基于“探究性化学虚拟实验”的联想思维能力的培养

王 梅，张学军，唐久磊

(西北师范大学 教育技术学院，甘肃 兰州 730070)

探究式学习是目前国际教育界一致认同并备受推崇的一种新的学习方法，它的指导思想是建构能够促进学生自主学习的环境，以学生为主体，以教师为主导，让学生自主地探求新的知识,从而培养学生的批判性思维和创新精神[1-2]。在中学化学实验教学过程中却存在很多问题[3-6]，主要是：(1)教师观念陈旧，教师往往轻实践重理论、轻过程重结果，对探究性实验体验很少，忽略学生创新思维能力的培养；(2)实验条件差，实验所需的仪器和药品不能满足学生的需求；(3)实验课时少，没有花费时间和精力进行实验探究；(4)教师水平有限，对探究性和创新思维方面的知识掌握比较欠缺，不能满足培养学生创新思维能力的教学要求。

笔者将探究性、创新思维的理念和虚拟技术结合，设计开发了条件控制类探究性虚拟实验平台，旨在训练学生联想思维，提高学生的创新思维能力。

1 联想思维概述

联想思维是根据事物之间具有的相似性或相对性的特点进行由此及彼、由近及远、由表及里的一种思维方法[7]。它是通过对两种以上事物之间存在的关联性与可比性，去扩展人脑中固有的思维，使其由旧见新、由已知推未知，从而获得更多的设想、预见和推测。它具有流畅性、灵活性、独创性等多种复杂特征[8]。

联想只能在存入人的记忆系统的表象之间进行，它不是凭空产生的，而是建立在逻辑思维之上的正确想象的必然结果。联想思维具有以下几种类型[9]：(1)相似联想：是可以根据事物外形、结构、性质或作用等某一方面或几方面的相似进行的联想：(2)对比联想：是可以根据事物外形、结构、性质、作用等某个方面存在着的互不相同或彼此相反的情况进行联想；(3)接近联想：是可以根据事物在空间或时间上的彼此接近进行联想。

联想思维是创造性思维中特别重要并运用广泛的一种思维方式。一个在学习生活中不会联想的人，他的知识是零散和孤立的；而联想丰富的人一般都会举一反三、触类旁通、妙想无穷，形成系统化的知识体系，具有良好的思维品质。联想思维是打开记忆大门的钥匙，是建立学科知识关系的纽带。

2 探究性虚拟实验对联想思维能力的培养

参照人教版高中《化学》必修2第二章“化学反应与能量”第三节，以探究催化剂、温度、浓度对化学反应速率的影响为目的，运用控制变量法和实验对照法引导学生进行化学实验的探究学习。控制变量法是指在研究化学变化中，通过控制影响化学反应速率的多个因素不变，只改变某个单一变量，观察、记录该变量对研究对象的影响，探索出该变量与化学变化之间的关系和规律[10]。实验对照法是指对同种实验材料进行不同方法处理，跟踪对比，找出不同的变化，通过分析得出结论[11]。基于控制变量法和实验对照法，学生可以自主设计探究方案进行实验。

2.1 探究性虚拟实验探究模式

基于探究性化学虚拟实验，构建了针对条件控制类实验的设计模式(见图1)，它是为解决实验探究过程中某一特定问题，在一定抽象、简化、假设的实验条件下，验证原型客体的某种本质特性，是对探究活动的本质抽象。在实验流程的创设问题情境、设计探究方案、实验探究操作3个步骤，可以激发学生积极思维、推理、想象，从而解决实验探究问题。

图1 “条件控制类”探究性化学虚拟实验模式图

2.2 创设问题情境、提供自主探究氛围

现代认知心理学研究表明：思维的本源在于问题情境，而且是以解决问题为目的的。问题情境是指人们觉察到目的但又不知如何达到这一目的的心理困境,即当已有知识不能解决新问题时的一种心理状态。要摆脱这种处境,就必须拟定以前未曾有过的、新的活动策略,亦即完成创造性活动[12]。问题探究情境的创设是将问题作为“刺激”因素，把学生置身于一种好奇、质疑、思维、探究、交流的实验氛围中，它是开启对实验探究兴趣大门的钥匙。

