高中生化学变式问题解决能力的比较研究
文章编号：1005?C6629（2017）6?C0016?C07 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 研究背景
变式是通过变换同一类物质的非本质属性以突出物质的本质属性[1]。变式不仅仅是重要的思考??题的方式，也可以借鉴为一种重要的教学方法。
变式问题设计与问题解决改革常规的教学方法，重视求同思维和求异思维的结合，是中学化学教学过程中提高教学质量的必备手段之一[2]。针对化学学科的变式教学就是：在教学中，在保持化学基本概念、化学基本原理等本质属性不变的基础上，增加各种外显形式上的变化，如不断变换提供材料或情景的展现方式、改变化学概念的表述方式、更改问题的已知条件、改变题目的内容和呈现形式、变化实验的条件、合理调整操作教学程序等等[3]。简而言之，就是在不变中求变，在变化中求不变[4]。
王毓岭提出在物质概念变式教学过程中变换物质的非本质特征、变式举例要全面且有代表性、变式与比较法要结合起来应用等，为化学变式教学提供了一定的参考依据[5]；孙天山指出在变式教学过程中注重优化学生的思维品质培养，就类比型变式教学和发散型变式教学在化学教学中的应用进行教学阐述，具有较强的实践指导意义[6]；杨惠仙着重研究不同层次学生在化学变式问题解决的过程中知识迁移能力的差异，为学生层次的划分提供了研究支持，文中探析影响学生化学变式问题解决的因素，并提出促进学生提高问题解决能力的教学措施[7]；丁中霞调查当前化学变式教学的实施现状并探询其原因，从具体实例、实践方面研究如何具体实施变式教学策略，把教育学中变式的观点运用到化学教学中，对变式教学的理解有所发展[8]；李明亮有目的地将“变式”的思想引入到中学化学的习题教学中来，重点解析高中化学习题教学过程中变式探究性学习模式的应用，以提高学生发现问题、解决问题和探索创新的能力，逐步培养学生灵活多变的创新思维品质，完善学生的认知结构，提高学生发现问题、解决问题和探索创新的能力[9]；乔瑞英总结出变式教学的特点、研究现状和理论基础，在此基础之上进行了实践研究，重点研究如何在教学设计中突出变式的应用，探索出了变式应用于高中化学基本概念、理论、习题、实验等教学设计的方法，以充分发挥学生的主体作用[10]；施翠琴提出了在小学数学问题解决教学中运用变式教学的原则和策略，初步提出了一个“点――面――体”变式教学模型，这一模型对于教师在实际教学过程中进行变式设计具有重要的参考价值[11]。
通过现有文献的阅读发现，目前关于化学问题解决的研究已经比较深入，其成果也比较丰富，但专门针对不同层次高中生化学变式问题解决能力的比较研究是极少的，亦或只是例谈没能系统论证。
2 研究设计
2.1 研究对象选择
本研究以上海市某实验性示范性高中二年级的两个平行班为研究对象。根据学生参与的意愿，最终确定研究被试为两个自然班中的78名学生[12]。以有机化学中六大知识项目的问题解决变式教学作为实验的内容，在实验班中运用问题解决变式教学，对照班中进行常规教学。通过一段时间的实践教学后，对两个班不同层次学生的问题解决能力进行后测[13]，以验证问题解决变式教学的有效性。
利用两次百分考（一次期中及一次期末考试）的成绩取平均分，按照分数高低分别把两个班级的学生分为三个层次：前27%为学优生，后27%为学困生，其余为学中生（见表1）。
2.2 研究过程设计
高中有机化学知识内容繁多，同时对学生的空间思维能力、化学符号表征的灵活应用等要求很高，很多学生学习有机化学时容易产生认知障碍。因此，本研究选取高中有机化学的核心知识，通过化学变式问题解决的能力差异研究，试图寻找提升不同层次学生化学变式问题解决能力的有效途径。由三个阶段组成（见图1）。
2.2.1 研究前测
前测是一份百分制的有机综合练习卷，考查了同分异构体、同系物、官能团、有机物的空间结构、有机“四式”及有机物之间相互转换的原理等核心知识的掌握情况。测试后发现不少学生问题解决存在或大或小的困难，针对这六大核心知识进行分析，发现其中错误率高一些的问题，其设计的变式水平均比较高。
