“结构不良问题”：中学理科教材不应忽视的问题构造取向

杨承印，杨 宝，杨 帆

（1.陕西师范大学 化学化工学院，陕西 西安 710062；2.德克萨斯A&M大学 化学系，美国 德克萨斯州 77840）

人类科学探究活动始于问题，科学探究的教与学同样离不开对问题的追思。在理科教材中设置问题情境是建构科学探究活动的肇始。而情境中的“问题”设置如果要适应教材内容的整体逻辑，则该“问题”必然会被改造，心理学上把这种“问题”称作是结构良好问题，如果“问题”没有被改造，取自原生态，则把这种“问题”称作是结构不良问题。作为科学教材编制，不能剑走偏锋，仅仅设置结构良好问题，这样必然会造成教育与现实脱节，但是如果纯粹设置结构不良问题，教学内容的逻辑性必然缺失［1］。如果从便教利学角度来考虑，教材编制要遵从知识逻辑顺序、学生认知顺序和心理发展顺序，如何在这些关系中抉择，既是课程编制者思考的问题，也是科学教师进行教学设计时无法逾越的问题。

笔者认为将结构不良问题与理科教材编制进行融合，来呈现高端要求的科学探究教材，以此实现有计划地通过解决结构不良问题来培养学生解决实际问题的能力，进而促使学生科学素养的提高。

一、结构不良问题的含义及特征

Reitman（1965）首次从认知心理学的角度区分了结构良好问题（well-structured problem）和结构不良问题（ill-structured problem）。前者是初始状态、目标状态和算子都很明确的问题，而后者则是这三者中至少有一个没有明确界定的问题［2］。在这里结构不良问题并不是指这个问题本身有什么错误或是不恰当，而是指它没有明确的结构或解决途径。例如，让学生考察当地城市的污染状况并写出一篇论文，其初始状态、目标状态甚至问题解决方案都不明确，是名副其实的结构不良问题。

结构不良问题的主要特征有：1）问题条件或数据部分呈现或冗余；2）问题目标界定不明确；3）具有多种解决方法、途径，有时甚至没有解决办法；4）具有多种评价解决方法的标准；5）所涉及的概念、规则和原理等不确定，或者不知道如何应用他们解决问题；6）没有一般性的规则或原理来描述或预言大多数案例；7）需要学习者表达个人对问题的观点或信念；8）没有确切的方法确定行为是否合适；9）与真实生活情境相关［3-4］。

需要指出，结构不良问题并不需要在所有方面都具有结构不良的特征。问题的结构不良程度可以有所不同，既可以在某一方面具有结构不良的特征，也可以在所有方面都具有结构不良的特征。如果将结构良好问题和在所有方面均结构不良的问题之间视作一个连续体，很多结构不良问题可能位于连续体的中间［5］。可以把结构不良问题归属于科学探究中的高端探究，因为它要求学生参与活动的过程要素更多，问题更加开放，需要教材、教师、教学条件以及学生的热情，少了哪一条都无法很好地解决科学探究中的这些结构不良问题。

二、结构不良问题在理科教材中的呈现

要将结构不良问题应用于理科教材，就必须为结构不良问题寻找一个载体，而教材是课程实施的蓝本，是最基本的课程资源。因此，将教材作为结构不良问题的承载者是最有效的融合途径。那么对于在理科教材中为什么融入，能否融入，如何融入就成为一个焦点。

1.为什么要将结构不良问题融入教材？

因长期受应试教育影响，学生的科学素质结构存在明显缺陷，其表现之一就是解决实际生活和工作情境问题的能力薄弱。“天天努力学习，但面对实际问题时却束手无措”已经成为来自学生心灵深处难以隐去的叹息。究其原因，是由于习得了太多的被教材改造成结构良好的问题，这些问题可以很专业，可以很抽象，无需考虑具体的情境；这些问题可以由学生个体单独解决，因为它们有确定的答案，有“对”或“错”之分。然而现实生活和职业生涯中的问题多是结构不良型，解决结构良好与不良这两类问题所需要的技巧和能力是不同的，也就是说可以出色地解决课堂上的结构良好问题并不能保证可以成功地完成现实生活中的结构不良问题［6］。学生会熟练写出乙醇被氧化生成乙酸的反应方程式，但对于狗恶酒酸（语出自汉·韩婴《韩诗外传》卷七，注意那时蒸馏酒还没有出现，是稠酒）这个问题会一筹莫展。要改变这种现状，就必须从培养学生解决结构不良问题的能力入手，这是摆在理科教材面前十分重要的课题。

如果说学校教育不给学生提供分析和解决结构不良问题的机会，以致从根本上造成了学生所谓的“高分低能”现象［7］，倒不如说理科课程设计者很少或者没有将结构不良问题系统地融入教材，没有给教师和学生提供认识和学习结构不良问题的机会，以致教师从来没有真正意识到结构不良问题对学生发展的作用，当然更不明白如何利用这类问题来提高学生解决实际问题的能力。当通过结构不良问题的解决来提高学生解决实际问题能力的观点已得到众多研究者的认可之时，当学校教育因为从未给学生呈现结构不良问题而受到批判之时，更应该考虑如何将结构不良问题通过教材这个文化中介来与学校教育相融合，这才是问题的关键所在。

