真實情境中基于關系模型的高中化學推理類問題解決研究

陳 鍵 沈紹波

（1.福建省普通教育教學研究室，福建 福州 350000；2.福建省浦城第一中學，福建 浦城 353400）

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》強調命題要以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務。《中國高考評價體系》強調對關鍵能力（蘊含基于真實情境的問題解決能力）的考查。可見新課標和新高考都注重考查學生基于真實情境的問題解決能力，以引導一線教學扎實推進核心素養的落地。通過對《普通高中化學課程標準（2017 年版2020年修訂）》中核心素養水平劃分、學業質量水平劃分以及王磊教授提出的化學學科能力活動表現的分析，［1］發現推理類問題（例如運用理論模型解釋或推測物質的組成、結構、性質與變化）是真實情境中重要而常見的一類化學問題。其中，國內高中化學紙筆測試中，考查基于關系模型的演繹推理能力的化學問題居多。因此，課題組對真實情境中基于關系模型的高中化學推理類問題解決進行研究，以期建構該類問題解決的思維模型，并分析概括該類問題解決的關鍵障礙點，提出應對之策，以促進學生相關問題解決能力的提高，發展學生“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養。

一、關系模型的建構與表征

在科學教育中，模型的概念與心智模型扮演著越來越重要的角色，科學教師應主動深入地了解與研究模型與建模。［2］從問題研究或問題解決維度考慮，化學模型建構應為“揭示研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系”服務；［3］可見，關系模型的關鍵在于構成要素及其相互關系。基于這樣的理念，課題組從不同類型的高中化學內容主題（物質性質與轉化、物質結構與性質、反應變化與規律、實驗原理與方法）中，［4］建構了部分核心的“關系模型”并以關系圖的方式進行表征，文章以實驗室或工藝制備中“操作—目的”關系模型（見圖1，以下簡稱“操作—目的”關系模型）為例進行闡釋。“關系模型”圖中箭頭由源要素指向目標要素，代表源要素對目標要素起影響性或決定性作用。例如圖1 中，源要素與目標要素間就大量存在決定與被決定、影響與被影響等關系（例如溫度能影響反應速率）。此外，本研究所指“要素”并不局限于“實體概念”“物理量”，而包括各種“元素”，譬如圖1所示的“操作”與“目的”。這樣處理，是因為依據“要素”關系進行的推理，其在認知層面上的關聯操作并無本質的差別，拓寬“要素”所指，有利于將研究結果遷移應用到更為廣闊的情境中。

二、基于關系模型的推理類問解決思維模型的建構與分析

為了建構“基于關系模型的高中化學推理類問題解決思維模型”，課題組成員搜集并解決真實情境中蘊含各類關系模型的高中化學推理類問題，對問題解決的思維過程進行分析總結，進而提出相應子類型的問題解決思維模型。最終，綜合各子類問題的解決思維模型，在參考其他學者提出的“問題解決思維模型”的基礎上，［5］建構了“基于關系模型的高中化學推理類問題解決思維模型”（見圖2）。該類問題解決的第一階段為明確目標并調用相應的關系模型。第二階段為要素識別，即依據“關系模型”，提取真實問題情境中的有效信息，并將其與“關系模型”中的相關要素進行匹配。第三階段為要素關聯，即利用“關系模型”中各要素間的相互關系，推理出所求的目標要素，這樣的推理，在邏輯學上屬于連鎖三段論推理。［6］若最終能關聯到目標要素，則完成問題解決的任務；若不能關聯到目標要素，則需重新關聯其他中間要素，或者返回到前面的不同階段，重新進行問題表征并調用其他“關系模型”，重新識別其他有效要素。

下面以2020 年全國理綜Ⅰ卷第26 題“（6）‘沉釩’中析出NH4VO3晶體時，需要加入過量NH4Cl，其原因是_____”為例，對圖2 所示的“基于關系模型的高中化學推理類問題解決思維模型”進行舉例說明。本小題實質上是對“加入過量NH4Cl”的“目的”進行設問，首先可調用“操作－目的”關系模型進行要素識別，將真實情境中的“加入過量NH4Cl”與關系模型中的操作（加入物質）相關聯，然后聯系“操作—目的”關系模型，將“加入物質”與“溶解度”關聯（因為增大NH4+離子濃度，利用同離子效應，可減小NH4VO3的溶解度），再將“溶解度”與“多”關聯，即促進NH4VO3盡可能析出完全，獲得更多的產品。

三、基于關系模型的推理類問題解決的關鍵障礙點分析

借助“基于關系模型的高中化學推理類問題解決思維模型”，對學生解決這類問題中存在的障礙點進行分析，發現學生存在的主要問題為：“關系模型”障礙、要素識別障礙、要素關聯障礙。

（一）“關系模型”障礙

“關系模型”是解決“基于關系模型的推理類問題”的基礎與核心。不難理解，如果學生對“關系模型”本身掌握不到位，勢必會直接影響問題解決的質量。學生的“關系模型”障礙，主要表現為：長時記憶中沒有存儲相關的“關系模型”，或者其存儲的不完整，或者其存儲的不清晰導致提取困難。例如，在上述例題的解答中，學生會因為知識儲備中缺失“加入物質—同離子效應—溶解度”的關聯而導致解題失敗。又如，在2021 年全國理綜Ⅰ卷第27 題“（2）步驟Ⅰ中，需分批緩慢加KMnO4粉末并使用冰水浴，原因是_____”的解答中，學生解題失敗的原因之一在于“反應速率—安全”的關聯不牢固。需要強調的是，“關系模型”障礙，是學生中最常發生的一類障礙。

