魯歡歡 畢華林

摘要： 化學教學致力于促進學生對概念的理解和提高學生的問題解決能力。但在實際教學中，由于二者本身的復雜性和教師認識的偏差，教學的重點往往演變成使學生記憶具體的知識和方法以及訓練學生解題的熟練程度。辨析了二者之間的關系，闡述了基于問題解決測查學生概念理解的基本要求，為化學教師進行概念理解的教學和測評提供參考。

關鍵詞： 問題解決; 概念理解; 化學教學

文章編號： 10056629（2020）12007906

中圖分類號： G6338

文獻標識碼： B

概念理解是化學教學的主要任務之一，學生掌握化學概念的水平影響著他們對化學問題的推理和判斷。在制定教學目標時，教師都期望學生能夠真正理解化學概念而不僅僅是記住概念的定義。但在測評教學效果時，許多題目只是測查學生記憶事實的能力;同時，很多學生不是基于概念理解去解決問題，而是依據(jù)記憶的程序和方法。問題解決與概念理解究竟是什么關系？如何基于問題解決測查學生的化學概念理解？

1概念理解與問題解決的特征

1.1概念理解

廣義上，理解是指揭示事物本質(zhì)的過程。理解一個概念就是要清楚概念的內(nèi)涵（概念反映的事物的共同關鍵特征）和外延（概念適用的范圍）[1]。在科學教育領域，研究者對“理解”的特征有著更為具體和深刻的認識。

第一，整體性。實現(xiàn)真正的理解意味著學習者所獲得的知識是一個結構化的、整合的、有內(nèi)在聯(lián)系的框架結構，而不是孤立的、碎片化的知識片段。塔爾斯馬（Talsma）認為，理解是知識積累與知識整合的相互作用[2]。如圖1所示，模式A代表一個理解力差、知識間

聯(lián)系是零散的學習者。模式C代表積累了一些知識，但這些知識是不連貫的學習者。模式B代表一個理解力一般，但這些知識是連貫的學習者。模式D代表一個知識豐富，并且知識整合、結構化程度高的學習者，該學習者發(fā)展了真正的、有意義的理解。

第二，可遷移性。理解最終并不是在學生頭腦中形成一個靜態(tài)的知識網(wǎng)絡結構，理解的最終目的是要促進遷移，學生能夠?qū)崿F(xiàn)將所學的知識遷移到陌生、真實、甚至是令人感到困惑的情境中去。加德納（Gardner H.）認為，當一個學生在課堂上證明他已經(jīng)掌握了某種物理法則、幾何證明或歷史概念，那么期待他在新情境中去應用是合情合理的。如果測試環(huán)境稍有變化，學生就表現(xiàn)出無能為力的話，這說明“理解”并未發(fā)生[3]。在實際教學中，許多學生能夠記住和描述概念的定義，能夠熟練地解決課本上的典型例題和練習冊中的簡單變式，但是當他們遇到真實情境的問題時，卻不能將所學的概念與情境相聯(lián)系，不能應用所學的知識解決實際問題，這意味著這些學生并未真正理解這些概念。

第三，思維性。理解過程是一個積極的思維活動過程，理解的實現(xiàn)要面臨思維的挑戰(zhàn)。正如布魯納（Bruner）所言，理解“超越信息本身”。理解不是學習者死記硬背、反復操練固有知識的機械行為，而是對新信息進行辨別、分析、綜合、概括和推論等思維活動。例如，化學平衡中的勒夏特列原理，學生記住了“如果改變平衡的一個條件，平衡就向能夠使這種改變減弱的方向移動”并不代表學生能夠理解它，是否理解需要看學生能否根據(jù)濃度、溫度、壓強等具體條件的變化來推斷平衡的移動方向。后者是學生通過思考得出的推論，需要通過證據(jù)證明它是有效的，而前者只是通過定義檢驗出它是正確的。

此外，作為一門在分子、原子層次上研究物質(zhì)的組成、結構、性質(zhì)及其變化規(guī)律的學科，化學學科中的理解與學生的宏觀、微觀和符號表征水平有關。學生需要具備從宏觀（現(xiàn)實世界的物質(zhì)或現(xiàn)象）、微觀（原子、分子、離子、結構等）和符號（化學式、化學方程式）水平進行解釋和描述，以及在三種表征水平之間建立適當聯(lián)系的能力。例如，在認識“氫氣燃燒”時，學生通過從宏觀（氫氣和氧氣在點燃的條件下生成水，產(chǎn)生淡藍色火焰）、微觀（氫氣和氧氣反應的微觀過程）和符號（2H2+O22H2O）三個水平的表征實現(xiàn)對“氫氣燃燒”這一化學反應的深刻理解。

