问题解决研究对化学教学的启示

摘要：通过对问题解决的认知心理加工过程分析，探讨了问题表征，知识迁移对问题解决的影响，并对化学课堂教学如何提高学生解决问题的能力提出了一些建议。

关键词： 问题解决；表征；迁移；化学教学

文章编号：1005－6629(2007)01－0017－03中图分类号：G633.8 文献标识码：B

我们在日常生活中都会面临各种各样的问题。学生面对的主要问题是怎样完成教师布置的作业和一个又一个关乎自己前程的考试。如何帮助学生完成学业顺利通过筛选性考试进入高等院校是中学教师义不容辞的职责和义务。作为教师如果对学生问题解决中的认知心理信息加工过程的这个“黑匣子”不甚了解，那么教师对学生实施教学和指导的效果就不可能达到最佳化，甚至可能是纸上谈兵而让学生无所适从。

1 问题解决的认知心理加工过程分析

问题解决起始于一个问题的表述。问题解决者（学生）根据自己长时记忆中的知识对问题表述做出推理并和自己过去的解题经验相结合建构问题的表征。问题表征即通常所说的审题，是一种信息的编码方式，是问题解决者在面临问题时对该问题的有关特征进行编码加工而构建的内部表象。依据这个表征，学生的信息加工系统开始搜索解决问题的途径。心理学家纽厄尔和西蒙认为问题的表征可以提供问题解决者心理活动的很多信息，而且对问题解决行为复杂性产生有力的影响。换句话说，问题表征的方式和质量将直接影响到问题解决的效率以及成功与否。表征不充分或者一个错误的表征会把学生思维引向完全错误的方向。当学生搜索不到可以直接解决问题的技能和方法时就不得不求助于通用问题解决策略之类一般性知识的迁移。如果学生搜索到过去解决类似问题所用的技能和方法并应用于当前的问题情境，这就产生了特殊知识的迁移（以下皆指此类迁移）。

问题表征可分为初步表征和深层表征两个层次。在初步表征阶段，问题解决者首先要确定初始状态和目标状态，即明确问题情景中有哪些可加以利用的信息资源（条件），以及需要达到什么目的。此外，问题解决者还要回忆起相关的概念和情境知识。在校学生面临的问题多数是界定良好、定义明确的问题，因此不同学生对问题的初步表征不会有太大的差异。问题表征的差异主要体现在学生对问题的深层表征阶段。这时，他们要对下列部分或全部过程进行心理加工：1、将新信息转换成所熟悉的信息；2、对已有信息作推理以挖掘隐含的信息；3、注意到各信息之间的制约关系；4、能否识别有效信息和无效信息；5、是否寻找到问题表面特征与抽象原理的联系。

问题1. 现有Fe，FeO，Fe2O3的混合物粉末3.44克，向其中加入100 ml 1 mol/L盐酸，恰好完全溶解，标准状况下收集到气体22.4 ml。向反应后的溶液里加入KSCN，溶液不变色，则混合粉末在高温下用足量CO处理后，残留固体为多少克？

问题1的深层表征分析如下：1)信息推理：反应后的溶液里加入KSCN，溶液不变色说明溶液中无Fe3+，溶液中溶质为FeCl2；2)表征问题的抽象结构：残留固体Fe的质量即是溶质FeCl2中Fe元素的质量，而由盐酸物质的量可以计算FeCl2物质的量，这是典型的质量守恒原理的应用。3)识别收集到标准状况下气体22.4 ml题给条件为无效信息。能否得到上述深层表征可以说是问题1是否被解决的关键。如何能让学生对问题作更精细的表征，从而更好地把握问题的抽象结构，为问题解决奠定前进的基石呢？过去的几十年中，认知心理学家逐渐认识到储存在长时记忆中知识的组织方式是把握问题的实质且高效地解决问题的一个主要因素。

人们的知识并不是杂乱无章地储存于大脑，而是一个彼此联系、按层次组织起来的的知识网络。具体知识成份之间的有些连接较强，有些连接则较弱。也就是说，有些知识之间很容易联想到对方，而有些知识不易联想到对方。当我们知觉某个知识点时，首先激活与之联系最紧密的知识，其次激活与之联系较远的知识，这就是“激活扩散”。问题表征可以看成是知识网络的一种激活模式。如果一个表征不恰当，就会导致知识网络中的一些联系被暂时性加强，而另一些联系被削弱，从而阻碍正确的表征。认知心理学家的研究还发现人们的知识网络不仅由知识点连接而成，还存在各种各样的知识模块，即图式。图式是由不同种类的知识归纳和概括而来，是从日常经验中提取出来的，并且具有不同的抽象水平。表1是一个质量守恒原理应用的图

表1 质量守恒原理应用图式

式示例。当对问题的表征所激活的知识点达到足够多时，这些知识点所处部位的组织要素－图式将被激活。而图式一旦被激活，就可能引导问题解决者以特定的方式搜索和推理出当前呈现的信息中一些未知的情况，并且指出适当的问题解决程序。

