關于構成問題結論的描述，即問題要求的答案或目標狀態。（3）障礙： 正確的解決方法不是顯而易見的，必須間接通過一定的思維活動才能找到答案，達到目標狀態。這樣，問題就是給定信息和目標之間有某些障礙需要被克服的刺激情境，問題解決就可以理解為克服問題的起始狀態和目標狀態之間的障礙，填補其間的空隙，使問題狀態轉變為目標狀態的過程。

解決任何問題，必需的信息（內容）和推導（過程）是非常重要的兩個因素。阿什莫等人（Ashmore， Frazer Casey）將化學問題解決過程分為4個階段：明確問題，選擇適當的信息，組合零散的信息，評價。成功地解決化學問題需要：（1）扎實的化學知識基礎； （2）問題解決的有關策略； （3）自信心這三個方面的有機結合。本文試圖結合案例研討化學問題解決的諸種方法和策略，以此對化學教學予啟迪。

2化學問題解決的策略

2.1類比策略

問題解決是以已有的知識經驗為基礎的，離開了相關的已有知識，問題解決則無法進行。即使我們通常所說的“新問題”，也不是完全與已有的知識經驗無關，只是相關的知識經驗存在于不同的圖式中，頭腦中沒有可以直接利用的問題解決原型，所以感到陌生。類比策略是指設法將新問題轉化為已有知識經驗中相似的問題（原型），通過比較在二者之間建立聯系，從而利用已有問題的解決方法來解決新問題的一種策略。它是一種常用的問題解決策略。利用類比策略的關鍵是找到新問題與原型之間的可類比點，也就是說二者要有一定的相似性，類比才可以發生。

［示例1］（浙江省競賽題）已知液體SO2和純水的導電性相近，實驗測得兩者的比電導分別為8×10-8 Ω -1·cm-1和6×10-8Ω-1·cm-1。試用簡要的文字和化學方程式給出解釋，為什么在液體SO2中，可用Cs2SO3去滴定SOCl2？

［案例分析］液體SO2的類比原型應是純水，但是兩者之間的聯系若即若離。因此只能類比推理采用逐步逼近的方法：

至此類比的結果與類比原型幾乎已脫胎換骨了，但是萬變不離其宗。此“宗”就是離子電荷的自身傳遞。由液體SO2和純水的自偶電離，我們就會很自然地聯想到其逆過程酸堿中和滴定。

新問題與原型之間的相似性有3種情況：問題情景之間的相似性、表面關系之間的相似性和深層關系之間的相似性。其中問題情景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原型，也就是它決定著能否在新舊問題之間產生類比。但是，它們只是進行類比的前提，如果僅以這種相似性為基礎來進行類比，往往會得到錯誤的結果。因為只有兩個問題在深層關系上具有相似性，才能保證類比的順利進行。

因此，利用類推策略首先需要對問題進行轉換，去粗取精，抓住其主要特征，忽略其無關或次要特征，以突破問題間表層關系，找出新舊問題在深層關系上的相似性，進行類比。研究表明，新手常以兩個問題的表面特征為基礎進行類比，而專家則能從隱含著的深層結構上的相似性出發來考慮問題的解決。可見，找到問題的深層關系的相似性是運用類比策略的關鍵。

2.2 分解策略

對于一些復雜的問題，往往難以直接找到問題解決的思路。分解策略是指按照一定的原則將問題分解為一系列相互聯系、具有一定層次結構的具體問題，即將問題的目標狀態分解為幾個次一級的子目標，盡量不要一次處理太多的信息，通過子目標的實現使問題獲得解決的一種策略。利用分解策略要注意的問題是，在分解之前，需要從問題的整體結構出發對問題進行分析，從全局上把握問題的起始狀態與目標狀態及其相互聯系，做到對問題的整體理解，然后對其進行分解，避免把問題割裂成沒有聯系的部分。在各個子目標都完成之后，需要對其進行歸納總結，使之完整合為一個整體，使復雜的問題得到最后解決。也就是說，一個完整的分解策略實際上要經歷一個綜合—分解—綜合的過程。

2.3 逆推策略

逆推策略，又稱逆向推理策略，是化學問題解決中常用的一種策略。有些化學問題，如果從起始狀態出發推至目標狀態往往很繁瑣，甚至難以解決。逆向推理就是逆向思維，反向思考，它是由于對問題不能進行整體表征，而采取的自下而上的推理活動。解題時從目標狀態出發，逐步向后逆推，同時激活與問題有關的各種化學知識，逐個“去偽存真”，一步步地縮小目標狀態與起始狀態之間的距離。

