摘 要：

化學(xué)反應(yīng)原理中抽象的概念和化學(xué)反應(yīng)中微粒的不可見性，會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)造成阻礙.運(yùn)用原理示意圖、柱狀圖等圖形組織器能將抽象原理直觀化，模型化微觀世界理解化學(xué)變化本質(zhì)，達(dá)到思維可視化的教學(xué)，提高學(xué)生證據(jù)推理和模型認(rèn)知等化學(xué)核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：思維可視化；柱狀圖；有機(jī)分子空間結(jié)構(gòu);高中化學(xué)

中圖分類號(hào)：G632?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1008-0333（2023）09-0108-03

1 思維可視化應(yīng)用于高中化學(xué)教學(xué)的意義

“思維可視化”是指運(yùn)用圖形組織器等一系列圖示技術(shù)，把原本不可視的思維展示出來使其清晰可見的過程.“思維可視化”強(qiáng)調(diào)思維能力是學(xué)習(xí)能力的關(guān)鍵，提高教學(xué)效果的關(guān)鍵在于挖掘知識(shí)背后的思維規(guī)律，并讓學(xué)生懂得思維及其應(yīng)用.

在教學(xué)中，運(yùn)用流程圖、柱狀圖、模型圖等表征信息的圖形組織器進(jìn)行思維可視化教學(xué)，能將抽象的、微觀的、細(xì)碎的化學(xué)知識(shí)，用直觀的方式展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生可以快速地把新的知識(shí)與原有的知識(shí)結(jié)合起來，形成自己獨(dú)特的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，并把它們?nèi)谌氲阶约旱脑J(rèn)知結(jié)構(gòu)中，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維.

2 高中化學(xué)思維可視化教學(xué)表現(xiàn)形式

2.1 化學(xué)原理圖

化學(xué)概念是化學(xué)原理的基礎(chǔ)，學(xué)生要想掌握概念，必須要弄明白概念的構(gòu)成要素.首先要了解“概念”的含義，明確“概念”是一種東西或事件的規(guī)則屬性，用專門的名詞和符號(hào)來標(biāo)注，而命題是通過詞語之間的邏輯關(guān)系來表達(dá)具體事物運(yùn)行關(guān)系.從概念的說明中可以看出，概念的優(yōu)點(diǎn)是能夠清晰地展現(xiàn)知識(shí)體系，并且能夠反映出知識(shí)的層次，從而降低學(xué)生在搜索知識(shí)時(shí)所承受的負(fù)擔(dān).通過知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，可以將相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行梳理，從低維度的知識(shí)點(diǎn)中自然的轉(zhuǎn)移到更高層次的知識(shí)點(diǎn)，幫助學(xué)生把錯(cuò)綜復(fù)雜的、零碎的知識(shí)系統(tǒng)，用圖示、連線的方式，組成知識(shí)間的聯(lián)系，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，對(duì)一些細(xì)節(jié)知識(shí)的遺忘程度大大降低.化學(xué)原理圖適用于化學(xué)概念性知識(shí)的辨析，也適用于學(xué)生對(duì)概念、理論和事例的可視化類比表達(dá).

2.2 化學(xué)工藝流程圖

化學(xué)工藝流程題是高考必考的重要題型，以現(xiàn)代化學(xué)工藝生產(chǎn)為信息背景，將主要的生產(chǎn)階段用框圖表示，用箭頭將反應(yīng)原料與目標(biāo)產(chǎn)品聯(lián)系到一起.在流程上一般分為三個(gè)過程：原料處理→分離提純→獲得產(chǎn)品.

2.3 多媒體信息技術(shù)資源

借助多媒體信息技術(shù)來模擬化學(xué)反應(yīng)原理的歷程，通過專業(yè)軟件生成直觀的圖像，把不易觀察到化學(xué)反應(yīng)原理的歷程展示出來，把難以想象出來的空間結(jié)構(gòu)展示出來，借助信息技術(shù)軟件的慢鏡頭功能和重復(fù)播放功能，360°旋轉(zhuǎn)功能，突出觀察的要點(diǎn)和重點(diǎn)，進(jìn)行可視化教學(xué)，讓學(xué)生明確觀察的目的，從而使學(xué)生對(duì)抽象的知識(shí)有更直觀地認(rèn)識(shí).

3 實(shí)施思維可視化教學(xué)的原則

3.1 適度原則

在化學(xué)教科書、化學(xué)作業(yè)、習(xí)題中，往往存在著許多抽象的原理，晦澀難懂.盡管教師可以用圖解的方式來引起學(xué)生的注意，運(yùn)用圖形組織器能將抽象原理直觀化，模型化微觀世界，理解化學(xué)變化本質(zhì)應(yīng)用，但也要注意適度，只有合理地運(yùn)用，才能取得預(yù)期的教學(xué)效果.要防止過猶不及，在教學(xué)中不要只展示圖形、圖像，而忽視了語言傳授的功能與效果.

