用思維導(dǎo)圖建構(gòu)模型的實(shí)踐探索

成際寶 高翔 朱園園

摘要： 以無機(jī)化工流程圖題為例，用思維導(dǎo)圖建構(gòu)高考試題內(nèi)容的解讀模型、重難點(diǎn)知識的認(rèn)知模型、高考試題的解題模型。通過各級模型的建構(gòu)、應(yīng)用和檢驗(yàn)過程，可以發(fā)展學(xué)生的認(rèn)知圖式，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的方法和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 思維導(dǎo)圖； 工藝流程； 模型建構(gòu)； 核心素養(yǎng)

文章編號： 10056629（2018）9008306 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的引出

江蘇省高考每年都考無機(jī)化工流程圖題。學(xué)生普遍認(rèn)為該題難度大，一方面該題題干長、信息多、內(nèi)容散、知識點(diǎn)多，另一方面又以真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)作為背景，因而情境陌生度大、綜合性強(qiáng)。

筆者認(rèn)為產(chǎn)生這種認(rèn)知的原因主要在于學(xué)生不能透過事物的表象，抓不住無機(jī)化工流程圖題的本質(zhì)和規(guī)律；難以加強(qiáng)新舊知識的聯(lián)系、強(qiáng)化知識的理解，從而使知識結(jié)構(gòu)條理化、系統(tǒng)化。

2 問題解決的方法

英國的托尼·博贊（Tony Buzan）在他的《思維導(dǎo)圖》[1]一書中指出： 人的大腦不是以線性和單一的方式思考的，而是以關(guān)鍵詞和關(guān)鍵圖像為中心觸發(fā)點(diǎn)，朝著多個方向進(jìn)行思考的。思維導(dǎo)圖運(yùn)用圖文并重的方式，把各級主題的關(guān)系用相互隸屬與相關(guān)的層級圖表現(xiàn)出來，把主題、關(guān)鍵詞與圖像、顏色等建立記憶鏈接。

制作思維導(dǎo)圖，就是將分散知識整合成各層級的關(guān)鍵詞或者關(guān)鍵圖像，建構(gòu)起結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化知識。各層級的“關(guān)鍵”就是化工流程圖相關(guān)的基本特征，能夠增加學(xué)生對化工流程圖相關(guān)知識的深度理解。整合后的“各層級的關(guān)鍵”，能夠引發(fā)關(guān)于化工流程圖的最大數(shù)量的聯(lián)想。

模型[2]是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對客觀對象稱為原型所做的一種簡化描述。孫小禮等認(rèn)為科學(xué)模型是人們按照科學(xué)研究的特定目的，在一定假設(shè)條件下，用物質(zhì)形式或思維形式再現(xiàn)原型客體的某種本質(zhì)特征，諸如客體的某種整體或部分的結(jié)構(gòu)、功能、屬性、關(guān)系、過程等。因此通過建構(gòu)模型的方法，能夠使學(xué)生揭示無機(jī)化工流程圖題的形態(tài)、特征和本質(zhì)，因而能使學(xué)生透過事物的表象，抓住無機(jī)化工流程圖題的本質(zhì)和規(guī)律。

皮亞杰[3]認(rèn)為，圖式是心理活動的框架或組織結(jié)構(gòu)，是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)和核心；圖式的形成和變化是認(rèn)知發(fā)展的實(shí)質(zhì)。認(rèn)知的發(fā)展受同化、順應(yīng)、平衡的影響。同化是個體對外在刺激輸入的過濾或改變，即用已有概念理解新概念；順應(yīng)就是當(dāng)個體遇到不能用原有圖式來同化新的刺激時，就要對原有圖式加以修改或者重建以適應(yīng)情境。

化工流程圖題以真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)為背景，學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中很難有完整的認(rèn)知圖式，需要在對舊知識進(jìn)行深度理解、擴(kuò)展認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對新知識、新的生產(chǎn)背景等進(jìn)行同化、順應(yīng)、平衡，才能構(gòu)建新的、動態(tài)的認(rèn)知圖式，從而解決化工流程圖題中復(fù)雜的情境問題。當(dāng)然隨著學(xué)生認(rèn)知的發(fā)展，舊的認(rèn)知平衡就被破壞，逐漸達(dá)到新的認(rèn)知平衡。

