从问题解决机制分析化学难题

摘要：从一个化学问题的解决机制出发，提出难题之所以产生的原因。

关键词：问题；解决机制；难题

文章编号：1005－6629(2008)05－0057－03中图分类号：G632.479 文献标识码：B

1 化学问题解决机制

在教育统计学中，一般把试题按其难度分为容易题、中档题和难题，其中难度系数值为0.4以下的试题我们称之为难题。

试题之所以变成难题，除了与如何理解设置试题的已知知识点有关外，还与一个人的认知过程有关。作为教师，不应只关心如何制造难题及给出难题答案，更重要的是应关心这些难题形成的原因及如何在教学中帮助学生解决难题。对于影响问题解决的认知因素，已经认知心理学家确认的分别是：工作记忆容量、对问题的编码、个人与问题相关知识的深度和整合度、从长时记忆提取相关信息、元认知过程[1][2]。

这些认知因素又是如何在化学问题解决过程中相互起作用的呢？对于这个问题，很多心理学研究者对此有各自的认识，他们在各自工作的基础上构造出各自不同有关问题解决机制的模型。一般认为学生的化学问题解决过程大致可以分为问题表征、原型匹配、反思结果及元认知监控等步骤(见左图)。

2 从化学问题解决机制看难题产生的原因

分析化学问题解决机制我们可以看出，一道试题之所以会变成难题，可能原因有以下几种情况：

2.1 问题难以表征

问题难以表征的原因除了学生的心理因素外，还可能是知识因素及信息难度因素等。

知识因素对问题的表征影响体现在两个方面，一是表现为能不能成功识别信息，二是能不能把识别出的信息转化成解题的有用信息。例如，在1997年全国化学竞赛初赛中有这样一个题目。

例1(1997年全国初赛第一题)：次磷酸H3PO2是一种强还原剂，将它加入CuSO4水溶液，加热到40℃～50℃，会析出一种红棕色的难溶物A。经鉴定：反应后的溶液是磷酸和硫酸的混合物；X射线衍射证实A是一种六方晶体，结构类同于纤维锌矿(ZnS)，组成稳定；A的主要化学性质如下：

①温度超过60℃，分解成金属铜和一种气体；

②在氯气中着火；

③与盐酸反应放出气体。

回答如下问题：(问题略)

对于“X射线衍射证实A是一种六方晶体，结构类同于纤维锌矿(ZnS)， 组成稳定”这句话，很多同学把注意点集中在“X射线衍射证实A是一种六方晶体”这句话中，从而产生“‘X射线衍射、六方晶体’我没有学过，也不知道信息怎么用”这种想法。当然，也有同学注意到了“结构类同于纤维锌矿(ZnS)”这句话，但由于缺乏相关知识，还是不能把这个信息成功转化成晶体A的阴阳离子之比为1∶1的解题关键点上。

信息难度的含义包含两个方面：一是指原始信息要转化成目标信息所经过的步骤，步骤越多，信息难度就越大。二是指信息量的多少，信息量越多，信息表现形式越复杂，对解题者驾驭信息的能力要求就越大，信息难度也就越高。这种多种信息集中的情形在化学竞赛中经常出现。

例2(1992年全国决赛第五题)：取2.5克KClO3粉末，置于冰水冷却的锥形瓶中，加入5.0克研细的I2，再注入3cm3水，在45分钟内不断振荡锥形瓶，并分批加入9cm3～10cm3浓HCl，直到I2完全消失为止(整个反应过程保持在40℃以下)。将锥形瓶置于冰水中冷却，得到橙黄色的晶体A。

将少量A置于室温下干燥的试管中，发现A有升华现象，用湿润的KI一定粉试纸在管口检测，发现试纸变蓝；接着把试管置于热水浴中，有黄绿色的气体生成，管内的固体逐渐变成红棕色液体。