2.能否在教材中融入结构不良问题？

要将结构不良问题解决作为教材内容的重要成分，与学科知识的教学相结合，与科学探究教学过程相结合，那么就不得不回答以下两个问题。

（1）教学内容能否以结构不良问题呈现？ 结构不良问题并不需要在所有方面都具有结构不良的特征，问题的结构不良程度可以有所不同，这就为其在中学教材中的融合奠定了基础。

以香港麦克米伦《高中化学1A》为例，其“第二篇 常见金属”共安排了6节内容，分别从金属的性质、用途、结构、存在、制备等方面展开，最后来一个学生活动总结：

试进行角色扮演，假设你是下列人物，你对以下问题有什么意见?

“我们应否停止用铝制造饮料罐？”

（a）制铝罐的工厂工人；（b）使用铝罐的饮料公司所有者；（c）环境保护局的官员；（d）发展中国家的铝矿开采工人。

考虑因素：

（1）铝会污染环境；（2）开采铝会对环境造成破坏；（3）可以用玻璃取代铝制造饮料罐；（4）铝的性质适宜用来制造饮料罐；（5）我需要工作；（6）我们的国家需要这些钱来喂养人民和教育孩子；（7）我们可以循环使用铝罐；（8）地球仍有大量铝可以开采［8］。

这是一个典型的结构不良问题的应用实例。

新课程之后的中学化学教材在这方面有了很大的改进，如人教版高中必修模块《化学2》在“第二章化学反应与能量”的“第二节化学能与电能”，基础知识学完之后，设置了这样一个实践活动：利用水果如苹果、柑橘、柠檬或番茄等制作原电池。这是一个只有亲历亲为之后方能得知其中奥秘的动手操作与理性思维相结合的典型案例，是一个很好的结构不良问题。我们建议，如果能对整个教材做这样的总体设计，学生科学素养的提高自不待言。

（2）教师的素质以及学校的条件能否满足解决结构不良问题教学的要求？ 当结构不良问题系统地融入教材之后，教师及学校的条件就成为结构不良问题教学能否顺利进行的关键因素。当下的课程改革不仅使教师的教育理念得以转变，也使教师的素质得到了提升。讲授抽象知识的观念不再被教师作为唯一，以学生发展为本的新理念正在被越来越多的教师所接受，并逐渐内化为教师自己的思想；“填鸭式”的教学模式不再被青睐，相反科学探究式教学正在被越来越多的教师所关注并实践。探究教学倡导学生主动参与，乐于探究，强调教师的引导作用；在结构不良问题解决的教学中教师的作用就是为学生提供支架，提供示范，将学生从被动的信息接受者变为主动的信息加工者及复杂情境下的问题解决者，这样，科学探究与结构不良问题设置这两者在教材编制中就不谋而合，相互强化学生解决实际问题的能力。比如实验室用乙醇和浓硫酸反应制取乙烯，若作为结构良好问题，当温度升高到170℃以上时教师只要把制得的气体通入酸性高锰酸钾溶液或溴水里即可。然而实际问题并不是这么简单，教师继续引导学生观察现象，被加热的烧瓶里溶液的颜色为什么会变黑？所制得气体的气味为什么具有刺激性？这气味是由哪些杂质产生的？为什么会产生这些杂质？又如何将其分离？这就将结构良好问题转化为结构不良问题，有利于学生体验更为丰富的实验过程，全面地把握实验事实。

此外，国家及各级教育行政部门已加大对基础教育教学设施的投入，为结构不良问题解决的教学提供了条件支持。总而言之，此次课程改革为结构不良问题的实现提供了现实基础。

3.如何在教材中融入结构不良问题

如何将结构不良问题融入教材，才能使教师的教学有效展开？这可以从以下几个方面来融合。

第一，基于课程标准进行融合。课程标准是课程开发、教学实施、评价实施的依据与底线，也是保证教育质量的重要政策性文件。基于课程标准编写有利于避免由个人主观性及个人经验所导致的质量问题，从而确保教材质量，提升教学质量；而且有利于把握学生的知识基础，提供与学生的知识基础相适宜的结构不良问题，从而提升教学效率。此外，有利于将知识学习融入结构不良问题解决的学习过程中，实现掌握知识与提升结构不良问题解决能力之双重目的。比如高中化学课程标准之选修模块5《有机化学基础》的主题4：“举例说明新型高分子材料的优异性能……讨论有机合成在……提高生活质量方面的贡献。”人教版《化学》该模块便有“科学探究”栏目：用科学实验的方法测定尿不湿（聚丙烯酸钠）、医用脱脂棉或餐巾纸的吸水率，该实验位置安排合适，材料易得，实验手段简单，瞄准生活实际，很能体现三维课程目标。

