对化学问题解决中化学表征作用的探究，本文主要内容关键词为：化学论文,表征论文,作用论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出
新课程将化学教育目标定位在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度上，要较好地实现新课程的目标，转变教学与学习方式至关重要。而要转变两种方式，不仅需要转变教学理念，还要寻找适宜的教学组织形式，问题解决是一种有利于新课程实施的教学与学习途径。研究问题解决的主要特点和规律，将是新课程化学教学的实践需求。
而以往关于化学问题解决的研究，还主要集中在问题解决教学模式的研究上。这种问题解决环节的研究，一方面是从典型经验中总结出一个教学模型，加以理论分析，然后去指导具体实践；另一方面是从科学方法论角度，将科学问题解决的归纳一演绎过程模型，应用到化学教学。这些研究，更多的是从宏观角度探讨问题解决的外显过程，没有从问题解决主体的角度，探讨其中的微观心理机制，因此，很难得到较为普遍的认同。而且使用的还主要是20世纪40年代至60年代心理学的一些理论观点。
兴起于20世纪70年代的认知心理学，对人类问题解决的信息加工机制进行了深入的研究，提出了问题空间等一系列关于认知机制的研究理论。尤其是20世纪90年代开始，问题解决的认知理论更倾向于为知识丰富领域的学科教学与学习提供理论帮助。因此，了解认知心理学理论对问题解决的研究成果，将有助于我们抓住化学问题解决的本质，提升对实践指导的针对性和有效性。
二、什么是化学问题表征
1.对问题表征概念的界定
认知心理学家一般将信息在头脑中呈现方式统称为表征。它包含了两方面的含义：信息和信息表征。一方面，表征需要以信息为载体才能实现，它的形式和内容都离不开信息；另一方面表征的过程即为信息的转换过程。H.A.Simon(1972)认为问题的表征是问题解决者在头脑中以某种理解来呈现问题，使问题的任务领域(task domain)转化为问题空间(problem space)，是问题解决者对一个问题所达到的全部认识状态。表征是问题解决的一个中心环节，它说明问题在头脑里是如何呈现、如何表现出来的。如果一个问题得到了正确表征，可以说它已解决了一半（注：［美］H A.Simon著.荆其诚，张厚粲译.人类的认知.北京：科学出版社，1986）。
通常问题表征的来源有：(1)关于问题的陈述（或图、表）等；(2)问题解决者已有的一般问题表征；(3)类似问题的表征以及从简单部分产生的新表征等。Wertheimer(1985)认为要获得问题的合适表征，必须满足三个条件：(1)表征与问题的真实结构相对应；(2)表征中的各个问题成分被适当地结合在一起；(3)表征结合了问题解决的其他知识（注：傅小兰，何海东.问题表征过程的一项研究.心理学报，1995.2）。
用简单的语言来说明，问题的表征与问题的呈现方式不是一个概念。教师在教学中，通过教材、符号、语言、图表、图解、模型和实验等手段为学生提供解决问题的信息，这只是向学生呈现问题，而问题呈现的方式不同，学生对问题的感知也不同。由于学生在知识结构、知识总量和认知方式等方面存在个体差异，对教师呈现的信息会以不同的方式在头脑中体现，这种信息在个体头脑中的体现方式，就是问题的表征。如果教师能了解问题在学生头脑中的表征方式，就能知道学生在问题解决中的困难，若再给予恰当的指导，将会对学生问题解决能力的提高产生重要作用。而要了解问题的表征，就必须首先知道表征的基本分类。
2.问题表征的类型
Paivio & Allan(1986)将表征分为物理表征（物质表征）和心理表征，它们分别又可分为图画似的表征和语言的表征，其抽象程度从图像到语言描述。图画似的表征有照片、绘画、地图和表格等，而语言的表征则像人类语言以及数学、逻辑及计算机那样的语言等。图画似的表征是可模拟的、有形象、连续的，具有同形参考特征，而语言的表征是不可模拟的、无形象的、数字的或分离的，具有任意的和命题的参与特征（注：廖伯琴.中学生物理问题解决的表征差异及其成因探析.成都：西南师范大学心理系，1999）。
彭聃岭等认为问题表征不是问题本身直接提供的，是问题解决者自己建构起来的。不同的人，由于自身的知识经验不同，所建构的表征也不相同。表征问题的方式有很多，基本的方式有：符号、表格、图形和视觉意象（注：彭聃龄，张必隐.认知心理学.台北：东华书局，2000.3）。邓铸等人的研究表明，符号、图表、图形、照片等是外部表征的主要形式，命题、图式、神经网络和其他类型的知识结构是内部表征的主要形式（注：邓铸.问题解决中对问题的外部表征和内部表征.心理学动态，2001.3）。另外，也有一些研究者忽略表征的层次问题，仅从某个角度研究表征的分类。例如，皮连生等认为表征分为心理表征和外在表征。前者是内部的主观的表征，后者是外部的客观的表征。其中外在表征有：将问题写下来、绘制图表、列出树状图、列出方阵等。