本探究性虚拟实验问题情境的创设是给出一组图片：腐烂的水果、生锈的铁、瞬间发生的爆炸，反映出的问题是：铁为什么会生锈，为什么水果的腐烂比较缓慢，而爆炸却是瞬间完成的。通过已学过的知识，学生可知这3种现象都表现为物质性质发生了变化，而这些变化都是因为发生了化学反应，但化学反应速率有快有慢。学生充分发挥自己的联想，并能够列举出生活中形形色色与化学反应速率有关的例子。

情境提出的问题是：化学反应的快慢与那些因素有关？学生由冬天食物不易腐烂联想到温度；从包装食品的干燥剂能延缓食品变质联想到水和氧气的多少。那么化学反应速度还会跟什么因素有关呢？可见通过创设情境，提出问题，可以使学生从化学视角观察生产、生活中有关化学反应快慢的问题，激发学生展开自主相似性的联想，根据创设情境的图片所表达出的现象，联想日常生活、生产中与其性质和作用相似的化学现象，培养学生的联想思维能力。

2.3 依据实验条件的相对性联想设计探究方案

在引出一系列的问题之后，学生通过查阅资料，了解影响化学反应速率的内在因素主要有催化剂、温度、浓度等。学生进入条件控制类虚拟实验平台，按照给定的药品、仪器，自主设计探究方案，探究催化剂、温度、浓度怎样对化学反应速率产生影响。

学生会想到：如果要得到实验结论，必须改变反应条件。在本探究实验中，实验条件就是催化剂、温度和反应物浓度。在客观事物之间，普遍存在着相对或相反的关系；事物的内部，普遍存在着既统一又对立的两个方面，条件控制类化学实验亦是如此。学生由一个实验条件联想到与之相对或相反的条件，即：从无催化剂联想到有催化剂，再由有催化剂联想到不同的催化剂；从常温联想到高温，由高温又联想到低温；从增大反应物浓度联想到减小反应物浓度。学生还要思考实验反应条件的变化，会使反应速率加快还是减慢或是不变化；怎样的设计方案才能体现出不同反应条件下不同的实验现象。

学生需要根据实验设计问题进行联想思维，从大量的信息中检索、提取与当前问题有关的各种信息，用化学实验中经常用的控制变量和对照实验的方法设计实验探究方案。例如以催化剂对双氧水(H2O2)分解反应速率的影响作为研究对象，设计出无催化剂、用MnO2为催化剂、用0.1 mol/L的FeCl3溶液为催化剂的3种实验方案。通过对比联想，帮助学生从不同实验条件的思考中，悟出巧妙设计思路，从条件联想到条件的相反面，在较短的时间内在问题对象和其他思维对象之间建立起了联系，不但找到了如何设计探究方案这个问题的突破口，更重要的是培养了学生的逆向思维能力和联想思维能力。

2.4 实验相关性的联想，完成探究实验

实验探究是一种逻辑与思维相融合的活动，需要进行联想、质疑和理论联系实际。探究催化剂、温度、反应物浓度对双氧水分解影响的实验，只有控制好实验反应条件才能取得比较好的实验效果。化学反应有快有慢，学生需要思考通过怎样的现象来判断双氧水分解反应进行得快慢。由于反应物为液体，气泡冒出的快慢可以作为判断的标准，而联想日常生活中和以前学过的化学实验知识可知，颜色变化的快慢，液体变浑浊的快慢，温度变化的快慢等都可以判断出化学反应的快慢。

