鲁欢欢 毕华林

摘要： 化学教学致力于促进学生对概念的理解和提高学生的问题解决能力。但在实际教学中，由于二者本身的复杂性和教师认识的偏差，教学的重点往往演变成使学生记忆具体的知识和方法以及训练学生解题的熟练程度。辨析了二者之间的关系，阐述了基于问题解决测查学生概念理解的基本要求，为化学教师进行概念理解的教学和测评提供参考。

关键词： 问题解决; 概念理解; 化学教学

文章编号： 10056629（2020）12007906

中图分类号： G6338

文献标识码： B

概念理解是化学教学的主要任务之一，学生掌握化学概念的水平影响着他们对化学问题的推理和判断。在制定教学目标时，教师都期望学生能够真正理解化学概念而不仅仅是记住概念的定义。但在测评教学效果时，许多题目只是测查学生记忆事实的能力;同时，很多学生不是基于概念理解去解决问题，而是依据记忆的程序和方法。问题解决与概念理解究竟是什么关系？如何基于问题解决测查学生的化学概念理解？

1概念理解与问题解决的特征

1.1概念理解

广义上，理解是指揭示事物本质的过程。理解一个概念就是要清楚概念的内涵（概念反映的事物的共同关键特征）和外延（概念适用的范围）[1]。在科学教育领域，研究者对“理解”的特征有着更为具体和深刻的认识。

第一，整体性。实现真正的理解意味着学习者所获得的知识是一个结构化的、整合的、有内在联系的框架结构，而不是孤立的、碎片化的知识片段。塔尔斯马（Talsma）认为，理解是知识积累与知识整合的相互作用[2]。如图1所示，模式A代表一个理解力差、知识间

联系是零散的学习者。模式C代表积累了一些知识，但这些知识是不连贯的学习者。模式B代表一个理解力一般，但这些知识是连贯的学习者。模式D代表一个知识丰富，并且知识整合、结构化程度高的学习者，该学习者发展了真正的、有意义的理解。

第二，可迁移性。理解最终并不是在学生头脑中形成一个静态的知识网络结构，理解的最终目的是要促进迁移，学生能够实现将所学的知识迁移到陌生、真实、甚至是令人感到困惑的情境中去。加德纳（Gardner H.）认为，当一个学生在课堂上证明他已经掌握了某种物理法则、几何证明或历史概念，那么期待他在新情境中去应用是合情合理的。如果测试环境稍有变化，学生就表现出无能为力的话，这说明“理解”并未发生[3]。在实际教学中，许多学生能够记住和描述概念的定义，能够熟练地解决课本上的典型例题和练习册中的简单变式，但是当他们遇到真实情境的问题时，却不能将所学的概念与情境相联系，不能应用所学的知识解决实际问题，这意味着这些学生并未真正理解这些概念。

第三，思维性。理解过程是一个积极的思维活动过程，理解的实现要面临思维的挑战。正如布鲁纳（Bruner）所言，理解“超越信息本身”。理解不是学习者死记硬背、反复操练固有知识的机械行为，而是对新信息进行辨别、分析、综合、概括和推论等思维活动。例如，化学平衡中的勒夏特列原理，学生记住了“如果改变平衡的一个条件，平衡就向能够使这种改变减弱的方向移动”并不代表学生能够理解它，是否理解需要看学生能否根据浓度、温度、压强等具体条件的变化来推断平衡的移动方向。后者是学生通过思考得出的推论，需要通过证据证明它是有效的，而前者只是通过定义检验出它是正确的。

此外，作为一门在分子、原子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的学科，化学学科中的理解与学生的宏观、微观和符号表征水平有关。学生需要具备从宏观（现实世界的物质或现象）、微观（原子、分子、离子、结构等）和符号（化学式、化学方程式）水平进行解释和描述，以及在三种表征水平之间建立适当联系的能力。例如，在认识“氢气燃烧”时，学生通过从宏观（氢气和氧气在点燃的条件下生成水，产生淡蓝色火焰）、微观（氢气和氧气反应的微观过程）和符号（2H2+O22H2O）三个水平的表征实现对“氢气燃烧”这一化学反应的深刻理解。

1.2问题解决

问题解决可以被简单地定义为：“当你不知道该做什么的时候，你做了什么”[4]。现代心理学研究表明，无论简单或复杂、具体或抽象，每一个问题都是由3个成分构成： （1）给定状态： 一组已知的关于问题条件的描述;（2）目标状态： 关于构成问题结论的描述;（3）阻止给定状态转变为目标状态的障碍。影响问题解决的因素有哪些？或者说，如何跨越障碍，使问题得到有效的解决呢？

