关于解决化学平衡问题的初步研究，本文主要内容关键词为：化学平衡论文，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
化学平衡是基础化学中较难理解的概念。学习化学平衡能为学生以后学习和理解电离平衡、水解平衡、沉淀和溶解平衡、氧化与还原平衡等知识提供牢固的知识基础，有利于学生的完整知识结构的形成。在国外，虽然众多的化学教育研究工作者进行了大量的关于学生对化学平衡的错误理解的研究，但关于教学专家和新手解决化学平衡问题过程的研究却比较少见。国内关于化学平衡问题的研究主要集中于对具体平衡问题的解决方法和技巧的研究方面，基本上未涉及问题解决者的内在思维过程，更没有涉及教师和学生在解决问题过程中存在的差异。
化学反应速率和化学平衡是我国中学化学教材中的极其重要的基本理论知识，也是中学化学教学中教师难教、学生难学的内容。许多中学生不能熟练掌握并运用所学的化学平衡知识，遇到综合性问题时束手无策。与此同时，人们也发现少数优秀学生对化学平衡问题的解决得心应手。那么为什么会出现上述现象呢？优秀学生是如何解决化学平衡问题的呢？教师和学生解决化学平衡问题的过程有何不同呢？毫无疑问，探讨并解决这些问题，即探讨不同的问题解决者（教学专家和新手）在解决中学化学平衡问题的思维过程中存在的差异及其主要影响因素，并从中获得提高中学化学教学质量的有益的启示就显得很有必要了。
二、理论基础
问题解决是一种重要的思维活动。国内有人认为，化学问题解决的过程可以分为三个相互联系的环节：审题活动、解析活动和实际解决活动。但我们认为，M.L.Gick等人提出的问题解决过程的现代认知派模式更适合于对化学平衡问题解决过程的研究。这就是说，化学平衡问题解决的过程也可分为理解与表征、寻求解答、尝试应答和评价等相互联系的几个环节。（见图1）
图1 中学化学平衡问题的解决过程
这种心理机制强调中学化学平衡问题的解决过程不是线性的，问题解决者在寻求解答、尝试应答和评价阶段都可能对问题重新理解与表征。因此，问题的理解与表征是问题解决过程中的一个很重要的环节。问题的理解与表征是对问题信息的提取和理解的过程，也是对问题中的信息和被激活的问题解决者长时记忆中已有的客观信息进行选择性编码、组合和比较的过程。问题表征主要有两种结局：一种是图式激活，即将问题情境与解决者头脑中已有的解决问题的图式进行匹配，从而直接发现解决问题的合理操作方式，形成解决问题的策略，获得问题的答案；另一种是无图式激活，即没有现成的图式可以与目前的问题情境相匹配，通过信息点、信息片或已有的非直接相关图式的组合来尝试解决问题。
三、研究方法与程序
本研究旨在探讨教学专家和新手解决中学化学平衡问题时的思维过程特别是问题表征的差异，主要采用出声思维的个案研究方法，试图分析并找出影响化学平衡问题解决过程的主要因素。
1.被试
个案研究的样本有南京师大附中高二年级的学生9人，中学化学教师4人，共13人。另外，还有作为参照对象的南京师大化学与环境科学学院四年级的本科生6人，以及课程与教学论（化学）专业的硕士研究生5人。其中南京师大附中高二年级的学生分A和B两个层次。A层次学生的化学基础较好，教师在教学中对他们的要求略高；对B层次学生的教学要求和对一般省重点中学学生的教学要求基本相同。
被试中的4个中学化学教师在过去的几年中担任过《化学反应速率和化学平衡》这一章内容的教学工作，对于和本研究中的问题任务相关的知识非常熟悉，作为学科教学专家（FE）。南京师大附中高二年级学生有一定的化学知识基础，刚完成《化学反应速率和化学平衡》这一章内容的学习，尚未做过全面、系统的复习。本研究中的问题任务对于他们来说是新的，故作为新手（A层次为SA，B层次为SB）。
2.测试材料
根据测试目的和南京师大附中高二年级学生的具体学习情况，我们设计了口语报告问题任务（见附录）。