［示例3］（2006年江蘇高考題）……（4）請

（用反應流程圖表示，并注明反應條件）。

［案例分析］要合成目標生成物，可由產物進行逆推，直至搜尋到起始物。

要注意的是，在分析問題的時候利用逆推策略，在解決問題的時候，通常需要將逆推的思路反過來，即從已知條件開始組織解題過程。另外，有些問題單純的逆向推理也難以解決，這時將正向推理和逆向推理有機結合恰是一種不錯的策略，它能夠使問題解決更簡便快捷。

2.4 探究策略

對于一些難以利用已有知識直接推理獲得答案的問題，可以采用探究策略。探究策略是指通過對問題的分析，先提出對問題的假設，即對問題的一種推測性論斷和假定性解釋，然后設法收集能夠證實假設的證據，通過對收集到的證據進行抽象概括確定問題的答案，從而達到問題目標狀態的一種策略。在探究策略中收集證據的途徑有多種，例如設計實驗、查閱資料、實地調查等。以實驗為基礎是化學學科的重要特征，因此，設計并實施實驗是常用的獲取證據的方式。

［示例4］探究 Mg(OH)2 沉淀溶于NH4Cl溶液的原因

［探究結論］

溶解的原因是生成弱電解質（NH3·H2O）， 降低平衡體系中OH-濃度，促進平衡向沉淀方向移動。即假設合理。

利用探究策略相對需要較多的時間，但它能讓問題解決者經歷獲得結論的過程，學會解決問題的科學方法。另外，探究策略注重以證據為基礎，因此利用它所獲得的結論正確程度是較高的。

2.5 程序策略

化學問題解決，需通過一步一步的操作。按什么樣的步驟去操作，學習策略將指示出這種操作的步驟和順序。當學習者掌握了這種順序時，就可以減少許多因程序的不明或混亂而造成時間浪費和產生消極情緒。如果學習者已經具備一定數量的知識，但頭腦中各個知識太分散，就不能形成一定的知識結構。面對各種各樣大大小小的“信息孤島”如何進行整合，形成知識的有序性和連續性才是問題解決的正確途徑。

從同時性加工或繼時性加工理論出發，可得到解決問題的兩種基本形式：一是將問題中包含的多種信息（刺激）整合成特定的系列，把各種信息按一定方式組成線性順序排列，即：

二是將問題中包含的多種信息按照共同的特性彼此整合成特定的系列，這種形式（非線性順序）可表示成右圖。至于按何種形式進行解決問題，則要根據問題的特征和解決問題的要求進行。

在問題解決過程中，如何使這些知識內化為學習者有序的認知結構，再外化為解決問題的操作步驟和程序，這就需要學習者具備必備的程序策略。如果這些知識只是雜亂無章地堆積在頭腦中，那么，在解決上述問題時就無法提取儲存在頭腦中的知識并對其進行加工。程序策略提供了解決從認知結構中提取知識去解決問題時遇到的困難或障礙的方法。

［示例5］將銅、鐵、鋁三種金屬（按等質量混合）的混合物Wg加入三氯化鐵和鹽酸的混合液中，充分反應。若無固體剩余，則溶液中的陽離子一定有哪些離子？沒有的是什么離子？

［案例分析］解決具體問題思維過程圖解為：

在此問題解決的活動中，學生對知識的記憶不再是簡單的內容呈現，在遇到實際問題時能夠將內化的知識與問題的刺激相交融，對應用知識進行整理，使之在解決問題時提取更加有序，知識的呈現更加連續。思維由此而清晰明朗。

2.6 整體策略

對一個問題不急于從局部入手探求解題途徑，而是從整體出發作綜合分析，整體處理，可使思路明晰，計算簡捷。例如運用守恒法解題，就是利用物質變化過程中，某一特定的量固定不變（如質量守恒，元素或原子團的物質的量守恒，氧化還原反應中得失電子守恒，溶液中陽、陰離子的正負電荷守恒等）而進行化學計算的解題方法。這種方法的優點是基于宏觀的統攬全局的方式列式，不去探究某些細微末節，因而可簡化步驟，方便計算，快而準地得出答案，是較為簡捷的一種解題方法。

［示例6］已知NO2和NaOH溶液反應方程式為3NO2+2NaOH2NaNO2+NO+H2O；NO和NO2與NaOH溶液反應為NO+NO2+2NaOH2NaNO2+H2O。在盛a mol NO、b mol NO2和c mol O2的密閉容器中，加入V L某濃度的燒堿溶液后，容器中壓強幾乎為零，試求NaOH溶液的物質的量濃度。

