用可視化圖像表征突破框圖推斷題難點

周昌林

摘要：從布魯納表征系統和發現學習等視角，系統研究了框圖推斷題的命題特點，結合一些例題，歸納出諸如關鍵物質特有的化學性質、連續反應以及兩種物質雙向轉化等典型的物質相互轉化的可視化圖像表征。利用可視化圖像表征，可以快速提取在框圖中涉及的物質間相互轉化的隱含線索，幫助解題者集中有效信息，明確推斷思路，達成思維最優化，形成完善的解題策略，有效突破框圖推斷題難點。發揮框圖推斷可視化圖像表征的教學功能，提升學生信息提取能力，并提出了相應的教學建議。

關鍵詞：框圖推斷題；物質轉化關系；可視化圖像；表征解題策略；信息提取能力

文章編號：1005–6629（2016）5–0082–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

可視化圖像表征是指應用圖像、圖表等視覺手段來表征知識的方式[1]。推斷題中的框圖是以常見元素單質及其化合物的轉化關系為線索而設計出來的。“框圖推斷題中的可視化圖像表征”，是典型化學物質通過化學反應實現的特定轉化關系，這些特定轉化關系視覺上形成可辨識的圖形特征。

框圖推斷題的解題難點，在于要能快速尋找出具體物質及其轉化關系，作為推斷的突破口。推斷的突破口，不但存在于顯見的文字表述中，還更多地存在或隱含于框圖本身。圖像表征能集中有效信息，明確解題思路，達成思維最優化[2]。聚焦典型的物質相互轉化的可視化圖像表征，能快速提取命題者在框圖中設計的物質相互轉化的隱含線索，形成完善的解題策略，有效突破框圖推斷題的難點。這也是受到布魯納認知發展、學科結構、發現學習等一系列教學主張的啟發。從化學信息學的角度看，利用框圖推斷題的教學功能，提升學生從圖形、圖像中提取信息的能力，是培養高中學生化學信息素養的有效途徑。

但是，目前對框圖推斷題命題特點的研究尚不夠深入，解題策略也不夠系統。例如，為做好元素及其化合物框圖推斷題的復習工作，有教師提出一些針對性的復習和應考建議[3]。也有教師對高考中的無機推斷題進行剖析[4]，還有教師針對有機框圖推斷題的解題方法進行了歸納[5]。以上提出的解題思路，都強調從題干文字描述出發，尋找特征物質、特征反應、特征條件、特征現象等為突破口，進行推斷、解題。雖然也有人提出從框圖本身挖掘一些條件作為分析推斷的依據，但未作深入探討[6]。以上提及的文章，都側重于框圖推斷題的解題和應試技巧研究，但沒有討論框圖推斷題的命題特點和教學功能，也沒有針對學業水平測試（必修科目）中的框圖推斷題進行系統研究。

因此，本研究探討用可視化圖像表征來突破框圖推斷題難點。應該說，研究框圖推斷中的典型的物質相互轉化的可視化圖像表征，比單純在題目文字中尋找有效信息，能更快、更好地突破框圖推斷題難點，形成完善的解題思路，也能更加充分地鍛煉學生信息提取能力。

1 可視化圖像表征是框圖推斷的重要突破口

1.1 剖析無機框圖題的題型特點

框圖推斷題是高中化學高考和學業水平測試的常見題型，近年來江蘇省高中化學學業水平測試（必修科目）試卷的第25題，都以框圖推斷形式命題。考題以常見元素單質及其化合物的轉化為線索，通常植入工業制備等陌生情境，通過框圖形式考查學生對相關元素及其化合物性質的了解程度和分析推理能力，以及對信息的獲取和應用能力[7]。

系統考察江蘇省高中化學學業水平測試（必修科目）中的無機框圖題，題型特點表現在題干由非可視化文字表述和可視化的物質相互轉化的框圖形式組成。這種類型的無機框圖題，有鮮明的化學學科結構特點。題目分三部分，第一部分用文字表述有關物質的存在、性質和用途等。第二部分用框圖形式，表達物質的轉化關系。第三部分要求學生作答三個或四個問題，書寫推斷出的物質的化學式或化學方程式。歷年來，該題型命題風格鮮明且比較穩定，題目難度以中檔為主，知識和能力考查層次豐富，有一定的區分度。

