用可视化图像表征突破框图推断题难点

周昌林

摘要：从布鲁纳表征系统和发现学习等视角，系统研究了框图推断题的命题特点，结合一些例题，归纳出诸如关键物质特有的化学性质、连续反应以及两种物质双向转化等典型的物质相互转化的可视化图像表征。利用可视化图像表征，可以快速提取在框图中涉及的物质间相互转化的隐含线索，帮助解题者集中有效信息，明确推断思路，达成思维最优化，形成完善的解题策略，有效突破框图推断题难点。发挥框图推断可视化图像表征的教学功能，提升学生信息提取能力，并提出了相应的教学建议。

关键词：框图推断题；物质转化关系；可视化图像；表征解题策略；信息提取能力

文章编号：1005–6629（2016）5–0082–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

可视化图像表征是指应用图像、图表等视觉手段来表征知识的方式[1]。推断题中的框图是以常见元素单质及其化合物的转化关系为线索而设计出来的。“框图推断题中的可视化图像表征”，是典型化学物质通过化学反应实现的特定转化关系，这些特定转化关系视觉上形成可辨识的图形特征。

框图推断题的解题难点，在于要能快速寻找出具体物质及其转化关系，作为推断的突破口。推断的突破口，不但存在于显见的文字表述中，还更多地存在或隐含于框图本身。图像表征能集中有效信息，明确解题思路，达成思维最优化[2]。聚焦典型的物质相互转化的可视化图像表征，能快速提取命题者在框图中设计的物质相互转化的隐含线索，形成完善的解题策略，有效突破框图推断题的难点。这也是受到布鲁纳认知发展、学科结构、发现学习等一系列教学主张的启发。从化学信息学的角度看，利用框图推断题的教学功能，提升学生从图形、图像中提取信息的能力，是培养高中学生化学信息素养的有效途径。

但是，目前对框图推断题命题特点的研究尚不够深入，解题策略也不够系统。例如，为做好元素及其化合物框图推断题的复习工作，有教师提出一些针对性的复习和应考建议[3]。也有教师对高考中的无机推断题进行剖析[4]，还有教师针对有机框图推断题的解题方法进行了归纳[5]。以上提出的解题思路，都强调从题干文字描述出发，寻找特征物质、特征反应、特征条件、特征现象等为突破口，进行推断、解题。虽然也有人提出从框图本身挖掘一些条件作为分析推断的依据，但未作深入探讨[6]。以上提及的文章，都侧重于框图推断题的解题和应试技巧研究，但没有讨论框图推断题的命题特点和教学功能，也没有针对学业水平测试（必修科目）中的框图推断题进行系统研究。

因此，本研究探讨用可视化图像表征来突破框图推断题难点。应该说，研究框图推断中的典型的物质相互转化的可视化图像表征，比单纯在题目文字中寻找有效信息，能更快、更好地突破框图推断题难点，形成完善的解题思路，也能更加充分地锻炼学生信息提取能力。

1 可视化图像表征是框图推断的重要突破口

1.1 剖析无机框图题的题型特点

框图推断题是高中化学高考和学业水平测试的常见题型，近年来江苏省高中化学学业水平测试（必修科目）试卷的第25题，都以框图推断形式命题。考题以常见元素单质及其化合物的转化为线索，通常植入工业制备等陌生情境，通过框图形式考查学生对相关元素及其化合物性质的了解程度和分析推理能力，以及对信息的获取和应用能力[7]。

系统考察江苏省高中化学学业水平测试（必修科目）中的无机框图题，题型特点表现在题干由非可视化文字表述和可视化的物质相互转化的框图形式组成。这种类型的无机框图题，有鲜明的化学学科结构特点。题目分三部分，第一部分用文字表述有关物质的存在、性质和用途等。第二部分用框图形式，表达物质的转化关系。第三部分要求学生作答三个或四个问题，书写推断出的物质的化学式或化学方程式。历年来，该题型命题风格鲜明且比较稳定，题目难度以中档为主，知识和能力考查层次丰富，有一定的区分度。

1.2 解析无机框图题的命题思路

布鲁纳认为精熟认知客观世界，依赖于三种表征系统，即动作表征、肖像表征和符号表征[8]。这三种表征系统，实质上也是三种信息加工系统。就框图推断题命题思路和考查功能而言，除了有传统纸笔测验局限，较难直接考查学生实验操作技能（动作表征系统）以外，它能比较全面地考查学生肖像表征系统和符号表征系统的发展程度。肖像表征主要是以内在感官留下的心像，如图片、文字或知觉影像，来代表外在世界，对应着试题的框图部分和题干部分的文字表述；符号表征是通过抽象的符号来代表真实世界，对应着试题中的作答部分，学生要用恰当、规范的化学用语，如用化学式（或电子式、结构式等）表述有关物质的化学组成、结构，用化学方程式（或离子方程式）表达化学反应，用“单线桥”或“双线桥”表达氧化还原反应电子转移的本质。最高级的表征是符号表征，学生解题时能使用恰当、规范的化学用语，代表着学生较高的化学学科理解能力和思维表达能力。