3.2 合理原則

教師在實(shí)施思維可視化教學(xué)時(shí)，要根據(jù)所涉及的教學(xué)內(nèi)容特征，設(shè)計(jì)合理的概念原理圖、微觀模型圖，選擇合適的可視化表達(dá)方式，實(shí)現(xiàn)將隱性的思維過程逐步顯性化、形象化，從而引導(dǎo)學(xué)生建立思維過程，促進(jìn)學(xué)生思維品質(zhì)的發(fā)展.

3.3 自主原則

教學(xué)的主體是學(xué)生，只要學(xué)生積極、熱情地參與到思維過程中來，思維取得的效果最好.教師在掌握了思維可視化的視覺表現(xiàn)形式后，要指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)思考，引導(dǎo)學(xué)生懂得找到一種適合自己的思維可視化表現(xiàn)形式，自覺主動(dòng)積極地構(gòu)建自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人.

4 思維可視化教學(xué)應(yīng)用舉例4.1 化學(xué)基本概念類思維可視化分析

化學(xué)概念是化學(xué)現(xiàn)象、化學(xué)過程的本質(zhì)屬性的反映.建構(gòu)概念時(shí)，利用各種模型，通過合適的情境、直觀的圖像，進(jìn)行思維可視化教學(xué)，能加強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念實(shí)質(zhì)和精髓的理解與領(lǐng)悟.

比如，在電解質(zhì)的電離的教學(xué)中，學(xué)生往往難以理解為什么NaCl固體不能導(dǎo)電，NaCl溶液可以導(dǎo)電，液態(tài)HCl不能導(dǎo)電，HCl溶于水（即鹽酸）卻能導(dǎo)電.如圖1所示，從電解質(zhì)的宏觀組成分析入手，再到微觀層面分析電解質(zhì)溶于水后微粒變化及其相互作用，從可視化的角度提升學(xué)生思維.

圖1電離方程式左邊表示NaCl固體溶于水前，雖然NaCl固體中含有陰陽離子，但Na+和Cl-通過微粒間作用力緊密結(jié)合，不能自由移動(dòng)，因而不能導(dǎo)電；方程式右邊表示NaCl溶于水后，在水分子的作用下，解離出的Na+和Cl-可以自由移動(dòng)，因此NaCl溶液可以導(dǎo)電.而對(duì)HCl而言，電離方程式左邊表示HCl溶于水前以分子形式存在，沒有帶電的微粒，因而液態(tài)HCl不能導(dǎo)電；方程式右邊表示HCl溶于水后，在水分子的作用下，解離出的H+和Cl-可以自由移動(dòng)，因此HCl溶液（即鹽酸）可以導(dǎo)電.

在電解質(zhì)的電離平衡的教學(xué)中，要對(duì)相同物質(zhì)的量濃度、相同體積的鹽酸和醋酸溶液中微粒的濃度或數(shù)量進(jìn)行比較，或相同pH、相同體積的鹽酸和醋酸溶液中微粒的濃度或數(shù)量進(jìn)行比較.從微觀角度認(rèn)識(shí)電解質(zhì)的組成比較抽象，學(xué)生往往難以理解掌握.柱狀圖是一種很好的可視化工具.圖2、圖3中用不同顏色的柱子表示不同的微粒，以下方的實(shí)線為基準(zhǔn)線，上方的虛線作為標(biāo)尺，柱子的高度表示微粒的多少.溶液中微粒的數(shù)量關(guān)系一目了然.

柱狀圖可以直觀地表示出溶液中各種微粒濃度大小的關(guān)系，通過直觀的圖像啟發(fā)學(xué)生可視化思維，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理和模型認(rèn)知的核心素養(yǎng).

4.2 有機(jī)分子空間結(jié)構(gòu)思維可視化分析

有機(jī)分子空間結(jié)構(gòu)是人們從微觀角度認(rèn)識(shí)宏觀的物質(zhì)世界，以及建立“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一化學(xué)基本觀念的重要載體.分子空間構(gòu)型是抽象的，難以想象的，為了使學(xué)生直觀地了解分子空間結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的空間想象力，借助球棍模型教具，或運(yùn)用Chem 3D等信息技術(shù)展示有機(jī)分子空間構(gòu)型，促進(jìn)學(xué)生思維可視化，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng).