首先，对问题进行有效的心理表征。在开始问题解决活动之前，问题解决者必须对问题进行“理解”，即根据当时的情境或者问题表述以及个体先前的知识在头脑中建构出某种对问题的表征[5]。问题表征的方式和程度会影响问题解决的进程。譬如，在判断量筒、容量瓶等仪器的读数误差时，通过画图再现读数时的场景比单纯在头脑中想象以及记住“仰小俯大”的结论更能确保结果的准确性;对于化学平衡体系中物质浓度的计算等信息量较大的问题，采用图示的方式将解题流程和思路外显，明确已知是什么？未知是什么？已知与未知之间的联系是什么？可以提高学生信息加工的能力，降低机械记忆的负担，从而集中更多的心理能量对问题进行深入的思考，使问题解决成功进行。

其次，采取适当的问题解决策略。问题之所以为问题，是因为它存在着一个你想达到的“目标”，但是你还不知如何才能达到目标，因此，选择合适的策略对问题解决非常重要。常见的化学问题解决策略有[6]： （1）类比策略： 问题解决总是以已有的知识经验为基础，类比策略即通过将新问题与已有知识经验中的相似问题建立联系使问题得以解决;（2）分解策略： 对于一些复杂的问题，往往难以直接找到问题解决的思路，分解策略则是将问题的目标状态分解为相互联系并具有一定层次结构的子目标，通过子目标的實现使问题得到解决;（3）逆推策略： 即从问题的目标状态出发，逆向推理，逐步缩小目标状态与给定状态之间的差距;（4）探究策略： 对于一些复杂的问题，解决者往往难以利用已有知识经验直接获得目标状态，需要通过对问题进行分析，提出假设，收集能够证实假设的证据并对所获证据进行整理概括，最终使问题得以解决。

最后，开启元认知监控。认知心理学家认为，问题解决是一种以目标为定向的搜寻问题空间的认知过程，需要运用一系列的认知操作技能才能实现。对问题解决过程中的认知活动进行有效的监控可以提高问题解决的效率。譬如，在问题解决的初始阶段，反思自己对问题的表征是否合理和全面、考虑可选择的策略并预期可能的结果等;在问题解决过程中，反思每一步操作的目的、到目标状态的距离，从而及时修正和调整认知策略;当问题得到解决时，思考为什么这样解决问题是有效的、是否还有其他更好的方法来解决问题，以及如何验证所得结果的正确性等。研究表明，问题解决能力强的学生一般都具有较强的元认知监控能力和元认知监控习惯。

2概念理解和问题解决的关系

在对学生概念学习和问题解决的研究中，努任伯恩（Nurrenbern）和皮克林（Pickering）区分了两种不同的推理方式，分别是算法的（algorithmic）和概念的（conceptual）[7]。算法的推理是指学生通过记忆一系列程序来解决问题，概念的推理强调的是学生运用对核心概念的理解以解决问题。两种推理方式不是截然对立的，也不存在哪种推理更高级之说，但是区分二者可以帮助我们进一步认识概念理解和问题解决的关系。

2.1基于概念推理的问题解决

学生头脑中存在的基本科学定义和原理的相关知识是影响问题解决的重要因素之一[8]。学生在解决问题时遇到困难，很多情况下是因为没有真正的理解概念。图2是加内特（Garnett）在调查学生对电化学概念理解时设计的问题[9]。解决这些问题学生需要建立在真正理解原电池概念的基础之上。比如，问题2学生不仅需要了解金属棒的导电功能，还需要明确电极材料与电极反应物之间的区别，知道电极材料并不一定参与电极反应。问题3和问题4学生需要理解氧化还原反应理论与原电池工作原理之间的联系，从而对原电池中电极的确定和电流的产生过程进行解释。问题5学生需要理解电解质溶液中发生的变化，解释盐桥的作用。需要注意的是，解决这些问题依靠的并不是电极材料、氧化还原反应、电解质、盐桥等这些看似没有联系的知识，学生需要将这些知识联系起来，形成以原电池为核心的、系统的和相互关联的知识结构。这样，学生对概念的理解就具有灵活性和可迁移性，当遇到复杂和陌生的情境时，能够更有效地识别问题与已有知识经验的联系，从而更有效地解决问题。