1.3 物质相互转化的可视化图像表征是框图推断的重要突破口

对框图推断题的解决思路，总体上是“大胆假设、小心求证”。寻找突破口，是解决框图推断题的关键。教学实践中，教师发现学生解题时，只注意在题干文字中寻找，诸如物质的特有性质、特殊实验现象等，作为突破口。这是一种思维的局限，没有全面调用表征系统的诸要素，如图像表征。教师因此要做针对性教学，引导学生关注框图本身，它表达了高中化学常见元素化合物的相互转化关系，这也是框图推断题命题思路所决定的。其中一些相互转化关系具有典型性或特殊性，在框图中呈现出特定的可辨识的图像表征。利用可视化的物质相互转化的图像表征，是突破框图推断难点的重要途径。

2 对典型的可视化图像表征的归类分析

2.1 关键物质的特有化学性质

江苏省高中化学学业水平测试考试说明中要求，通过对钠、铝、铁、铜及其化合物之间转化关系的认识和比较，体会学习元素化合物知识的一般方法。对元素单质及其化合物性质的认识，既要掌握一类物质的通性，也要把握一些物质特有的化学性质。如铝元素形成的化合物——氧化铝和氢氧化铝，不同于一般的金属元素化合物，是典型的两性化合物，在测试中屡有考查。学生应在框图中找出“既能与盐酸反应，又能与NaOH溶液反应”的图像表征，如图1。

例如2007年江苏省高中化学学业水平测试框图推断题（图2）中的“C物质”，从图中观察到“既能与盐酸反应，又能与NaOH溶液反应”，又是高温条件下的铝热反应的产物，可推断为Al2O3，作为解题的重要突破口。类似的还有2010年框图推断题中的“F物质”，如图3所示。因此，突出如图1所示的图像表征，是推断这类题目的关键突破口。

2.2 连续反应

高中化学中出现了许多连续变化关系，可将之概括为连续反应的图像表征，如图4。具体表现在金属元素Na、Al，非金属元素C、N、S等单质及其化合物的相互转化关系上，例如钠的重要化合物的连续反应，如图5所示。

值得重视的是某些物质在控制反应条件（或O2用量），出现了连续氧化的图像表征，在进行框图推断时，也是重要的突破口。图6和图7分别是氮、硫元素化合物连续氧化的图像表征。

连续氧化的图像表征在考题中屡次呈现。例如2011年框图推断题，题目文字已表述“B是能使带火星的木条复燃的无色无味气体”，即B物质是氧气。从框图（如图8）中仔细观察，可寻找出A物质被连续氧化，分别生成C和D的图像表征。再如2012年框图推断题（如图9），题目文字指出，B、D为组成元素相同的两种无色液体，再加之框图中有催化剂MnO2，可推出C物质是过氧化氢分解产生的氧气。进而找出A物质被连续氧化，分别生成F和G的图像表征。

2.3 两种物质双向转化

高中化学中出现了较多的两种物质如碳酸钠和碳酸氢钠、Fe2+和Fe3+等，可通过化学反应进行相互转化，通常这类转化不属于可逆反应，在框图中也不用可逆反应符号，而是用双向箭头，可将之概括为“两种物质双向转化的图像表征”。例如2010年框图推断题（如图3）中的H和K物质，2013年框图推断题（如图10）中的H和I物质，两种物质转化的实质，都是不同价态铁的化合物之间的氧化还原反应。

2.4 特殊条件（高温）下，两种物质生成另外两种物质

例如2007年框图推断题中（图2）的A和B物质在高温下反应，生成C和D物质；2010年框图推断题中（图3）的A和B物质在高温下反应，生成D和E物质。它们都呈现出特殊条件（高温）下，两种物质生成另外两种物质的图像表征，实际都考查了铝热反应，即

再如2012年框图推断题（如图9），A和C物质在高温下反应，生成E和F物质，结合A物质先被氧化、后被催化氧化，分别生成F和G的图像表征，可推断为A是含硫元素的化合物；再结合题中I溶液呈蓝色等信息，进一步推断金属矿物A的化学组成为硫化铜或硫化亚铜。

3 关于物质相互转化的图像表征的教学建议

3.1 突出典型的图像表征，归纳物质相互转化关系

元素单质及其化合物的相互转化关系是教材中对元素化合物知识进行归纳和整理的重要方法，例如，人教版教材对硫元素部分的归纳与整理如图12所示；苏教版教材的整理如图13所示。

