问题解决为驱动的实验教学分析与实践

【摘要】本文主要以问题解决为任务驱动。以实验教学问题解决的机理、心理机制研究为指导，对实验课问题解决教学进行分析，并列出教学实践1例。

【关键词】实验课；任务驱动；问题解决

1 实验课教学现状

从以往实验教学看，教师的教学是将成功的问题解决过程有序地讲授，掩饰了学生问题的存在性，不利于促进学生问题解决认识和策略，应用水平的提高和发展，笔者在实验教学中进行了两种教学方法的对比，以物理化学实验教学为例，第一种是传统的教学方法，分别讲授实验原理，仪器和药品，仪器配套安装，操作步骤。学生能较顺利的完成实验，但学生对实验为什么这样设计缺乏主动思考或不思考，在实验过程中处理问题的能力较差。第二种方法是给出实验的初始状态和目标状态，设备，仪器，药品，要求设计实验方案并写出思考过程、实施方案，表现出来的问题有：1）找不到切入点，即任务的范围；2）难以确定问题解决策略，不能对问题很好解析；3）在实验方案设计方面，知识综合应用能力有待提高；4）在实施实验方案方面，基本技能训练不够，理论和实践脱节，理论不能指导操作。

2 构思与理论

从心理学认知理论考虑实验可以认为是问题解决心理外显，本文主要根据心理学问题解决认知理论，化学学科及化学实验问题解决心理机制研究成果分析目前化学实验课现状，找出影响学生实验问题解决因素，指导教学。

问题解决是一种高级智力活动过程，已有的研究表明，问题解决的心理历程可分为认知问题、表征问题、联想与匹配、反思结果4个环节。影响4个环节的因素有主观因素和客观因素，主观因素是根本因素，主要包括知识总量、知识储存方式、思维策略3个方面。

问题解决的信息加工理论认为问题解决就是搜索问题空间，寻找一条从问题的初始状态通向目标状态的通路或应用操作（问题解决者把一种问题状态转变成另一种问题状态的认知活动）使问题的初始状态逐步过度到目标状态。问题解决过程可以分为问题表征，选择操作，实施操作和评价当前状态四个阶段。

心智技能是问题解决的重要调节机制，并把心智技能的形成概括为原形定向，原形操作，原形内化三个阶段，心智技能的训练与形成过程就是学科问题解决能力形成过程。

关于一般学生实验问题解决的心理机制研究表明学生实验问题解决过程分为三个相互联系的环节：审题活动，解析活动，实际解题活动。相应的实验课程基础知识，问题类型知识和有关的策略性知识在问题解决活动中发挥定向调节作用，各活动环节相对应的高级心智技能（自动化的程序性知识）对问题解决起执行调节作用，利用活动分析法和心理模拟方法在以上基础上对所做课程实验问题解决的心理机制研究表明它由五个环节构成，问题表征、问题解析、实验方案设计、实施实验方案、检验、反思与调整。问题解析、实验方案设计、实施实验方案是中心环节，检验、反思与调整决定问题解决的质量与速度，其中原型匹配是代表一类具体实验问题解决的基本模式。

3 教学分析及策略

以上述相关理论和研究为基础分析目前我们的实验课现状认为影响化学实验问题解决的主要主观因素有：（1）学生所掌握的相关化学基础知识，属于陈述性知识，这类知识通过记忆可以获得，用来回答事物是什么、为什么及怎么样的问题，可以用来区别和辨别事物，所以这类知识在问题解决过程多用来加工问题表征，问题表征是将任务范围转化为问题空间即是人对问题内部的表征，其中包括，初始状态、中间状态和目标状态。（2）问题解决的能力和策略，反映的是学生程序性知识和策略性知识，这类知识只能借助某种作业形式简接地推测其存在的知识，主要用来解决做什么和怎么做的问题，其实质是一套办事的操作步骤和过程，本质是由概念和规则构成。策略性知识是关于如何学习和思维的知识，是关于如何使用陈述性知识和程序性知识去学习、记忆、解决问题的一般方法，主要用来调节自己的心智加工活动。（3）学生头脑中储存的各类实验问题解决的原型即基本类型，原型类型多少决定问题解决过程中原型匹配的机会即问题解决的能力。

