信息技術(shù)支持的思維可視化教學(xué)研究

包玉紅

一、問題的提出

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)與智能終端設(shè)備日益普及，我們進(jìn)入了“互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”時(shí)代，人們?cè)絹?lái)越多地運(yùn)用數(shù)字化工具、平臺(tái)和資源開展工作和學(xué)習(xí)并運(yùn)用到生活中，信息技術(shù)改變著我們的生產(chǎn)生活方式。如何將信息技術(shù)應(yīng)用到教育教學(xué)中，幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)思維能力，為國(guó)家綜合國(guó)力的提升提供保障，成為一項(xiàng)重要課題。在“雙減”政策下，以素養(yǎng)為本的教學(xué)中，重要的是要提高課堂效率，挖掘?qū)W生的思維潛能，讓學(xué)生了解知識(shí)的形成過程、即知其然也知其所以然，關(guān)注解決問題的方法、思路，從而高效地培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力。在教學(xué)過程中若能將知識(shí)形成的過程、解決問題的思考過程顯性化，便可以有效提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。思維過程顯性化方法很多，比如概念圖、魚骨圖、思維導(dǎo)圖，這些都可以認(rèn)為是思維的可視化。思維可視化即用圖示或圖示組合的方式把原本不可見的思維路徑、結(jié)構(gòu)、方法及策略呈現(xiàn)出來(lái)，使其清晰可見的過程。通俗地講就是把思維“畫”出來(lái)的過程。

在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ocusky軟件能夠打破線性思維模式，其畫布的無(wú)限延展可以將整個(gè)體系呈現(xiàn)于眼前;其縮放功能，可以觀看任意層面的細(xì)節(jié)內(nèi)容，使學(xué)生深刻理解整堂課的邏輯順序;其震撼的動(dòng)畫演示過程，可以極大地提高學(xué)生的關(guān)注度。用Focusky軟件可制作出整體性強(qiáng)、邏輯性高且形象生動(dòng)的教學(xué)課件，達(dá)到思維可視化目的，有助于學(xué)生建立思維模型，提高教學(xué)效率?，F(xiàn)以“有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的測(cè)定”為例探討思維可視化在具體教學(xué)中的應(yīng)用。

二、教學(xué)實(shí)踐

（一）教學(xué)思路

在教學(xué)過程中，以阿司匹林的形成過程為情境，引導(dǎo)學(xué)生推理合成有機(jī)化合物的過程，即首先對(duì)有機(jī)物分離提純，然后測(cè)定其組成結(jié)構(gòu)，最后人工合成。將合成有機(jī)物的程序以魚骨圖形式呈現(xiàn)，幫助學(xué)生建立合成有機(jī)物程序的思維模型，了解測(cè)定有機(jī)物結(jié)構(gòu)的重要性。本節(jié)課重點(diǎn)是有機(jī)物的結(jié)構(gòu)測(cè)定。研究有機(jī)物結(jié)構(gòu)的核心步驟為確定其分子式和檢測(cè)分子中所含的官能團(tuán)及其在碳骨架中的位置。按照研究過程的邏輯順序用線路圖表示該過程，將思維外顯，給學(xué)生形成整體認(rèn)識(shí)，在整體中又了解每一步的測(cè)定方法，從而建構(gòu)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，完善思維邏輯。

（二）教學(xué)過程

1.情境引入，提出問題

視頻展示阿司匹林的前世今生。相傳，早在2400多年前，希波克拉底曾用柳樹皮來(lái)治頭痛和發(fā)燒。阿司匹林從柳樹皮衍生而來(lái)，如果你是科學(xué)家，給你柳樹皮，你會(huì)怎么做？怎樣得到大量的我們需要的藥物？

【學(xué)生】

從柳樹皮中提取有效成分，用化學(xué)方法合成。

【教師】

在提取柳樹皮有效成分——水楊酸純品之后，依據(jù)什么合成呢？先測(cè)定有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)再合成，見圖1。如何確定結(jié)構(gòu)呢？

（柳樹皮到阿司匹林藥物，研究有機(jī)物合成的基本思路以魚骨圖形式展示，形成系統(tǒng)思維）

2.交流研討，確定方案

學(xué)生小組交流研討，分析測(cè)定有機(jī)物結(jié)構(gòu)的思路：組成元素→最簡(jiǎn)式→分子式→分子結(jié)構(gòu)。展示測(cè)定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)測(cè)定的流程圖見圖2。

（以流程圖的形式展現(xiàn)測(cè)定有機(jī)物結(jié)構(gòu)的基本思路，在實(shí)際講授過程中，使用Focusky軟件畫布的3D無(wú)限縮放的切換方式，從整體出發(fā)，逐一深入解決每一個(gè)小環(huán)節(jié)中的問題，例如確定元素的組成，點(diǎn)擊流程圖中的元素組成，深入畫布內(nèi)部，了解如何確定元素組成。在大思路框架下逐步解決問題）

確定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)測(cè)定的核心問題是分子式的確定、官能團(tuán)的檢驗(yàn)及其在碳骨架中的位置。

3.實(shí)施方案，思維遷移

【活動(dòng)探究1】 水楊酸分子式的確定。

從柳樹中提取水楊酸純品，要確定分子式，首先測(cè)定其組成元素，由組成元素→最簡(jiǎn)式→分子式。

思考：

怎樣測(cè)定有機(jī)物的組成元素及其百分含量，見圖3。

現(xiàn)取1.38g水楊酸按照上述流程完成實(shí)驗(yàn)，得知水楊酸只含C、H、O三種元素，燃燒后只得到3.08g二氧化碳和0.54g水。請(qǐng)大家計(jì)算實(shí)驗(yàn)式（最簡(jiǎn)式）。