［案例分析］解題過程中若按方程式分步求解，過程繁瑣且易出錯。從整個反應過程分析，反應完畢壓強為零，則NO、NO2和O2完全反應無剩余，最終產物為NaNO2，而NaNO2中氮元素來自NO2和NO共(a+b)mol，即NaNO2為(a+b)mol， 由Na元素守恒可得NaOH也為(a+b)mol， 則NaOH物質的量濃度為(a+b)/V mol/L。

化學計算中還有諸如關系式法、終態法、整體化學方程式法等都是整體思維方法的體現。

2.7 模型策略

以某種程度的類似再現另一個系統（原物）的系統，并且在認識過程中以它代替原物，以至對模型的研究能夠得到關于原物的信息，這種方法稱為模型策略。模型策略是為了探索未知的“原型”，依據其表現出來的某些特性，在思維中去設計一種在理論預料中能夠產生相似特性的“模型”，再在實踐的考驗中區分真偽或修正其錯誤，使其逐步提高與現實“原型”的近似程度。這種方法中的“模型”是思維訓練的“模型”。

［示例7］試寫出Mg3N2、 NH2Cl、 PCl3、 SiCl4、IBr、 C2H5SNa、 NaNH2、 MgC2、 NH4H、 CH3COCl、CO(NH2)2、 (CH3CO)2O等物質與水反應的化學方程式。

［案例分析］根據教科書有關物質水解反應的方程式：

2.8 推理策略

推理策略是指在前后相隨的一些現象中，通過某些現象的相變關系，諸如同時出現、同時不出現或同時成比例地發生變化等事實，歸納出現象間的因果關系。這種策略在化學問題解決中經常運用。

［示例8］下列兩種方法，哪一種得到的懸濁液易于溶解成清液，為什么？

（1）在盛0.1mol·L-1 10 mL CuSO4溶液的試管中滴加0.2mol·L-1 10mL NaOH溶液，然后加入2 mol·L-1的氨水溶解之。

（2）在盛0.1mol·L-1 10 mL CuSO4溶液的試管中滴加0.2 mol·L-1 10mL NH3·H2O，然后加入2 mol·L-1氨水溶解之。

設計一個實驗方案驗證上述觀點的可靠性。

［案例分析］假設某種現象在(a，b，x)之下出現，在（a，b）之下不出現，根據存異方法，我們可以歸納出結論：x是這種現象的原因。

2.9 信息策略

國際化學奧林匹克（IChO）培訓大綱中將信息加工列為首項能力并定義信息為“對文字、圖形、直接和間接獲得的各種感性和理性認識”，而加工的涵義更廣，包括信息的尋找、選擇、整理、儲存、重組、應用、預測、評價等。普通高校招生化學科考試（MCE）也注重考查學生對化學知識（特別是接受新信息）的自學能力和對化學問題分析綜合、抽象概括、比較判斷、遷移推理的思維能力。可見，信息加工與化學問題的解決已融合、交織于一體。

（1）信息簡約策略

對某些信息密集的化學問題而言，文字敘述往往顯得繁雜，特別是其中一些無關信息的干擾與設陷，學生難以準確把握問題之關鍵或誤入歧途。因此，一種值得推薦的策略是：面對復雜問題，首先要大刀闊斧地削去可能屏蔽思維的一些枝節內容，從而在認知結構中清晰地呈現出問題的主干，使復雜的表述簡明化，明確問題的始態（已知條件）、終點（待求結論）和節點（可能遇到的障礙）。

（2）信息引申策略

化學問題的難易并不取決于題述文字的多少，而在于隱意的深淺和思路的曲直。雖然，多次解決相類同的問題可以發展對該類問題的解決能力，但具體涉及某一問題，尤其是開放題，方法和規則并非萬能，當指向解題目標的特征信息凝聚個別字詞或題意之外，則需結合具體問題逐字挖掘有用信息，經多角度思考分析后作合理推想，力求上下兼顧，前后呼應，逐級引申、反復論證，直至問題的釋獲。信息引申是一項艱難的工作，沒有固定的程式可循，因而是對學生知識和能力的綜合考驗。

［示例9］為什么鎂帶燃燒發出耀眼的白光，并有明顯的火焰產生，而鐵在氧氣中燃燒是火星四射而不會有火焰？鎂在空氣中燃燒的最終產物為什么是MgO，而難見到有黃綠色的Mg3N2生成？

［案例分析］上述問題是對金屬燃燒現象的本質的探究，是化學知識聯系實際的一個典型實例，是教學中挖掘教學內容的思維性的一個典例。對題述事實，大多數學生熟悉與此有關的化學背景，然而從題意本身卻無從尋找可直接類比的知識或方法作為支撐，因而問題的難度陡增。事實上，從“關鍵詞”入手揭示隱含的信息，引申題意，即可迅速改變“疑無路”的局面。以下給出指向問題解決的一系列引申：