1 这个装置的用途是什么？

2 金属棒的目的是什么？它们总是参与反应吗？

3 如何确定一个电极是负极还是正极？

4 你能解释一下电池是怎样产生电流的吗？

5 你能告诉我溶液中发生了什么吗？盐桥有什么作用？

研究表明，专家的知识是围绕重要概念而联系和组织起来的，它“有条件地”指明了知识可使用的场所，能够支持理解和迁移，而不仅仅是记忆能力[10]。

2.2基于算法推理的问题解决

在问题解决过程中，运用算法的推理方式有可能是因为学生在理解概念的基础上形成了一些结构良好的算法推理模式，但更多的情况下是因为学生仅仅机械地记住了解决问题的一系列程序。问题解决特别是常规性问题的解决，学生既可以通过对概念的理解，也可以通过记忆一系列程序来实现。现有教学环境中，学生面对的问题大多都能通过识记必要的事实性知识和解题程序来解决。例如，图3是我们最熟悉的原电池测试题，它和图2中问题的情境相似，都为学生提供了一个双液原电池装置。但是，学生正确作答图3中的题目可以建立在记住正负电极的反应类型、阴阳离子的移动方向、电子的转移方向等事实性知识、“活泼性较强的金属为负极”等規律性知识以及书写电极反应式等程序性知识的基础之上，因此，解决了该问题并不一定意味着学生真正理解原电池中电流产生的原因和过程。

有关如图所示原电池的叙述正确的是（）。

A 电子沿导线由Cu片流向Ag片

B 正极的电极反应式是Ag++e-Ag

C Cu片上发生氧化反应，Ag片上发生还原反应

D 反应时盐桥中的阳离子移向Cu（NO3）2溶液

研究表明，学生经常在不理解化学的情况下学习如何解决化学问题，他们虽然记住化学概念的定义，使用化学术语，却没能真正理解，在教学之后仍然存在误解，也无法将这些概念形象化[11]。因此，通过题海战术与教师的总结归纳，学生往往能掌握一类问题的求解思路和方法，从而解决问题，但这并不能作为学生真正理解科学概念的直接证据。

3基于问题解决测查学生概念理解的基本要求

由于概念理解和问题解决的复杂性，很多情况下学生虽然可以给出问题的正确的解答，但难以证明其对所学概念是真正理解的，可能还隐藏着一些对概念的模糊认识。当前学校教育中，问题解决依然是测查学生概念理解的重要途径。为提高测查的科学性和准确性，基于问题解决测查学生的概念理解应注意哪些要求呢？

3.1分析概念结构，明确概念的标准属性

理解一个科学概念，不仅需要了解概念本身的内涵，还需要明确概念的结构，即概念的构成要素以及要素间的联系。特征表说（Feature List）是重要的概念结构理论之一，该理论将概念看作代表享有共同特征的人、物体、时间或观念的符号。根据特征表说，概念是由事物的各种有关特征和联合这些特征的规则两方面因素组成[12]。这些共同特征是判断其他对象是否属于该类别的重要标准，因此也被称为标准属性（attributes）。奥苏贝尔指出，概念学习就是掌握概念所有的标准属性，学生掌握的标准属性越多，对概念的理解就越深入。

从最基本的意义上说，测查学生概念理解就是要了解学生掌握了多少概念的标准属性。学生只是记住概念的名称和定义，没有掌握概念的标准属性，不能算作真正理解了概念。因此，在强调理解概念内涵的前提下，必须重视概念的标准属性的学习和考查。测查学生的概念理解时，评估者首先需要对概念的结构进行分析，确定概念所内含的标准属性。以原电池概念为例，理解原电池需要“复杂但有组织”的知识结构，学生需要了解的有关原电池概念的标准属性见表1[13]。在编制测查问题时要努力涵盖这些标准属性，全面考查学生对概念标准属性及其相互联系的理解。

3.2重视推理过程，诊断学生的相异构想

在学习之前甚至是概念学习之后，学生头脑中都会存在一些与科学概念不一致的想法或观念，这些想法被研究者称之为相异构想。相异构想是学生头脑中对于概念的真实想法，测查学生的相异构想是评估学生概念理解的重要途径之一。在化学教育研究领域，研究者们通过开发相应的诊断工具调查了学生相关主题的相异构想[14]，识别了不同概念理解水平的学生具有的相异构想[15]，并了解了学生相异构想产生的可能原因[16]。