例如，有機(jī)物CHClHCl和CHHClCl是同分異構(gòu)體，還是同一種物質(zhì)？很多學(xué)生往往會(huì)誤以為是同分異構(gòu)體.以為在這兩種結(jié)構(gòu)中H-C-H的鍵角一種為90°，一種為180°.在教學(xué)中，往往從理論上告訴學(xué)生甲烷分子結(jié)構(gòu)是以碳原子為中心，四個(gè)氫原子為頂點(diǎn)的正四面體結(jié)構(gòu)，而不是平面的正方形結(jié)構(gòu)，H-C-H的鍵角為109°28′，所以二者實(shí)際上是同一種物質(zhì).而學(xué)生往往難以理解與想象.而在教學(xué)中，提供球棍模型教具讓學(xué)生先自行組裝出甲烷分子的空間結(jié)構(gòu)，再用兩個(gè)氯原子任意取代兩個(gè)氫原子，可以直觀展示出這兩種結(jié)構(gòu)的三維立體空間構(gòu)型，發(fā)現(xiàn)無論取代哪兩個(gè)氫原子，實(shí)際組裝出來的空間結(jié)構(gòu)都是相同的.所以，上述兩種結(jié)構(gòu)實(shí)際上為同一種分子.

在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，分子中原子的共線共面問題一直是一個(gè)難點(diǎn).原子共線共面問題思維的基礎(chǔ)：甲烷分子的空間構(gòu)型為正四面體結(jié)構(gòu)，碳原子和四個(gè)氫原子不共線不共面；乙烯和苯的分子空間構(gòu)型為平面結(jié)構(gòu)，碳原子和氫原子在同一平面；乙炔分子空間構(gòu)型為直線結(jié)構(gòu)，兩個(gè)碳原子和兩個(gè)氫原子在同一直線上.其中，單鍵可以旋轉(zhuǎn)，碳碳雙鍵、碳碳叁鍵不能旋轉(zhuǎn).對(duì)于單個(gè)的基礎(chǔ)分子的結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以分析清楚，但將這幾種典型的常見的有機(jī)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，學(xué)生往往想象不出其分子的空間結(jié)構(gòu).例如，

CCH3CCHCH2

分子中最多有幾個(gè)原子處于同一平面上？

圖3 三維立體球棍模型利用Chem 3D軟件生成該分子的三維立體球棍模型（如圖3所示），應(yīng)用Chem 3D軟件360°旋轉(zhuǎn)功能，進(jìn)行可視化教學(xué)，分析相鄰原子間的鍵角，可以準(zhǔn)確判斷出各原子的共線共面情況.同時(shí)找出共線共面的規(guī)律.應(yīng)用Chem 3D軟件能從證據(jù)推理和模型認(rèn)知角度提高學(xué)生的思維可視化.

4.3 晶體結(jié)構(gòu)思維可視化分析

金屬晶體堆積方式是學(xué)習(xí)其他類型晶體的基礎(chǔ)，要求學(xué)生具備較強(qiáng)的空間想象能力，并能精確地將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題，學(xué)生往往難以想象和理解.通過等徑小球表示的金屬原子以ABAB方式逐層堆積出簡(jiǎn)單立方的三維球棍模型，能將微觀結(jié)構(gòu)形象化、具體化，強(qiáng)化學(xué)生的三維空間想象能力和模型認(rèn)知能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的基本堆積方式的理解，促進(jìn)學(xué)生思維可視化的發(fā)展.在此基礎(chǔ)上，延伸出體心立方、六方、面心立方等基本的晶體堆積方式.對(duì)采用均攤法計(jì)算晶胞中的實(shí)際占有的原子的個(gè)數(shù)，對(duì)空間利用率的計(jì)算，配位數(shù)的計(jì)算也自然融匯貫通.

同時(shí)，也可以采用讓學(xué)生繪制晶體結(jié)構(gòu)的圖像，親自動(dòng)手搭建晶體結(jié)構(gòu)實(shí)物模型等教學(xué)方法，讓學(xué)生獲得足夠多的晶體結(jié)構(gòu)的具體信息，扎實(shí)建立有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的信息基礎(chǔ)，提高學(xué)生有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)思維可視化的品質(zhì).

參考文獻(xiàn)：

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范愛玉.Chem3D可視化在“有機(jī)分子空間結(jié)構(gòu)”教學(xué)中的應(yīng)用［J］.福建基礎(chǔ)教育研究，2020（10）：121-123.

［2］ 婁福艷.柱狀圖：認(rèn)識(shí)電解質(zhì)在水溶液中行為的可視化工具［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2022（9）：35-37.

［責(zé)任編輯：季春陽］

收稿日期：2022-12-25

作者簡(jiǎn)介：許志鵬（1979.9-），男，福建省晉江人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

基金項(xiàng)目：泉州市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃（第一批）課題“圖形組織器提升初中學(xué)生思維可視性的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：QG451-162）研究成果.