知識(shí)可視化在無機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

趙海燕 ，孫華

1河北科技大學(xué)理學(xué)院，石家莊 050018

2河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，石家莊 050018

無機(jī)化學(xué)是應(yīng)用化學(xué)專業(yè)從高中到大學(xué)過渡銜接的核心基礎(chǔ)課，在大一開設(shè)，雖然中學(xué)化學(xué)的大部分內(nèi)容都屬于無機(jī)化學(xué)的范疇，但無機(jī)化學(xué)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法以及主要內(nèi)容都與高中化學(xué)教學(xué)有顯著的不同。大學(xué)教學(xué)的主要任務(wù)是發(fā)展大學(xué)生的抽象思維和理性思維能力[1]，無機(jī)化學(xué)的教學(xué)目標(biāo)是發(fā)展學(xué)生的邏輯思維、創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生用化學(xué)思想去分析解決實(shí)際問題。受學(xué)時(shí)限制，教師只能提綱挈領(lǐng)地講授重點(diǎn)問題，課堂信息量大、進(jìn)度快，隨堂練習(xí)較少，這就要求學(xué)生有較好的自主學(xué)習(xí)能力。在教學(xué)內(nèi)容上與中學(xué)化學(xué)知識(shí)點(diǎn)差異比較大，如配合物、共價(jià)鍵和分子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)和元素周期律等，而且和中學(xué)相比，無機(jī)化學(xué)要求對(duì)一些理論如反應(yīng)的方向、速率和限度等要進(jìn)行詳細(xì)的敘述，加深了深度和廣度[2]。因此，這就要求大學(xué)教師要主動(dòng)更新教學(xué)理念，積極探索和引入新的教學(xué)方法，這對(duì)確保無機(jī)化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量有著重要的意義。

心理學(xué)研究表明，視覺神經(jīng)通路具有高度自動(dòng)化、無需意識(shí)控制和低負(fù)荷等優(yōu)勢(shì)，因而人類所獲得的信息中，83%是通過視覺通路獲得的。隨著各種視覺信息載體的飛速發(fā)展，人們獲取信息的渠道方式、加工信息的認(rèn)知機(jī)制也發(fā)生了改變，視覺學(xué)習(xí)已成為數(shù)字化時(shí)代最主要的學(xué)習(xí)方式之一[3]。知識(shí)可視化是視覺學(xué)習(xí)的重要形式和途徑，本文從無機(jī)化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)出發(fā)，將知識(shí)可視化與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法有機(jī)融合，在實(shí)現(xiàn)知識(shí)高效傳授的同時(shí)，對(duì)學(xué)生思維的培養(yǎng)和課程思政的有效融入做了有益探索和實(shí)踐。

1 知識(shí)可視化和視覺表征

知識(shí)可視化是將人們的個(gè)體知識(shí)以圖解的手段表示出來，形成能夠直接作用于人的感官的知識(shí)外在表現(xiàn)形式，從而促進(jìn)知識(shí)的傳播和創(chuàng)新[4]。根據(jù)雙重編碼理論，同時(shí)以視覺形式和語言形式呈現(xiàn)的信息能夠增強(qiáng)記憶和識(shí)別，知識(shí)可視化將知識(shí)以圖解的方式表達(dá)出來，為基于語言的理解提供了很好的輔助和補(bǔ)充，大大降低了語言通道的認(rèn)知負(fù)荷，加速了思維的發(fā)生[4]。視覺表征就是承載知識(shí)的圖解手段，例如思維導(dǎo)圖、概念圖等知識(shí)圖表。隨著研究的進(jìn)一步深入，視覺表征的范圍已經(jīng)擴(kuò)大到了知識(shí)動(dòng)圖、知識(shí)隱喻和圖像等[5]。通過各種視覺表征，可以能夠給學(xué)習(xí)者提供比用語言、符號(hào)更為直接、具體和易于理解的經(jīng)驗(yàn)，從而彌補(bǔ)學(xué)習(xí)者直接經(jīng)驗(yàn)的不足，使隱性知識(shí)顯性化，顯性知識(shí)生動(dòng)化[6]。

知識(shí)可視化是一種教育理念，也是一種有效的教學(xué)技術(shù)。借助知識(shí)可視化，教師不但可以更加高效的傳授顯性知識(shí)，而且可以將自己對(duì)知識(shí)的理解、經(jīng)驗(yàn)、態(tài)度、價(jià)值觀及思維過程等隱性知識(shí)傳授給學(xué)生，幫助學(xué)生記憶、重構(gòu)和應(yīng)用知識(shí)[7]。學(xué)生在可視化的學(xué)習(xí)過程中，將充分調(diào)動(dòng)感覺、知覺、聯(lián)想、想象、情感、理解等多種認(rèn)知心理，大腦會(huì)主動(dòng)解釋和探究圖形的意義，從而促進(jìn)新知識(shí)的記憶、應(yīng)用和遷移；同時(shí)這一過程也包含了分析、綜合、抽象和概括等心理操作，從而引導(dǎo)概念和觀點(diǎn)的深入理解和正確評(píng)價(jià)，有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、知識(shí)創(chuàng)新的意識(shí)和興趣[8,9]。

