思维可视化在初中化学教学中的应用

万丹蕾 汤希雁 刘志平 周鹤洋

摘   要：思维可视化是指运用一系列图示技术把本来不可视的思维清晰可见地呈现出来的方法和过程。在实验探究教学中应用思维可视化策略不仅有助于教师思路的有效表达，还能充分激发学生的学习兴趣，启发学生对事物的联想，提升学生的思考能力，帮助学生形成清晰的探究思路。文章设计了思维可视化在教学中的应用模型，结合模型展示“使無明显现象反应可视化”教学案例，探讨思维可视化在教学中的功能与价值。

关键词：初中化学；思维可视化；实验探究

思维是人脑对事物客观、概括的反映。思维可视化是指借助符号、模型、图表、思维导图等工具把本来不可视的思维可视化[ 1 ]。思维可视化运用到教学中，不仅可以将概念原理直观化、零散知识系统化、解题规律模型化、隐性思维显性化，以此缩短教学时间，提高教学成效；还能启发学生掌握科学的学习方法，发展思维能力，提升学习兴趣[ 2 ]。

1  融入思维可视化的科学探究教学策略

“科学探究与实践”是2022年《义务教育化学课程标准》设定的五项核心素养之一，它作为初中化学学习的一项重要内容，又作为一种化学学习方式，落实在具体的学习和评价中。新课标中还对学生的“科学思维”素养做了一定要求，期待学生“能以宏观、微观、符号相结合的方式认识和表征化学变化，初步建立物质及其变化的相关模型”“能根据物质的类别和信息提示预测其性质，并能解释一些简单的化学问题”“能对不同的观点和方案提出自己的见解，发展创新思维能力”[ 3 ]。这表明初中化学教学不仅应培养学生的探究能力、创新意识、问题解决等能力，同时也要注重学生在学习空间、思维空间和表达空间都能得到充分的锻炼。将思维可视化策略融入课堂中（如图 1），可以将科学探究过程中形成的思路外显化，帮助学生建立探究模型，掌握解决某类实验问题的探究方法。

教师针对某类科学探究问题布置具有阶层的任务，通过已学知识情境或相关生活情境启发学生解决此类问题的思想，以某几个反应为案例，剖析此类反应的探究过程及关键思想，引导学生总结思路方法，建构相关思维模型。还可以具体某个问题开展科学探究，引导学生应用相关模型设计实验方案，帮助学生掌握科学探究的方法。

2  思维可视化教学设计模型

在思维可视化教学策略中，启发学生的学习兴趣、帮助学生掌握思维可视化的学习方法是关键。对此，笔者设计了思维可视化教学设计模型如图 2。教师在确定好本堂课的教学目标后，选择切合教学目标的可视化手段，贯穿整个教学主题。通过图片、视频、模型、故事等多元情境的导入，启迪学生思维；在讲解内容时利用多重表征，将概念直观演绎，将思路清晰明示，使抽象思维具象化，建立思维模型；通过解决例题强化学生对模型的认知，深化思维；利用思维导图等工具，厘清本节课的知识脉络，整理思维模型，系统知识。

3 思维可视化教学实践——以“探究无明显现象反应”为例

在初中学习阶段，学生认识到判断化学反应是否发生的依据是“有无新物质产生”。新物质的产生往往伴随着发光、放热、有气体或沉淀生成这些明显的现象，但有些反应现象并不明显，如酸碱中和反应、二氧化碳与水的反应以及二氧化碳与氢氧化钠的反应等，难以通过直接观察实验现象判断反应是否发生，这会对学生产生认知障碍，若处理不当，会影响学生对该知识的学习效果。此时若对此类反应的验证方法加以引导，不仅能帮助他们准确认识反应实质，对他们形成科学的探究思维也也有重大影响。对于这一障碍点笔者设计了教学思路如图 3。