綜上所述，用思維導(dǎo)圖進(jìn)行模型建構(gòu)能夠有效解決無機(jī)化工流程圖題中的諸多問題，值得一試。

3 用思維導(dǎo)圖建構(gòu)無機(jī)化工流程圖題解讀模型

在認(rèn)知心理學(xué)中，“原型”是指一個范疇中最具代表性的一個或者幾個成員，模型的原型就是高考試題。以近4年江蘇省高考無機(jī)化工流程圖題（第16題）為例，讓學(xué)生按年份對考查內(nèi)容所屬類別構(gòu)建導(dǎo)圖，發(fā)現(xiàn)不同學(xué)生構(gòu)建的導(dǎo)圖差異較大。

建構(gòu)主義認(rèn)為，人們不能直接知覺世界，必須經(jīng)過人的理解加以過濾才能知覺世界。對于同一個知識點(diǎn)，每個人的理解可能是截然相反的[3]。構(gòu)建思維導(dǎo)圖時，對零碎知識點(diǎn)整合成關(guān)鍵詞時，學(xué)生會帶入自己的不同理解在圖中顯現(xiàn)出來。因此在學(xué)生畫圖后，教師還要求講圖，然后師生、生生之間共同研討高考試題內(nèi)容、導(dǎo)圖，得出共同的認(rèn)知。經(jīng)研討后學(xué)生構(gòu)建的導(dǎo)圖如圖1所示。

有意義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為： 在新知識的學(xué)習(xí)中，認(rèn)知結(jié)構(gòu)中原有適當(dāng)觀念起決定作用。這種對新知識起固定作用的觀念[4]稱為“固定作用的觀念（anchoring idea）”。顯然各年高考內(nèi)容不能成為固定作用的觀念。筆者要求對近4年高考內(nèi)容進(jìn)行整合，舍棄偶然性內(nèi)容，突出考試核心，再提煉出核心關(guān)鍵詞。生生、師生再次研討后，學(xué)生重新構(gòu)建的導(dǎo)圖如圖2所示。

再將圖2代入到高考試題中，要求學(xué)生按照考查內(nèi)容在試題中呈現(xiàn)的先后順序、將相同的內(nèi)容進(jìn)行整合，經(jīng)多方研討后繪制導(dǎo)圖，如圖3所示。

圖3凸顯了模型的解讀功能： 任何一個化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，都分為反應(yīng)前工藝（原料處理、各種進(jìn)料達(dá)到反應(yīng)所需的工藝條件）、核心化學(xué)反應(yīng)（一步或若干步）、反應(yīng)后工藝[經(jīng)過一次或若干步分離與提純、三廢處理（含循環(huán)利用）]，也凸顯了模型的預(yù)測功能，考試內(nèi)容的重點(diǎn)主要來自這三個方面。

在模型的構(gòu)建過程中，由于抓住工藝流程圖題的本質(zhì)特征及各環(huán)節(jié)的功能、屬性、從屬關(guān)系等，為學(xué)生形成良好的認(rèn)知圖式提供了科學(xué)的保障。用思維導(dǎo)圖構(gòu)建模型，凸顯了模型的形象化、直觀化、可視化、框架化，而且通過對知識的細(xì)化與整理減少了冗余信息，降低了工作記憶的負(fù)荷，增強(qiáng)了大腦的信息加工能力和認(rèn)知效率；思維導(dǎo)圖的演化過程，有利于教師對學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的評價，及時改進(jìn)教與學(xué)，促使學(xué)生進(jìn)行反思，形成良好的認(rèn)知習(xí)慣，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生模型建構(gòu)存在的問題。用模型的思維繪制思維導(dǎo)圖，為關(guān)鍵詞或關(guān)鍵圖像的選取提供了方向，使其更能反映本質(zhì)特征、一般特征之間的從屬關(guān)系。