将少量A分别和KI、Na2S2O3、H2S等溶液反应，均首先生成I2。

酸性的KMnO4可将A氧化，得到的反应产物是无色的溶液。

写出A的化学式；写出上述制备A的配平的化学方程式……

分析：A到底是什么？我们可以从下表中得到一些启示。

之所以提供这么多信息，其目的就是希望由这些信息得出A物质化学式应该为IClx型，然后通过数据计算就可获得X的数值。

2.2 没有原型

原型是什么？关于这个概念，认知心理学家安德森(J.R.Anderson)认为， 所谓原型是“关于范畴的最典型的样例的设想”，专家与新手问题解决能力的重要差别之一就在于此。对数学学科教学心理的有关研究表明，通过心理模拟方法可将专家或优秀学生的问题解决过程和心理历程外化或物质化成心智活动操作程序，即为问题解决原型[3]。一旦出现一道没有原型的试题，学生就会普遍感觉题目不好操作。

例3(改编自2000年全国初赛11题)：“可燃冰”是蕴藏在海底的甲烷在高压下形成的外观像冰的甲烷水合物的固体。已知每1立方米这种固体能释放出164立方米的甲烷气体(标准状况)。请发挥你的想象力和聪明才智，推算这种甲烷水合物固体的化学式。(提示：推算这种甲烷水合物固体的化学式还缺少什么数据？你认为所缺少的数据应取什么值较科学？)

此题的信息比较简单，但此题得分情况却不是特别理想。有一项实验调查发现[4]， 在做此题时，很多解决此问题失败的学生在“每1立方米这种固体能释放出164立方米的甲烷气体(标准状况)”这句话周围画有标志，经询问，被试者一般答曰“这是问题解决的关键信息，但不知如何运用”、“不知该如何理解”等，说明在没有一个原型能操作的情况下，对学生的解题要求会很高。

2.3 原型不能成功匹配

2006年浙江省高二化学竞赛省一级重点中学组试题有这样一道试题。

例4(27题)：将0.45gA完全燃烧后的产物依次通过盛有浓硫酸与澄清石灰水的洗气瓶，燃烧产物全部被吸收，两个洗气瓶依次增重0.57g与1.32g。已知A有六种可能结构，且每种结构均存在甲基。求A的化学式与其可能的六种结构。

这题是名副其实的难题，我校参加化学竞赛的同学无人做对，连写对分子式的同学也没有，更别说写结构式了。后来也有老师撰文说，此题整个衢州地区没有学生做对，大多数考生误认为本题数据出现问题而放弃解题，甚至以空白卷告终[5]。所以此题虽然为难题，但试题区分度基本为0，不是一个好题。

据赛后笔者对本校参赛同学的调查发现，很多同学在实际解题过程中，开始认为浓硫酸吸收的是水、澄清石灰水吸收的是二氧化碳，但随着解题过程的展开，发现0.57这个数据并不能整除18，所以开始怀疑浓硫酸吸收的除了水外，还可能吸收了氨气等物质，从而进一步怀疑这个有机物并非为烃！对照化学问题解决的机制模型我们可以看出，对于此题，学生不能解决问题的原因很可能在于原型匹配不成功后，在联结重组环节中很多人甚至怀疑自己选择的原型是否正确，从而不能顺利解决试题。所以，此题只要给学生一个提示，做对此题的同学就会大大增加。为了验证笔者的想法，笔者把对此题进行略微修改后在高三年级其中一个班级中进行了测试。

例5：已知A是从某星球采集来的物质，此星球的同位素分布比例与地球不同。为测试A结构，将0.45gA完全燃烧后的产物依次通过盛有浓硫酸与澄清石灰水的洗气瓶，燃烧产物全部被吸收，两个洗气瓶依次增重0.57g与1.32g。已知A有六种可能的结构，且每种结构均存在甲基。求A的化学式与其可能的六种结构。

笔者把班级中的48人随即等分为两组，第一组24人做例4(没有修改的试题)，第二组做例5(修改后的试题)。结果发现，第一组24人中无人做对，第二组24人中有8人做对，剩下的18人中也有12人成功写出了分子式，把此题结果与他们的平时成绩相对照，发现改过后的试题有良好的区分度。