2 知識(shí)可視化在無機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

目前，知識(shí)可視化應(yīng)用在大學(xué)化學(xué)和無機(jī)化學(xué)等課程上的知識(shí)表征手段僅限于思維導(dǎo)圖[10–14]，雖然也取得了較為積極的教學(xué)效果，但是作為一種具有固定模式的知識(shí)表征手段，思維導(dǎo)圖遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足對(duì)無機(jī)化學(xué)中繁雜和抽象的知識(shí)進(jìn)行可視化的要求。因此，我們?cè)诮虒W(xué)中構(gòu)建了基于自我生成繪圖策略[15]和圖形組織者策略[16]的教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行選擇、組織、整合，通過繪圖實(shí)現(xiàn)可視化。

知識(shí)可視化在無機(jī)化學(xué)中的教學(xué)策略構(gòu)建如圖1所示。首先根據(jù)教學(xué)目標(biāo)遴選教學(xué)內(nèi)容，在了解學(xué)情的基礎(chǔ)上匹配恰當(dāng)?shù)囊曈X表征方法，將知識(shí)有邏輯的通過視覺流程呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生按照視覺設(shè)計(jì)的意圖有意識(shí)地去進(jìn)行表征轉(zhuǎn)化和意義生成，促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)和思維發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)過程。

圖1 知識(shí)可視化在無機(jī)化學(xué)中的構(gòu)建示意圖

2.1 高效傳授顯性知識(shí)

顯性知識(shí)是已經(jīng)文本化的知識(shí)，即以書面文字、圖表和公式加以表述的知識(shí)，易于傳播。無機(jī)化學(xué)課本上的知識(shí)尤其是元素部分的知識(shí)，都是以書面文字來進(jìn)行描述的，無論是在微課視頻中還是在課堂上，教師都是通過PPT的展示和語言的講解來傳授這些顯性知識(shí)，但是如果還按著課本的內(nèi)容將文字搬到PPT上面，學(xué)生跟隨教師的講解，可以理解一個(gè)詞、一句話，但是隨著詞匯、語言的不斷增加，學(xué)生將無法做到邊聽邊看語句，邊自動(dòng)提取關(guān)鍵詞、構(gòu)建關(guān)系，從而無法理解知識(shí)，給學(xué)生帶來額外的認(rèn)知負(fù)荷。為此，需要將文字呈現(xiàn)的信息重新以視覺化的方式設(shè)計(jì)，以“圖片+關(guān)鍵詞+形狀”的形式呈現(xiàn)，從而幫助學(xué)生記憶和理解。例如在講授“硫的同素異形體”時(shí)，將硫的同素異形體的結(jié)構(gòu)、種類和關(guān)系以可視化的方法組織和呈現(xiàn)出來(圖2)；再如講授“鉻元素”時(shí)，引入了“向日葵褪色的秘密”來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[17]，通過從PbCrO4和PbSO4指向鮮艷向日葵的箭頭，表明向日葵顏色的來源，通過從PbSO4到PbCrO4的箭頭和關(guān)鍵詞“吸收紫外線、還原為Cr(III)”說明Cr(VI)還原為Cr(III)的機(jī)理，通過Cr(III)指向褪色向日葵的箭頭，表明褪色后向日葵顏色的來源(圖3)。通過這樣可視化的設(shè)計(jì)，再結(jié)合教師課堂上的講解，將語義信息與視覺信息形成雙重編碼，自然就促進(jìn)了學(xué)生的理解。

圖2 硫的同素異形體可視化設(shè)計(jì)

圖3 向日葵褪色的秘密可視化設(shè)計(jì)