4 用思維導(dǎo)圖建構(gòu)重、難點(diǎn)知識的認(rèn)知模型

根據(jù)模型（圖3）解讀功能，核心反應(yīng)、化工工藝及其原理不僅是考試內(nèi)容的重點(diǎn)，更是教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)的重、難點(diǎn)，因此必須建構(gòu)這兩者的認(rèn)知模型。

4.1 構(gòu)建核心反應(yīng)的認(rèn)知模型

化學(xué)學(xué)習(xí)不僅僅是為了獲得更多的外部信息，而是要更多掌握認(rèn)識知識的程序，即建構(gòu)新的認(rèn)識圖式。對元素及其化合物的復(fù)習(xí)，應(yīng)將其拓展到從元素觀（分類觀、價態(tài)觀、變化觀）的角度對某一類型的元素及其化合物進(jìn)行復(fù)習(xí)，就會挑戰(zhàn)學(xué)生的底線，促使學(xué)生將已有知識進(jìn)行整合，重新構(gòu)建知識體系的認(rèn)知模型。如以二氧化硫?yàn)槔?，對它的性質(zhì)上升到元素觀的角度來建構(gòu)知識體系，就會使學(xué)生獲取更高層次的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。經(jīng)多方研討后，學(xué)生畫出導(dǎo)圖如圖4所示。

研討過程中，將低層次（單一物質(zhì)SO2、知識模型）認(rèn)知模型上升到高層次（一類物質(zhì)、理論）的認(rèn)知模型（圖4），不僅能指導(dǎo)知識的學(xué)習(xí)，更能揭示元素及其化合物反應(yīng)的本質(zhì)特征： 如反應(yīng)前后化合價變了，按價態(tài)觀指導(dǎo)變化；如化合價沒變，按分類觀指導(dǎo)變化。反應(yīng)是有條件的，要注意反應(yīng)條件來自課本還是題中的信息，其次信息決定了反應(yīng)物或生成物存在的形態(tài)；條件不同，化學(xué)性質(zhì)不同，根本原因在于反應(yīng)物結(jié)構(gòu)上的差異，即結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。

將元素及其化合物拓展到元素觀、反應(yīng)原理體系中，就能將以前割裂的知識與相關(guān)知識（平行知識、上下游知識等）、相關(guān)理論相融合，使學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)得到豐富和發(fā)展，使學(xué)生能夠從整體到局部、局部到整體來重新認(rèn)知元素及其化合物的性質(zhì)，得到對已有知識更加全面、科學(xué)和辯證的認(rèn)識與深度理解。

4.2 構(gòu)建電極反應(yīng)的認(rèn)知模型

只有將電化學(xué)的認(rèn)知上升到氧化還原反應(yīng)，就能明確解決問題的關(guān)鍵所在。首先確定核心元素的價態(tài)；其次明確核心元素價態(tài)的升高、降低；關(guān)注介質(zhì)至關(guān)重要（多以信息提示出現(xiàn)），如酸性溶液、堿性溶液、非水介質(zhì)等，直接決定了核心元素在生成物中存在的微粒形式。以氫氣、氧氣燃料電池和電解飽和食鹽水為例，將個性上升至共性，將知識上升到理論，經(jīng)多方研討，學(xué)生繪制的導(dǎo)圖如圖5所示。

只有將電化學(xué)知識融入到氧化還原反應(yīng)理論、將微粒的性質(zhì)融入到元素觀中，才能健全、豐富和發(fā)展學(xué)生的電化學(xué)認(rèn)知，不僅加深學(xué)生對電化學(xué)知識的深度理解，也加深了學(xué)生對元素及其化合物知識點(diǎn)的深度理解。同時也說明學(xué)科知識的核心概念、模型的特征知識等為思維導(dǎo)圖的關(guān)鍵詞整合提供了方向，為學(xué)生建立正確、科學(xué)、全面的認(rèn)知結(jié)構(gòu)提供了保證。