1.2 解析無機框圖題的命題思路

布魯納認為精熟認知客觀世界，依賴于三種表征系統，即動作表征、肖像表征和符號表征[8]。這三種表征系統，實質上也是三種信息加工系統。就框圖推斷題命題思路和考查功能而言，除了有傳統紙筆測驗局限，較難直接考查學生實驗操作技能（動作表征系統）以外，它能比較全面地考查學生肖像表征系統和符號表征系統的發展程度。肖像表征主要是以內在感官留下的心像，如圖片、文字或知覺影像，來代表外在世界，對應著試題的框圖部分和題干部分的文字表述；符號表征是通過抽象的符號來代表真實世界，對應著試題中的作答部分，學生要用恰當、規范的化學用語，如用化學式（或電子式、結構式等）表述有關物質的化學組成、結構，用化學方程式（或離子方程式）表達化學反應，用“單線橋”或“雙線橋”表達氧化還原反應電子轉移的本質。最高級的表征是符號表征，學生解題時能使用恰當、規范的化學用語，代表著學生較高的化學學科理解能力和思維表達能力。

1.3 物質相互轉化的可視化圖像表征是框圖推斷的重要突破口

對框圖推斷題的解決思路，總體上是“大膽假設、小心求證”。尋找突破口，是解決框圖推斷題的關鍵。教學實踐中，教師發現學生解題時，只注意在題干文字中尋找，諸如物質的特有性質、特殊實驗現象等，作為突破口。這是一種思維的局限，沒有全面調用表征系統的諸要素，如圖像表征。教師因此要做針對性教學，引導學生關注框圖本身，它表達了高中化學常見元素化合物的相互轉化關系，這也是框圖推斷題命題思路所決定的。其中一些相互轉化關系具有典型性或特殊性，在框圖中呈現出特定的可辨識的圖像表征。利用可視化的物質相互轉化的圖像表征，是突破框圖推斷難點的重要途徑。

2 對典型的可視化圖像表征的歸類分析

2.1 關鍵物質的特有化學性質

江蘇省高中化學學業水平測試考試說明中要求，通過對鈉、鋁、鐵、銅及其化合物之間轉化關系的認識和比較，體會學習元素化合物知識的一般方法。對元素單質及其化合物性質的認識，既要掌握一類物質的通性，也要把握一些物質特有的化學性質。如鋁元素形成的化合物——氧化鋁和氫氧化鋁，不同于一般的金屬元素化合物，是典型的兩性化合物，在測試中屢有考查。學生應在框圖中找出“既能與鹽酸反應，又能與NaOH溶液反應”的圖像表征，如圖1。

例如2007年江蘇省高中化學學業水平測試框圖推斷題（圖2）中的“C物質”，從圖中觀察到“既能與鹽酸反應，又能與NaOH溶液反應”，又是高溫條件下的鋁熱反應的產物，可推斷為Al2O3，作為解題的重要突破口。類似的還有2010年框圖推斷題中的“F物質”，如圖3所示。因此，突出如圖1所示的圖像表征，是推斷這類題目的關鍵突破口。

2.2 連續反應

高中化學中出現了許多連續變化關系，可將之概括為連續反應的圖像表征，如圖4。具體表現在金屬元素Na、Al，非金屬元素C、N、S等單質及其化合物的相互轉化關系上，例如鈉的重要化合物的連續反應，如圖5所示。

值得重視的是某些物質在控制反應條件（或O2用量），出現了連續氧化的圖像表征，在進行框圖推斷時，也是重要的突破口。圖6和圖7分別是氮、硫元素化合物連續氧化的圖像表征。

連續氧化的圖像表征在考題中屢次呈現。例如2011年框圖推斷題，題目文字已表述“B是能使帶火星的木條復燃的無色無味氣體”，即B物質是氧氣。從框圖（如圖8）中仔細觀察，可尋找出A物質被連續氧化，分別生成C和D的圖像表征。再如2012年框圖推斷題（如圖9），題目文字指出，B、D為組成元素相同的兩種無色液體，再加之框圖中有催化劑MnO2，可推出C物質是過氧化氫分解產生的氧氣。進而找出A物質被連續氧化，分別生成F和G的圖像表征。

2.3 兩種物質雙向轉化

高中化學中出現了較多的兩種物質如碳酸鈉和碳酸氫鈉、Fe2+和Fe3+等，可通過化學反應進行相互轉化，通常這類轉化不屬于可逆反應，在框圖中也不用可逆反應符號，而是用雙向箭頭，可將之概括為“兩種物質雙向轉化的圖像表征”。例如2010年框圖推斷題（如圖3）中的H和K物質，2013年框圖推斷題（如圖10）中的H和I物質，兩種物質轉化的實質，都是不同價態鐵的化合物之間的氧化還原反應。

2.4 特殊條件（高溫）下，兩種物質生成另外兩種物質

例如2007年框圖推斷題中（圖2）的A和B物質在高溫下反應，生成C和D物質；2010年框圖推斷題中（圖3）的A和B物質在高溫下反應，生成D和E物質。它們都呈現出特殊條件（高溫）下，兩種物質生成另外兩種物質的圖像表征，實際都考查了鋁熱反應，即