第二，基于学生的心理发展和认知规律进行融合。解决结构不良问题所需的成分有领域知识、元认知、非认知变量（包括情感、价值观、动机、情绪和态度）、辩护能力等。毫无疑问，在学生的成长过程中这些成分都会逐渐具备，但是不同年龄段学生所具备的程度是有差异的。例如个体元认知能力的发展会随着年龄的增长和教育训练的增加逐渐发展，在同一项认知任务中，较大儿童常常能比较小儿童更好地评估任务的复杂性和调控自己的表现［9］。因此应根据学生的认知规律，呈现由易到难、逐级递进、螺旋上升的结构不良问题。从对化学理论基础——原子概念——的认识，就能体现这种思想。

在启蒙阶段的9年级化学中，基于学生心理发展的特性，主要从宏观的个人经验角度简要认识原子的微粒性、组成及其性质（《义务教育化学课程标准》，2011）。到了高中必修模块化学2，在学生年龄进入准成人阶段，进一步认识原子结构，核外电子分层排布，但仍然停留在宏观层面。但是苏教版的《化学2》在该书的最后，列出了原子结构理论从1774年拉瓦锡质量守恒定律到1981年扫描隧道显微镜的发明为止的18条相关事实，要求学生通过文献检索式的科学探究学习过程，既为前面初、高中分阶段学习给出该概念一个整体认识，又为后面的基于微观模型的选修模块学习给出发展性的认识。到了选修模块3《物质结构与性质》时，教材完全摒弃宏观低速物体运动的个人生活经验，通过建立物体微观高速运动模型、原子结构发展历史，来认识原子结构构造，原子核外电子排布与能量关系，使得成人阶段的高中生的关于原子的认识直接提高到20世纪科学家的水平。教材编写至此其认识已经从儿童到成人，完成一个循环。教材把著名科学哲学家Rom Harré所做的我们生存的世界的三类实体（宏观物体、微观物体、理论对象）划分均作了巧妙的融合［10］。相反，如果一次性将原子概念从数理表达、微观推论到宏观表象一股脑呈现在9年级少年儿童面前，肯定会遭到无情的失败。

第三，基于现实的教学条件进行融合。结构不良问题大多源自现实情境，其教学对教师及其他教学资源的要求相对较高，因此在编制时既要考虑地区特色，又要斟酌地区差异，确保其教学有效落实。鲁科版高中选修教材《有机化学基础》在编写完羧酸性质之后，设置了一个探究实验：肥皂的制备。首先从制备原理——皂化反应出发，然后选取原料以后，按照3个步骤进行操作，在操作过程中总结出最佳制作条件，最后再提出两个问题，以提醒制备操作中应注意的关键问题。教材中这个结构不良问题的选择，由于材料的易得，使得不同地域的学生都能够完成。

三、结 语

本文主张在教材中创设结构不良问题，把它作为科学探究问题情境的基础，进行统一设计，以此实现有计划地开展结构不良问题解决的教学，但这样做，并不否定知识学习的重要性。因为学科知识是结构不良问题解决的基础，而且结构不良问题解决的过程有利于学生高效地建构知识。因此我们相信通过有计划地开展结构不良问题解决的教学不但不影响知识学习，还能为学生日后解决错综复杂的现实问题奠定坚实的基础。

［1］斯海霞.基于结构不良问题解决的数学学习环境设计［J］.外国中小学教育，2012，（10）：46-53.

［2］李同吉，吴庆麟.论解决结构不良问题的能力及其培养［J］.华东师范大学教育科学学报，2006，（1）：63-68.

［3］Namsoo Shin，David H.Jonassen，Steven McGee.Predictors of Well-Structured and Ill-Structured Problem Solving in an Astronomy Simulation［J］.Journal of Research in Science Teaching，2003，（1）：6-33.

［4］David H.Jonassen.InstructionalDesign Models for Well-Structured and Ill-Structured Problem-Solving Learning Outcomes［J］.Educational Technology：Research and Development，1997，（1）：65-94.

［5］陈琦，刘儒德.教育心理学［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［6］Ikseon Choi，Kyunghwa Lee.Designing and Implementing a Case-Based Learning Environment for Enhancing Ill-Structured Problem Solving：Classroom Management Problems for Prospective Teachers［J］.Educational Technology Research and Development，2009，（1）：99-129.

［7］鲁志鲲，申继亮.结构不良问题解决及其教学涵义［J］.中国教育学刊，2004，（1）：44-47.

［8］夏伟富.化学1A教师用书［M］.上海：上海外语教育出版社，2003.

［9］邵志芳.认知心理学——理论、实验和应用［M］.上海：上海教育出版社，2006.

［10］Rom Harré.Varieties of Realism：A Rationale for the Natural Sciences［M］.Oxford：Blackwell Pub，1987.