3 化学问题解决机制对教学的启示

由上面的讨论我们不难看出，难题的成因可以来自于三个方面，但三个方面在教学上的效果却是是不一样的。对于没有原型的难题，学生在成功解决后，优秀的学生会产生新的原型；对于与原型不匹配的难题，它解决的结果是对旧原型的修正；而对于难以表征的难题，它的结果是帮助学生丰富知识点或形成良好的知识结构。所以，在一个教学单元的教学初期，我们应该多一些能帮助学生形成新的原型的试题，并要及时强化，这是因为要使一个新产生的原型成功进入一个人的长时记忆，必须要对这个新原型在适当时候进行强化训练。在教学后期，就应该出一些帮助学生能形成良好知识结构的试题，以使学生把现有的原型与已有的原型相联系。

例如，利用有机物燃烧测定简单有机物分子式是有机化学发展过程中的一个重要研究思路，也是化学试题中一类很重要的题材。在教学初期，我们教师一般多会给出此类试题的原型，并提供解决此类试题相应的步骤。

步骤1：根据浓硫酸增重的质量求出水的质量，从而求出有机物中氢原子的物质的量。

步骤2：根据碱石灰增重的质量求出二氧化碳的质量，从而求出有机物中碳原子的物质的量。

步骤3：有机物的质量减去氢原子和碳原子的质量就是氧原子的质量。

步骤4：根据步骤1、步骤2、步骤3求出有机物的最简式。

步骤5：结合试题中给出的有机物的式量，求出有机物的化学式。

在教学后期，我们应该提供给学生一些与原型试题不能成功匹配的试题，使学生能与以前的原型题加强有效联系，例4就能使学生与同位素试题相联系，除了例4外，笔者在此提供另一实例，以供同行参考。

例6：取3.40g只含羟基、不含其他官能团的液态饱和多元醇，置于5.00L的氧气中，经点燃，醇完全燃烧。反应后气体体积减少0.560L，将气体经CaO吸收，体积又减少2.8L(所有体积均在标况下测定)。求此醇的化学式。

解题思路：本题给出的数据是发生燃烧反应的醇的质量和三种情况下气体的体积，必须在正确理解题文给出信息的含义后，经过多步运算才能求得醇分子中各原子数之比。解题时需注意分析，醇和氧混合后燃烧反应的示意式为：醇+O2CO2+H2O，醇和H2O都呈液态。题文中反应后气体体积的减少，说明5.00L O2中除了用于生成CO2外，还有0.56L用于生成H2O；还需注意到生成的H2O中还有部分氧原子来自醇分子，所以不能根据0.56L O2来计算生成H2O的量。这一步若没有考虑到，则后面全盘皆错。试题给出的另一信息是“将气体经CaO吸收，体积又减少2.8L”，这就暗示了燃烧后生成的CO2体积(因H2O呈液态，其体积可以不予考虑)，据此可以算出CO2的物质的量：2.8L÷22.4L・mol-1=0.125mol。参加反应的O2的体积为：0.56L+2.8L=3.36L，质量为4.8g。根据质量守恒推出H2O的质量为2.7g，将3.4g醇质量去除碳元素、氢元素质量则为氧元素质量，求得醇中C、H、O原子个数比为5∶12∶4，该醇的最简式为C5H12O4，此式中H原子已经饱和，所以它本身就是分子式。

在解决此题过程中，学生除了应用到原型外，还需要以前的另一种很重要的解题思路――质量守恒，这样对提高学生思维敏捷性、灵活性都是很有帮助的。

参考文献：

[1]Jeanne Ellis Ormrod(彭运石等译).教育心理学[M].西安：陕西师范大学出版社，2006：311.

[2]王磊.科学学习与教学心理学基础[M].西安：陕西师范大学出版社，2002：116-118.

[3]王磊，岳波.“原型”在高中生化学问题解决活动中的作用研究[J].学科教育，2002，(5):6.

[4]何永红等.中学生化学问题表征现状及特点的实验研究[J].化学教学，2006，(8)：22-24.

[5]包朝龙.赏析一道值得玩味的化学竞赛题[J].化学教学，2007，(1):58-59.