韋躍洪 李梅 張潔|廣西壯族自治區(qū)玉林市第一中學

解題教學是化學教育的重要支柱，在問題解決的過程中處處充滿著理性的思考和精細的方法。隨著數(shù)字化、智能化程度的不斷提高，在實施“雙減”政策的背景下，解題教學和作業(yè)設計需由簡單的知識羅列與堆積、搞題海戰(zhàn)術，走向基于模式的識別發(fā)展學生思維、啟迪學生智慧。在實踐中，筆者試圖將模式識別方法引入高中化學解題教學及作業(yè)設計中，對模式識別的理論基礎、模式識別過程進行分析，建構基于模式識別的高中化學解題模型，并探討其對作業(yè)設計的啟示。

一、模式識別的理論基礎及解題模型建構

（一）理論基礎

模式識別的解題策略指在學習過程中，人們有意識地對所學知識進行加工，并以某種類屬存儲于大腦，一旦遇到新的問題，便先判斷當前問題屬于哪一類模式，然后與大腦中的類屬進行比較、匹配，最后抽取出相應的方法進行解題。現(xiàn)代認知心理學中有幾種理論可以解釋這種匹配得以實現(xiàn)的依據(jù)。

模板理論：認為人的大腦中存儲了大量的袖珍副本（模板），當外界刺激與已有模板得到較大程度的重疊時，模式識別便會發(fā)生。

原型理論：認為外界信息以原型的形式儲存在人的記憶中，原型包含了一種類別的主要特征，模式識別發(fā)生在外界刺激與已有原型的匹配度超過某個閾限之時。

特征理論：認為模式可以分解成很多小的特征單元，比如“苯”這個漢字在大腦中不是以模板的形式，而是通過更小的筆畫特征來儲存的，這樣一來，不同書寫形式的“苯”都可能得到識別，與“苯”相類似的漢字如“笨”也可能被錯誤識別，因而學生在書寫化學名稱“苯”時常會誤寫成“笨”。在特征理論中，特征提取與特征分析是模式識別的關鍵環(huán)節(jié)，因而在模式識別過程中，首先要對刺激的特征進行分析，然后將所提取的特征加以綜合后與長時記憶中存儲的各種特征進行比較、匹配，若匹配成功，則外部刺激就能被成功識別［1］。

拓撲理論：認為模式識別不是先分析特征，而是從整體上把握，即應從大范圍提取拓撲性質(zhì)［2］。

由此可見，拓撲理論與特征理論相對立，在整體和局部加工上存在爭議。必須強調(diào)的是，要較好地解釋模式識別，只應用這四種理論中的一種是不行的，而是需要根據(jù)實際情況，將其中的幾種結合。

（二）基于模式識別的高中化學解題模型建構

基于模式識別的高中化學解題模型是一個循環(huán)系統(tǒng)（如圖1所示），因為在化學解題中，存在內(nèi)部信息和外部信息相互流通的過程。譬如，在模式建立階段，解題者會將所建立的模式存儲在長時記憶中，為后續(xù)解題過程打下基礎，而后續(xù)的解題過程又是在不斷地完善模式。在模式識別的過程中，解題者需要從長時記憶中抽取模式與當前問題進行比較、匹配，若匹配不成功，則需要回到分析特征或模式建立階段，即考慮問題特征分析是否正確或長時記憶中是否有相應的模式，是否需要重新分析問題特征或建立新的模式。同樣，解題遷移的過程也與長時記憶中的信息有交流，若不能成功遷移，則可能需要重新進行模式識別或分析特征及修正模式等。需要強調(diào)的是，自我評價貫穿于整個解題過程。

圖1 基于模式識別的高中化學解題模型

1.模式建立

面對同一化學問題，不同的解題者會有不同的理解和表征，有的人能從長時記憶中快速提取到相關信息用于成功解題，有的人則會迷失在題目所給信息中而導致解題失敗。其原因在于學習者在長時記憶中所建構的模式不同，而建構良好的模式則有助于解題。模式建立可通過出聲思維法和文本分析法來實現(xiàn)。