再如2012年框圖推斷題（如圖9），A和C物質在高溫下反應，生成E和F物質，結合A物質先被氧化、后被催化氧化，分別生成F和G的圖像表征，可推斷為A是含硫元素的化合物；再結合題中I溶液呈藍色等信息，進一步推斷金屬礦物A的化學組成為硫化銅或硫化亞銅。

3 關于物質相互轉化的圖像表征的教學建議

3.1 突出典型的圖像表征，歸納物質相互轉化關系

元素單質及其化合物的相互轉化關系是教材中對元素化合物知識進行歸納和整理的重要方法，例如，人教版教材對硫元素部分的歸納與整理如圖12所示；蘇教版教材的整理如圖13所示。

兩種教材不約而同從氧化還原反應角度突出了硫元素連續氧化的圖像表征，也從物質類別角度，反映了從非金屬單質到低價態氧化物，再到高價態氧化物和相應含氧酸（及其鹽類）的變化規律。這對認識其他非金屬元素（如C、N等）類似的相互轉化關系也有幫助。考試說明也指出，“通過對氯、氮、硫、硅等非金屬及其重要化合物的有關知識進行歸納與整理，體會學習元素化合物的一般方法”[9]，可見教材和考試說明的高度一致性。

教材還啟示我們，進一步將一種元素的單質和化合物，拓展到多種元素的單質和重要的化合物，再通過連線刻畫各種物質之間的相互轉化，形成多種元素化合物相互轉化關系的思維導圖。這有利于認識各種物質豐富的化學性質，也有利于形成知識網絡，并鍛煉學生聯想、發散思維能力，幫助學生形成的物質變化觀和物質普遍聯系的觀點。

3.2 歸納典型的物質相互轉化的圖像表征，深刻認識化學反應規律

高中化學中除了上文述及的、在學業水平測試中反復出現的圖像表征之外，還有一些典型的物質相互轉化的圖像表征。例如鐵、鋁元素單質和化合物，如圖14所示，呈現了特殊的“三角轉化”的圖像表征。表現在三種物質之間均有六個反應方向能實現相互轉化，其中“鐵三角”的轉化要尋找不同的氧化劑或還原劑，核心知識點為鐵元素具有可變化合價態。“鋁三角”的轉化通過與酸、堿等發生復分解反應的途徑實現，核心知識點為鋁元素的氧化物、氫氧化物是典型的兩性化合物。對強弱氧化劑（或還原劑）、強酸、弱酸（或強堿、弱堿）的選擇，以及反應物用量（少量、過量）等的討論，有益于學生認識相關的氧化還原反應、復分解反應等反應規律。

3.3 結合典型圖像表征，形成完善的框圖推斷題解題思路和方法

結合利用可視化的圖像表征，框圖推斷題解題思路可概括為“審→析→推→解”，如圖15所示。

分析題目時，按照從題干→問題→框圖的順序，注意題目中關鍵信息的獲取，既要捕捉題干文本中的信息，有時還要從問題中找到補充的信息。題干和問題部分以文字敘述顯現的突破口較難發現的時候，就要注意框圖中的典型圖像表征，并將確定的典型的物質相互轉化的圖像表征在框圖中標出。一旦找到了突破口，則要順藤摸瓜，大膽推斷（或猜測），或逆推或順展，問題將會迎刃而解。

3.4 發揮框圖推斷題的教學功能，培養高中學生化學信息素養

近年來化學結構的可視化（以圖形的方式對化學信息進行描述）是化學信息學最值得注意的成就之一[10]。框圖推斷題中的框圖或典型的物質相互轉化的圖像表征，也是用圖形的方式，對化學信息進行的一種描述。化學信息學要培養學生的信息意識和提高獲取信息的能力，發揮框圖推斷題的教學功能，能培養高中學生化學信息素養。

布魯納在“發現學習”教學主張中，也強調信息提取。他認為人類記憶的首要問題不是儲存，而是提取。因為學生在儲存信息的同時，必須能在沒有外來幫助的情況下提取信息。提取信息的關鍵在于如何組織信息，知道信息儲存在哪里和怎樣才能提取信息[11]。因此，發揮框圖推斷題的教學功能，提升學生信息提取能力，幫助學生從可視化的圖像表征，尋找框圖推斷題的突破口。這不僅有利于學生提升破解難題能力，在學業水平測試中取得好成績，而且培養了高中學生的科學素養，尤其是化學信息素養。

參考文獻：

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