4.3 構(gòu)建化工工藝的認(rèn)知模型

工藝流程圖題，學(xué)生最大的困難在于對工藝感到陌生，即情境的陌生性，由此導(dǎo)致系列知識的提取困難。應(yīng)充分利用教材中已有的工藝流程，開發(fā)其中的工藝部分，使學(xué)生嘗試用原理、元素化合物、結(jié)構(gòu)等知識解決工藝流程中的諸多問題。

建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)真實(shí)世界的復(fù)雜性和許多知識領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)不良性[4]，許多教學(xué)系統(tǒng)的失敗就是因?yàn)榻虒W(xué)設(shè)計(jì)脫離現(xiàn)實(shí)的簡單化，而結(jié)構(gòu)良好的方式呈現(xiàn)了教學(xué)領(lǐng)域以及相關(guān)的行為要求。無機(jī)化工流程圖題，就是結(jié)構(gòu)不良性知識領(lǐng)域經(jīng)典案例，即涉及元素化合物、結(jié)構(gòu)、原理等知識同時交互作用；任一部分，又都是比較復(fù)雜的；不同試題的問題，又可能用不同內(nèi)容的知識來解決。因此學(xué)習(xí)者需要有更大的認(rèn)知彈性，包括能從不同的觀點(diǎn)和案例表征知識；應(yīng)用知識時，能夠適應(yīng)理解的需要或者問題情境的需要，從這些不同的概念和案例表征中建構(gòu)知識整體。如在硫酸工業(yè)生產(chǎn)[5]過程中，教師根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)等開發(fā)其中的工藝部分，提出相應(yīng)的問題。引導(dǎo)學(xué)生用元素化合物、原理等知識與新情境相融合，構(gòu)建新的知識體系，從而解決相關(guān)問題。經(jīng)多方研討后，學(xué)生構(gòu)建的導(dǎo)圖如圖6所示。

其他工業(yè)生產(chǎn)也可以按照圖6進(jìn)行整合，如教師沒有這方面的條件，可根據(jù)物料線（進(jìn)料、出料及其處理，各種循環(huán)），能量線（溫度、壓強(qiáng)等工藝與能量守恒）等對元素及其化合物核心反應(yīng)及原理、結(jié)構(gòu)等相應(yīng)知識進(jìn)行整合，學(xué)生構(gòu)建的導(dǎo)圖如圖7所示。

皮亞杰認(rèn)為認(rèn)識是螺旋式上升的。即任何認(rèn)識，在解決了前面問題的時候，又會出現(xiàn)新的問題。每一種達(dá)到平衡的建構(gòu)，都是新的不平衡的開始，即模型完善是相對的。經(jīng)常對同一工藝流程圖題從不同角度（如模型6、7）等進(jìn)行整合，既檢驗(yàn)認(rèn)知模型（發(fā)現(xiàn)元素及其化合物、核心反應(yīng)、原理等模型的缺失），又完善、發(fā)展該模型，在此基礎(chǔ)上又建構(gòu)了新的認(rèn)知模型。只有結(jié)構(gòu)良好的模型，根據(jù)新的工藝情境，才能快速提取與工藝相匹配的知識，從而快速解決工藝中的問題。

5 用思維導(dǎo)圖構(gòu)建解題模型

上述建立的模型屬于知識結(jié)構(gòu)認(rèn)知模型，只有上升到解決實(shí)際問題的解題模型，模型才能體現(xiàn)出應(yīng)用價值。因此當(dāng)學(xué)生建立認(rèn)知模型之后，還要求學(xué)生對近4年高考試題實(shí)地演練，建構(gòu)自己的解題模型。原有的模型再次變?yōu)椤皾撛谝饬x”，通過同化（演練）使得變?yōu)榫唧w個體心理意義的解題模型。學(xué)生的導(dǎo)圖如圖8所示。

從圖8可知，導(dǎo)圖中的主題思想為： 對比法（）（對比進(jìn)出口物料的成分及其類別、價態(tài)、pH值等）、守恒法（）（物料守恒、電子得失守恒、電荷守恒）、平衡觀念（）（化學(xué)平衡、電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡等）的綜合應(yīng)用，切中了工藝流程圖題的解題要點(diǎn)；四個一級關(guān)鍵詞中，有兩個分別屬于物料線（原料到產(chǎn)物，物理分離途徑）、反應(yīng)線（化學(xué)分離途徑、信息反應(yīng)），也基本抓住了化工流程圖題的特征，因此學(xué)生畫的解題模型總體正確。唯一缺失的仍然是學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)——工藝線沒有重點(diǎn)體現(xiàn)，這不僅是學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)，也是教師的薄弱環(huán)節(jié)。

