学科问题解决是问题解决研究的重要领域，其中化学学科的问题解决研究仍较少，化学实验问题解决研究就更少。本研究采用活动任务分析法和心理模拟法探讨了中学化学实验问题解决的心理机制，得出初步结果，并通过现场研究方法分析概括出影响实验问题解决的主要因素。

1、问题提出

问题解决是心理学研究的热点问题，现代认知心理学甚至将其作为重要的领域和研究方向，而学科问题解决又是问题解决研究的重要分支。很多心理学家也认为，研究问题解决最有希望的做法是把重点放在专门学科问题解决的逻辑推理与策略上。在数学、物理等领域内的问题解决研究比较早，而化学领域内的研究相对比较晚且研究成果少，作为化学问题解决中的重要类型之一的实验问题解决的研究则少之更少。另外化学实验是化学学科及其教学的基本特征。化学实验问题解决能力是学生化学科学能力的重要构成之一，也是化学教学中实施科学素质教育的主要任务。因此本研究探讨中学化学实验问题解决的心理机制及其影响因素，对于教育心理学中的一般问题解决研究以及科学教育的实践都具有积极意义。

2、理论构想

问题解决是一种高级智力活动过程。根据已有的研究，问题解决的心理历程可分为认知课题、表征课题、联想与匹配及反思结果四个相互联系的环节。影响这四个环节运行的因素有客观因素和主观因素，其中主观因素是根本因素，主要包括知识总量、知识储存的方式和思维策略三个方面（张大钧等，1998）。现代学科问题解决研究的方法通常采用口头报告法或专家与新手的对比来进行，其中对比研究发现，不同水平的问题解决者在问题解决中表现出较大的差异。这些差异表现在课题表征、知识结构和思维策略三方面上。

图1 化学一般问题解决的心理机制

我国学者冯忠良教授指出心智技能是问题解决的重要调节机制，并把心智技能的形成概括为原型定向、原型操作、原型内化三个阶段。冯教授创造性地把心理模拟法用于小学语文文意概括与写作构思、小学数学解题活动、初中物理受力分析等学科问题解决研究中，成功地进行心智技能的培训。心智技能的训练与形成过程，就是学科问题解决能力形成的过程。心理模拟法为学科问题解决提供了新的思路和方法。

我们已有的关于一般化学问题解决的心理机制的研究表明（王磊，1998），化学问题解决过程分为三个相互联系的环节：审题活动、解析活动、实际解决活动。相应的化学基础知识、问题类型结构知识及有关的策略性知识在问题解决活动中发挥定向调节作用，各活动环节相对应的高级心智技能（自动化的程序性知识）对问题解决起执行调节作用（如图1所示）。

在化学一般问题解决的心理机制的基础上，我们利用活动分析法和心理模拟法进一步研究并提出化学实验问题解决的心理机制（如图2所示）。它由五个相互联系的环节构成，即问题表征、问题解析、设计实验方案、实施实验方案、检验，反思与调整，其中问题解析、设计实验方案、实施实验方案是中心环节，而检验，反思，与调整环节在问题解决活动中起着非常重要的作用，直接决定问题解决的质量与速度。图中的原型匹配是子任务的进一步解析，代表一类具体实验问题解决的基本模式。我们认为影响中学化学实验问题解决的主要主观因素有：化学基本实验技能、化学基础知识（陈述性知识）、程序性知识、策略性知识，而学生头脑中储存的各类实验问题解决活动的原型在问题解决过程中的地位举足轻重。

图2 化学实验问题解决的心理机制

3、研究方法

 为进一步探讨中学化学实验问题解决的心理机制，我们采用实验活动测试方法进行研究，通过实验、分析在问题解决各环节中的影响因素，探查学生化学实验问题解决的情况及存在的问题。

（1）被试  该测试随机抽取40名刚升入北京师范大学化学系的学生，他们刚完成中学化学教育，尚未接受任何大学化学教育。这些学生来自山东、河南、河北、湖北、四川等十几个省市，年龄范围在18到20岁之间。