出聲思維法是一種能將內(nèi)隱思維外顯化，并利用元認知能力促進問題解決能力提升的方法。出聲思維法要求學生在解題過程中用化學語言及符號努力向自己解釋。它能喚醒學生的思維，使其注意到問題特征等，從而引發(fā)執(zhí)行加工過程。具體操作如下：教師先選幾道同一類型的題目，進行解題或讓學生解題，在解題過程中，邊解題邊用錄音機把自己或?qū)W生的解題過程錄制下來，然后對錄音進行轉(zhuǎn)述，得到口語報告［3］，最后對口語報告進行分析得到該類題目的特征。相關案例如表1所示。

表1 “與氧化還原反應有關的化學計算題”解題口語報告及文字整理

在使用出聲思維法時，為了防止學生描述時邏輯混亂和解題時誤入歧途，教師可設計“思維導航問題”來引導學生，如化學計算類問題的“思維導航問題”可設計為：（1）反應物、產(chǎn)物分別是什么？（2）發(fā)生的化學反應屬于什么類型？（3）分別給了什么數(shù)據(jù)，回到與之有關的公式，能求出什么？（4）已知數(shù)據(jù)的物質(zhì)和待求物質(zhì)間存在怎樣的數(shù)量關系？

文本分析法則是通過對比幾道同一類型題目中的文字，找出其共同“字眼”，實現(xiàn)問題解決的方法。如“差量法”這一類題目，題干中往往有“減少了”或“增加到”等字眼，而利用“電子得失守恒法”的題目，往往含有“氧化、還原”等字眼。由上述兩種方法提取得到的特征和字眼，以“樣例—題目特征/所含字眼—解題方法”匹配表進行表征，便可得到某類問題的模式，對例1的表征可如表2所示。

表2 以匹配表表征例1

2.分析特征

模式建立為正確分析題目特征提供了“資料庫”，分析特征是對所建模式的應用和完善。不同的化學問題，具有不同的結構特征，因此解題者在面對一個新問題時，應先感知題目信息和理解題目情境，然后對所獲取的信息進行整合加工并表征，形成問題空間。如：“極值法”，其題目特征為“混合物，沒有給明確比例”；“最簡式法”，其題目特征為“混合物，最簡式相同，求原子數(shù)”。正確分析題目特征，可為準確進行模式識別“鋪路”。

3.模式識別

在分析題目特征的基礎上，我們還需要進一步對問題進行歸類，并將其與長時記憶中的已有模式進行比較和匹配，即進行模式識別過程。模式識別是解題成功遷移的前提。化學問題分為結構良好的問題和結構不良問題，對于結構良好的問題，可按常規(guī)的問題進行歸類和匹配，而對于結構不良問題，則可按問題域進行歸類和匹配。要強調(diào)的是，模式識別不是簡單的“套公式、套知識點”，而是教師引導學生在知覺與思維的交互作用下所進行的尋找解題路徑的過程。因而在此過程中，教師應給予學生足夠的時間和空間，允許學生大膽地對問題進行歸類和匹配。

4.解題遷移

解題遷移是模式識別的結果，是一種抽取模式用于解決當前問題的操作，要求解題者具有一定的洞察力和創(chuàng)造力。在解題過程中，解題者要檢索并調(diào)用長時記憶中的相關知識、策略（思想）和方法（經(jīng)驗）。

例2：在KCl、CaCl2、Ca(NO3)2形成的混合溶液中，c(K+)=0.2 mol/L，c(Ca2+)=0.5 mol/L，c(Cl-)=0.2 mol/L，則c(NO-3)=_________。

例2的題目特征為“已知多種離子濃度，求一種離子濃度”，應該用“電荷守恒法”進行解題，也就是說要成功解決該問題，需要解題者在化學學科思想守恒觀和微粒觀的統(tǒng)領下，調(diào)用宏觀概念“溶液”和微觀概念“離子”“電荷數(shù)”，以及溶液的電中性原則（即陰陽離子所帶電荷的數(shù)值相等），進行列式計算。