传统的认识，假设表征完全来自于内心世界。Zhang jiajie(1994,1997)通过实验研究发现，问题的外部结构（物理符号、外部规则、约束条件和边界关系等）与情景不只是对内部意识的输入和刺激，它具有独立于内部表征的作用。外部表征是问题情景的成分和结构，它能以图表、照片或书写文字等多种形式出现，主要依靠对这些外部表征信息的觉察来完成问题解决。外部表征激活知觉操作，觉察问题结构从属的结构类型，形成对问题前景的预见和认知偏好；内部表征主要激活深层认知操作，即认知机制，经过想象、推理等过程形成对问题的内部表征和预见、偏好，影响问题行为的选择（注：Zhang J J.The nature of extemal representation in problem solving.Cognitive Science,1997.2）。
通过以上的分析，我们认为：问题表征是对问题的一种理解状态，理解有程度的深浅，表征应有水平的高低，因此，表征应该有类型和水平之分。表征的分类因角度不同，应有多种。如根据具体的使用方式分：言语、符号、图像、图解、图片、模型、概念与原理、方法、数学公式等；或根据表征的层次分：外部表征和内部表征，形象表征和抽象表征，物理表征和心理表征；其中不同的分类方法是有交叉的。根据层次的划分更上位和包含能力更强；但在教学中的针对性和指导性差；具体表征容易理解，但可能会出现层次的混淆。比较好的方法是，将具体类型与层次对应，使分类有表层和深层两种结构。其中，可以把言语、符号、图像、图解、图片、模型、表格等看成是一类表层或外部形象的表征，这些表征在头脑中的形式，更多的可能以命题或表象等形式存在；可以把概念与原理、方法、数学公式等看成是一类深层的或抽象表征，这些表征在头脑中主要是以命题网络、图式或其他类型知识等形式存在。目前学科问题解决的研究主要还是对问题解决内部表征的研究。
3.化学问题表征
对化学问题解决中的机制、表征、图式、策略等研究可检索和查阅的资料较少。Herron(1983)对化学问题表征的研究表明，化学家在解决化学问题时依靠自然法则，用符号来表征化学事件；新手脱离物质世界的客观实际，用死记硬背来解题。Greenbowe(1983)对学生解决化学计算题的思维过程进行了研究，得出了Herron相似的结论。Camacho和Grood(1989)研究了优差生解决化学方程式问题的问题表征，结果发现差生构造的是表面和言语水平的表征，优生构造的是精确的化学数量的表征（注：Camacho M,Good R.Problem solving and chemical equilibrium:Successful versus unsuccessful performance.Journal of Research in Science Teaching,1989）。
Bowen(1990)对化学专业研究生在解决有机合成问题时所采用的表征类型进行了研究，结果表明，研究生使用的问题表征有7种：言语表征、图像表征、方法学表征、原理定向表征、有机化学文献表征、实验室定向表征和经济表征。言语表征是指回忆特定的名称、结构、反应或用言语将反应命名；图像表征是用图像重述问题或产生类似物；方法表征是对特定反应类型和过程的搜索和运用；原理定向表征是按物理或化学原理构造出来的用以确定什么是正确的反应；有机化学文献表征是指用查阅文献中已有的反应，同解答步骤比较，以确定问题的解法；实验室定向表征是利用关于反应物、溶剂、物理、化学分离以及反应条件的实验室知识解决问题；经济表征是指根据反应过程的时耗和费用来评价一个解决方案好坏的表征。言语和图像是使用最多的表征形式（注：Bowen C W.Representation systems used graduate students while problem solving in organic synthesis.Journal of Research in Science Teaching,1990）。
Kozma和Russell(1997)讨论了化学专家与化学系本科生在面对不同的外在表征时（录像、图形、动画片和方程等）的反应，结果表明，专家利用多重媒介，以深层次的知识分类表征，而新手用同一媒介，以表面特征分类表征；在多种外部表征之间的转化中（如方程转换成图形），专家比新手好（注：Kozma R B,Russell J.Multimedia and understanding:expert novice responses to different representation of chemical phenomena.Journal of Research in Science Teaching,1997）。
黄巍(1994)研究了大学生中优差生解决有机合成的问题表征差异，结果表明，大学生解决有机合成问题的表征有三种：符号表征、方法表征和机理表征。优生能灵活运用三类表征，特别是运用机理表征抓住问题的关键，进而采用方法和符号表征解题；差生停留在符号和方法表征上，较少采用机理表征。他提出表征的分类具有层次性，符号表征处于知识的最低层次，机理表征是知识的最高层次，最有概括性（注：黄巍.优差生解决有机合成的问题表征差异及其影响因素.心理科学，1994.4）。