1.2問題解決

問題解決可以被簡單地定義為：“當你不知道該做什么的時候，你做了什么”[4]。現(xiàn)代心理學研究表明，無論簡單或復雜、具體或抽象，每一個問題都是由3個成分構成： （1）給定狀態(tài)： 一組已知的關于問題條件的描述;（2）目標狀態(tài)： 關于構成問題結論的描述;（3）阻止給定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕藸顟B(tài)的障礙。影響問題解決的因素有哪些？或者說，如何跨越障礙，使問題得到有效的解決呢？

首先，對問題進行有效的心理表征。在開始問題解決活動之前，問題解決者必須對問題進行“理解”，即根據(jù)當時的情境或者問題表述以及個體先前的知識在頭腦中建構出某種對問題的表征[5]。問題表征的方式和程度會影響問題解決的進程。譬如，在判斷量筒、容量瓶等儀器的讀數(shù)誤差時，通過畫圖再現(xiàn)讀數(shù)時的場景比單純在頭腦中想象以及記住“仰小俯大”的結論更能確保結果的準確性;對于化學平衡體系中物質(zhì)濃度的計算等信息量較大的問題，采用圖示的方式將解題流程和思路外顯，明確已知是什么？未知是什么？已知與未知之間的聯(lián)系是什么？可以提高學生信息加工的能力，降低機械記憶的負擔，從而集中更多的心理能量對問題進行深入的思考，使問題解決成功進行。

其次，采取適當?shù)膯栴}解決策略。問題之所以為問題，是因為它存在著一個你想達到的“目標”，但是你還不知如何才能達到目標，因此，選擇合適的策略對問題解決非常重要。常見的化學問題解決策略有[6]： （1）類比策略： 問題解決總是以已有的知識經(jīng)驗為基礎，類比策略即通過將新問題與已有知識經(jīng)驗中的相似問題建立聯(lián)系使問題得以解決;（2）分解策略： 對于一些復雜的問題，往往難以直接找到問題解決的思路，分解策略則是將問題的目標狀態(tài)分解為相互聯(lián)系并具有一定層次結構的子目標，通過子目標的實現(xiàn)使問題得到解決;（3）逆推策略： 即從問題的目標狀態(tài)出發(fā)，逆向推理，逐步縮小目標狀態(tài)與給定狀態(tài)之間的差距;（4）探究策略： 對于一些復雜的問題，解決者往往難以利用已有知識經(jīng)驗直接獲得目標狀態(tài)，需要通過對問題進行分析，提出假設，收集能夠證實假設的證據(jù)并對所獲證據(jù)進行整理概括，最終使問題得以解決。

最后，開啟元認知監(jiān)控。認知心理學家認為，問題解決是一種以目標為定向的搜尋問題空間的認知過程，需要運用一系列的認知操作技能才能實現(xiàn)。對問題解決過程中的認知活動進行有效的監(jiān)控可以提高問題解決的效率。譬如，在問題解決的初始階段，反思自己對問題的表征是否合理和全面、考慮可選擇的策略并預期可能的結果等;在問題解決過程中，反思每一步操作的目的、到目標狀態(tài)的距離，從而及時修正和調(diào)整認知策略;當問題得到解決時，思考為什么這樣解決問題是有效的、是否還有其他更好的方法來解決問題，以及如何驗證所得結果的正確性等。研究表明，問題解決能力強的學生一般都具有較強的元認知監(jiān)控能力和元認知監(jiān)控習慣。

2概念理解和問題解決的關系

在對學生概念學習和問題解決的研究中，努任伯恩（Nurrenbern）和皮克林（Pickering）區(qū)分了兩種不同的推理方式，分別是算法的（algorithmic）和概念的（conceptual）[7]。算法的推理是指學生通過記憶一系列程序來解決問題，概念的推理強調(diào)的是學生運用對核心概念的理解以解決問題。兩種推理方式不是截然對立的，也不存在哪種推理更高級之說，但是區(qū)分二者可以幫助我們進一步認識概念理解和問題解決的關系。

