中学化学“问题解决”的主要策略

赵立胜

【摘 要】面对化学问题能够灵活选择并运用相宜的策略，不仅能顺利地实现问题解决，而且可以促进学生对化学概念和认知策略的内化。所以，化学教学要重视问题解决策略的教学，让学生领悟类比迁移、整体思维、归纳演绎、数形结合等问题解决策略的要义，促使他们在获得化学问题解决经验的同时，进一步提高学习和探索新知识的能力。

【关键词】中学化学 问题解决 认知策略

问题解决是“个体从给定状态到目标状态之间所采取的一系列行动的过程，是一种认知途径和思维探索步骤”[1]。现代认知心理学研究表明，问题解决一般包括4个环节：（1）问题表征。就是将问题转化为内部的心理表征，其实质就是对问题的主动建构与理解。（2）策略选择。就是选择特定的问题解决方法或程序。（3）策略运用。就是执行一个问题解决方案，包括在策略选择中所决定的各种操作和策略。（4）结果评价。就是运用元认知对解题过程、结果是否得当做出评估[2]。“对于同一个化学问题，有的学生采取简便的方法，能在较短时间内正确解决，而有的学生却按部就班去解决，过程复杂还可能出现错误，产生这样的差别尽管其原因不一，但与思维策略的不当有重要的关系”[3]。换言之，在问题解决的过程中，策略的选择是最重要的环节。所以，有关问题解决的教学要特别重视问题解决策略的教学。实践表明，化学问题解决主要有类比迁移、整体思维、归纳演绎、数形结合等策略。

一、类比迁移

问题解决是以已有知识为基础的，离开了相关的已有知识，问题解决则无法进行。所谓类比是一种推理方法，它是指设法将新问题转化为与已有知识经验中相似的某些特征，做出它们在其他特征上也可能相似的结论，从而将已有问题的解决方法迁移到对新问题解决的一种策略。新问题与已有问题之间的相似性，有问题情境之间的相似性、表面关系之间的相似性和深层关系之间的相似性等几种。其中问题情境之间的相似性和表面关系之间的相似性直接影响着问题解决者能否唤醒与新问题相似的已有问题，也就是它决定着能否在新旧问题之间产生类比，最终从隐含着的深层结构上的相似性出发来考虑问题的解决。值得注意的是，有时被迁移的已有“知识”或“解决问题的方法”是新的信息，需要在问题解决的同时进行感知和领悟。

例1 下列有关说法正确的是：

A. 反应NH3（g）+HCl（g）=NH4Cl（s）在室温下可自发进行，则该反应的ΔH<0。

B. 电解法精炼铜时，以粗铜作阴极，纯铜作阳极。

C. CH3COOH溶液加水稀释后，溶液中■的值减小。

D. Na2CO3溶液中加入少量Ca（OH）2固体，CO32-水解程度减小，溶液的pH减小。

例1的答案是AC。对于C选项来说，原本CH3COOH溶液中存在着电离平衡CH3COOH？葑CH3COO-+H+。在加水稀释时，CH3COOH的浓度减小，CH3COO-和H+的浓度也减小。从CH3COOH浓度减小的角度看，平衡逆向移动；从CH3COO-和H+浓度减小的角度看，平衡正向移动。这样就难以判断C选项的正误。其实，这时可以将溶液中的平衡体系类比成气态的平衡体系，加水稀释导致溶液中各组分浓度同比下降，相当于气态平衡体系中的压强减小，平衡向粒子数增大的方向移动，即正向移动。所以，体系中各组分在浓度同比下降的基础上，c（CH3COOH）减小，c（CH3COO-）增大，即■的值减小。

二、整体思维

整体思维策略是指抛开问题的某些方面、部分或具体细节，抽象出问题的本质特征或变化实质，从整体上理解问题并寻求解决问题的独特方法。整体思维策略多用于对结构复杂又存在着一定内在关系的问题的分析和解决过程中，如连续反应、循环反应以及晶胞组成等的计算。整体思维策略往往需要排除问题表层现象的干扰，从整体的角度审视问题，常常会涉及质量守恒、物料守恒、电子守恒和电荷守恒等。另外，有机合成中逆合成分析法也是建立在整体思维基础上的。

例2 镁铝合金（Mg17Al12）是一种潜在的贮氢材料，可在氩气保护下，将一定化学计量比的Mg、Al单质在一定温度下熔炼获得。该合金在一定条件下完全吸氢的反应方程式为Mg17Al12+17H2=17MgH2+12Al。得到的混合物X（17MgH2+12Al）在6.0 mol/L HCl溶液中能完全释放出H2。则1 mol Mg17Al12完全吸氢后得到的混合物X与上述盐酸完全反应，释放出H2的物质的量为 。

由题中所给的反应方程式可知，1 mol Mg17Al12完全吸氢得到混合物X是17 mol MgH2和12 mol Al。根据化学反应中的守恒关系，混合物X的原料是1mol Mg17Al12和17mol H2，同时又相当于17mol Mg、12mol Al和17mol H2，它们分别与盐酸作用所能得到H2的总物质的量为17+12×1.5+17=52mol，这也是对应混合物X与盐酸完全反应所能释放出H2的物质的量。