学生如果运用以往的知识成功解决新的问题，则称为正迁移。反之，先前的学习影响了新问题的解决，则称为负迁移。思维定势就是负迁移的一个例证。当然，教师是以促进学生正迁移为己任。那么，知识的迁移又是怎样发生的呢？有关迁移理论的研究已经证实，对问题（靶问题）的表征使得问题解决者回忆起以往解决类似问题（源问题）的知识和经验、并用于解决当前的问题情境，才能产生迁移。靶问题和源问题之间的相似性有三种不同抽象水平的类型：表面相似性、关系相似性和结构相似性。表2列出了问题2（源问题）和问题3（靶问题）之间三种不同抽象水平的相似性比较。从表中可以看出：如果学生只提取到两个问题的表面相似性，通常说明这个学生对靶问题的表征是支离破碎和不完整的。他提取到的表面相似性过于具体，常常包含大量详细、很可能没有必要的信息（如问题表述中都有(亚)硫酸盐、混合物），而且不容易转换。这种问题间的表面匹配无法对靶问题情境进行精细的推理，从而不能引导对靶问题的解决。虽然通过源问题与靶问题的关系相似可以知道靶问题能够用解决源问题相似的方法（都是一类已知混合物中一个元素的质量分数来求另一个元素的质量分数问题）解决，但混合物由三种元素组成，现在只知其中一种元素的质量分数，学生搜索不到解决问题的具体途径因而对问题3仍然无从下手。关系相似性过于宽泛，因此不具有可操作性。结构相似是中等抽象水平的概括，是以问题解决程序或者方法而不是以问题的表面特征为基础的分类，因而可以很好地将解决源问题的知识和经验顺利迁移到靶问题解决当中。如果学生能分析出问题2和问题3都是根据各物质具有相同的元素组成，分析各元素原子个数比来求解元素质量分数问题，则不难得到问题3的解题思路：Na2SO4与Na2SO3不论以怎样的比例混合，Na原子和S原子的个数比皆为2:1；既然氧元素的质量分数为a，则混合物中“Na2S”质量分数为1-a；最后根据Na元素与S元素质量比求得钠元素的质量分数为(1-a)(2×23/(2×23+32)。问题的表面相似通常暗示了它们背后需要挖掘的本质，问题的关系相似对于借助源问题解决靶问题有一定的启发性；鼓励学生对问题的表面相似进行概括和归纳、对关系相似进行细化和精致就可能转化为结构相似，从而使学生能在新的问题情境中顺利地将问题解决。

问题2. 在硫酸铁和硫酸亚铁的混合物中, 如果硫元素的质量分数为a%, 则铁元素的质量分数为（）

A. 1.31a%B. 2.25a%

C. (100-3a)%D. (100-4a)%

问题3. Na2SO4，Na2SO3混合物中，氧元素的质量分数为a，求钠元素的质量分数？

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文

表2 问题2和问题3之间的相似性比较

2教学的启示

由以上分析可以得知，问题解决的关键在于能否提取到解决结构相似源问题的知识和相关经验。那么，什么样的知识容易产生迁移并应用到新的问题情境当中呢？认知心理学家认为中等抽象水平的知识具有广泛的提取线索，因而更容易实现迁移。如前所述，图式知识是从获得知识的最初背景中抽象出来，因而也就能迁移到各种相似的情境之中。教师要求学生“理解”知识就是要求学生能将学习的知识进行迁移。只有当学生不仅认识到所学知识的表面特征，还能够认识到所学知识的深层结构特征，并与更早习得的知识联系起来以及能应用到新的问题情境中，这才是真正的“理解”。

在教学上可以采取以下措施促进学生理解和迁移。1、运用图形、表格、数字、动画等形象的信息表征方式促进对知识的理解和记忆。2、促进知识的组织和概括。为了加强知识的纵向联系，教学可遵循由整体到细节，由一般到具体不断分化的原则；为了加强知识的横向联系，教师可以鼓励学生经常对学过的知识进行精炼和组织（如比较、归纳、总结等）以达到融会贯通的目的；为了促进图式的形成，教师应该让学生同时或相继考察在无关特征方面广为不同的正例，以便形成正确的图式；为了促进图式的改进和细致，教师可以通过正反例的比较进一步深化对图式变量及其属性的了解；此外，教师还可以提供各种变式练习甚至创设图式误用的冲突情境，以帮助学生确认图式变量之间约束关系、帮助学生用已有的图式结构去同化新的信息，使之能应用和迁移到更多的问题情境中；为实现迁移，教学中还应多鼓励学生自己去总结抽象的原理来揭示知识间内在的联系，提高经验的概括性。3、运用类比教学。比如可以用同时进水和出水的水箱模型来类比化学平衡的动态特性；在例题教学时同时提供中等抽象水平的解释可以帮助学生明确怎样调整例题以适应不同的情境；在教授概念、原理等基础知识的同时，同时配有典型的正例和反例，阐明概念、原理适用的条件以及如何将它们应用到特定的问题中，则对迁移和问题解决大有裨益；鼓励学生生成自己的类比，这种“获取意义的努力”或者说在更深一层水平上对源和靶的信息进行编码，增进了学生对知识的理解，自然也就促进了知识的可迁移性。4、尽可能运用发现教学法。发现教学法主要通过给学生呈现各种信息材料和问题情境，教师只给与适当的指导，让学生独立发现隐藏其后的概念、规则、原理、问题解决方法及步骤。这样做不仅能提高学生学习内在的满足感，更主要的是促进学生在学习过程中选择、组织与整合信息，进行主动的认知加工，获得“渔”之本领，也即获得问题解决之技能。

参考文献：

[1]吴庆麟.认知教学心理学[M]，上海：上海科学技术出版社，2000：139-147.

[2]张奇 译.问题解决心理学[M]，北京：中国轻工业出版社，2004：125-155.

注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文