真实情境中基于关系模型的高中化学推理类问题解决研究

陈 键 沈绍波

（1.福建省普通教育教学研究室，福建 福州 350000；2.福建省浦城第一中学，福建 浦城 353400）

《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》强调命题要以真实情境为测试载体，以实际问题为测试任务。《中国高考评价体系》强调对关键能力（蕴含基于真实情境的问题解决能力）的考查。可见新课标和新高考都注重考查学生基于真实情境的问题解决能力，以引导一线教学扎实推进核心素养的落地。通过对《普通高中化学课程标准（2017 年版2020年修订）》中核心素养水平划分、学业质量水平划分以及王磊教授提出的化学学科能力活动表现的分析，［1］发现推理类问题（例如运用理论模型解释或推测物质的组成、结构、性质与变化）是真实情境中重要而常见的一类化学问题。其中，国内高中化学纸笔测试中，考查基于关系模型的演绎推理能力的化学问题居多。因此，课题组对真实情境中基于关系模型的高中化学推理类问题解决进行研究，以期建构该类问题解决的思维模型，并分析概括该类问题解决的关键障碍点，提出应对之策，以促进学生相关问题解决能力的提高，发展学生“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

一、关系模型的建构与表征

在科学教育中，模型的概念与心智模型扮演着越来越重要的角色，科学教师应主动深入地了解与研究模型与建模。［2］从问题研究或问题解决维度考虑，化学模型建构应为“揭示研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系”服务；［3］可见，关系模型的关键在于构成要素及其相互关系。基于这样的理念，课题组从不同类型的高中化学内容主题（物质性质与转化、物质结构与性质、反应变化与规律、实验原理与方法）中，［4］建构了部分核心的“关系模型”并以关系图的方式进行表征，文章以实验室或工艺制备中“操作—目的”关系模型（见图1，以下简称“操作—目的”关系模型）为例进行阐释。“关系模型”图中箭头由源要素指向目标要素，代表源要素对目标要素起影响性或决定性作用。例如图1 中，源要素与目标要素间就大量存在决定与被决定、影响与被影响等关系（例如温度能影响反应速率）。此外，本研究所指“要素”并不局限于“实体概念”“物理量”，而包括各种“元素”，譬如图1所示的“操作”与“目的”。这样处理，是因为依据“要素”关系进行的推理，其在认知层面上的关联操作并无本质的差别，拓宽“要素”所指，有利于将研究结果迁移应用到更为广阔的情境中。

二、基于关系模型的推理类问解决思维模型的建构与分析

为了建构“基于关系模型的高中化学推理类问题解决思维模型”，课题组成员搜集并解决真实情境中蕴含各类关系模型的高中化学推理类问题，对问题解决的思维过程进行分析总结，进而提出相应子类型的问题解决思维模型。最终，综合各子类问题的解决思维模型，在参考其他学者提出的“问题解决思维模型”的基础上，［5］建构了“基于关系模型的高中化学推理类问题解决思维模型”（见图2）。该类问题解决的第一阶段为明确目标并调用相应的关系模型。第二阶段为要素识别，即依据“关系模型”，提取真实问题情境中的有效信息，并将其与“关系模型”中的相关要素进行匹配。第三阶段为要素关联，即利用“关系模型”中各要素间的相互关系，推理出所求的目标要素，这样的推理，在逻辑学上属于连锁三段论推理。［6］若最终能关联到目标要素，则完成问题解决的任务；若不能关联到目标要素，则需重新关联其他中间要素，或者返回到前面的不同阶段，重新进行问题表征并调用其他“关系模型”，重新识别其他有效要素。

下面以2020 年全国理综Ⅰ卷第26 题“（6）‘沉钒’中析出NH4VO3晶体时，需要加入过量NH4Cl，其原因是_____”为例，对图2 所示的“基于关系模型的高中化学推理类问题解决思维模型”进行举例说明。本小题实质上是对“加入过量NH4Cl”的“目的”进行设问，首先可调用“操作－目的”关系模型进行要素识别，将真实情境中的“加入过量NH4Cl”与关系模型中的操作（加入物质）相关联，然后联系“操作—目的”关系模型，将“加入物质”与“溶解度”关联（因为增大NH4+离子浓度，利用同离子效应，可减小NH4VO3的溶解度），再将“溶解度”与“多”关联，即促进NH4VO3尽可能析出完全，获得更多的产品。

三、基于关系模型的推理类问题解决的关键障碍点分析

借助“基于关系模型的高中化学推理类问题解决思维模型”，对学生解决这类问题中存在的障碍点进行分析，发现学生存在的主要问题为：“关系模型”障碍、要素识别障碍、要素关联障碍。

（一）“关系模型”障碍

“关系模型”是解决“基于关系模型的推理类问题”的基础与核心。不难理解，如果学生对“关系模型”本身掌握不到位，势必会直接影响问题解决的质量。学生的“关系模型”障碍，主要表现为：长时记忆中没有存储相关的“关系模型”，或者其存储的不完整，或者其存储的不清晰导致提取困难。例如，在上述例题的解答中，学生会因为知识储备中缺失“加入物质—同离子效应—溶解度”的关联而导致解题失败。又如，在2021 年全国理综Ⅰ卷第27 题“（2）步骤Ⅰ中，需分批缓慢加KMnO4粉末并使用冰水浴，原因是_____”的解答中，学生解题失败的原因之一在于“反应速率—安全”的关联不牢固。需要强调的是，“关系模型”障碍，是学生中最常发生的一类障碍。

