1  问题的提出
　　问题解决能力是科学教育的重要内容，也应成为学生学习的核心。理科学生在校接受科学教育，将来面临的相当多的任务是去解决生产、生活中的实际问题，或者要独立地进行科学探究活动。因此，笔者认为，在校学习期间必须培养学生的“问题解决”（problem solving）能力，这是科学素质的重要组成部分。由于我们现在依然实行分科授课，所以很有必要从学科教学的层面上对于如何实施问题解决教学进行深入探讨。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，在教给学生学会解题的思维策略方面，也是直接教给学科思维策略比一般策略更为有效。

2  理论构想
　　有许多研究认为，学生头脑中是否拥有问题解决经验原型，以及原型的内容和水平如何在解决问题过程中的地位举足轻重。安德森（J.R.Anderson）认为，所谓原型是“关于范畴的最典型的样例的设想”，专家与新手问题解决能力的重要差别之一就在于此。数学学科教学心理的有关研究表明，通过心理模拟方法将专家或优秀学生的问题解决过程和心理历程外化或物质化成心智活动操作程序，即问题解决原型，然后经过原型定向、原型操作和原型内化的学习过程，可以帮助中差水平的学生形成好的问题解决经验原型，从而使更多的学生的问题解决能力得到提高（冯忠良，1992，王磊，1998）。但是在高中生解决科学问题的活动过程中原型及其原型的教学将发挥怎样的影响与作用，还存在什么值得教师注意的问题，尚无研究报道。本文采用心理模拟法和教学对比实验对此进行初步探索。
　　所谓原型就是“关于范畴的最典型的样例的设想”（安德森，J.R.Anderson，1989），原型可以用“外化了的实践模式，或物质化了的心智活动方式或操作活动程序”来模拟和表征（冯忠良，1998）。
　　(1)原型定向：了解原型的动作构成要素及操作序列，即掌握程序性知识。教师可结合具体例题以讲授的形式给学生展示解决某类化学问题的“原型”。
　　(2)原型操作：依据“原型”，学生在头脑中建立起解决问题的程序计划，以外显的操作方式付诸执行。在此阶段，用外部言语与动作配合，以促进向内部言语转化。操作过程要以展开式逐步进行，并采用变式加以概括。
　　(3)原型内化：原型向头脑内部转化，动作方式由感性水平上升到理性水平，变成学生个人的原型。
　　转化到学习者头脑内部的“原型”就形成了一定的心智活动模式，利于学生顺利地解决化学问题，并成为学生解决问题时的自动化的动作。
　　解决问题时的匹配过程属于模式识别过程，即把输入的刺激信息（模式）与记忆中的有关信息匹配，辨认出该刺激的范畴，它的实质是赋予刺激信息特定意义的过程。模式识别有三种基本类型：模板匹配，原型匹配和特征匹配。模板匹配是把刺激物与特定的模板相联系，要求刺激物与模板有最大的重叠，因而适应性差。原型是指在记忆中贮存的不是某个特定事物的复本，而是一类事物的内部特征即原型。原型匹配使模式识别的适应性和灵活性大大增强，但也对原型的形成和当前的总是情景表征提出了较高要求，否则匹配会出现偏差。特征匹配假定所有的刺激物都是由可分解的若干元素、成分按一定的关系构成的，这些元素、成分以及它们的关系就是特征。特征匹配是在原型匹配的基础上形成的，或者可认为是原型匹配的高级阶段，但是显然抽象性较高，因而在问题解决中不如原型匹配快速而实用。原型的多少、原型的形成质量以及原型匹配的熟练程度都可能影响到问题解决的速度，而随着问题解决经验的积累，会使原型不断丰富，概括性更强，即原型的特征性更强，反过来利于识别和解决更复杂的问题。

3  实验研究
　　为了考察原型在高中学生解决化学问题的活动过程中的作用，选择了北京市某中学高三年级两个平行班进行对比实验，教学内容是高三新课“电化学”部分，共七～八课时。两个教学班均由同一位教师任教，学生水平非常接近，大多数考试成绩无显著性差异。确定其中成绩稍差的班为实验班，另一班为控制班。

3．1  实验过程

3．1．1  原型定向阶段
　　“原电池”问题：先讲清与原电池相关的基本概念，做一些简单的练习加以巩固，如写出给定电极的反应方程式，给定电池去确定正负极等。然后逐步给学生演示原电池类问题解决的一般方法：将实际问题识别为“原电池”理论问题，认定问题性质与任务后如何分析，采取相应的解题行动，这显然是一系列程序性知识。结合实例分析以后，将问题解决概括为操作序列，成为一种符号化的动作原型。（如图1）
　　“电解池”问题：采用与上类似的教学策略，总结的动作原型如图2所示。

3．1．2  原型操作阶段
　　结合所总结的动作原型，让学生进行相关练习。解题时投影出相应的流程图，让学生有意识地监控自己的行为，并可大声说出所采取的步骤或进行到哪个阶段。经过练习强化了解决电化学问题的一般程序，达到熟练解析、有意识监控自己的解题行为并且达自动化水平。