3.1  教学目标

（1）借助教材实例，激发探究欲望，建构“使反应现象可视化”的思维模型，使零散的内容和知识系统化，理解核心知识。

（2）通过任务驱动，应用酸碱盐的化学性质进行实验探究，实现对化学知识和化学思维的灵活迁移，形成化学观念。

（3）通过分组实验探究，建构和掌握“使反应现象可视化”的思维模型，探究物质反应的规律，提升科学思维。

（4）通过对实验现象的收集和分析，敢于提出自己的见解、勇于修正或放弃错误观点，形成严谨求实的科学态度。

3.2  教学重难点

（1）教学重点：探究无明显现象反应方法的形成与模型的构建。

（2）教学难点：无明显现象反应的定量分析过程。

3.3  教学过程

3.3.1 创设情境，启迪思维

[问题1]  教材中如何证明CO2与H2O发生了反应？（多媒体展示，如图 4）

[问题2]  教材中如何证明HCl与NaOH发生了化学反应？（多媒体展示，如图 5）

学生：初步得到验证化学反应发生的思维模型，即通过验证反应物消失或验证生成物生成来判断反应是否发生。

设计意图：以已学教材实例为情境，激发学生对无现象实验类反应的认知兴趣，初建立通过现象判别反应进程的可视化模型。

3.3.2 直观操作，深化思维

[问题3]  反应过程中粒子如何变化？

多媒体展示HCl与NaOH反应微观示意图如图 6。

学生：分析反应过程中各种粒子的变化。

教师展示用手持技术电导率传感器监测HCl与NaOH反应过程中的电导率变化如图 7。

[问题4]  还可以通过监测哪些因素验证反应的发生？

教师展示用手持技术温度传感器监测HCl与NaOH反应过程中的温度变化如图 8、pH传感器监测NaOH滴入HCl反应过程中的pH变化如图 9。

学生：观察数据变化，讨论分析各节点表示的意义。得出通过数字化实验监测反应过程可以判断反应是否发生的结论。

设计意图：利用手持技术，获取数据，分析数据，得出结论，通过手持技术让化学反应的过程可视化，加强探究能力和提升科学思维。

[问题5] 以NaOH溶液与CO2反应为例，如何证明反应是否发生？

学生：观看微观模拟动态图（图 10），思考讨论，自主设计实验方案。

师生共研对方案3进行改进，如表 1。

（1）设计对比实验，排除水的干扰，如图 11。

实验理象：2个软塑料瓶均变瘪，装有氢氧化钠溶液的软塑料瓶的瘪的程度大一些。

实验结论：二氧化碳与氢氧化钠反应。

（2）利用手持技术中压强传感器测定，结果见图 12。

学生：小组合作实验。实验结束后进行组间评价，有异常的地方向老师提问。

设计意图：诊断学生知识迁移、运用模型的能力；诊断学生实验操作能力、小组合作能力和观察能力，通过生活中的情境素材的案例，促进学生化学与生活、科技、社会的融合，加强用化学方法解决生活问题的思维能力。

3.3.3 巧设习题，拓展思维

（练习）相关实验改进案例，如图 13。

学生：完成习题，巩固对本类反应的认知。

设计意图：通过习题诊断学生对问题的分析、判断能力和知识的迁移应用能力。

3.3.4 建构体系，系统思维

组内讨论、组间分享、师生总结。

（1）将无明显现象反应转为如图14所示的可视化模型。

（2）可视化方法

①指示剂法：适用于反应前后溶液酸碱性有变化的反应；②对比实验法：观察实验现象变化；③压强差法：适用于有气体参与，反应前后压强有明显变化的反应；④温度变化法：适用于反应前后温度有明显变化的反应；⑤其他试剂：验证产物存在，能产生明显现象。

设计意图：诊断学生对思维模型的掌握程度和培养学生的交流表达能力。

4  小结

本节课创设了有意义的情境，激发学生学习兴趣；创设有梯度的学生活动，促进学生层次性、建构性的自主学习；学生在探究活动中实现了应用、分析和评价等高阶思维的迭代提升；合理巧妙利用数字化实验，多角度、多层次地使无现象的反应为“可视化”，有效帮助学生化解教学难点，体验学科素养。在思维可视化应用于实验探究的教学课堂中，通过实验模型建构、小组讨论设计并實践实验方案、师生完善模型这一过程，学生建立了清晰、完整的探究思路，逐渐形成严谨、科学的探究精神和科学态度，在课堂中提升了学习的主观能动性，培养了科学探究能力、小组合作能力、独立思考能力、自主表达能力与证据逻辑推理能力等。教师在今后的实验探究课堂中，也可采用类似的思维模式进行教学，能更有效地帮助学生深入学习。

参考文献：

［1］ 刘濯源.基于“未来课堂”的思维可视化研究[J].中国信息技术教育，2013（1）：83-84.

［2］ 刘濯源.思维可视化：减负增效的新支点[J].中小学管理，2014（6）：10-13.

［3］ 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022：6.