皮亞杰認(rèn)為“錯誤是有意義學(xué)習(xí)所必需的”[6]。錯誤會引起學(xué)生同化自己的知識結(jié)構(gòu)，并且把所觀察的結(jié)果同化到修正過了的知識結(jié)構(gòu)中去。同時也說明模型6、7是在教師的指導(dǎo)下建構(gòu)的，學(xué)生還沒有真正理解。因此對于薄弱環(huán)節(jié)的相關(guān)知識，學(xué)生還需要進(jìn)一步理解、建構(gòu)。

6 模型的應(yīng)用與檢驗(yàn)

模型的形成需要反復(fù)的過程，通過得到的資料或數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修正，修正后的模型又需要不斷地驗(yàn)證，以2014江蘇高考試題為例檢驗(yàn)如下。

例題： 煙氣脫硫能有效減少二氧化硫的排放。實(shí)驗(yàn)室用粉煤灰（主要含Al2O3、 SiO2等）制備堿式硫酸鋁[Al2（SO4）x（OH）6-2x]溶液，并用于煙氣脫硫研究。

（1） 酸浸時反應(yīng)的化學(xué)方程式為 ① ；濾渣1的主要成分為 ② （填化學(xué)式）。

（2） 加CaCO3調(diào)節(jié)溶液的pH至3.6，其目的是中和溶液中的酸，并使Al2（SO4）3轉(zhuǎn)化為Al2（SO4）x（OH）6-2x。濾渣2的主要成分為 ① （填化學(xué)式）；若溶液的pH偏高，將會導(dǎo)致溶液中鋁元素的含量降低，其原因是 ② （用離子方程式表示）。

（3） 上述流程中經(jīng)完全熱分解放出的SO2量總是小于吸收的SO2量，其主要原因是 ① ；與吸收SO2前的溶液相比，熱分解后循環(huán)利用的溶液的pH將 ② （填“增大”、“減小”或“不變”）。

解析： 根據(jù)解題模型中的化學(xué)途徑（結(jié)合圖4）可以解決（1）①（2）②（3）等問題；根據(jù)解題模型中原料與產(chǎn)物的對比可以解決（1）②的問題；根據(jù)解題模型中信息方程式書寫可解決（1）問題。（具體解析、答案略）

上述說明應(yīng)用思維導(dǎo)圖模型能有效解決無機(jī)化工流程圖題，同時也檢驗(yàn)了圖4、 5、 7、 8模型是否具有良好的結(jié)構(gòu)?？己髮W(xué)生普遍反映良好，與沒有建構(gòu)模型的學(xué)生對比： （1）（2）②得分沒有差距，即在較難、較易題中差距不大；在第（3）問領(lǐng)先較多（與平時基本相符），即模型建構(gòu)在中等及偏上題目中得分率有較大優(yōu)勢，這部分內(nèi)容比重越多，領(lǐng)先的幅度越大。說明模型建構(gòu)的層次與試題的難度層次存在博弈，同時也說明模型是一種動態(tài)平衡，還需要不斷升級到新的平衡，才能解決層級越來越高的試題。

綜上所述，模型建構(gòu)能促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識化工流程圖題的特征，建立良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而幫助學(xué)生理解工業(yè)情境、促進(jìn)試題分析、幫助學(xué)生解題。采用思維導(dǎo)圖的方式，可以發(fā)現(xiàn)模型中良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)部分、不良的認(rèn)知結(jié)構(gòu)部分，從而不斷地改進(jìn)和完善，且可看到重構(gòu)后的部分是否結(jié)構(gòu)良好。同時還可以評價學(xué)生的模型層級，推測學(xué)生可解決的問題及問題的層次。

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