设计问题任务时主要考虑让被试进行出声思维，以反映不同的被试对相同的中学化学平衡问题的表征和解决思路。口语报告问题任务包括5个问题，前两个问题都是对可逆反应达到化学平衡时的标志的分析，这两个问题上下对应，可以让被试比较分析，同时也使被试适应出声思维的情境。第三个问题是运用Le Chatelier原理来解决问题，综合程度较高。第四个问题是对一个可逆反应达平衡时的混合气体的密度的计算，该问题中给出了对解决问题有干扰作用的多余的信息。如果被试能对其中的信息进行正确的选择并编码，则问题就能迅速而准确地得以解决；如果对题中的其他信息进行编码，问题也能解决，只是要花较多的时间，且解决过程中数学计算比较多，容易出错。第五个问题是简答型信息题，其中给出的重要信息是化学平衡常数的表达式（虽然化学平衡常数是中学化学不作要求的内容，但作为信息，学生是应该理解的），学生在对该信息进行正确编码的基础上才能解决该问题。设计此问题任务的用意是进一步了解被试解决化学平衡问题时的思维状况。其中问题四如下：
3.施测
施测前主试向被试说明研究测试的目的，以使被试没有任何精神负担。出声思维录音材料的获取，对于本研究是极为重要的。在进行出声思维的录音之前，主试向被试说清出声思维的要求，以取得他们的配合和支持。主试由研究者担任，在录音的过程中，主试根据不同被试的实际情况可作简短提示，以尽可能多地得到有关信息，了解被试的思维过程。
四、研究结果的处理及讨论
对研究中获得的出声思维录音磁带所记录的不同被试解决口语报告问题任务的录音进行整理、转译，进而编码并画出各个被试解决问题任务的行为图，逐个进行个案分析。下面以专家组的FE1、新手组的SB5和SA1解决口语报告问题四的过程为例进行个案分析和讨论。
1.出声思维录音的处理
专家FE1解决该问题的总时间为70秒，出声思维的录音记录见表1，问题解决行为图见图2。图中的数字编号和出声思维的录音记录编码内容相对应，其中第5步是主试的提示。
表1 教学专家FE1解决口语报告问题四的出声思维录音记录
图2 教学专家FE1解决口语报告问题四的问题行为图
新手SB5共用了40步解决这一问题（其中有12步是主试的提示），总时间为600秒。他的出声思维录音（节录）见表2，问题解决行为图见图3。图中的数字编号和出声思维的录音节录编码内容相对应。
表2 新手SB5解决口语报告问题四的出声思维录音（节录）
图3 新手SB5解决口语报告问题四的问题行为图（部分）
SB5在解决该问题的过程中并未明确问题的目标，而是利用问题中的数据和化学方程式，反复地尝试计算，且对混合气体的密度如何计算认识错误，计算过程中也多次出错。
2.问题表征
被试的出声思维录音记录和问题行为图表明，教学专家和新手（学生）对相同的中学化学平衡问题的表征存在明显差异，主要表现如下：
（1）对信息的编码不同 教学专家能迅速从所有信息中筛选出与问题解决密切相关的信息，忽略无关的信息，而新手则做不到这样，说明他们对信息编码的能力不同。如对上面的出声思维问题四，专家在对问题的目标（求密度）编码的同时，只对问题中的“质量”、“体积”、“温度”进行了编码，而基本上忽略了“转化率”这一信息；新手则容易先对“质量”、“转化率”和“化学方程式”加以编码。
（2）对信息的组合、比较不同 对信息进行组合是以一种有意义的方式将表面上看起来分散的信息整合到一起，对信息进行比较则是在新编码的信息和已贮存的信息之间建立联系。对不同信息的编码导致不同的信息组合和比较。
问题表征是对信息选择性编码、组合、比较的结果。在这里，我们可以明显地看出问题本身的陈述及问题解决者已有认知结构中的陈述性知识、程序性知识是信息的来源。
3.寻求解答和尝试应答
寻求解答和尝试应答是问题表征的两种主要结局。在教学专家的认知结构中已经贮存了许多问题解决的图式。如上述教学专家FE1对体积、温度的编码激活了克拉贝龙方程，而此问题的解决不涉及克拉贝龙方程，因此，可以这样推测，在教学专家的认知结构中，体积、温度和克拉贝龙方程结合成了图式（结构组块），而在计算密度的图式中包含计算体积的图式，图式之间相互嵌套，易于同时实现图式激活。这些图式既包含问题类型的知识，也包含解决问题的策略，对问题信息的编码可直接导致相关的图式激活，因此，形成的问题表征能直接输出问题解决的操作程序和方法，并在问题表征的基础上尝试应答。新手（学生）SB5的认知结构中没有现成的足够的解决问题的图式，甚至对一些概念、原理存在错误理解。因此，新手（学生）形成的初始问题表征只涉及到问题的表面信息，不能激活记忆中的相关知识或图式，需要在寻求解答的过程中，将一些零散的信息点、信息片或相关的图式不断组合，促使表征逐渐深化，才有可能发现问题解决的操作程序和方法，形成解决问题的策略，获得问题的正确答案。