（二）要素识别障碍

所谓要素识别障碍，即在复杂的真实情境中，学生无法提取有效信息用于关联“关系模型”中的有效要素。尤其是当真实情境的信息量大、复杂度高、关键信息隐蔽，或者存在强干扰信息时，要素识别的难度则会加剧。例如，学生经常忽略由于化学反应的热效应而导致的反应体系的温度变化，即无法识别“温度”这一要素，进而无法基于温度的变化作进一步的关联推理。

（三）要素关联障碍

所谓要素关联障碍，是指问题解决者在长时记忆中已经存有“关系模型”，但当源要素可与同一个关系模型中多个要素关联时，不知选择和哪个关联；或当源要素可与多个关系模型关联时，不知选择和哪个模型关联。例如在图1 所示关系模型中，温度这一要素可同时和多个要素关联，在具体问题情境中，有些学生会无法确定要将其和哪个要素关联。

四、应对问题解决障碍的教学建议

通过上述分析，已经知道“基于关系模型的推理类问题解决”主要有三类障碍点。为了帮助学生更好地克服这三类障碍，在相关高中化学教学实践中，应关注学生所建构的“关系模型”的质量以及“关系模型”的运用能力，从而提高学生解决真实情境中化学问题的能力。

（一）提升“关系模型”建构的质量

“关系模型”是一类抽象的教学内容，可运用类似“概念形成”的教学方式，让学生在感知、了解“关系模型”的具体实例后，进行归纳总结，这符合由具体到抽象的认知规律。同时，应遵循建构主义的教学理念，让学生体验自主建构模型的全过程，而非教师替代学生完成“关系模型”的建构过程，直接呈现事先建构好的“关系模型”让学生进行分析理解。从而增强学生学习的积极性和主动性，使“关系模型”更加鲜活深刻地存储于学生的长时记忆中，真正加深学生对模型所涉科学现象与过程的理解。［7］此外，对于基础和能力较弱的学生，可以设置有梯度的驱动任务，引导学生在完成分级任务的过程中实现模型建构。［8］在学生自主建构“关系模型”的过程中，教师应引导学生利用“关系图”的方式来表征“关系模型”，从而促使内隐于大脑的信息外显化，减轻认知负荷，增大记忆容量，提升“关系模型”记忆和理解的有效性。

“关系模型”的建构不是一蹴而就、一步到位的，而是一个循序渐进的过程，尤其对于复杂的“关系模型”更是如此。例如图1 所示的“操作—目的”关系模型，学生可先初步建立其中最为核心部分的关系模型，再通过不同的真实问题情境，不断增添其他要素及要素间的关联，完成“关系模型”的学习进阶。

“关系模型”的学习也应遵循“教学评一致性”的原则，在平时的课堂测验及课后作业中，可安排检测“关系模型”的测试题与练习题。可以真实情境中的问题呈现，也可以“关系模型”默写、填空的形式呈现，这样不仅能及时直观地诊断学生“关系模型”建构的质量，也能强化“关系模型”在学生认知系统中可视化的整体表征。此处需要说明的是，“默写、填空”意在指向理解基础上的有意义记忆，而非指向机械记忆。

（二）提高运用“关系模型”解决真实情境问题的能力

“关系模型”的运用，体现于相关问题解决的全过程。针对“明确目标并调用相应的关系模型”阶段，应变换问题情境，进行变式训练，培育学生目标定位和模型调用的意识，提高学生快速精准调用切适的“关系模型”的能力。针对“要素识别”阶段，引导学生根据问题解决需要和要素关键特征，排除陌生情境中无关干扰信息，提取有效信息以关联“关系模型”的要素，促进“去情境化”能力的提升。［9］虽然以真实问题情境为载体训练学生“要素识别”能力至关重要，但是传统的“要素与实例”的关联训练，尤其是“概念与实例”的关联训练，也是必要的，这是“要素识别”能力形成的基石。

针对“要素关联”，应帮助学生真正理解同一“关系模型”内各要素间的关联，以及辨析同一要素与不同要素间关联的异同，明确何时需要调用何种关联，从而实现要素关联的精准化。同时应培养学生的目标意识，参照最终目标进行要素关联，以实现要素关联的定向化。例如，在“操作—目的”关系模型的运用中，学生应始终对标最终目的——多快纯、安环省（安全、环保、经济）来思考各具体操作和条件控制的推理去向。至于不同“关系模型”间的关联，可以结合具体实例，引导学生进行思维发散，通过共有要素，将不同的“关系模型”进行关联。例如，在实验室用硫酸亚铁溶液制备硫酸铁铵中，氧化亚铁离子时，不宜一次性加入过多的过氧化氢溶液的缘由，除了从“副反应”和“反应放热、平衡移动”的视角进行思考，还可拓展学生思路，从三价铁离子可能水解出的氢氧化铁胶体因反应放热温度升高而发生聚沉的视角进行分析。此处，“操作—目的”关系模型就是通过温度这一要素和胶体聚沉的关系模型产生关联。