基于模式识别的高中化学解题模型及其对作业设计的启示*
韦跃洪 李梅 张洁|广西壮族自治区玉林市第一中学
解题教学是化学教育的重要支柱，在问题解决的过程中处处充满着理性的思考和精细的方法。随着数字化、智能化程度的不断提高，在实施“双减”政策的背景下，解题教学和作业设计需由简单的知识罗列与堆积、搞题海战术，走向基于模式的识别发展学生思维、启迪学生智慧。在实践中，笔者试图将模式识别方法引入高中化学解题教学及作业设计中，对模式识别的理论基础、模式识别过程进行分析，建构基于模式识别的高中化学解题模型，并探讨其对作业设计的启示。
（一）理论基础
模式识别的解题策略指在学习过程中，人们有意识地对所学知识进行加工，并以某种类属存储于大脑，一旦遇到新的问题，便先判断当前问题属于哪一类模式，然后与大脑中的类属进行比较、匹配，最后抽取出相应的方法进行解题。现代认知心理学中有几种理论可以解释这种匹配得以实现的依据。
模板理论：认为人的大脑中存储了大量的袖珍副本（模板），当外界刺激与已有模板得到较大程度的重叠时，模式识别便会发生。
原型理论：认为外界信息以原型的形式储存在人的记忆中，原型包含了一种类别的主要特征，模式识别发生在外界刺激与已有原型的匹配度超过某个阈限之时。
特征理论：认为模式可以分解成很多小的特征单元，比如“苯”这个汉字在大脑中不是以模板的形式，而是通过更小的笔画特征来储存的，这样一来，不同书写形式的“苯”都可能得到识别，与“苯”相类似的汉字如“笨”也可能被错误识别，因而学生在书写化学名称“苯”时常会误写成“笨”。在特征理论中，特征提取与特征分析是模式识别的关键环节，因而在模式识别过程中，首先要对刺激的特征进行分析，然后将所提取的特征加以综合后与长时记忆中存储的各种特征进行比较、匹配，若匹配成功，则外部刺激就能被成功识别［1］。
拓扑理论：认为模式识别不是先分析特征，而是从整体上把握，即应从大范围提取拓扑性质［2］。
由此可见，拓扑理论与特征理论相对立，在整体和局部加工上存在争议。必须强调的是，要较好地解释模式识别，只应用这四种理论中的一种是不行的，而是需要根据实际情况，将其中的几种结合。
（二）基于模式识别的高中化学解题模型建构
基于模式识别的高中化学解题模型是一个循环系统（如图1所示），因为在化学解题中，存在内部信息和外部信息相互流通的过程。譬如，在模式建立阶段，解题者会将所建立的模式存储在长时记忆中，为后续解题过程打下基础，而后续的解题过程又是在不断地完善模式。在模式识别的过程中，解题者需要从长时记忆中抽取模式与当前问题进行比较、匹配，若匹配不成功，则需要回到分析特征或模式建立阶段，即考虑问题特征分析是否正确或长时记忆中是否有相应的模式，是否需要重新分析问题特征或建立新的模式。同样，解题迁移的过程也与长时记忆中的信息有交流，若不能成功迁移，则可能需要重新进行模式识别或分析特征及修正模式等。需要强调的是，自我评价贯穿于整个解题过程。
图1 基于模式识别的高中化学解题模型
1.模式建立
面对同一化学问题，不同的解题者会有不同的理解和表征，有的人能从长时记忆中快速提取到相关信息用于成功解题，有的人则会迷失在题目所给信息中而导致解题失败。其原因在于学习者在长时记忆中所建构的模式不同，而建构良好的模式则有助于解题。模式建立可通过出声思维法和文本分析法来实现。
出声思维法是一种能将内隐思维外显化，并利用元认知能力促进问题解决能力提升的方法。出声思维法要求学生在解题过程中用化学语言及符号努力向自己解释。它能唤醒学生的思维，使其注意到问题特征等，从而引发执行加工过程。具体操作如下：教师先选几道同一类型的题目，进行解题或让学生解题，在解题过程中，边解题边用录音机把自己或学生的解题过程录制下来，然后对录音进行转述，得到口语报告［3］，最后对口语报告进行分析得到该类题目的特征。相关案例如表1所示。
表1 “与氧化还原反应有关的化学计算题”解题口语报告及文字整理
在使用出声思维法时，为了防止学生描述时逻辑混乱和解题时误入歧途，教师可设计“思维导航问题”来引导学生，如化学计算类问题的“思维导航问题”可设计为：（1）反应物、产物分别是什么？（2）发生的化学反应属于什么类型？（3）分别给了什么数据，回到与之有关的公式，能求出什么？（4）已知数据的物质和待求物质间存在怎样的数量关系？
