思維可視化在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

萬丹蕾 湯希雁 劉志平 周鶴洋

摘? ?要：思維可視化是指運用一系列圖示技術(shù)把本來不可視的思維清晰可見地呈現(xiàn)出來的方法和過程。在實驗探究教學(xué)中應(yīng)用思維可視化策略不僅有助于教師思路的有效表達，還能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生對事物的聯(lián)想，提升學(xué)生的思考能力，幫助學(xué)生形成清晰的探究思路。文章設(shè)計了思維可視化在教學(xué)中的應(yīng)用模型，結(jié)合模型展示“使無明顯現(xiàn)象反應(yīng)可視化”教學(xué)案例，探討思維可視化在教學(xué)中的功能與價值。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué)；思維可視化；實驗探究

思維是人腦對事物客觀、概括的反映。思維可視化是指借助符號、模型、圖表、思維導(dǎo)圖等工具把本來不可視的思維可視化[ 1 ]。思維可視化運用到教學(xué)中，不僅可以將概念原理直觀化、零散知識系統(tǒng)化、解題規(guī)律模型化、隱性思維顯性化，以此縮短教學(xué)時間，提高教學(xué)成效；還能啟發(fā)學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，發(fā)展思維能力，提升學(xué)習(xí)興趣[ 2 ]。

1? 融入思維可視化的科學(xué)探究教學(xué)策略

“科學(xué)探究與實踐”是2022年《義務(wù)教育化學(xué)課程標準》設(shè)定的五項核心素養(yǎng)之一，它作為初中化學(xué)學(xué)習(xí)的一項重要內(nèi)容，又作為一種化學(xué)學(xué)習(xí)方式，落實在具體的學(xué)習(xí)和評價中。新課標中還對學(xué)生的“科學(xué)思維”素養(yǎng)做了一定要求，期待學(xué)生“能以宏觀、微觀、符號相結(jié)合的方式認識和表征化學(xué)變化，初步建立物質(zhì)及其變化的相關(guān)模型”“能根據(jù)物質(zhì)的類別和信息提示預(yù)測其性質(zhì)，并能解釋一些簡單的化學(xué)問題”“能對不同的觀點和方案提出自己的見解，發(fā)展創(chuàng)新思維能力”[ 3 ]。這表明初中化學(xué)教學(xué)不僅應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新意識、問題解決等能力，同時也要注重學(xué)生在學(xué)習(xí)空間、思維空間和表達空間都能得到充分的鍛煉。將思維可視化策略融入課堂中（如圖 1），可以將科學(xué)探究過程中形成的思路外顯化，幫助學(xué)生建立探究模型，掌握解決某類實驗問題的探究方法。

教師針對某類科學(xué)探究問題布置具有階層的任務(wù)，通過已學(xué)知識情境或相關(guān)生活情境啟發(fā)學(xué)生解決此類問題的思想，以某幾個反應(yīng)為案例，剖析此類反應(yīng)的探究過程及關(guān)鍵思想，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)思路方法，建構(gòu)相關(guān)思維模型。還可以具體某個問題開展科學(xué)探究，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用相關(guān)模型設(shè)計實驗方案，幫助學(xué)生掌握科學(xué)探究的方法。

2? 思維可視化教學(xué)設(shè)計模型

在思維可視化教學(xué)策略中，啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、幫助學(xué)生掌握思維可視化的學(xué)習(xí)方法是關(guān)鍵。對此，筆者設(shè)計了思維可視化教學(xué)設(shè)計模型如圖 2。教師在確定好本堂課的教學(xué)目標后，選擇切合教學(xué)目標的可視化手段，貫穿整個教學(xué)主題。通過圖片、視頻、模型、故事等多元情境的導(dǎo)入，啟迪學(xué)生思維；在講解內(nèi)容時利用多重表征，將概念直觀演繹，將思路清晰明示，使抽象思維具象化，建立思維模型；通過解決例題強化學(xué)生對模型的認知，深化思維；利用思維導(dǎo)圖等工具，厘清本節(jié)課的知識脈絡(luò)，整理思維模型，系統(tǒng)知識。