【學(xué)生】

由以上數(shù)據(jù)得出水楊酸實(shí)驗(yàn)式即最簡(jiǎn)式為C7H6O3。

【教師】

拓展：現(xiàn)代儀器分析只需要元素分析儀，將樣品置入分析儀的燃燒管中，計(jì)算即可自動(dòng)得出所含元素及含量。

思考：

（1）已知最簡(jiǎn)式，要確定水楊酸的分子式還需要哪些數(shù)據(jù)？

（2）你知道哪些確定物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量的方法？

【學(xué)生】

（1）需要知道相對(duì)分子質(zhì)量。

（2）可以通過測(cè)定有機(jī)物蒸氣的相對(duì)密度的方法得到。

【教師】

總結(jié)確定物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量的方法，拓展質(zhì)譜儀測(cè)定物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量法。閱讀材料，確定水楊酸的分子式。

（1）水楊酸蒸氣的密度約是相同狀況下氫氣的69倍。

（2）展示水楊酸的質(zhì)譜圖。

【學(xué)生】

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出水楊酸分子式為C7H6O3，總結(jié)分子式確定思路。

【活動(dòng)探究2】 水楊酸的結(jié)構(gòu)式確定。

水楊酸分子式C7H6O3，如何確定其結(jié)構(gòu)？

【學(xué)生】

小組討論，分析，總結(jié)。

（1）根據(jù)水楊酸的分子式C7H6O3，先計(jì)算不飽和度，分析可能含有的官能團(tuán)可能含有苯環(huán)+羧基+羥基，苯環(huán)+酯基+羥基，苯環(huán)+醛基+2個(gè)羥基，鏈烴基+含氧官能團(tuán)等。

（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)，-COOH可以用與碳酸氫鈉溶液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)或石蕊試液來(lái)檢驗(yàn);-CHO可以用新制氫氧化銅實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，酚羥基可以用三氯化鐵溶液檢驗(yàn)。

（3）確定官能團(tuán)的連接和碳鏈結(jié)構(gòu)。

【教師】

方法導(dǎo)引：用化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法檢驗(yàn)官能團(tuán)時(shí)，優(yōu)先檢驗(yàn)酚羥基、羧基等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯的官能團(tuán)，可以排除一些組合，縮小檢測(cè)范圍。

實(shí)際上用傳統(tǒng)的化學(xué)方法來(lái)確定有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，工作相當(dāng)復(fù)雜。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們可以用紅外光譜和核磁共振準(zhǔn)確、快速測(cè)定。

現(xiàn)代技術(shù)分析法：

①根據(jù)紅外光譜分析可能的官能團(tuán)。

②根據(jù)核磁共振譜找出等效氫個(gè)數(shù)，得出官能團(tuán)的連接方式。

【資料】

（1）水楊酸微溶于水，所得溶液能夠使石蕊試液變紅。加入碳酸氫鈉溶液中，有氣泡產(chǎn)生，遇到三氯化鐵顯紫色。

（2）展示水楊酸的紅外光譜圖和核磁共振氫譜。

【學(xué)生】

由紅外光譜圖可知分子中存在苯環(huán)、碳氧雙鍵、碳氧單鍵、氧氫鍵。

分析數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出水楊酸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可能為：

【教師】

這兩種同分異構(gòu)體如何鑒別？可以根據(jù)等物質(zhì)的量的樣品與濃溴水反應(yīng)，消耗溴水的物質(zhì)的量的不同，最終確定水楊酸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式是■。

（三）概括總結(jié)，思維進(jìn)階

再次展示有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)測(cè)定的流程圖，梳理有機(jī)物結(jié)構(gòu)測(cè)定的流程，歸納總結(jié)測(cè)定分子式和結(jié)構(gòu)的思路方法，建立有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)測(cè)定的思維模型。

【拓展資料】柳樹皮中能治病的成份是水楊酸。水楊酸雖然具有很好的解熱鎮(zhèn)痛作用，但是味道令人生厭，且有副作用，對(duì)腸胃的刺激性很大。德國(guó)化學(xué)家霍夫曼對(duì)其做出改進(jìn)，以該樣品為原料合成了乙酰水楊酸，即阿司匹林，鎮(zhèn)痛效果更好，副作用小?，F(xiàn)在還有研究表明阿司匹林具有抗血栓、防癌等功效，在保護(hù)生命方面存在很大的潛在價(jià)值。

三、結(jié)語(yǔ)

本節(jié)課以幾千年前人類從柳樹皮中發(fā)現(xiàn)水楊酸、提純、測(cè)定其結(jié)構(gòu)、改進(jìn)結(jié)構(gòu)，最后發(fā)明阿司匹林的歷史史實(shí)為主線，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，利用所學(xué)知識(shí)完成對(duì)水楊酸分子結(jié)構(gòu)的探秘。利用貫穿整節(jié)課的流程圖引導(dǎo)，以一定的邏輯打開，較完整地呈現(xiàn)了有機(jī)合成的科學(xué)方法和工作程序，將研究有機(jī)物結(jié)構(gòu)的思維可視化，凸顯有機(jī)合成的大觀念和大思路，豐富了有機(jī)物結(jié)構(gòu)的研究角度，完善了方法，建立了研究有機(jī)物結(jié)構(gòu)的思維模型。拓展資料讓學(xué)生了解，我們可以根據(jù)需要修改結(jié)構(gòu)、改良性能，讓化學(xué)更好地服務(wù)人類生產(chǎn)生活，使學(xué)生深刻地體會(huì)有機(jī)化學(xué)的學(xué)科價(jià)值，便于學(xué)生遷移應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的高階能力。

注：本文系煙臺(tái)市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“化學(xué)核心素養(yǎng)下信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)有效融合的教學(xué)研究”（2020/16）成果。