文本分析法则是通过对比几道同一类型题目中的文字，找出其共同“字眼”，实现问题解决的方法。如“差量法”这一类题目，题干中往往有“减少了”或“增加到”等字眼，而利用“电子得失守恒法”的题目，往往含有“氧化、还原”等字眼。由上述两种方法提取得到的特征和字眼，以“样例—题目特征/所含字眼—解题方法”匹配表进行表征，便可得到某类问题的模式，对例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
模式建立为正确分析题目特征提供了“资料库”，分析特征是对所建模式的应用和完善。不同的化学问题，具有不同的结构特征，因此解题者在面对一个新问题时，应先感知题目信息和理解题目情境，然后对所获取的信息进行整合加工并表征，形成问题空间。如：“极值法”，其题目特征为“混合物，没有给明确比例”；
“最简式法”，其题目特征为“混合物，最简式相同，求原子数”。正确分析题目特征，可为准确进行模式识别“铺路”。
3.模式识别
在分析题目特征的基础上，我们还需要进一步对问题进行归类，并将其与长时记忆中的已有模式进行比较和匹配，即进行模式识别过程。模式识别是解题成功迁移的前提。化学问题分为结构良好的问题和结构不良问题，对于结构良好的问题，可按常规的问题进行归类和匹配，而对于结构不良问题，则可按问题域进行归类和匹配。要强调的是，模式识别不是简单的“套公式、套知识点”，而是教师引导学生在知觉与思维的交互作用下所进行的寻找解题路径的过程。因而在此过程中，教师应给予学生足够的时间和空间，允许学生大胆地对问题进行归类和匹配。
4.解题迁移
解题迁移是模式识别的结果，是一种抽取模式用于解决当前问题的操作，要求解题者具有一定的洞察力和创造力。在解题过程中，解题者要检索并调用长时记忆中的相关知识、策略（思想）和方法（经验）。
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，则c(NO-3)=_________。
例2的题目特征为“已知多种离子浓度，求一种离子浓度”，应该用“电荷守恒法”进行解题，也就是说要成功解决该问题，需要解题者在化学学科思想守恒观和微粒观的统领下，调用宏观概念“溶液”和微观概念“离子”“电荷数”，以及溶液的电中性原则（即阴阳离子所带电荷的数值相等），进行列式计算。
解题迁移是对模式的运用、完善和再创造的过程。为了能够使解题迁移顺利进行，教师可设计一些问题来引导学生，如：（1）题目特征是什么？（2）你是否曾经解决过类似问题？（3）所用方法是否适合于当前问题，如果不适合，它们的区别在哪里？
5.自我评价
解题监控和自我解释是自我评价的重要内容。自我评价并不只是存在于解题的最后一个环节，而是贯穿于整个解题过程中。解题监控指解题者有意识地对解题活动拟定计划、执行计划并适时作出调节和控制的过程。自我解释指解题者对解题中的每一步能作出解释，如：用的是什么化学原理和基本概念，为什么可以这样解题，当前问题与曾经解过的那道题相似程度如何，该方法是否适合推广等。
（一）“元素（原子）守恒法”的运用
例3：将一定量的铝、铁混合物完全溶于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，则此时消耗NaOH溶液的体积为（）
A.400 mL B.600 mL
C.800 mL D.1000 mL
分析：题目已知H2SO4的浓度和体积，可求出H2SO4的物质的量，已知NaOH的浓度，所求是NaOH溶液的体积。该类题的题目特征是：题目中的物质涉及多步化学反应，即题目中Al和Fe的转化涉及多步反应。这类题目往往可以用“元素（原子）守恒法”来进行求解。用“元素（原子）守恒法”解题时需要回答两个问题，即反应物中的元素（原子）去了哪里和产物中的元素（原子）从哪里来，关键在于“追踪”元素（原子）的去向或“追问”其来源。也就是说，一定要搞清楚反应中的元素（原子）“跑”去了哪个产物中，或产物中的元素（原子）来源于哪个反应物。例3中，Al和Fe分别先与H2SO4反应得到Al2(SO4)3和FeSO4，H2SO4有可能有剩余，滴加NaOH溶液，Al2(SO4)3和FeSO4分别与NaOH反应得到Al(OH)3沉淀、Fe(OH)2和Na2SO4，剩余的H2SO4与NaOH反应得到Na2SO4和H2O。