3 思維可視化教學(xué)實踐——以“探究無明顯現(xiàn)象反應(yīng)”為例

在初中學(xué)習(xí)階段，學(xué)生認識到判斷化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生的依據(jù)是“有無新物質(zhì)產(chǎn)生”。新物質(zhì)的產(chǎn)生往往伴隨著發(fā)光、放熱、有氣體或沉淀生成這些明顯的現(xiàn)象，但有些反應(yīng)現(xiàn)象并不明顯，如酸堿中和反應(yīng)、二氧化碳與水的反應(yīng)以及二氧化碳與氫氧化鈉的反應(yīng)等，難以通過直接觀察實驗現(xiàn)象判斷反應(yīng)是否發(fā)生，這會對學(xué)生產(chǎn)生認知障礙，若處理不當，會影響學(xué)生對該知識的學(xué)習(xí)效果。此時若對此類反應(yīng)的驗證方法加以引導(dǎo)，不僅能幫助他們準確認識反應(yīng)實質(zhì)，對他們形成科學(xué)的探究思維也也有重大影響。對于這一障礙點筆者設(shè)計了教學(xué)思路如圖 3。

3.1? 教學(xué)目標

（1）借助教材實例，激發(fā)探究欲望，建構(gòu)“使反應(yīng)現(xiàn)象可視化”的思維模型，使零散的內(nèi)容和知識系統(tǒng)化，理解核心知識。

（2）通過任務(wù)驅(qū)動，應(yīng)用酸堿鹽的化學(xué)性質(zhì)進行實驗探究，實現(xiàn)對化學(xué)知識和化學(xué)思維的靈活遷移，形成化學(xué)觀念。

（3）通過分組實驗探究，建構(gòu)和掌握“使反應(yīng)現(xiàn)象可視化”的思維模型，探究物質(zhì)反應(yīng)的規(guī)律，提升科學(xué)思維。

（4）通過對實驗現(xiàn)象的收集和分析，敢于提出自己的見解、勇于修正或放棄錯誤觀點，形成嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度。

3.2? 教學(xué)重難點

（1）教學(xué)重點：探究無明顯現(xiàn)象反應(yīng)方法的形成與模型的構(gòu)建。

（2）教學(xué)難點：無明顯現(xiàn)象反應(yīng)的定量分析過程。

3.3? 教學(xué)過程

3.3.1 創(chuàng)設(shè)情境，啟迪思維

[問題1]? 教材中如何證明CO2與H2O發(fā)生了反應(yīng)？（多媒體展示，如圖 4）

[問題2]? 教材中如何證明HCl與NaOH發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)？（多媒體展示，如圖 5）

學(xué)生：初步得到驗證化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的思維模型，即通過驗證反應(yīng)物消失或驗證生成物生成來判斷反應(yīng)是否發(fā)生。

設(shè)計意圖：以已學(xué)教材實例為情境，激發(fā)學(xué)生對無現(xiàn)象實驗類反應(yīng)的認知興趣，初建立通過現(xiàn)象判別反應(yīng)進程的可視化模型。

3.3.2 直觀操作，深化思維

[問題3]? 反應(yīng)過程中粒子如何變化？

多媒體展示HCl與NaOH反應(yīng)微觀示意圖如圖 6。

學(xué)生：分析反應(yīng)過程中各種粒子的變化。

教師展示用手持技術(shù)電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測HCl與NaOH反應(yīng)過程中的電導(dǎo)率變化如圖 7。

[問題4]? 還可以通過監(jiān)測哪些因素驗證反應(yīng)的發(fā)生？

教師展示用手持技術(shù)溫度傳感器監(jiān)測HCl與NaOH反應(yīng)過程中的溫度變化如圖 8、pH傳感器監(jiān)測NaOH滴入HCl反應(yīng)過程中的pH變化如圖 9。

學(xué)生：觀察數(shù)據(jù)變化，討論分析各節(jié)點表示的意義。得出通過數(shù)字化實驗監(jiān)測反應(yīng)過程可以判斷反應(yīng)是否發(fā)生的結(jié)論。