（1）实验班和对照班前测均分分析
两个班的学生成绩独立样本T检验与描述性统计结果见表2。
由数据分析可知，t（76）=-1.1485，p=0.142>0.05，说明两个不同班级之间前测成绩无明显差异。由此可见，两个班级水平相当，起点一致，可以进行相关教学实践的对比研究。
（2）实验班和对照班不同层次的学生均分分析
我们对实验班和对照班不同层次的学生进行了前测分析，结果见表3。
通过研究，我们发现三类学生的知识基础存在差异，他们在解决和分析问题的能力方面也存在差异。从结果来看，似乎对照班在学优生、学中生层面更好，学困生层面要弱一些。 2.2.2 研究过程
研究主要包括以下3个步骤：
步骤1 针对性设计原型题和变式题。
首先，编制了一些化学原型问题，针对的是前测中六大核心知识。分析发现，学生的有机六大核心知识原型中有一些漏洞需要修复。由此提出猜想，如果在变式教学实践中通过在原型题的基础上不断地进行变式启发与线索提示，是否可以帮助学生修复知识漏洞、进一步巩固基础知识？为验证猜想，展开了相关变式教学实践。
编制了一些化学原型题（测试材料1），着重本体知识的考查。在必要性条件方面作了充分而全面的考虑，部分必要性条件在设计时采取了分散隐藏在题中的形式，学生不注意就会遗漏。仅以“同分??构体”书写问题项目举例说明（见表4）。
我们分析认为，本体知识在化学问题解决中起着重要的作用。为了提高问题解决的效果，首先应引导学生在本体知识学习过程中以知识的有效掌握为基本前提。对于知识与能力要求比较高的问题，一些关键线索提示对于被试的解题有很大启发。因此，在教学实践中兼顾两方面，既注重知识的灵活变式，同时也适当地给予线索提示。教学实践后，编制测试材料2测验实验班学生变式题的解决能力水平。以“同分异构体”书写问题项目举例说明（见表5）。
步骤2 变式教学实践。
（1）实验班
变式教学实验研究在实验班展开，实验过程中，没有告诉学生实验内容，避免影响。教学实践仍然是围绕有机六大核心知识展开的。
变式教学实践过程中，着力提供思维的机会，创造刺激学生思维的情境。比如变换问题中的条件或结论，转换问题的形式或内容，在过程中不断地进行水平变式、垂直变式或综合变式（见图2）。
在本体知识考查不变的前提下，通过线索提示和变换知识点的隐含形式（形式变式）及逆向变式设计（可逆变式）进行水平变式设计；通过问题拆解式的线索提示和变换问题的内涵和外延，进行对比变式和拓展变式等垂直变式设计；通过变换问题的内涵和外延，辅以问题拆解式的线索提示，进行水平变式及垂直变式综合变式设计。注重培养学生归类解析的能力以及方法指导，引导学生运用自然科学的方法论，多角度、多方法地认识问题和解决问题。从而在学习、掌握双基的过程中提高学生思维的广阔性、灵活性、敏捷性、批判性等品质，尤其注重培养学生的求异思维或发散思维。
化学问题解决过程中，同类问题一般有类似的表征方式。通过原型题薄弱环节线索提示分析、原型题的变式深化，对同类问题进行归类解析和变式拓展，在教师引导下，师生共同参与“建构”起一个问题解决的程序，以使学生问题解决能力得到不断提高。
以“同系物”内容的垂直变式教学实践举例说明，从对教学中的重难点知识按照薄弱环节的提示解析、原型问题的变式深化、归类解析及程序建构3个环节展开。
环节1――薄弱环节的线索提示
b.分析本体知识薄弱环节：“烃”的概念不敏感及同系物概念不清晰。
c.设计线索提示教学思路，将问题拆解：①分析其中芳香烃有哪些；②分析满足条件的物质中哪些不是苯的同系物。
在实验班的教学实践，是从引导学生聚焦原型题相关知识的薄弱环节，针对薄弱点设置线索提示，在认知冲突问题薄弱点的揭示过程中，使学生澄清认识，理清思路，将原本模糊的前概念经过分析和强调后，得到正确的概念，从而完成科学概念的转变。
环节2――原型问题的变式深化
对“同系物”原型问题的变式深化，采用了垂直变式的方法。
