用可視化圖像表征突破框圖推斷題難點

周昌林

摘要：從布魯納表征系統(tǒng)和發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)等視角，系統(tǒng)研究了框圖推斷題的命題特點，結(jié)合一些例題，歸納出諸如關(guān)鍵物質(zhì)特有的化學(xué)性質(zhì)、連續(xù)反應(yīng)以及兩種物質(zhì)雙向轉(zhuǎn)化等典型的物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的可視化圖像表征。利用可視化圖像表征，可以快速提取在框圖中涉及的物質(zhì)間相互轉(zhuǎn)化的隱含線索，幫助解題者集中有效信息，明確推斷思路，達成思維最優(yōu)化，形成完善的解題策略，有效突破框圖推斷題難點。發(fā)揮框圖推斷可視化圖像表征的教學(xué)功能，提升學(xué)生信息提取能力，并提出了相應(yīng)的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：框圖推斷題；物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系；可視化圖像；表征解題策略；信息提取能力

文章編號：1005–6629（2016）5–0082–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

可視化圖像表征是指應(yīng)用圖像、圖表等視覺手段來表征知識的方式[1]。推斷題中的框圖是以常見元素單質(zhì)及其化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系為線索而設(shè)計出來的?！翱驁D推斷題中的可視化圖像表征”，是典型化學(xué)物質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)的特定轉(zhuǎn)化關(guān)系，這些特定轉(zhuǎn)化關(guān)系視覺上形成可辨識的圖形特征。

框圖推斷題的解題難點，在于要能快速尋找出具體物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化關(guān)系，作為推斷的突破口。推斷的突破口，不但存在于顯見的文字表述中，還更多地存在或隱含于框圖本身。圖像表征能集中有效信息，明確解題思路，達成思維最優(yōu)化[2]。聚焦典型的物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的可視化圖像表征，能快速提取命題者在框圖中設(shè)計的物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的隱含線索，形成完善的解題策略，有效突破框圖推斷題的難點。這也是受到布魯納認知發(fā)展、學(xué)科結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)等一系列教學(xué)主張的啟發(fā)。從化學(xué)信息學(xué)的角度看，利用框圖推斷題的教學(xué)功能，提升學(xué)生從圖形、圖像中提取信息的能力，是培養(yǎng)高中學(xué)生化學(xué)信息素養(yǎng)的有效途徑。

但是，目前對框圖推斷題命題特點的研究尚不夠深入，解題策略也不夠系統(tǒng)。例如，為做好元素及其化合物框圖推斷題的復(fù)習(xí)工作，有教師提出一些針對性的復(fù)習(xí)和應(yīng)考建議[3]。也有教師對高考中的無機推斷題進行剖析[4]，還有教師針對有機框圖推斷題的解題方法進行了歸納[5]。以上提出的解題思路，都強調(diào)從題干文字描述出發(fā)，尋找特征物質(zhì)、特征反應(yīng)、特征條件、特征現(xiàn)象等為突破口，進行推斷、解題。雖然也有人提出從框圖本身挖掘一些條件作為分析推斷的依據(jù)，但未作深入探討[6]。以上提及的文章，都側(cè)重于框圖推斷題的解題和應(yīng)試技巧研究，但沒有討論框圖推斷題的命題特點和教學(xué)功能，也沒有針對學(xué)業(yè)水平測試（必修科目）中的框圖推斷題進行系統(tǒng)研究。

因此，本研究探討用可視化圖像表征來突破框圖推斷題難點。應(yīng)該說，研究框圖推斷中的典型的物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的可視化圖像表征，比單純在題目文字中尋找有效信息，能更快、更好地突破框圖推斷題難點，形成完善的解題思路，也能更加充分地鍛煉學(xué)生信息提取能力。

1 可視化圖像表征是框圖推斷的重要突破口

1.1 剖析無機框圖題的題型特點

框圖推斷題是高中化學(xué)高考和學(xué)業(yè)水平測試的常見題型，近年來江蘇省高中化學(xué)學(xué)業(yè)水平測試（必修科目）試卷的第25題，都以框圖推斷形式命題。考題以常見元素單質(zhì)及其化合物的轉(zhuǎn)化為線索，通常植入工業(yè)制備等陌生情境，通過框圖形式考查學(xué)生對相關(guān)元素及其化合物性質(zhì)的了解程度和分析推理能力，以及對信息的獲取和應(yīng)用能力[7]。