2.1基于概念推理的問題解決

學生頭腦中存在的基本科學定義和原理的相關知識是影響問題解決的重要因素之一[8]。學生在解決問題時遇到困難，很多情況下是因為沒有真正的理解概念。圖2是加內(nèi)特（Garnett）在調(diào)查學生對電化學概念理解時設計的問題[9]。解決這些問題學生需要建立在真正理解原電池概念的基礎之上。比如，問題2學生不僅需要了解金屬棒的導電功能，還需要明確電極材料與電極反應物之間的區(qū)別，知道電極材料并不一定參與電極反應。問題3和問題4學生需要理解氧化還原反應理論與原電池工作原理之間的聯(lián)系，從而對原電池中電極的確定和電流的產(chǎn)生過程進行解釋。問題5學生需要理解電解質(zhì)溶液中發(fā)生的變化，解釋鹽橋的作用。需要注意的是，解決這些問題依靠的并不是電極材料、氧化還原反應、電解質(zhì)、鹽橋等這些看似沒有聯(lián)系的知識，學生需要將這些知識聯(lián)系起來，形成以原電池為核心的、系統(tǒng)的和相互關聯(lián)的知識結構。這樣，學生對概念的理解就具有靈活性和可遷移性，當遇到復雜和陌生的情境時，能夠更有效地識別問題與已有知識經(jīng)驗的聯(lián)系，從而更有效地解決問題。

1 這個裝置的用途是什么？

2 金屬棒的目的是什么？它們總是參與反應嗎？

3 如何確定一個電極是負極還是正極？

4 你能解釋一下電池是怎樣產(chǎn)生電流的嗎？

5 你能告訴我溶液中發(fā)生了什么嗎？鹽橋有什么作用？

研究表明，專家的知識是圍繞重要概念而聯(lián)系和組織起來的，它“有條件地”指明了知識可使用的場所，能夠支持理解和遷移，而不僅僅是記憶能力[10]。

2.2基于算法推理的問題解決

在問題解決過程中，運用算法的推理方式有可能是因為學生在理解概念的基礎上形成了一些結構良好的算法推理模式，但更多的情況下是因為學生僅僅機械地記住了解決問題的一系列程序。問題解決特別是常規(guī)性問題的解決，學生既可以通過對概念的理解，也可以通過記憶一系列程序來實現(xiàn)?，F(xiàn)有教學環(huán)境中，學生面對的問題大多都能通過識記必要的事實性知識和解題程序來解決。例如，圖3是我們最熟悉的原電池測試題，它和圖2中問題的情境相似，都為學生提供了一個雙液原電池裝置。但是，學生正確作答圖3中的題目可以建立在記住正負電極的反應類型、陰陽離子的移動方向、電子的轉(zhuǎn)移方向等事實性知識、“活潑性較強的金屬為負極”等規(guī)律性知識以及書寫電極反應式等程序性知識的基礎之上，因此，解決了該問題并不一定意味著學生真正理解原電池中電流產(chǎn)生的原因和過程。

有關如圖所示原電池的敘述正確的是（）。

A 電子沿導線由Cu片流向Ag片

B 正極的電極反應式是Ag++e-Ag

C Cu片上發(fā)生氧化反應，Ag片上發(fā)生還原反應

D 反應時鹽橋中的陽離子移向Cu（NO3）2溶液

研究表明，學生經(jīng)常在不理解化學的情況下學習如何解決化學問題，他們雖然記住化學概念的定義，使用化學術語，卻沒能真正理解，在教學之后仍然存在誤解，也無法將這些概念形象化[11]。因此，通過題海戰(zhàn)術與教師的總結歸納，學生往往能掌握一類問題的求解思路和方法，從而解決問題，但這并不能作為學生真正理解科學概念的直接證據(jù)。

3基于問題解決測查學生概念理解的基本要求

由于概念理解和問題解決的復雜性，很多情況下學生雖然可以給出問題的正確的解答，但難以證明其對所學概念是真正理解的，可能還隱藏著一些對概念的模糊認識。當前學校教育中，問題解決依然是測查學生概念理解的重要途徑。為提高測查的科學性和準確性，基于問題解決測查學生的概念理解應注意哪些要求呢？

3.1分析概念結構，明確概念的標準屬性

理解一個科學概念，不僅需要了解概念本身的內(nèi)涵，還需要明確概念的結構，即概念的構成要素以及要素間的聯(lián)系。特征表說（Feature List）是重要的概念結構理論之一，該理論將概念看作代表享有共同特征的人、物體、時間或觀念的符號。根據(jù)特征表說，概念是由事物的各種有關特征和聯(lián)合這些特征的規(guī)則兩方面因素組成[12]。這些共同特征是判斷其他對象是否屬于該類別的重要標準，因此也被稱為標準屬性（attributes）。奧蘇貝爾指出，概念學習就是掌握概念所有的標準屬性，學生掌握的標準屬性越多，對概念的理解就越深入。