变式1：对比变式。“尝试分析乙苯、苯乙烯、硝基苯几种物质的结构与苯有何区别，哪种结构属于苯的同系物”。对比变式是一种通过呈现问题的相同情境不同结构或相同结构不同情境和运算方法的变式。同样的，对比也是为了更加凸显问题的本质，也同时给学生明确容易混淆的知识和结构，帮助其内化新的知识。对比变式有时包含可逆变式。
变式2：拓展变式。“书写出含甲基、无支链且比乙烯醛多2个碳原子的同系物的结构简式”。拓展变式是指在原有问题结构的基础上融入另一个与其发生关系的原有结构，使原来问题中的直接条件间接化或是原有问题间接化的一种变式。它是间接变式的一种基本模式，有多种拓展方式。在实际运用中可根据需要适当拓展，切记不宜过分拓展而掩盖了问题的主体结构。
环节3――归类解析及程序建构
（2）对照班
对照班的教学过程中，教师采用了传统讲授法，具体教学过程为：第一，原型题讲解，重点对错误率比较高的题目涉及的知识点进行归纳整理；第二，下发常规使用的课本配套练习册及校本学案，进行练习强化；第三，分析学生作业中的错误，对概念进行分析与强调。
步骤3 变式题训练。
针对性编制变式问题在实验班进行变式教学强化训练，题目包含有机六大核心知识不同的变式水平，进一步巩固与强化变式教学实践，以期达到理想的变式教学效果。通过对实验班有意识的变式教学实践后，开展变式题测验。采用纸笔测试的方式，时间为25至30分钟。测试结束后，回收测试卷进行数据统计及分析，并对学生的问题解决过程及结果进行质性描述和分析。 问题变式教学实践表明，学优生的知识储量比较大，相关触发性知识比较多，各相关知识已经形成纵横联系的知识网络，因此在提取相关知识时往往能够比较容易而且准确性高。相比较来说，学中生和学困生对知识的理解还不够深入而且一般也不够全面，有时候甚至有一些错误的认识。为了提高问题解决的效果，在变式教学过程中，以知识的有效掌握为基本前提，努力引导学生在学习新知识的过程中学会如何充分运用理解、记忆与组织策略等，能够帮助学生从中获得概括的认识。通过帮助学生转变和修正错误概念，提高知识的辨别能力，能够促进学生对知识的深化理解。
2.2.3 变式教学后测
为研究变式教学实践对学生化学变式问题解决的能力提升效果，针对性地编制了一份变式题测试材料2进行研究。控制测试材料2与测试材料1变异水平非常接近，知识基础内容的考查是近似的，仅仅在问题的条件、结论、形式及内容等方面有些简单的变式设计。另外，两份试卷均为百分制试卷，具有可比性，完全符合教学对比的要求。
测试材料2是在测试材料1的基础上进行变式设计的，两份材料只是在知识的呈现方式上略有不同，考查的知识项目完全一致，编制时也充分关注了学生的知识薄弱点，关注了认知冲突的知识点设置，包括新旧概念的矛盾点、概念之间的差异点、新旧概念的临界点、概念认识的模糊点等。由于“同分异构体”是学习中的难点，测试1情况不太理想，在测试材料2设计时刻意设计了关键线索提示。
2.3 数据处理方式
本研究运用Microsoft Excel及SPSS22.0软件，利用数理统计方法比较实验班与对照班结果，根据问题解决变式教学研究的结果进行分析总结。
3 变式教学前后测结果对比分析
结合在问题解决变式教学上的几点思考，对实验班进行有意识的提升问题解决能力的教学，经过一段时间，再对两个班的问题解决能力进行后测，通过后测结果分析实验班和对照班不同类型学生在问题解决能力上是否有显著性差异，以此检测关于学生提升问题解决能力的变式教学实践研究是否有效。
3.1 不同层次的学生问题解决情况前后测比较
在本研究中，对不同层次的学生在问题解决过程中的表现进行了比较，这些问题具有不同变式特征但属相同知识项目。把前测中错误率高一些的问题知识项目，以不同的问题形式设置在原型题、变式题以及后测题中，以化学变式问题出发研究化学问题解决的差异。通过研究，发现三类学生的知识基础存在差异，他们在解决和分析问题的能力方面也存在差异。
对实验班的不同层次的学生进行了前后测成绩的比较，结果见表6。
在进行前后测成绩比较的同时，并做出柱状图4。
由上表及柱状图，我们明显能够可以看出，实验班学优生、学中生和学困生平均分都提高了。
