萬丹蕾 湯希雁 劉志平 周鶴洋

摘? ?要：思維可視化是指運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(dá)，還能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生對(duì)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(jì)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(jià)值。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué)；思維可視化；實(shí)驗(yàn)探究

思維是人腦對(duì)事物客觀、概括的反映。思維可視化是指借助符號(hào)、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(yùn)用到教學(xué)中，不僅可以將概念原理直觀化、零散知識(shí)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(shí)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(shí)踐”是2022年《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)定的五項(xiàng)核心素養(yǎng)之一，它作為初中化學(xué)學(xué)習(xí)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，又作為一種化學(xué)學(xué)習(xí)方式，落實(shí)在具體的學(xué)習(xí)和評(píng)價(jià)中。新課標(biāo)中還對(duì)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(hào)相結(jié)合的方式認(rèn)識(shí)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(cè)其性質(zhì)，并能解釋一些簡(jiǎn)單的化學(xué)問題”“能對(duì)不同的觀點(diǎn)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(shí)、問題解決等能力，同時(shí)也要注重學(xué)生在學(xué)習(xí)空間、思維空間和表達(dá)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(shí)驗(yàn)問題的探究方法。

教師針對(duì)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(shí)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(gè)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(gè)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(jì)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(duì)此，筆者設(shè)計(jì)了思維可視化教學(xué)設(shè)計(jì)模型如圖 2。教師在確定好本堂課的教學(xué)目標(biāo)后，選擇切合教學(xué)目標(biāo)的可視化手段，貫穿整個(gè)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(shí)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(qiáng)化學(xué)生對(duì)模型的認(rèn)知，深化思維；利用思維導(dǎo)圖等工具，厘清本節(jié)課的知識(shí)脈絡(luò)，整理思維模型，系統(tǒng)知識(shí)。

3 思維可視化教學(xué)實(shí)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(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象判斷反應(yīng)是否發(fā)生，這會(huì)對(duì)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知障礙，若處理不當(dāng)，會(huì)影響學(xué)生對(duì)該知識(shí)的學(xué)習(xí)效果。此時(shí)若對(duì)此類反應(yīng)的驗(yàn)證方法加以引導(dǎo)，不僅能幫助他們準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)反應(yīng)實(shí)質(zhì)，對(duì)他們形成科學(xué)的探究思維也也有重大影響。對(duì)于這一障礙點(diǎn)筆者設(shè)計(jì)了教學(xué)思路如圖 3。

3.1? 教學(xué)目標(biāo)

（1）借助教材實(shí)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(shí)系統(tǒng)化，理解核心知識(shí)。

（2）通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用酸堿鹽的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)知識(shí)和化學(xué)思維的靈活遷移，形成化學(xué)觀念。

（3）通過分組實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(cuò)誤觀點(diǎn)，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

3.2? 教學(xué)重難點(diǎn)

（1）教學(xué)重點(diǎn)：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(diǎn)：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(yàn)證化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的思維模型，即通過驗(yàn)證反應(yīng)物消失或驗(yàn)證生成物生成來判斷反應(yīng)是否發(fā)生。

設(shè)計(jì)意圖：以已學(xué)教材實(shí)例為情境，激發(fā)學(xué)生對(duì)無現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)類反應(yīng)的認(rèn)知興趣，初建立通過現(xiàn)象判別反應(yīng)進(jìn)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(cè)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(cè)哪些因素驗(yàn)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(cè)HCl與NaOH反應(yīng)過程中的溫度變化如圖 8、pH傳感器監(jiān)測(cè)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(diǎn)表示的意義。得出通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程可以判斷反應(yīng)是否發(fā)生的結(jié)論。

設(shè)計(jì)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(qiáng)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(dòng)態(tài)圖（圖 10），思考討論，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

師生共研對(duì)方案3進(jìn)行改進(jìn)，如表 1。

（1）設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，排除水的干擾，如圖 11。

實(shí)驗(yàn)理象：2個(gè)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)傳感器測(cè)定，結(jié)果見圖 12。

學(xué)生：小組合作實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行組間評(píng)價(jià)，有異常的地方向老師提問。

設(shè)計(jì)意圖：診斷學(xué)生知識(shí)遷移、運(yùn)用模型的能力；診斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(jìn)學(xué)生化學(xué)與生活、科技、社會(huì)的融合，加強(qiáng)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例，如圖 13。

學(xué)生：完成習(xí)題，鞏固對(duì)本類反應(yīng)的認(rèn)知。

設(shè)計(jì)意圖：通過習(xí)題診斷學(xué)生對(duì)問題的分析、判斷能力和知識(shí)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(duì)比實(shí)驗(yàn)法：觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化；③壓強(qiáng)差法：適用于有氣體參與，反應(yīng)前后壓強(qiáng)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(yàn)證產(chǎn)物存在，能產(chǎn)生明顯現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：診斷學(xué)生對(duì)思維模型的掌握程度和培養(yǎng)學(xué)生的交流表達(dá)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(dòng)，促進(jìn)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(dòng)中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用、分析和評(píng)價(jià)等高階思維的迭代提升；合理巧妙利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)，體驗(yàn)學(xué)科素養(yǎng)。在思維可視化應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)課堂中，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)、小組討論設(shè)計(jì)并實(shí)踐實(shí)驗(yàn)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(yán)謹(jǐn)、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(dòng)性，培養(yǎng)了科學(xué)探究能力、小組合作能力、獨(dú)立思考能力、自主表達(dá)能力與證據(jù)邏輯推理能力等。教師在今后的實(shí)驗(yàn)探究課堂中，也可采用類似的思維模式進(jìn)行教學(xué)，能更有效地幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

［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(fù)增效的新支點(diǎn)[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(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：6.