程萍、李广洲等认为化学问题的表征从形式上看可以简单地分为两种：一种是内在表征，即在头脑中考虑问题；另一种形式是外在表征，即将问题以文字、图表、模型等具体的东西表示出来。外在表征以内在表征为基础，具体地可以把化学问题表征分为：用语表征、图表表征、模型表征、数学表征、实验表征五种形式（注：程萍，李广洲.浅谈化学问题的表征形式.化学教学，2001.2）。李广洲、任红艳等在研究高中学生解决计算类化学问题的表征时提出，在计算类化学问题解决中，问题解决者的表征系统虽然很复杂，但在实际的研究操作中可以而且能够划分为如下的表征层次：文字表征、具体表征、抽象表征、形象表征和数学表征。这种表征是一种动态结构（注：李广洲，任红艳.高中生解决计算类化学问题的表征及其与策略关系的研究.心理发展与教育，2001.3）。
从以上研究我们可以看出，化学问题解决中的表征，也应该分出表征的类型和表征的层次。参考表征类型和层次的一般研究成果，结合化学问题解决中的已有研究，我们认为可以将化学问题表征分成有一定层次的外在表征和内在表征。其中外在表征主要有言语、符号、图解或模型等，其中可能会有一些细微区别。言语和符号是使用最频繁的外在表征方式，图解或模型使用的相对少些，但可能更直观。内在表征有概念、原理和数学表征等；它们与外在表征不在一个水平，抽象程度更高。其中，概念表征的使用会更多，数学表征的使用会相对少些。一般专家使用深层的概念和原理表征，新手倾向于使用基于表面特点的外在表征。
三、化学问题表征的研究对化学教学的指导意义
教师应当了解不同的表征在教师与学生之间的差异，力求教学与学生学习的有效结合。
1.图形、图解等外在表征在教师与学生之间会产生差异
图形、图解等外在表征对每个人所产生的意义不同。教师可以看成是中学化学学习的专家，他们与学生的表征水平受背景知识的影响，可能差异很大。在进行外部表征时，一般以量化或原理化的方式解释图形、图表或模型的意义。比如：化学反应速率和化学平衡图像、物质结构模型、有机结构模型。但学生不一定能和教师达到相同的表征水平，他们可能更关注这些直观表征的表面特征，而不能从原理或结构角度进行恰当地解释。因此，在教学中，教师应当将外在表征的典型特点适当地标示出来，引起学生的注意，同时还要将其与一定的规律性解释相连，建构外在表征与内在表征的关系，帮助学生形成知识间的联系。
2.教师与学生在言语和符号的使用上也会产生较大的差异
教师是经过专业训练的专家，能对化学事实、概念和原理用比较清晰和专业化的术语表达，力求表达科学和准确。而且，教师的化学符号运用已经达到自动化的水平，可以自如地表征各种化学内容。而学生是化学的新手，多数学生初中学习的化学知识有限，还存在很多不准确的前科学概念，在学习和问题解决中，随问题难度和复杂程度的增加，对语言和符号的需求程度会加大。化学语言和符号，不仅是一种交流的工具，也是一种化学概念或原理的表达方式。如：离子反映方程式、有机结构式、水解、氧化还原等。教师与学生对问题的自我解释可能会有很大不同。有时教师会用自己的语言和符号表征水平，判断学生对问题的理解程度，这时常出现一种现象，教师自己感觉讲得非常清楚、流畅，学生好像也听得很好，但测试和跟踪评价显示相当多的学生并没理解教师讲解的内容，掌握的情况与教师感觉相反。其实，是一种对问题表征水平不同的差异。因此，教师的教学，应该更注意学生的年龄特点、知识背景，用内外表征结合的方式阐述问题，使学生能够在教师有效的信息揭示下，实现问题信息的转化，建立正确的问题表征。
3.概念、原理和数学表征的使用是优、差生产生的重要原因
学习优秀的学生，在解决化学问题时，一般倾向于使用概念或原理等深层的问题表征方式，并在解决问题中，根据原理提供的线索，进行正向推理，快速求得问题的解决。而多数差生，只能从问题的表面特征出发，根据问题的字面含义，尝试性地从结果逆推过程，经常出现反复，这主要是其表征不正确的结果。要加强教学的针对性，就必须帮助学生实现由表面到原理的表征转化，这种转化，需要学生有更丰富和结构化的学科知识作为保证。因此，加强类型题的讲授、通过实验学习化学、进行类比学习等，都是一种有效学习的方式。
教师应该鼓励学生使用多种学习方式，并在自己的教学中将不同的表征方式有机地导入教学之中。由于教师与学生在问题表征上的差异，教师的角色应当定位在引导学生的思考上，而不是决定学生的思考方式。在具体教学中，教师应当鼓励学生留下自己的解题过程，用自己的语言表达化学概念或事实，能自我解释自己的思考过程，能经常对解决问题的过程提出不同的看法，列出详细的步骤和策略等，这都将有助于学生问题解决能力的提高。
综上所述，学生如果只能在符号或图像等外在表征层面不断地努力捕捉各种概念和操作的方式、顺序、规律，而忽视原理等深层的表征，要获得学习的成功是非常困难的。相对的教师若不能让思考回归学生，就不能从学生角度解释教学的问题和相关的概念、原理等，也就难实现教学的实效性和针对性，教学可能会变成一种符号的操作，失去教育的功能。