（2）测试内容及形式  测试采用个体实验室活动的测查方式，每个被试独立完成一项实验活动，包括设计实验方案和实施实验方案。使被试身处真实而未知的实验问题情景中，促使他们运用自己已有的知识、技能、策略“真正”地解决“真实”而较“综合”的实验室问题，从而探讨被试的化学实验问题解决的心理机制。具体实验测试题目如下：

    题目一： 固体粉末的混合物中可能含有氯化铵、氯化钠、氯化钡、硫酸钠，请你鉴定该混合物的组分，并选用适当的试剂合成一种新的固态化合物，要求它含有混合物组分中具有的一种阳离子。请写出思考过程及设计方案并实施该实验方案。

    题目二：已知一种物质的分子式为Na₂ZnO₂，请你利用已有的化学知识，选用适当的试剂探究它的化学性质并合成此化合物。请写出思考过程及设计方案。

     题目三：称取5克氯酸钾和1克二氧化锰制取氧气，用排水集气法收集气体。然后选用适当的药品探究氧气的化学性质。请写出思考过程及设计方案。

题目四：已知一种有机物有三种官能团，分子式为C₇H₆O₃，请你用化学实验方法确定它的可能结构式。请写出思考过程及设计方案并实施该实验方案。

（3）测试程序  施测前主试向被试说明测查的目的，使被试没有任何精神负担，表现真实的自我解决实验问题的情况，然后被试抽取测试题目，共有四种测试题（如下所示）。被试先进行实验方案的设计，然后实施设计方案，要求写出思考过程。主试由中学化学教师和化学教学论的研究生担任。主试在观测记录的过程中，可随时向被试提问，以便了解学生的思维过程及采取的策略。

施测完毕，由研究者统一对被试的答卷及主试的记录进行整理、分析总结。

4、研究结果及讨论

    实验结果表明，被试在解决化学实验问题中的确经历五个环节：问题表征、问题解析、设计实验方案、实施实验方案、检验，反思与调整。但被试在各个环节中表现的水平不同，影响各环节的因素不同。

（1）关于问题表征与问题解析  对于问题表征，被试都能快速而正确地确定实验问题类型与任务实质，可见被试具备较清晰的实验问题的类型知识。

    问题解析测查结果反映，40名被试都对实验问题进行了解析。对于题目一，平均正确解析级数为三级，被试基本实现了顺利和正确的解析。反映出被试对于物质鉴别、分离及其转化类实验问题的解析、具有较自动化的程序性知识及相应的各种子任务的问题解决活动心智原型。对于题目二，平均正确解析级数为二级，被试在解析此题目时明显受到偏铝酸钠具有两性及其研究思路的原型类比正迁移的影响。对于题目三平均正确解析级数为二级，被试对于该实验问题一般只解析到物质制备，而对物质性质探究不能进行继续解析，而且被试在实验实施中普遍只完成了氧气的制备而没有顺利完成氧气性质的探究任务。此结果表明被试对于无机物性质研究类实验问题缺少问题解决程序性知识。对于题目四，被试大都实现了顺利解析，平均正确解析级数为二级，解析过程中他们显然受到有机物结构推断类习题原型的正迁移影响，具备了解答有机物信息给予题的程序性知识，因而能较顺利完成问题解析。

    总上结果，不难看出：1、问题解析是实验问题解决活动特别是综合实际问题解决的前提。2、问题解析活动中采用的思维策略为两种，算法式（系统分析）和启发式。算法式是逐个尝试解决问题的各种可能性，主要依据一般的逻辑推理。启发式是以选择式搜索解决问题，它受典型物质、典型问题情景及具体问题解决原型的影响。实验结果表明两种策略综合使用效果最佳。3、制约和影响解析活动结果的主要因素为：解析活动的程序性知识、各类实验任务的问题解决原型及具体的化学知识。