解題遷移是對模式的運用、完善和再創(chuàng)造的過程。為了能夠使解題遷移順利進行，教師可設計一些問題來引導學生，如：（1）題目特征是什么？（2）你是否曾經(jīng)解決過類似問題？（3）所用方法是否適合于當前問題，如果不適合，它們的區(qū)別在哪里？

5.自我評價

解題監(jiān)控和自我解釋是自我評價的重要內(nèi)容。自我評價并不只是存在于解題的最后一個環(huán)節(jié)，而是貫穿于整個解題過程中。解題監(jiān)控指解題者有意識地對解題活動擬定計劃、執(zhí)行計劃并適時作出調(diào)節(jié)和控制的過程。自我解釋指解題者對解題中的每一步能作出解釋，如：用的是什么化學原理和基本概念，為什么可以這樣解題，當前問題與曾經(jīng)解過的那道題相似程度如何，該方法是否適合推廣等。

二、基于模式識別的高中化學解題模型運用案例分析

（一）“元素（原子）守恒法”的運用

例3：將一定量的鋁、鐵混合物完全溶于200 mL 1 mol/L的H2SO4溶液中，再滴加0.5 mol/L的NaOH溶液至生成沉淀量最大，則此時消耗NaOH溶液的體積為（）

A.400 mL B.600 mL

C.800 mL D.1000 mL

分析：題目已知H2SO4的濃度和體積，可求出H2SO4的物質(zhì)的量，已知NaOH的濃度，所求是NaOH溶液的體積。該類題的題目特征是：題目中的物質(zhì)涉及多步化學反應，即題目中Al和Fe的轉(zhuǎn)化涉及多步反應。這類題目往往可以用“元素（原子）守恒法”來進行求解。用“元素（原子）守恒法”解題時需要回答兩個問題，即反應物中的元素（原子）去了哪里和產(chǎn)物中的元素（原子）從哪里來，關鍵在于“追蹤”元素（原子）的去向或“追問”其來源。也就是說，一定要搞清楚反應中的元素（原子）“跑”去了哪個產(chǎn)物中，或產(chǎn)物中的元素（原子）來源于哪個反應物。例3中，Al和Fe分別先與H2SO4反應得到Al2(SO4)3和FeSO4，H2SO4有可能有剩余，滴加NaOH溶液，Al2(SO4)3和FeSO4分別與NaOH反應得到Al(OH)3沉淀、Fe(OH)2和Na2SO4，剩余的H2SO4與NaOH反應得到Na2SO4和H2O。

由于題目已經(jīng)給了H2SO4的濃度和體積，可求出H2SO4的物質(zhì)的量，通過分析其反應的化學方程式及化學式，可得到數(shù)量關系：2NaOH～2Na+～Na2SO4～H2SO4。代入數(shù)據(jù)求得：n(NaOH)=0.4 mol，V(NaOH)=n(NaOH)÷c(NaOH)=0.8 L=800 mL。

（二）“方程組法”的運用

例4：標準狀況下的CH4和CO的混合氣體8.96 L，其質(zhì)量為7.60 g，則混合氣體中CH4和CO的體積分別是多少？

分析：題目已知CH4和CO的混合氣體的體積和質(zhì)量，所求是CH4和CO的各自體積，因而該類題的題目特征是：給了“兩個數(shù)據(jù)”（混合氣體的體積和質(zhì)量），求兩種物質(zhì)的體積或物質(zhì)的量、比值等。這類題目往往可用“方程組法”來進行解題?！胺匠探M法”主要體現(xiàn)的是數(shù)學的方程思想，即通過設元，尋找已知與未知之間的等量關系，構造方程或方程組，然后求解方程完成未知向已知的轉(zhuǎn)化（解題過程略）。