3．1．3  原型内化阶段
　　通过原型操作，使学生外部的言语与动作相配合、统一，促进了问题解决行为向内部言语水平转化，学生在解决问题时已能自觉选择步骤，而无需外部言语提醒，甚至一系列动作简约化，此时无疑原型得到内化。教师此时适时地将“电化学”两类问题加以整合：对于一个具体问题而言，如何迅速判定其问题实质――属“原电池”问题还是“电解池”问题（看有无外电路），然后依照已建立起来的原型系统解决两类问题。如图3所示。通过整合，使学生对此类问题有完整认识，巩固了已建立的原型，并加强了两个原型之间的联系，促进了原型内化。

3．2  实验结果
　　按上述方法进行实验教学后，进行统一的问题解决测试。现将实验前后两个班情况列在下表中对照。
　　数据统计不只看平均分，而是采用均数差异显著性检验。以往成绩显示两个班一直非常稳定，水平也较为接近，而且对照班比实验班程度稍好。从教学对比实验情况看，采用心理模拟法明确建立问题解决的原型，规范解题程序，使学生有“法”可依，很显著地提高了学生整体解决相关问题的水平。这说明“原型”在中学生问题解决过程中的作用确实是存在的，而且地位举足轻重。

实验前后两班成绩对照表

3．3  讨论
　　通过本阶段的实验研究，可以有力地说明“原型”在问题解决中的明显作用和突出地位，也证明了心理模拟方法和原型定向、原型操作和原型内化的问题解决技能教学的方法对于提高学生问题解决能力的作用。在对实验班一些同学的访谈中发现，大多数同学认为“电化学问题解决流程图”起了重要作用，尤其在学习本部分内容的初期。到后来，运用熟练了，学生发现一些问题不需要完整地进行上述流程即可解决。可以看出，他们已经能够针对不同的问题要求灵活地使用该原型，进入了问题解决的高级阶段，原型对于问题解决的作用已经由学生发挥到较高水平。还有同学提出，有些时候需要逆向使用该流程，比如：已知某些电池反应的总方程式来推电极变化或溶液的变化，已知反应现象或量的关系反过来推断原电池正负极（比较金属的活泼性）或电解池外接电源的情况，还有已知一个新的问题情景（信息题），也许是非常规电池（如燃料电池），但由总反应结果也可以反过来推断两极物质，写出电极反应。据此，他们主动提出可修改已有的原型，双向驱动，使其更具有灵活性。
　　仔细分析本阶段研究的情况，有几点值得思考与注意：
　　（1）实验前，两个班的σ值相差不大，说明两个班同学的离散程度均不大，都还算整齐。但教学改变后，实验班的σ值较小，而对照班的σ值则相对较大。这说明建立原型对迅速而大面积地提高学生集体的成绩作用突出，教学效率是很高的。
　　（2）该次考试中几个较高分数均出现在控制班。这一点值得注意，而且通过对这一部分同学的临床访谈发现，他们解决“电化学”问题有自己的程序，思维很清晰，只不过有时很简约、跳跃性大，若将其思维过程逐步还原，可以发现其问题解决过程与给实验班建立起来的“原型”十分相似。而对控制班较差同学的访谈中则发现，他们知识掌握较为僵化，而解决问题没有清晰思路，有时连问题的目标也说不太清楚，电极的名称以及哪一个电极上发生氧化或还原反应更为混乱。对这些同学来说，若让他们写出某个熟悉的具体电化学过程中电极反应，可以完成。但在解决某个问题时其实就用到这个反应，而他们却很难意识到。
　　这种两极分化的现象从反面也说明了“原型”的存在和作用。程度好的同学在学习过程中就地概括能力强，可以通过解决一些问题后主动地总结出一套行之有效的、符合个人特点的程序，并经巩固后进行入长时记忆，成为个人的问题解决的“原型”。而程度较差学习不主动的同学，总结概括的能力较差，只会被动地接受知识，不习惯去钻研或发现学习中的规律，需要教师加以引导，实验班内程度较差的同学，正是因为有了现成的“原型”可以模仿，成绩才会提高，否则也可能会陷于茫然的境地。
　　（3）建立“原型”，对于提高程度较好的学生的问题解决能力是否有利？这一点似乎值得反思。
　　通过心理模拟，建立问题解决的“原型”对于提高学生整体尤其是程度较差的同学的成绩作用很明显，但也似乎使原本程度较好的同学体现不出来了，表现出一种“拉平效应”。由于要强调“原型”，要给学生行为的准则，学生“依计而行”，容易按部就班。有些内容，学生原本靠自己能分析出来的东西，现在老师主动给出来了，学生只要模仿、接受就可以完成任务了。这样留给学生个人的思维空间就很狭小了，在建立问题解决程序的过程中，学生心理和思维的参与程度也变小了，不利于程度较好学生的发展。所以，在现实的教学过程中，应该在教师引导下，与学生共同参与“建构”起一个问题解决的程序，而不是由教师单方面给予。这样的学习结果是在教师与同学的共同努力下获得的，学生的心理参与程度大，也容易明白为什么会有这样的程序。理解了程序性知识的原因，对于执行程序性知识是很有帮助的。从教师给予让学生被动建立原型到师生共同建构，这种转变无疑是十分有益的。

参考文献

1．  冯忠良，《结构化与定向化教学心理学原理》，北京师范大学出版社，1998

2．  王  磊，化学学科能力结构构建教学理论及其实验研究，北京师范大学，博士学位论文，1998年4月

3．  李  维，认知心理学研究，浙江人民出版社（1998）

原作者：王磊  岳波   单位：北京师范大学化学系（100875）

原始出处： 《心理发展与教育》