两种教材不约而同从氧化还原反应角度突出了硫元素连续氧化的图像表征，也从物质类别角度，反映了从非金属单质到低价态氧化物，再到高价态氧化物和相应含氧酸（及其盐类）的变化规律。这对认识其他非金属元素（如C、N等）类似的相互转化关系也有帮助。考试说明也指出，“通过对氯、氮、硫、硅等非金属及其重要化合物的有关知识进行归纳与整理，体会学习元素化合物的一般方法”[9]，可见教材和考试说明的高度一致性。

教材还启示我们，进一步将一种元素的单质和化合物，拓展到多种元素的单质和重要的化合物，再通过连线刻画各种物质之间的相互转化，形成多种元素化合物相互转化关系的思维导图。这有利于认识各种物质丰富的化学性质，也有利于形成知识网络，并锻炼学生联想、发散思维能力，帮助学生形成的物质变化观和物质普遍联系的观点。

3.2 归纳典型的物质相互转化的图像表征，深刻认识化学反应规律

高中化学中除了上文述及的、在学业水平测试中反复出现的图像表征之外，还有一些典型的物质相互转化的图像表征。例如铁、铝元素单质和化合物，如图14所示，呈现了特殊的“三角转化”的图像表征。表现在三种物质之间均有六个反应方向能实现相互转化，其中“铁三角”的转化要寻找不同的氧化剂或还原剂，核心知识点为铁元素具有可变化合价态。“铝三角”的转化通过与酸、碱等发生复分解反应的途径实现，核心知识点为铝元素的氧化物、氢氧化物是典型的两性化合物。对强弱氧化剂（或还原剂）、强酸、弱酸（或强碱、弱碱）的选择，以及反应物用量（少量、过量）等的讨论，有益于学生认识相关的氧化还原反应、复分解反应等反应规律。

3.3 结合典型图像表征，形成完善的框图推断题解题思路和方法

结合利用可视化的图像表征，框图推断题解题思路可概括为“审→析→推→解”，如图15所示。

分析题目时，按照从题干→问题→框图的顺序，注意题目中关键信息的获取，既要捕捉题干文本中的信息，有时还要从问题中找到补充的信息。题干和问题部分以文字叙述显现的突破口较难发现的时候，就要注意框图中的典型图像表征，并将确定的典型的物质相互转化的图像表征在框图中标出。一旦找到了突破口，则要顺藤摸瓜，大胆推断（或猜测），或逆推或顺展，问题将会迎刃而解。

3.4 发挥框图推断题的教学功能，培养高中学生化学信息素养

近年来化学结构的可视化（以图形的方式对化学信息进行描述）是化学信息学最值得注意的成就之一[10]。框图推断题中的框图或典型的物质相互转化的图像表征，也是用图形的方式，对化学信息进行的一种描述。化学信息学要培养学生的信息意识和提高获取信息的能力，发挥框图推断题的教学功能，能培养高中学生化学信息素养。

布鲁纳在“发现学习”教学主张中，也强调信息提取。他认为人类记忆的首要问题不是储存，而是提取。因为学生在储存信息的同时，必须能在没有外来帮助的情况下提取信息。提取信息的关键在于如何组织信息，知道信息储存在哪里和怎样才能提取信息[11]。因此，发挥框图推断题的教学功能，提升学生信息提取能力，帮助学生从可视化的图像表征，寻找框图推断题的突破口。这不仅有利于学生提升破解难题能力，在学业水平测试中取得好成绩，而且培养了高中学生的科学素养，尤其是化学信息素养。

参考文献：

[1]蓝嘉.基于知识可视化的化学教学[J].教育信息技术，2013，（4）：34～37.

[2]朱勇.巧用图像表征解决化学问题[J].化学教与学，2015，（2）：61～63.

[3]柳雪芹.做好元素及其化合物框图推断题的复习[J].教育教学论坛，2009，（1）：22～23.

[4]况静兰.略论框图推断题的解题思路[J].涪陵师范学院学报，2002，（5）：128.

[5]李太平.有机框图推断题解法简析[J].科技资讯，2014，（30）：192.

[6]柴秀梅.无机框图题中信息的提炼方法[J].科学大众（科学教育），2013，（1）：137.

[7][9]江苏省教育考试院.江苏省高中化学学业水平测试（必修科目）考试说明、试题和参考答案（2007～2015年）.

[8]钟启泉，王霞，王文静.课程与教学论[M].上海：华东师范大学出版社，2008：118～120.

[10]陈明旦，谭凯.化学信息学（第2版）[M].北京：化学工业出版社，2012：3～5.

[11]施良方.学习论（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2010：217.