空氣中存在著大量的氧氣和氮氣，而鎂既能在氧氣中燃燒，又能在氮氣中燃燒。

Mg3N2是黃綠色粉末或塊狀固體，它在800℃時可分解成鎂和氮氣，鎂燃燒的火焰溫度高于800℃，那么即便有Mg3N2生成，生成的Mg3N2也會分解，即燃燒的最終產物是MgO。

火焰是氣體燃燒的現象，由鎂燃燒有火焰可知，鎂在燃燒的過程中一定產生了鎂蒸氣，可見鎂的沸點不會太高，經查鎂的熔點為651℃，沸點為1107℃，鐵在氧氣中反應放出的熱量不能達到鐵的沸點，故鐵在氧氣中的反應現象是火星四射而不會有火焰。

（3）信息轉換策略

化學現象千變萬化，從中產生的問題也各式各樣，許多截然不同的問題有時可用相同的形式表述，而同一問題時常又以不同的形式呈現。因此，當面臨的化學問題信息生疏、概念模糊時，可嘗試用自己熟悉的方式（語言、模型、圖示、情境等）去描述，一次不行，再換一次，不斷調整方向和層次，直至問題的輪廓和關鍵清晰為止，這就是將一個陌生問題變成一個熟悉的問題，將一個未知變量置換成較易認識的另一個變量，將一個復雜的實際問題簡化成一個典型的化學模型。

總之，信息轉換策略是一種將待解的問題經過某種轉化，歸結到一類已經認識或較易解決的問題情境中，從而求得原問題之解的思想方法。

［示例10］工業上常用金屬鈉與氯化鉀在熔融時反應制取金屬鉀：

Na+KClNaCl+K

請你根據下表分析，上述反應最適宜的溫度(t)范圍是_____。

［案例分析］解決上述問題，可由結果（目標）追溯原因的方式對信息作逆反置換。

適宜溫度范圍確定反應發生的條件為什么上述反應能制取金屬鉀

任何反應都有一定程度的可逆性怎樣使上述平衡向右進行化學平衡向右移動條件

減小生成物濃度讓鉀以蒸氣形式從熔融液中逸出什么溫度下鉀呈氣態而鈉不呈氣態

溫度為774℃

顯然，經上述一系列轉換，將一個復雜的化學問題演變成若干個相對簡單的命題，最后一步又是輕易可得的推論，由此足見轉換策略具有化繁為簡、化難為易之特殊功效。

值得指出的是，沒有化學原理、方法和模型的支持和活用，從未知向已知領域轉化是難以實現的。同一問題可能有多種置換途徑，何者最優，應從思路的復雜性、解題者的適應性和解題所需時間等多方面綜合考慮。

2.10 反思策略

反思策略是指問題解決者適時對問題解決過程及其結果進行批判性思考和評價的策略。反思是實現自我監控的主要方式。反思策略是一個包容度較大的概念，它包含對問題所指的目標、題給信息的隱顯和因果關系的合理性、解決問題過程的清晰性和可靠性、解題思路的簡捷性和最優化、解決問題的方法、策略及適用范圍等多方面的評價，其中尤以思路評價最為艱難。

［示例11］甲、乙兩個電解池均以Pt為電極，且互相串聯，甲池盛有AgNO3溶液，乙池盛有一定量的某鹽溶液。通電一段時間后，測得甲池中負極質量增加2.16g，乙池中電極上析出0.24g金屬，則乙池中溶質可能是（）。

A.CuSO4B.Mg(NO3)2

C.Al(NO3)3 D.Na2SO4

［案例分析］測試結果表明，有62.4%的學生按下述思路而錯選答案B。

甲池陰極電極反應為：

反思：不少學生由于過分自信，加之形成思路的過程中“思維暢通”，上述推理、演算順理成章，得到的答案恰好“吻合”，很少有學生對此答案有懷疑，因而不再深入評價答案的合理性和可靠性。對問題的隱含信息（選項的特點）的分析與評價是解題的突破口：在給定的B、C、D三個選項中，因溶液中離子得電子能力為H+＞Al3+＞Mg2+>Na+，故電解Al3+、Mg2+、Na+的水溶液時，不可能在陰極上析出金屬單質。本題無需計算，答案應為A。

在反思之后，學生可以采用寫反思日記的形式使反思結果內化到自己已有的認知結構中，即以日記的形式總結、記錄自己在反思過程中的感受、收獲和經驗教訓，使自己的反思過程具體化。經過一段時間以后，對自己的反思日記進行總結整理，概括提煉出解決某一類問題應注意或遵循的規律、方法，使反思結果轉化成能夠為以后學習所利用的資源。

參考文獻：

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”