例3 某市对大气进行监测，发现该市首要污染物为可吸入颗粒物PM2.5（直径小于等于2.5μm的悬浮颗粒物），其主要来源为燃煤、机动车尾气等。因此，对PM2.5、SO2、NOx等进行研究具有重要意义。现将某PM2.5样本用蒸馏水处理成待测试样，若测得该试样所含水溶性无机离子的化学组分及其平均浓度如下表：

根据表中数据判断PM2.5的酸碱性为 ，试样的pH= 。

对于溶液这个整体，一定存在离子电荷守恒的关系。因此试样溶液中应该有c（K+）+c（Na+）+c（NH4+）+c（H+）=2c（SO42-）+c（NO3-）+c（Cl-）+c（OH-），将表中相关离子浓度代入可得c（H+）=c（OH-）+10-4。又因为常温时有c（H+）c（OH-）=10-14，所以c（H+）=10-4，c（OH-）=10-10。即PM2.5呈酸性，试样的pH=10-4。

三、归纳演绎

从个别事物中概括出一般规律的思维方法叫归纳；从一般规律出发得出个别结论的思维方法叫演绎。“归纳与演绎是必然相互联系的，其中演绎以归纳为基础，而归纳又需要通过演绎才能进行验证”[4]。用演绎的方法解决问题，特别在解论述性和证明性问题时，关键应抓住某个一般性的原理作前提，推出个别对象的结论。

例4 “碘钟”实验中，3I-+S2O82-=I3-+2SO42-的反应速率可以用I3-与加入的淀粉溶液显蓝色的时间t来度量，t越小，反应速率越大。某探究性学习小组在20℃时进行实验，得到的数据如下表：

分析比较上表数据，可以得到的结论是_______；其中t2=_______s。

在分析实验数据时不难发现，题中实验是通过调节c（I-）或c（S2O82-）来“研究反应物浓度对反应速率的影响”。从c（I-）和c（S2O82-）与对应显色时间看，可以归纳出显色时间与c（I-）和c（S2O82-）的关系，即t=■，这样可以得到“反应速率与反应物起始浓度乘积成正比（或显色时间与反应物起始浓度乘积成反比）”的结论。将①到④中任意一组数据代入关系式中，都可以求得k=0.1408。再将第⑤组数据代入关系式时，可以求得t2=■=29.3s。

四、数形结合

“数形原本是数学研究的基本对象，随着化学科学数学化的不断深入，物质的组成、结构、性质及其变化等信息都可以借助于相应的数形进行呈现”[5]。因此，数形结合受到了中学化学教学的广泛关注。利用数形结合分析或求解的策略，主要是化学语言和直观图像的相互转化，或将抽象的文字描述利用示意图的形式具体化，或将复杂的数据信息利用表格、图像等形式进行整理和归纳，以获取解决问题的有用信息。解决问题时，要抓住有关概念、反应规律、物质性质特别是图像特征，分析辨识图中“原点”“交点”“转折点”等的意义，对“数”“形”“义”“性”进行综合思考，从中发掘隐含信息快速解题。

例5 磷的重要化合物NaH2PO4、Na2HPO4和Na3PO4可通过H3PO4与NaOH溶液反应获得，含磷各物种的分布分数（平衡时某物种的浓度占各物种浓度之和的分数）与pH的关系如图所示。为获得尽可能纯的NaH2PO4，pH应控制在 ；pH=8时，溶液中主要含磷物种浓度大小关系为 。

由图中坐标以及曲线的极点和交点可以看出，溶液中含磷各物种的总量为1.0，其中H2PO4-的分布分数在pH=0.2或pH=9.2时为0，而pH在4～5.5时为1.0，所以，要获得尽可能纯的NaH2PO4应控制pH在4～5.5。在pH=8时，HPO42-的分布分数为0.85，H2PO4-的分布分数为0.15，所以此时溶液中主要含磷物种浓度大小的关系为c（HPO42-）>c（H2PO4-）。

化学问题解决的水平是学生运用化学知识解决实际问题能力的综合体现，也是评价教学效果的重要标志。面对化学问题能够灵活选择并运用相宜的策略，不仅能顺利地实现问题解决，而且可以促进学生对化学概念和认知策略的内化。所以，化学教学要注重学习策略，特别是问题解决策略的教学，促使学生在获得化学问题解决经验的同时，进一步提高学习和探索新知识的能力。

【参考文献】

[1]任红艳，李广洲.理科“问题解决”教学的反思[J].课程·教材·教法，2003（12）.

[2]高文.一般的问题解决模式[J].外国教育资料，1999（6）.

[3]夏本成.论化学问题解决[J].安徽教育学院学报，2005（3）.

[4]陆军.高中化学必修教科书中的科学方法体系[J].中学化学教学参考，2007（7）.

[5]陆军.2012年高考化学试题中的数形呈现策略[J].化学教学，2012（10）.

（作者系江苏省特级教师，现为江苏省徐州市第三中学教师）