在实验探究方案中，控制变量法的重要性就体现在它可以控制所研究的对象。

以催化剂对化学反应速率的虚拟实验为例,实验界面给出实验所需的仪器和药品，其中MnO2和FeCl3溶液是分解H2O2的催化剂。在自主探究的过程中，难免出现操作上的错误，如将H2O2直接倒入试管中，用药勺取H2O2，这时虚拟实验中则会给出操作错误的提示(见图2)。根据对照实验的设计方案，设计出一组对照实验，分别是无催化剂、催化剂为MnO2、催化剂为FeCl3溶液，实验完成之后的实验现象如图3所示。实验得出的结论是：无催化剂H2O2的分解无明显的变化，催化剂为MnO2时H2O2中有大量的气泡冒出，催化剂为FeCl3溶液时H2O2中有均匀的气泡冒出，可见，在H2O2的分解实验中，催化剂MnO2和FeCl3溶液加快了化学反应的速率。

在做完催化剂对化学反应速率的影响的探究实验之后，学生会进一步联想到温度对H2O2的分解的影响问题。在探究温度对化学反应速率影响的实验中，温度是可变因素，第二组实验对照条件分别为低温、常温、高温。在其他实验条件相同时，还需要考虑是否需要加入催化剂，以及用MnO2还是用FeCl3溶液作为催化剂的问题。由于本实验是在常温下进行的，如果不加催化剂就观察不到气泡，但是选用MnO2作为催化剂则反应太快，不利于观察实验现象。因此，联想的结果是：反应需要催化剂，并且选择FeCl3溶液作为催化剂，能解决实验难以比较的问题。

进一步的联想是：如果改变H2O2的浓度会对它的分解产生什么影响。在第三组实验中，浓度是可变条件。H2O2浓度对其分解速率的影响，可以通过在规定的时间内测定收到的氧气的体积反映出来，不存在实验反应过快难以观察现象的问题，因此可以加入MnO2催化剂，在H2O2浓度不同的情况下探究其对分解速率的影响。

通过对催化剂对H2O2的分解实验探究的联想，设计出温度、浓度对它的分解的实验探究方案，最后观察实验现象并得出结论：在H2O2分解实验中，温度升高，加快了H2O2的分解，温度降低，减慢了H2O2的分解；加大H2O2浓度加快了H2O2的分解，减小H2O2浓度减慢了H2O2的分解。

图2 实验操作错误提示图

图3 实验现象对比图

在上述探究性虚拟实验过程中，联想思维贯穿始终，从判断H2O2的分解快慢实验现象联想到判断其他实验反应快慢的现象。世界上的事物不是孤立存在的，他们之间总是在时间或空间上保持着联系。这3组实验，不管控制条件是催化剂、温度还是浓度，它们都是同一个H2O2分解实验的反应条件。3组实验启发学生积极思考、扩展学生思路，拓宽学生视野，在思想上建立起了这3次实验之间新的关系，从催化剂对化学反应速率影响的探究实验，联想到以温度、浓度作为变量时实验的设计和操作。

3 联想思维在探究式化学虚拟实验中的作用

联想思维在探究式化学虚拟实验情境创设中可以激发学生进行实验探究的兴趣，营造学生积极思维的探究氛围，建立新旧知识之间的联系，增强对化学知识学习的热爱。

联想思维在探究式化学虚拟实验中引导学生深入生活、以日常生活中的化学现象为诱发因子，由一种事物联想到另一种事物，使学生的思维更加灵活、更加敏捷，从而产生更多新的设想、构思和创意，为培养学生的创新思维能力奠定了基础，有利于创新人才的培养。

联想思维在探究式化学虚拟实验中扩大了学生化学实验知识的内涵和外延，使知识融会贯通。联想是记忆的关键，联想思维的应用可以促进记忆，增强知识的积累，使零散的知识条理化、系统化，从而对化学知识的理解更加深刻牢固。

4 结束语

培养学生联想思维能力，提高学生的联想悟性，引导学生建立知识间的联想网络，促进学生联想思维的自觉性，有利于培养学生对化学实验探究的兴趣，培养学生分析问题、获取信息和解决问题的能力，是当代教育教学的需要。联想思维在探究性化学虚拟实验中的应用，使学生从多角度、多渠道、多侧面地思考问题，寻求解决问题的方法。在探究性化学实验中经常进行知识间的联想，不但有利于培养学生的联想思维能力，对培养学生的创新思维也会起到很大的作用。

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