從最基本的意義上說，測查學生概念理解就是要了解學生掌握了多少概念的標準屬性。學生只是記住概念的名稱和定義，沒有掌握概念的標準屬性，不能算作真正理解了概念。因此，在強調(diào)理解概念內(nèi)涵的前提下，必須重視概念的標準屬性的學習和考查。測查學生的概念理解時，評估者首先需要對概念的結構進行分析，確定概念所內(nèi)含的標準屬性。以原電池概念為例，理解原電池需要“復雜但有組織”的知識結構，學生需要了解的有關原電池概念的標準屬性見表1[13]。在編制測查問題時要努力涵蓋這些標準屬性，全面考查學生對概念標準屬性及其相互聯(lián)系的理解。

3.2重視推理過程，診斷學生的相異構想

在學習之前甚至是概念學習之后，學生頭腦中都會存在一些與科學概念不一致的想法或觀念，這些想法被研究者稱之為相異構想。相異構想是學生頭腦中對于概念的真實想法，測查學生的相異構想是評估學生概念理解的重要途徑之一。在化學教育研究領域，研究者們通過開發(fā)相應的診斷工具調(diào)查了學生相關主題的相異構想[14]，識別了不同概念理解水平的學生具有的相異構想[15]，并了解了學生相異構想產(chǎn)生的可能原因[16]。

相異構想是因人而異的，它暴露于學生個體真實和獨特的思維過程中。因此，診斷學生相異構想需要盡可能地捕捉學生在解決問題時的分析和推理過程。二段式（TwoTier）是通過問卷法診斷學生相異構想的有效方式。所謂二段式，即測試題目包括兩個部分： 第一部分由問題和答案構成，第二部分給出選擇的理由。如下列測試弱電解質(zhì)概念理解的試題： “弱電解質(zhì)HF在溶液中存在電離平衡： HFH++F-

，若加水稀釋，HF在溶液中的數(shù)目（）A.變多，B.變少，C.不變。你的理由是?！眱H憑第一段的選項很難判斷學生是否真正理解了弱電解質(zhì)的電離平衡以及是否認識到水的加入對HF電離平衡的影響。通過設置第二段的開放式問題，不僅可以了解學生能否從離子碰撞幾率的角度解釋HF數(shù)目減少的原因，還能夠了解學生頭腦中存在的相異構想。測查結果發(fā)現(xiàn)，學生存在“因為是平衡狀態(tài)，所以HF數(shù)目不變”“H+與水電離出的OH-結合，平衡正向移動”“F-不變，所以HF不變”等相異構想。

3.3還原真實情境，獲得學生有效遷移的證據(jù)

在常規(guī)的教學和評估中，學生所遇到的問題大多是經(jīng)過簡化的和高度結構化的，包括一些明顯的線索和提示、有正確的路徑和標準的答案，但是在這樣的問題中缺少真實情境所應有的困難和挑戰(zhàn)，而這些恰恰是激發(fā)和評估持久理解的恰當手段[17]。真實情境問題一般來說是結構不良的，初始狀態(tài)混沌，問題解決所需要的條件往往是含糊不清或模棱兩可的，使人難以直接清楚地認識到，需要個體到情境中去識別[18]。

概念理解具有可遷移性，對概念實現(xiàn)真正理解的學生，能夠在陌生、真實和令人困惑的情境中應用概念解決問題。測評概念理解需要將脫離情境的簡化訓練轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵡榫持械膯栴}解決，學生需要思考哪些知識和技能能夠用來解決問題，并且從復雜和干擾的情境中尋找合適的解釋和方案。例如，許多學生都知道氣體受熱，體積會發(fā)生膨脹。但他們是否理解了氣體體積膨脹的原因呢？通常情況下，測試一般會通過文字表述題的形式給學生提供一些選項，如： （A）組成物質(zhì)的粒子變大;（B）組成物質(zhì)的粒子之間的距離增大;（C）組成物質(zhì)的粒子數(shù)增多，讓學生直接選擇物質(zhì)受熱膨脹的原因。與上述文字表述題相比，設置“以肥皂膜套住空口瓶的瓶口，將瓶子放在盛有熱水的水槽中，瓶口會生成大的肥皂泡”的真實情境，提出“當肥皂泡變大時，瓶子中的空氣粒子有何變化”的具體問題，將對物質(zhì)微粒性認識的考察與現(xiàn)實世界的宏觀現(xiàn)象建立起聯(lián)系。學生首先需要識別這一現(xiàn)象背后隱藏的化學問題，再運用對物質(zhì)微粒性概念的理解推理得到結果，因而能夠更加有效和深入地測查學生對物質(zhì)微粒性概念的理解水平。實際測試結果顯示，真實情境題的答對率（37.9%）遠低于文字表述題（73.8%）[19]，這說明很多學生雖然記住了物質(zhì)微粒性的有關結論，但并沒有真正理解物質(zhì)的微粒性概念。

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