相异构想是因人而异的，它暴露于学生个体真实和独特的思维过程中。因此，诊断学生相异构想需要尽可能地捕捉学生在解决问题时的分析和推理过程。二段式（TwoTier）是通过问卷法诊断学生相异构想的有效方式。所谓二段式，即测试题目包括两个部分： 第一部分由问题和答案构成，第二部分给出选择的理由。如下列测试弱电解质概念理解的试题： “弱电解质HF在溶液中存在电离平衡： HFH++F-

，若加水稀释，HF在溶液中的数目（）A.变多，B.变少，C.不变。你的理由是。”仅凭第一段的选项很难判断学生是否真正理解了弱电解质的电离平衡以及是否认识到水的加入对HF电离平衡的影响。通过设置第二段的开放式问题，不仅可以了解学生能否从离子碰撞几率的角度解释HF数目减少的原因，还能够了解学生头脑中存在的相异构想。测查结果发现，学生存在“因为是平衡状态，所以HF数目不变”“H+与水电离出的OH-结合，平衡正向移动”“F-不变，所以HF不变”等相异构想。

3.3还原真实情境，获得学生有效迁移的证据

在常规的教学和评估中，学生所遇到的问题大多是经过简化的和高度结构化的，包括一些明显的线索和提示、有正确的路径和标准的答案，但是在这样的问题中缺少真实情境所应有的困难和挑战，而这些恰恰是激发和评估持久理解的恰当手段[17]。真实情境问题一般来说是结构不良的，初始状态混沌，问题解决所需要的条件往往是含糊不清或模棱两可的，使人难以直接清楚地认识到，需要个体到情境中去识别[18]。

概念理解具有可迁移性，对概念实现真正理解的学生，能够在陌生、真实和令人困惑的情境中应用概念解决问题。测评概念理解需要将脱离情境的简化训练转变为真实情境中的问题解决，学生需要思考哪些知识和技能能够用来解决问题，并且从复杂和干扰的情境中寻找合适的解释和方案。例如，许多学生都知道气体受热，体积会发生膨胀。但他们是否理解了气体体积膨胀的原因呢？通常情况下，测试一般会通过文字表述题的形式给学生提供一些选项，如： （A）组成物质的粒子变大;（B）组成物质的粒子之间的距离增大;（C）组成物质的粒子数增多，让学生直接选择物质受热膨胀的原因。与上述文字表述题相比，设置“以肥皂膜套住空口瓶的瓶口，将瓶子放在盛有热水的水槽中，瓶口会生成大的肥皂泡”的真实情境，提出“当肥皂泡变大时，瓶子中的空气粒子有何变化”的具体问题，将对物质微粒性认识的考察与现实世界的宏观现象建立起联系。学生首先需要识别这一现象背后隐藏的化学问题，再运用对物质微粒性概念的理解推理得到結果，因而能够更加有效和深入地测查学生对物质微粒性概念的理解水平。实际测试结果显示，真实情境题的答对率（37.9%）远低于文字表述题（73.8%）[19]，这说明很多学生虽然记住了物质微粒性的有关结论，但并没有真正理解物质的微粒性概念。

参考文献：

[1]林崇德等. 心理学大辞典（上卷）[M]. 上海： 上海教育出版社， 2003： 378.

[2][美]约瑟夫·克拉耶克， 夏琳·查尔内克， 卡尔·巴杰著. 王磊译. 中小学科学教学——基于项目的方法和策略[M]. 北京： 高等教育出版社， 2004： 42～43.

[3][17][美]格兰特·威金斯， 杰伊·麦克泰格著. 闫寒冰译. 追求理解的教学设计（第二版）[M]. 上海： 华东师范大学出版社， 2017： 55， 175.

[4]Overton T.， Potter N.， Leng C.. A study of approaches to solving openended problems in chemistry [J]. Chemistry Education Research and Practice， 2013， 14（4）： 468～475.

[5][英]兰·罗伯逊著. 张奇译. 问题解决心理学[M]. 北京： 中国轻工业出版社， 2004： 26.

[6][19]毕华林， 亓英丽. 化学教育新视角[M]. 济南： 山东教育出版社， 2004： 127～130， 81～82.

[7]Nurrenbern S.C.， Pickering M.. Concept learning versus problem solving： Is there a difference [J]. Journal of Chemical Education， 1987， 64（6）： 508～510.

[8]Lee K.L.， Tang W.， Goh N.， et al. The predicting role