三、基于模式識別的高中化學解題模型對作業(yè)設計的啟示

（一）注重作業(yè)設計的過程性

作業(yè)具有實踐性，做作業(yè)是學生獲取知識、應用知識解決問題的經(jīng)歷，是學生生命成長中必不可少的一個“點”［4］。作業(yè)設計應改變只問結果不問過程的現(xiàn)狀，即要鼓勵學生樂于思考、勤于動手動腦，主動參與到解題活動中，通過建立模式、分析特征、模式識別和解題遷移來釋放自己的大腦、嘴巴和雙手，因此作業(yè)設計應注重過程性，體現(xiàn)解題方法的獲得過程。例如，教師可設計前置作業(yè)，使學生學會自己建立模式，而在課堂作業(yè)或課后作業(yè)中，則可在題目后設計問題引導學生基于模式識別進行解題，或讓學生用文字（語言）來描述整個解題過程。有研究表明，表達產(chǎn)生對學習過程的反思，當學習者能夠清晰地表達某個知識時，說明他已掌握該知識。

（二）跳出題海，設計典型作業(yè)

題海戰(zhàn)術的文化邏輯是熟能生巧，換句話說就是多做題就能拿高分?？墒?，“熟”真的能生“巧”嗎？一道題目做10次甚至20次，其效果一定比做1次或2次好嗎？有一個成語叫“過猶不及”，因此設計典型作業(yè)就顯得尤為重要。典型作業(yè)的文化邏輯是“一生二，二生三，三生萬物”，因而尋找其中的“一”或者教會學生尋找其中的“一”，就是教師在作業(yè)設計中必須考慮的首要問題。在作業(yè)設計中，教師可分析同類型題目的特征，在相同模式中選擇最具代表性的題目，并設計“題目特征是什么”“題目中有哪些字眼讓你想到解決該題目的解題方法”等問題，引導學生有意識地對題目進行歸類，從而為再次碰到同類型題目時能夠快速識別題目特征并成功解題打下基礎。

（三）尊重學生，設計分層作業(yè)

作業(yè)應是“關懷、德性”的，即應尊重學生的個性差異，“一刀切”只會扼殺學生的學習激情［5］。設計分層作業(yè)，其目的在于使每個學生都能交上作業(yè)，有機會成為更好的自己。因此在設計分層作業(yè)時，教師可把學生分為學困生、中等生、學優(yōu)生三類，根據(jù)各層級學生的中位學情設計相應的作業(yè)。學困生暫時不具備建立模式的能力，在解題方面表現(xiàn)較差，因此教師在給他們設計作業(yè)時，可在題目前展示“樣例—題目特征/所含字眼—解題方法”匹配表，使他們能夠在該表的指引下尋找解題方法。中等生具備建立模式的能力，因此教師可通過設計問題來引導他們自己建立模型，并在題目后面再設計一道拓展題，檢驗他們所建立的模型是否能用于解題。學優(yōu)生除了具備建立模式的能力外，在語言表達、邏輯思維方面也表現(xiàn)得很好，因此教師可讓他們在完成解題后，展示自己建立模式、分析特征、模式識別和解題遷移的過程，也可讓他們指導學困生或用文字把整個解題過程描述出來。

四、小結

古語云：萬變不離其宗。在高中化學解題教學及作業(yè)設計中，教師要注重培養(yǎng)學生“以類合類、以類拓類”的意識?；谀Ｊ阶R別建構高中化學解題模型有如下好處：從宏觀上看，有利于學生適應未來社會，尤其是人工智能社會；從中觀上看，有助于學生高階思維和心智模型的發(fā)展；從微觀上看，能引導學生在解題過程中發(fā)現(xiàn)“變”中的“不變”，通過發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)在規(guī)律，創(chuàng)造性地運用知識或者創(chuàng)造知識?？傊?，模式識別指導下的問題解決模型及作業(yè)設計，能使學生主動參與到模式建立的過程，弄清楚方法或思路產(chǎn)生的依據(jù)，從而有利于學生成長為創(chuàng)新型人才。