（2）关于设计实验活动方案  根据实验记录，被试在设计实验活动方案环节出现问题较多。有的被试在此思考很久，不知如何着手，有的被试边实验边设计。从设计结果看，大部分被试对设计实验方案没有基本的程序性知识，他们把操作步骤或思考过程就认为是实验方案。对于其中的路径分析，没有思考意识，只是理所当然地先进行什么，后进行什么，或者先进行对他们来说较容易或较熟悉的任务，不能选择和确定良好的完成各项子任务的顺序，更不能有机组合地完成各项子任务。如题目一中在检验钠离子时应先除去干扰的钡离子，而除去过程正好可作为合成新物质的过程，几乎没有被试采取此捷径。另外，对于各级子任务缺乏工作设计，例如：溶解固体样品应用什么溶剂；检验铵根离子是否存在，是向固体样品中加入氢氧化钠，还是向样品溶液中加入氢氧化钠；收集气体，应用什么装置，什么方法等等。被试在实验操作中表现出来的问题反映出他们没有作出良好的子任务设计。测查结果表明，被试普遍缺少进行实验设计的主动意识，而且缺乏实验设计的程序性知识和策略性知识，而这些正是此活动环节的主要影响因素。

（3）关于实施实验方案  整体来说，被试此环节的活动情况不能令人满意，主要表现在基本实验操作掌握程度较差，缺乏基本的化学实验常识及具体实验经验。

关于基本实验操作，被试的表现情况为：16人进行过滤操作，没有人能够比较规范地完成；三分之二的被试过滤器不会制作，而此操作是从溶液中提纯固态物质的关键操作。16个被试进行焰色反应鉴定金属离子，仅仅有一两个人知道确切的操作步骤，这是被试目前为止知道的鉴定钠离子的唯一方法。有些被试犯了荒谬的操作错误，如排水法集气不用水槽，选用大烧杯或水槽中不装水；使用天平称量一定量的药品，先放药品，后放砝码；相同材质的称量纸大小不一样等等。制备氧气的实验操作情况如下：

气密性检查与排水法集气是氧气制备中的关键操作，错误率高达45.5%和72.7%,可见制备氧气的操作完成得很不理想。

    被试缺乏基本化学实验常识。例如：溶解固体，配制溶液应用蒸馏水，16人中只有两人想到用蒸馏水，其他人想当然地用了自来水；溶解固体有机物，被试都用水，当发现在常温下不溶时，他们也没有想到溶解有机物应当用有机试剂；对于固体与固体反应，几乎全部被试没有把反应物混匀意识等等。这些都阻碍了实验的顺利进行，严重者则导致实验失败或者出现“异常”现象。

    总上结果，可得出如下结论：1、被试缺乏化学基本实验技能，这是他们缺少实验训练的必然结果。2、被试虽然掌握了化学知识，但不会在实验室中去应用，不会用化学知识去指导他们的实验行为。3、影响实施实验方案环节的主要因素为：实验操作技能、实验常识与具体的实验经验、实验策略。

（4）关于检验，反思与调整 

环节被试的表现更是不尽如人意。他们往往不能利用元认知策略逐级反思自己的问题解决过程，从而调整思路，改变策略，优化操作。对于所谓的“异常”实验现象（与被试的预期结果不同），不具备思考程序，不知从何处着手，有的被试甚至呆在原地钻牛角尖，一股非要做出自己预料结果的架势，而最终结果是不能独立完成实验任务。

图3 实验问题解决活动的主要影响因素

    由此情况，不能看出：1、检验，反思与调整是实验问题解决的关键环节。2、被试长期接受“食谱式”实验训练，当他们面对真实的实验任务时便不知所措，不会思考，不能调整自己的思路。3、影响此环节的主要因素为元认知策略。

5、结论

通过研究，可以得出初步结论：中学化学实验问题解决的心理机制分为五个相互联系的环节：问题表征、问题解析、设计实验方案、实施实验方案、检验，反思与调整，每个环节具有自己的主要影响因素（如图3所示）。 

   实验结果同时表明，我国中学生（被试来自十几个省市，具有相当的代表性）化学实验问题解决能力较差，尤其是实验设计能力，实验技能与元认知策略应用能力亟待提高，表明我国化学实验教学需要深入改革。

文章基本信息

原作者：王磊 胡久华   单位：北京师范大学化学系（100875）

原始出处：化学教育