（二）要素識別障礙

所謂要素識別障礙，即在復雜的真實情境中，學生無法提取有效信息用于關聯“關系模型”中的有效要素。尤其是當真實情境的信息量大、復雜度高、關鍵信息隱蔽，或者存在強干擾信息時，要素識別的難度則會加劇。例如，學生經常忽略由于化學反應的熱效應而導致的反應體系的溫度變化，即無法識別“溫度”這一要素，進而無法基于溫度的變化作進一步的關聯推理。

（三）要素關聯障礙

所謂要素關聯障礙，是指問題解決者在長時記憶中已經存有“關系模型”，但當源要素可與同一個關系模型中多個要素關聯時，不知選擇和哪個關聯；或當源要素可與多個關系模型關聯時，不知選擇和哪個模型關聯。例如在圖1 所示關系模型中，溫度這一要素可同時和多個要素關聯，在具體問題情境中，有些學生會無法確定要將其和哪個要素關聯。

四、應對問題解決障礙的教學建議

通過上述分析，已經知道“基于關系模型的推理類問題解決”主要有三類障礙點。為了幫助學生更好地克服這三類障礙，在相關高中化學教學實踐中，應關注學生所建構的“關系模型”的質量以及“關系模型”的運用能力，從而提高學生解決真實情境中化學問題的能力。

（一）提升“關系模型”建構的質量

“關系模型”是一類抽象的教學內容，可運用類似“概念形成”的教學方式，讓學生在感知、了解“關系模型”的具體實例后，進行歸納總結，這符合由具體到抽象的認知規律。同時，應遵循建構主義的教學理念，讓學生體驗自主建構模型的全過程，而非教師替代學生完成“關系模型”的建構過程，直接呈現事先建構好的“關系模型”讓學生進行分析理解。從而增強學生學習的積極性和主動性，使“關系模型”更加鮮活深刻地存儲于學生的長時記憶中，真正加深學生對模型所涉科學現象與過程的理解。［7］此外，對于基礎和能力較弱的學生，可以設置有梯度的驅動任務，引導學生在完成分級任務的過程中實現模型建構。［8］在學生自主建構“關系模型”的過程中，教師應引導學生利用“關系圖”的方式來表征“關系模型”，從而促使內隱于大腦的信息外顯化，減輕認知負荷，增大記憶容量，提升“關系模型”記憶和理解的有效性。

“關系模型”的建構不是一蹴而就、一步到位的，而是一個循序漸進的過程，尤其對于復雜的“關系模型”更是如此。例如圖1 所示的“操作—目的”關系模型，學生可先初步建立其中最為核心部分的關系模型，再通過不同的真實問題情境，不斷增添其他要素及要素間的關聯，完成“關系模型”的學習進階。

“關系模型”的學習也應遵循“教學評一致性”的原則，在平時的課堂測驗及課后作業中，可安排檢測“關系模型”的測試題與練習題。可以真實情境中的問題呈現，也可以“關系模型”默寫、填空的形式呈現，這樣不僅能及時直觀地診斷學生“關系模型”建構的質量，也能強化“關系模型”在學生認知系統中可視化的整體表征。此處需要說明的是，“默寫、填空”意在指向理解基礎上的有意義記憶，而非指向機械記憶。

（二）提高運用“關系模型”解決真實情境問題的能力

“關系模型”的運用，體現于相關問題解決的全過程。針對“明確目標并調用相應的關系模型”階段，應變換問題情境，進行變式訓練，培育學生目標定位和模型調用的意識，提高學生快速精準調用切適的“關系模型”的能力。針對“要素識別”階段，引導學生根據問題解決需要和要素關鍵特征，排除陌生情境中無關干擾信息，提取有效信息以關聯“關系模型”的要素，促進“去情境化”能力的提升。［9］雖然以真實問題情境為載體訓練學生“要素識別”能力至關重要，但是傳統的“要素與實例”的關聯訓練，尤其是“概念與實例”的關聯訓練，也是必要的，這是“要素識別”能力形成的基石。

針對“要素關聯”，應幫助學生真正理解同一“關系模型”內各要素間的關聯，以及辨析同一要素與不同要素間關聯的異同，明確何時需要調用何種關聯，從而實現要素關聯的精準化。同時應培養學生的目標意識，參照最終目標進行要素關聯，以實現要素關聯的定向化。例如，在“操作—目的”關系模型的運用中，學生應始終對標最終目的——多快純、安環省（安全、環保、經濟）來思考各具體操作和條件控制的推理去向。至于不同“關系模型”間的關聯，可以結合具體實例，引導學生進行思維發散，通過共有要素，將不同的“關系模型”進行關聯。例如，在實驗室用硫酸亞鐵溶液制備硫酸鐵銨中，氧化亞鐵離子時，不宜一次性加入過多的過氧化氫溶液的緣由，除了從“副反應”和“反應放熱、平衡移動”的視角進行思考，還可拓展學生思路，從三價鐵離子可能水解出的氫氧化鐵膠體因反應放熱溫度升高而發生聚沉的視角進行分析。此處，“操作—目的”關系模型就是通過溫度這一要素和膠體聚沉的關系模型產生關聯。