系統(tǒng)考察江蘇省高中化學(xué)學(xué)業(yè)水平測試（必修科目）中的無機框圖題，題型特點表現(xiàn)在題干由非可視化文字表述和可視化的物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的框圖形式組成。這種類型的無機框圖題，有鮮明的化學(xué)學(xué)科結(jié)構(gòu)特點。題目分三部分，第一部分用文字表述有關(guān)物質(zhì)的存在、性質(zhì)和用途等。第二部分用框圖形式，表達物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。第三部分要求學(xué)生作答三個或四個問題，書寫推斷出的物質(zhì)的化學(xué)式或化學(xué)方程式。歷年來，該題型命題風(fēng)格鮮明且比較穩(wěn)定，題目難度以中檔為主，知識和能力考查層次豐富，有一定的區(qū)分度。

1.2 解析無機框圖題的命題思路

布魯納認為精熟認知客觀世界，依賴于三種表征系統(tǒng)，即動作表征、肖像表征和符號表征[8]。這三種表征系統(tǒng)，實質(zhì)上也是三種信息加工系統(tǒng)。就框圖推斷題命題思路和考查功能而言，除了有傳統(tǒng)紙筆測驗局限，較難直接考查學(xué)生實驗操作技能（動作表征系統(tǒng)）以外，它能比較全面地考查學(xué)生肖像表征系統(tǒng)和符號表征系統(tǒng)的發(fā)展程度。肖像表征主要是以內(nèi)在感官留下的心像，如圖片、文字或知覺影像，來代表外在世界，對應(yīng)著試題的框圖部分和題干部分的文字表述；符號表征是通過抽象的符號來代表真實世界，對應(yīng)著試題中的作答部分，學(xué)生要用恰當、規(guī)范的化學(xué)用語，如用化學(xué)式（或電子式、結(jié)構(gòu)式等）表述有關(guān)物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)，用化學(xué)方程式（或離子方程式）表達化學(xué)反應(yīng)，用“單線橋”或“雙線橋”表達氧化還原反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移的本質(zhì)。最高級的表征是符號表征，學(xué)生解題時能使用恰當、規(guī)范的化學(xué)用語，代表著學(xué)生較高的化學(xué)學(xué)科理解能力和思維表達能力。

1.3 物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的可視化圖像表征是框圖推斷的重要突破口

對框圖推斷題的解決思路，總體上是“大膽假設(shè)、小心求證”。尋找突破口，是解決框圖推斷題的關(guān)鍵。教學(xué)實踐中，教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生解題時，只注意在題干文字中尋找，諸如物質(zhì)的特有性質(zhì)、特殊實驗現(xiàn)象等，作為突破口。這是一種思維的局限，沒有全面調(diào)用表征系統(tǒng)的諸要素，如圖像表征。教師因此要做針對性教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注框圖本身，它表達了高中化學(xué)常見元素化合物的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，這也是框圖推斷題命題思路所決定的。其中一些相互轉(zhuǎn)化關(guān)系具有典型性或特殊性，在框圖中呈現(xiàn)出特定的可辨識的圖像表征。利用可視化的物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的圖像表征，是突破框圖推斷難點的重要途徑。

2 對典型的可視化圖像表征的歸類分析

2.1 關(guān)鍵物質(zhì)的特有化學(xué)性質(zhì)

江蘇省高中化學(xué)學(xué)業(yè)水平測試考試說明中要求，通過對鈉、鋁、鐵、銅及其化合物之間轉(zhuǎn)化關(guān)系的認識和比較，體會學(xué)習(xí)元素化合物知識的一般方法。對元素單質(zhì)及其化合物性質(zhì)的認識，既要掌握一類物質(zhì)的通性，也要把握一些物質(zhì)特有的化學(xué)性質(zhì)。如鋁元素形成的化合物——氧化鋁和氫氧化鋁，不同于一般的金屬元素化合物，是典型的兩性化合物，在測試中屢有考查。學(xué)生應(yīng)在框圖中找出“既能與鹽酸反應(yīng)，又能與NaOH溶液反應(yīng)”的圖像表征，如圖1。