同样，对照班的各层次学生前后测平均分变化情况可以由如下表7、图5清晰显示。
通过以上变式教学实验研究，结合数据结果和图表分析，发现在变式教学实践中通过在原型题的基础上有目的地进行启发变式与线索提示，对于原本问题解决能力比较强的学优生来说，影响不明显，似乎使原本程度较好的学生凸显不出来了，表现出一种“拉平效应”；对于问题分析有一定困难的学中生和学困生修复知识漏洞、进一步巩固基础知识是非常有帮助的，变式教学能够减轻他们解决问题时的认知负荷，提高问题解决的效率。
3.2 不同班级的学生问题解决情况前后测比较
对实验班与对照班的学生进行了前测、后测均分及标准差分析，结果见表8。
不同班级前测与后测比较发现，实验班前测平均分为72.03，标准差为11.594；后测平均分为78.14，标准差为11.991。对照班的前测成绩平均分为75.62，标准差为9.763；后测平均分为76.12，标准差为13.419。两个班级后测平均分都提高了。对两个班的成?进行配对样本t检验，分析可知，实验班前后测成绩的差距显著，t（36）=-13.677，p=0.000<0.05。而对照班前后测成绩差距不显著，t（42）=-0.506，p=0.615>0.05。结合表9发现，与前测成绩相比，实验班的学生进步明显，较前测有了较大水平的提高，而对照班基本维持在原来的水平，这样的结果说明变式教学实践对于学生问题解决能力的提升是有效的。
4 研究结论与启示
4.1 研究结论
研究发现，在注重知识的灵活变式的同时，适当地给予线索提示，针对教学中的重难点知识展开教学实践，学困生的问题解决能力能够得到显著提升。
（1）变式教学对学困生影响较大
根据前文的数据检验结果，发现与前测成绩相比，对照班的学优生、学中生和学困生在后测的平均分提高得不多，实验班效果更加明显。变式教学能够减轻学中生和学困生解决问题时的认知负荷、修复知识漏洞，尤其对学困生影响较大。变式教学有助于学困生进一步巩固基础知识，提高问题解决的效率。
（2）变式教学对不同班级学生影响较大
根据表8的数据检验结果，发现相比于对照班，实验班的学生进步明显，较前测有了较大水平的提高，而对照班基本维持在原来的水平，这样的结果说明变式教学实践对于学生整体问题解决能力的提升是有效的。 （3）线索提示有提示作用但非决定因素
变式教学实践说明，在分析研究对象的一些比较隐蔽的本质属性，不断启发学生掌握问题的本质要素的变式教学过程中，一定的线索提示对学生解决问题有很大的促进作用。需要注意的是，假如学生原本并不明白题目信息所代表的含义或者相关化学本体知识掌握得不够牢固，即使提供若干问题线索提示，也不一定能顺利地解决。因此，一定的问题线索铺设仅仅起提示作用但并非成功解决的决定性因素。
4.2 研究启示
研究表明，变式教学可提升学习上有一定困难的学生解决问题的能力，而变式教学的问题设计必须与学困生的认知水平形成冲突，必须是学困生通过自身努力可以解决的，从而可以让学困生的思维能力在问题解决的过程中得以提升，这是设计变式问题的关键所在。面向学习上有困难的学生，教师在对问题进行变式设计时应关注以下几个问题。
（1）分清主次
人的认识是在不断产生矛盾和解决矛盾的过程中逐步深化的。问题的设计必须设在重点、难点处，这样才能帮助学困生把握学习重点，突破学习难点，保证学习效率。问题变式设计如果不分主次，是不利于学困生巩固“双基”，发展智力、增强能力的。
（2）适时布疑
学困生在学习过程中，容易对有些内容一略而过、一知半解或不求甚解。这样的情况下，教师就应适时布疑，引起学困生的注意，促使学困生积极思维。问题设疑要设在无疑处。教师在题目设计时在学困生容易忽略的点上努力下功夫，可以促进学困生对概念、原理有更加深刻的理解。
（3）巧设障碍
障碍是问题的核心，是问题给定与目标之间的未知，是达成目标需要克服或跨越的困难。从化学问题设计角度分析，巧妙的障碍设计可以帮助学困生在问题解决后优化原认知结构，建立牢固的知识提取路径，实现灵活掌握和应用知识。