由于题目已经给了H2SO4的浓度和体积，可求出H2SO4的物质的量，通过分析其反应的化学方程式及化学式，可得到数量关系：2NaOH～2Na+～Na2SO4～H2SO4。代入数据求得：n(NaOH)=0.4 mol，V(NaOH)=n(NaOH)÷c(NaOH)=0.8 L=800 mL。
（二）“方程组法”的运用
例4：标准状况下的CH4和CO的混合气体8.96 L，其质量为7.60 g，则混合气体中CH4和CO的体积分别是多少？
分析：题目已知CH4和CO的混合气体的体积和质量，所求是CH4和CO的各自体积，因而该类题的题目特征是：给了“两个数据”（混合气体的体积和质量），求两种物质的体积或物质的量、比值等。这类题目往往可用“方程组法”来进行解题。“方程组法”主要体现的是数学的方程思想，即通过设元，寻找已知与未知之间的等量关系，构造方程或方程组，然后求解方程完成未知向已知的转化（解题过程略）。
（一）注重作业设计的过程性
作业具有实践性，做作业是学生获取知识、应用知识解决问题的经历，是学生生命成长中必不可少的一个“点”［4］。作业设计应改变只问结果不问过程的现状，即要鼓励学生乐于思考、勤于动手动脑，主动参与到解题活动中，通过建立模式、分析特征、模式识别和解题迁移来释放自己的大脑、嘴巴和双手，因此作业设计应注重过程性，体现解题方法的获得过程。例如，教师可设计前置作业，使学生学会自己建立模式，而在课堂作业或课后作业中，则可在题目后设计问题引导学生基于模式识别进行解题，或让学生用文字（语言）来描述整个解题过程。有研究表明，表达产生对学习过程的反思，当学习者能够清晰地表达某个知识时，说明他已掌握该知识。
（二）跳出题海，设计典型作业
题海战术的文化逻辑是熟能生巧，换句话说就是多做题就能拿高分。可是，“熟”真的能生“巧”吗？一道题目做10次甚至20次，其效果一定比做1次或2次好吗？有一个成语叫“过犹不及”，因此设计典型作业就显得尤为重要。典型作业的文化逻辑是“一生二，二生三，三生万物”，因而寻找其中的“一”或者教会学生寻找其中的“一”，就是教师在作业设计中必须考虑的首要问题。在作业设计中，教师可分析同类型题目的特征，在相同模式中选择最具代表性的题目，并设计“题目特征是什么”“题目中有哪些字眼让你想到解决该题目的解题方法”等问题，引导学生有意识地对题目进行归类，从而为再次碰到同类型题目时能够快速识别题目特征并成功解题打下基础。
（三）尊重学生，设计分层作业
作业应是“关怀、德性”的，即应尊重学生的个性差异，“一刀切”只会扼杀学生的学习激情［5］。设计分层作业，其目的在于使每个学生都能交上作业，有机会成为更好的自己。因此在设计分层作业时，教师可把学生分为学困生、中等生、学优生三类，根据各层级学生的中位学情设计相应的作业。学困生暂时不具备建立模式的能力，在解题方面表现较差，因此教师在给他们设计作业时，可在题目前展示“样例—题目特征/所含字眼—解题方法”匹配表，使他们能够在该表的指引下寻找解题方法。中等生具备建立模式的能力，因此教师可通过设计问题来引导他们自己建立模型，并在题目后面再设计一道拓展题，检验他们所建立的模型是否能用于解题。学优生除了具备建立模式的能力外，在语言表达、逻辑思维方面也表现得很好，因此教师可让他们在完成解题后，展示自己建立模式、分析特征、模式识别和解题迁移的过程，也可让他们指导学困生或用文字把整个解题过程描述出来。
古语云：万变不离其宗。在高中化学解题教学及作业设计中，教师要注重培养学生“以类合类、以类拓类”的意识。基于模式识别建构高中化学解题模型有如下好处：从宏观上看，有利于学生适应未来社会，尤其是人工智能社会；
从中观上看，有助于学生高阶思维和心智模型的发展；
从微观上看，能引导学生在解题过程中发现“变”中的“不变”，通过发现事物的内在规律，创造性地运用知识或者创造知识。总之，模式识别指导下的问题解决模型及作业设计，能使学生主动参与到模式建立的过程，弄清楚方法或思路产生的依据，从而有利于学生成长为创新型人才。