例如2007年江蘇省高中化學(xué)學(xué)業(yè)水平測試框圖推斷題（圖2）中的“C物質(zhì)”，從圖中觀察到“既能與鹽酸反應(yīng)，又能與NaOH溶液反應(yīng)”，又是高溫條件下的鋁熱反應(yīng)的產(chǎn)物，可推斷為Al2O3，作為解題的重要突破口。類似的還有2010年框圖推斷題中的“F物質(zhì)”，如圖3所示。因此，突出如圖1所示的圖像表征，是推斷這類題目的關(guān)鍵突破口。

2.2 連續(xù)反應(yīng)

高中化學(xué)中出現(xiàn)了許多連續(xù)變化關(guān)系，可將之概括為連續(xù)反應(yīng)的圖像表征，如圖4。具體表現(xiàn)在金屬元素Na、Al，非金屬元素C、N、S等單質(zhì)及其化合物的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系上，例如鈉的重要化合物的連續(xù)反應(yīng)，如圖5所示。

值得重視的是某些物質(zhì)在控制反應(yīng)條件（或O2用量），出現(xiàn)了連續(xù)氧化的圖像表征，在進行框圖推斷時，也是重要的突破口。圖6和圖7分別是氮、硫元素化合物連續(xù)氧化的圖像表征。

連續(xù)氧化的圖像表征在考題中屢次呈現(xiàn)。例如2011年框圖推斷題，題目文字已表述“B是能使帶火星的木條復(fù)燃的無色無味氣體”，即B物質(zhì)是氧氣。從框圖（如圖8）中仔細觀察，可尋找出A物質(zhì)被連續(xù)氧化，分別生成C和D的圖像表征。再如2012年框圖推斷題（如圖9），題目文字指出，B、D為組成元素相同的兩種無色液體，再加之框圖中有催化劑MnO2，可推出C物質(zhì)是過氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣。進而找出A物質(zhì)被連續(xù)氧化，分別生成F和G的圖像表征。

2.3 兩種物質(zhì)雙向轉(zhuǎn)化

高中化學(xué)中出現(xiàn)了較多的兩種物質(zhì)如碳酸鈉和碳酸氫鈉、Fe2+和Fe3+等，可通過化學(xué)反應(yīng)進行相互轉(zhuǎn)化，通常這類轉(zhuǎn)化不屬于可逆反應(yīng)，在框圖中也不用可逆反應(yīng)符號，而是用雙向箭頭，可將之概括為“兩種物質(zhì)雙向轉(zhuǎn)化的圖像表征”。例如2010年框圖推斷題（如圖3）中的H和K物質(zhì)，2013年框圖推斷題（如圖10）中的H和I物質(zhì)，兩種物質(zhì)轉(zhuǎn)化的實質(zhì)，都是不同價態(tài)鐵的化合物之間的氧化還原反應(yīng)。

2.4 特殊條件（高溫）下，兩種物質(zhì)生成另外兩種物質(zhì)

例如2007年框圖推斷題中（圖2）的A和B物質(zhì)在高溫下反應(yīng)，生成C和D物質(zhì)；2010年框圖推斷題中（圖3）的A和B物質(zhì)在高溫下反應(yīng)，生成D和E物質(zhì)。它們都呈現(xiàn)出特殊條件（高溫）下，兩種物質(zhì)生成另外兩種物質(zhì)的圖像表征，實際都考查了鋁熱反應(yīng)，即

再如2012年框圖推斷題（如圖9），A和C物質(zhì)在高溫下反應(yīng)，生成E和F物質(zhì)，結(jié)合A物質(zhì)先被氧化、后被催化氧化，分別生成F和G的圖像表征，可推斷為A是含硫元素的化合物；再結(jié)合題中I溶液呈藍色等信息，進一步推斷金屬礦物A的化學(xué)組成為硫化銅或硫化亞銅。

3 關(guān)于物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的圖像表征的教學(xué)建議

3.1 突出典型的圖像表征，歸納物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化關(guān)系

元素單質(zhì)及其化合物的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系是教材中對元素化合物知識進行歸納和整理的重要方法，例如，人教版教材對硫元素部分的歸納與整理如圖12所示；蘇教版教材的整理如圖13所示。