显然，问题表征是上述问题解决的前提，而不论是问题表征阶段还是寻求解答、尝试应答阶段，都涉及到问题解决者已有的认知结构。教学专家和新手对相同的中学化学平衡问题形成的表征存在明显的差异，其根本原因是教学专家和新手在认知结构上有明显的差异。良好的认知结构既包含结构化的陈述性知识，也包含自动化的程序性知识。
4.评价
此处的评价是指问题解决者对自己解决问题活动的监控、反思、检验和调整。能否恰如其分地对自己的问题解决过程加以评价，在于问题解决者的反省认知水平的高低。如果问题解决者的反省认知水平较低，不能时时对自己的解决过程加以监控，那么就不能及时发现错误，调整思路，优化策略。新手SB5利用问题中的数据和化学方程式，反复尝试计算，而且目标不明确，最后是在主试不断提示下才得以完成问题的解决，显然，其反省认识水平较低，自己不能及时调整思路。而教学专家却对自己解决问题的过程有着较强的监控意识。
5.对高明的新手解决问题过程的分析
在研究中我们还发现，一些化学学习优秀的学生在解决问题的过程中表现突出。以南京师大附中高二年级的A层次学生SA1解决上述问题为例，他解决该问题的总时间为55秒，出声思维录音记录见表3，对应的解决该问题的行为图见图4。
表3 高明新手SA1解决报告问题四的出声思维录音记录
图4 高明新手SA1解决口语报告问题四的问题行为圈
由上图可以看出，该被试的问题行为图非常简捷。该被试一读完该问题就激活了自己认知结构中的相应图式——计算密度的公式和质量守恒定律。在此基础上对相关的问题信息（质量、体积）进行选择性编码、组合，迅速得出答案，紧接着又对自己的解决过程加以评价。这是在进一步对与问题有关的信息进行编码的基础上，从对各物质的状态进行编码的过程中确认自己运用质量守恒定律得出结论的合理性。显然，该被试对问题的表征是将问题中的信息与激活的可解决问题的相关图式相匹配，问题表征与尝试应答融为一体。与教学专家解决该问题的过程相比，该新手解决问题的过程更为简捷。专家激活的图式较复杂（如图式中出现了克拉贝龙方程），这样在匹配时就出现了多余信息的干扰。显然，该新手属于高明的新手（lntelligent Novice），不仅具备较完善的知识结构（关于密度和质量守恒定律的知识已经转化为自动化的程序性知识），而且也具有较高的反省认知水平。
5.结论与建议
上述研究分析表明，中学化学平衡问题解决的过程分为问题的理解与表征、寻求解答或尝试应答、评价等相互联系的环节是合乎教学规律的，其中问题表征直接影响到寻求解答或尝试应答，评价则是对整个问题解决过程的监控。中学学科教学专家和新手解决中学化学平衡问题的思维过程存在着明显的差异：教学专家在表征阶段对信息进行组合比较，并进行选择性编码，导致其内在的相应的问题解决图式迅速激活，从而发现解决问题的操作程序与方法。新手（B层次的学生）对问题的表面信息进行表征，加之缺乏适宜的问题解决图式，以致给问题解决带来困难，甚至出现错误。和新手（B层次的学生）相比，教学专家在问题解决的过程中有着较强的自我监控意识；和教学专家相比，高明的新手（A层次的学生）较少受到多余信息的干扰。产生这种差异的根本原因是教学专家和新手陈述性知识的结构化程度不同以及反省认知水平不同。
根据以上结论，我们提出以下建议：
首先，教学要有助于学生构建结构化的知识体系。良好的结构化知识体系应该既包含陈述性知识，也包含程序性知识；既要有关于概念、原理等是什么的知识，也要有关于怎么运用这些概念、原理的知识。这二者对于问题的解决都至关重要。对于问题解决教学来说，更为重要的是通过问题解决的过程使学生知识的结构化程度提高，即形成更多的意义组块乃至问题解决图式。同时让学生及时发现并纠正他们自己对概念的错误理解，在问题解决过程中促进其认识结构的完善。适当的练习能提高陈述性知识的结构化程度，促使某些陈述性知识和程序性知识的结合，并使程序性知识逐渐达到自动化的程度。当然，教学中关注学生的个别差异也尤为重要。
其次，教学应有助于培养学生的反省认知技能。在知识的学习过程中，反省认知表现在学习者能够对问题的材料意义提出问题、预期学习的困难、评价反馈、自我判断自己的进步及与目标的差距等方面。在问题解决过程中，问题解决者的反省认知具体表现在对问题的目标始终保持清楚的认识、预期问题解决中的困难、发现值得怀疑的解决步骤、就问题本身提出新的问题、及时纠正自己的错误等方面。显然，一定的反省认知技能对于知识的学习、问题的有效解决都甚为重要。反省认知技能的形成过程可以看做是一种学生学会学习、学会思维的过程。