从这三个主要主观因素及功能分析将目前我们实验教学中，学生存在的问题解决障碍可归纳为：（1）不能很好地进行问题表征，难以准确地确定实验问题的类型与任务实质，反映学生相关课程理论知识不够或不够清晰；（2）问题解析有困难，难以确定问题解决策略，反映学生程序性知识和策略性知识不够；（3）为知识综合应用能力差。

对以上实验教学中学生存在的问题，在教学实践中分别采用对应策略：（1）预先给出实验问题情景、指出相关参考书或给予一定的提示，让学生明确任务范围和实现对问题的内部表征和理解；（2）采用启发式问题解决策略的手段一目标分析策略指导学生找出问题初始状态与目标状态的差距，由此出发将目标状态分成若干子目标（如果问题较复杂子目标下再设二级子目标）每个子目标都能找到一个原型匹配；（3）指导学生综合思考各子目标原型或操作步骤找出合理的实验路径，完成实验方案设计；（4）在方案实施过程中让学生注意经验的积累，加强操纵技能的训练。

4 教学案例

实验课程：物理化学

问题情景：

1）问题：测定蔗糖在酸性介质中的水解速度常数κ

2）仪器及设备：旋光仪、蔗糖、盐酸等

学生信息反馈：不知到从何如手，难以确定思维方向

教师教学：分析学生反馈信息，学生问题解决障碍为问题的表征和实验策略即问题解析。

（1）问题表征：反应平衡常数属于化学反应动力学内容，实验任务范围应该为化学动力学实验

（2）问题解析，问题解决策略：①认识问题情境，测定酸性介质中的水解速度常数，可用仪器旋光仪。水解速度常数可以用化学和物理的方法测得。旋光计能测取旋光物质的旋光系数α，故用物理方法测取κ。（原型匹配）②确定正确的操作序列，用启发式问题解决策略的手段_目标分析策略作操作序列选择。水解速度常数κ与蔗糖水解的链接点是动力学方程即蔗糖水解的化学反应速率方程，由此第一步操作是写出蔗糖水解的化学反应速率方程，水解速率常数κ在方程中为常数，变量是反应物蔗糖的浓度，蔗糖的浓度随水解的进行不断变化，蔗糖是旋光物质，不同浓度旋光物质有不同的α，故可以用水解反应系统的旋光系数。来表示反应物蔗糖的浓度，使水解速率变为α的函数，这即是第二步操作。因为κ是常数，设想能设一个中间变量u并且是n函数，将蔗糖水解的化学反应速率方程变形为以κ为斜率，时间t为自变量，u为函数的直线方程，通过测定不同水解时间t的α，作t―u图，就可求κ值。这为操作三。

（3）策略（操作序列）执行：这一步是保证策略顺利执行的关键性知识的原型匹配和关键识的正确应用。

写出蔗糖水溶液在酸性介质中的水解反应式

学生反馈信息：按反应，其反应动力学方程是二次方程，认为难以实现策略。

教师教学：关键知识的原型匹配和正确应用。

积分得：

实验方案设计及实施：本实验在问题解决认知后，学生能较好完成实验方案设计，在实施方案时不会使用旋光仪，教师指导。

5 综述

成功的问题解决要应用有效的问题解决策略，其关键取决于正确的问题表征、问题分析策略和思维策略，同时也与理论知识的掌握程度及其综合应用能力相关。实验课程的策略性知识和程序性知识的缺乏是问题解决的主要障碍，关于这两方面知识的加强有待学生和教师双方共同努力，学生和教师分别朝着这两方面不断改进学习方法和教学方法，对实现学生问题解决能力的提高将会有很好的效果。

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