兩種教材不約而同從氧化還原反應(yīng)角度突出了硫元素連續(xù)氧化的圖像表征，也從物質(zhì)類別角度，反映了從非金屬單質(zhì)到低價態(tài)氧化物，再到高價態(tài)氧化物和相應(yīng)含氧酸（及其鹽類）的變化規(guī)律。這對認識其他非金屬元素（如C、N等）類似的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系也有幫助?？荚囌f明也指出，“通過對氯、氮、硫、硅等非金屬及其重要化合物的有關(guān)知識進行歸納與整理，體會學(xué)習(xí)元素化合物的一般方法”[9]，可見教材和考試說明的高度一致性。

教材還啟示我們，進一步將一種元素的單質(zhì)和化合物，拓展到多種元素的單質(zhì)和重要的化合物，再通過連線刻畫各種物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化，形成多種元素化合物相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的思維導(dǎo)圖。這有利于認識各種物質(zhì)豐富的化學(xué)性質(zhì)，也有利于形成知識網(wǎng)絡(luò)，并鍛煉學(xué)生聯(lián)想、發(fā)散思維能力，幫助學(xué)生形成的物質(zhì)變化觀和物質(zhì)普遍聯(lián)系的觀點。

3.2 歸納典型的物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的圖像表征，深刻認識化學(xué)反應(yīng)規(guī)律

高中化學(xué)中除了上文述及的、在學(xué)業(yè)水平測試中反復(fù)出現(xiàn)的圖像表征之外，還有一些典型的物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的圖像表征。例如鐵、鋁元素單質(zhì)和化合物，如圖14所示，呈現(xiàn)了特殊的“三角轉(zhuǎn)化”的圖像表征。表現(xiàn)在三種物質(zhì)之間均有六個反應(yīng)方向能實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化，其中“鐵三角”的轉(zhuǎn)化要尋找不同的氧化劑或還原劑，核心知識點為鐵元素具有可變化合價態(tài)?！颁X三角”的轉(zhuǎn)化通過與酸、堿等發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)的途徑實現(xiàn)，核心知識點為鋁元素的氧化物、氫氧化物是典型的兩性化合物。對強弱氧化劑（或還原劑）、強酸、弱酸（或強堿、弱堿）的選擇，以及反應(yīng)物用量（少量、過量）等的討論，有益于學(xué)生認識相關(guān)的氧化還原反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)等反應(yīng)規(guī)律。

3.3 結(jié)合典型圖像表征，形成完善的框圖推斷題解題思路和方法

結(jié)合利用可視化的圖像表征，框圖推斷題解題思路可概括為“審→析→推→解”，如圖15所示。

分析題目時，按照從題干→問題→框圖的順序，注意題目中關(guān)鍵信息的獲取，既要捕捉題干文本中的信息，有時還要從問題中找到補充的信息。題干和問題部分以文字敘述顯現(xiàn)的突破口較難發(fā)現(xiàn)的時候，就要注意框圖中的典型圖像表征，并將確定的典型的物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的圖像表征在框圖中標出。一旦找到了突破口，則要順藤摸瓜，大膽推斷（或猜測），或逆推或順展，問題將會迎刃而解。

3.4 發(fā)揮框圖推斷題的教學(xué)功能，培養(yǎng)高中學(xué)生化學(xué)信息素養(yǎng)

近年來化學(xué)結(jié)構(gòu)的可視化（以圖形的方式對化學(xué)信息進行描述）是化學(xué)信息學(xué)最值得注意的成就之一[10]?？驁D推斷題中的框圖或典型的物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的圖像表征，也是用圖形的方式，對化學(xué)信息進行的一種描述?；瘜W(xué)信息學(xué)要培養(yǎng)學(xué)生的信息意識和提高獲取信息的能力，發(fā)揮框圖推斷題的教學(xué)功能，能培養(yǎng)高中學(xué)生化學(xué)信息素養(yǎng)。

布魯納在“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”教學(xué)主張中，也強調(diào)信息提取。他認為人類記憶的首要問題不是儲存，而是提取。因為學(xué)生在儲存信息的同時，必須能在沒有外來幫助的情況下提取信息。提取信息的關(guān)鍵在于如何組織信息，知道信息儲存在哪里和怎樣才能提取信息[11]。因此，發(fā)揮框圖推斷題的教學(xué)功能，提升學(xué)生信息提取能力，幫助學(xué)生從可視化的圖像表征，尋找框圖推斷題的突破口。這不僅有利于學(xué)生提升破解難題能力，在學(xué)業(yè)水平測試中取得好成績，而且培養(yǎng)了高中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，尤其是化學(xué)信息素養(yǎng)。

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