設(shè)計意圖：利用手持技術(shù)，獲取數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，通過手持技術(shù)讓化學(xué)反應(yīng)的過程可視化，加強探究能力和提升科學(xué)思維。

[問題5] 以NaOH溶液與CO2反應(yīng)為例，如何證明反應(yīng)是否發(fā)生？

學(xué)生：觀看微觀模擬動態(tài)圖（圖 10），思考討論，自主設(shè)計實驗方案。

師生共研對方案3進行改進，如表 1。

（1）設(shè)計對比實驗，排除水的干擾，如圖 11。

實驗理象：2個軟塑料瓶均變癟，裝有氫氧化鈉溶液的軟塑料瓶的癟的程度大一些。

實驗結(jié)論：二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)。

（2）利用手持技術(shù)中壓強傳感器測定，結(jié)果見圖 12。

學(xué)生：小組合作實驗。實驗結(jié)束后進行組間評價，有異常的地方向老師提問。

設(shè)計意圖：診斷學(xué)生知識遷移、運用模型的能力；診斷學(xué)生實驗操作能力、小組合作能力和觀察能力，通過生活中的情境素材的案例，促進學(xué)生化學(xué)與生活、科技、社會的融合，加強用化學(xué)方法解決生活問題的思維能力。

3.3.3 巧設(shè)習(xí)題，拓展思維

（練習(xí)）相關(guān)實驗改進案例，如圖 13。

學(xué)生：完成習(xí)題，鞏固對本類反應(yīng)的認知。

設(shè)計意圖：通過習(xí)題診斷學(xué)生對問題的分析、判斷能力和知識的遷移應(yīng)用能力。

3.3.4 建構(gòu)體系，系統(tǒng)思維

組內(nèi)討論、組間分享、師生總結(jié)。

（1）將無明顯現(xiàn)象反應(yīng)轉(zhuǎn)為如圖14所示的可視化模型。

（2）可視化方法

①指示劑法：適用于反應(yīng)前后溶液酸堿性有變化的反應(yīng)；②對比實驗法：觀察實驗現(xiàn)象變化；③壓強差法：適用于有氣體參與，反應(yīng)前后壓強有明顯變化的反應(yīng)；④溫度變化法：適用于反應(yīng)前后溫度有明顯變化的反應(yīng)；⑤其他試劑：驗證產(chǎn)物存在，能產(chǎn)生明顯現(xiàn)象。

設(shè)計意圖：診斷學(xué)生對思維模型的掌握程度和培養(yǎng)學(xué)生的交流表達能力。

4? 小結(jié)

本節(jié)課創(chuàng)設(shè)了有意義的情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；創(chuàng)設(shè)有梯度的學(xué)生活動，促進學(xué)生層次性、建構(gòu)性的自主學(xué)習(xí)；學(xué)生在探究活動中實現(xiàn)了應(yīng)用、分析和評價等高階思維的迭代提升；合理巧妙利用數(shù)字化實驗，多角度、多層次地使無現(xiàn)象的反應(yīng)為“可視化”，有效幫助學(xué)生化解教學(xué)難點，體驗學(xué)科素養(yǎng)。在思維可視化應(yīng)用于實驗探究的教學(xué)課堂中，通過實驗?zāi)Ｐ徒?gòu)、小組討論設(shè)計并實踐實驗方案、師生完善模型這一過程，學(xué)生建立了清晰、完整的探究思路，逐漸形成嚴謹、科學(xué)的探究精神和科學(xué)態(tài)度，在課堂中提升了學(xué)習(xí)的主觀能動性，培養(yǎng)了科學(xué)探究能力、小組合作能力、獨立思考能力、自主表達能力與證據(jù)邏輯推理能力等。教師在今后的實驗探究課堂中，也可采用類似的思維模式進行教學(xué)，能更有效地幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)。

參考文獻：

［1］ 劉濯源.基于“未來課堂”的思維可視化研究[J].中國信息技術(shù)教育，2013（1）：83-84.

［2］ 劉濯源.思維可視化：減負增效的新支點[J].中小學(xué)管理，2014（6）：10-13.

［3］ 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：6.