在無機(jī)化學(xué)的教學(xué)中，需要教師講授許多重要公式的推導(dǎo)過程和比較抽象又和學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)沒有直接聯(lián)系的知識(shí)，將這兩類顯性知識(shí)通過“視覺隱喻+動(dòng)作路徑”的方法進(jìn)行可視化的設(shè)計(jì)，以直觀呈現(xiàn)，有利于提高課堂效率。例如在從化學(xué)反應(yīng)的等溫方程式推導(dǎo)電池反應(yīng)的能斯特方程的過程中，以不同的顏色隱喻生成物和反應(yīng)物、ΔGm?和ΔrGm、E?和E，再通過“動(dòng)作路徑”設(shè)置公式的推導(dǎo)過程、系數(shù)2.303和0.059的來龍去脈，能夠幫助學(xué)生從源頭上理解和應(yīng)用公式(圖4)。再如在講授“分壓和分體積”的概念時(shí)，首先用三種不同顏色的小球隱喻混和氣體均勻充滿左側(cè)綠色正方體表示的容器里，接著通過“動(dòng)作路徑”設(shè)置動(dòng)畫讓紅色小球轉(zhuǎn)移到右側(cè)綠色正方體內(nèi)，此時(shí)再講授分壓力的定義，學(xué)生就很容易理解(圖5a和圖5b)。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生思考“當(dāng)一種組分氣體單獨(dú)占有混合氣體的總體積時(shí)，它的壓強(qiáng)和混合氣體的總壓強(qiáng)相等嗎？怎樣做才能使二者的壓強(qiáng)相等？”結(jié)合中學(xué)所學(xué)知識(shí)，學(xué)生可以很容易地實(shí)現(xiàn)新舊知識(shí)的相互關(guān)聯(lián)，并回答出：“二者壓強(qiáng)不相等，可以通過壓縮體積使二者壓強(qiáng)相等”，這時(shí)教師再點(diǎn)明壓縮到二者壓強(qiáng)相等的體積就是這種組分氣體的分體積，這樣分體積的概念就水到渠成(圖5c和圖5d)。通過這種可視化的教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生對(duì)混合氣體中某一組分氣體應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程時(shí)，不用死記硬背，基于對(duì)分壓和分體積概念的深入理解，能夠正確應(yīng)用方程。

圖4 能斯特方程的推導(dǎo)可視化設(shè)計(jì)

圖5 分壓力和分體積的可視化設(shè)計(jì)

2.2 積極引領(lǐng)高階思維

研究表明，通過學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)表征的解讀，能夠培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的直覺思維、形象思維、聯(lián)想思維、發(fā)散思維，以及對(duì)待紛繁復(fù)雜視覺元素的整體把握與差異辨別能力的整體思維等，這些都是提升學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維能力的重要因素[5]。我們?cè)诮虒W(xué)過程中通過可視化的教學(xué)設(shè)計(jì)，可以給學(xué)生提供多維度意義解讀和高階思維發(fā)展的空間。

例如在講授“角量子數(shù)取值”時(shí)，采用了樣例教學(xué)法結(jié)合自我生成繪圖策略的教學(xué)設(shè)計(jì)(圖6)。在教學(xué)中不直接給出取值的要求，而是用短橫線隱喻電子層，用“動(dòng)作路徑”設(shè)置動(dòng)畫將重疊在一起的短橫線分開隱喻電子層裂分為電子亞層，給出電子亞層對(duì)應(yīng)的取值和符號(hào)，引導(dǎo)學(xué)生自己推導(dǎo)出主量子數(shù)和角量子數(shù)取值之間的關(guān)系。這種先情境后語義的概念講授方法，降低了知識(shí)的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，增加了相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷[18]，在以幫助學(xué)生理解基本知識(shí)的同時(shí)，有效地促進(jìn)了學(xué)生分析、綜合等高階思維的發(fā)展。

圖6 角量子數(shù)的可視化設(shè)計(jì)

再如講授配合物的價(jià)鍵理論時(shí)，我們借助Diamond軟件結(jié)合自己的科研，在課堂上通過旋轉(zhuǎn)操作展示不同配合物的分子空間構(gòu)型作為導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，作為課本知識(shí)的拓展，我們?cè)谡n堂上引導(dǎo)學(xué)生思考配位數(shù)為5的時(shí)候，除了三角雙錐構(gòu)型，還可能采取四方錐構(gòu)型，接下來用構(gòu)型畸變程度不同的一系列Cu(II)配合物為例，通過Diamond軟件以配位原子為頂點(diǎn)、銅離子為中心來構(gòu)建多面體，向?qū)W生展示配合物的空間構(gòu)型，通過配合物鍵角的計(jì)算得到參數(shù)τ，量化配合物結(jié)構(gòu)的畸變程度(圖7)。通過這種可視化的展示，學(xué)生不僅拓展了課本知識(shí)，了解到配合物的構(gòu)型會(huì)隨著配體的結(jié)構(gòu)、配位原子的類型發(fā)生變化，而且引導(dǎo)學(xué)生分析鍵參數(shù)和配位構(gòu)型之間的關(guān)系，通過案例與知識(shí)之間的多重關(guān)系鏈接，將知識(shí)之間的關(guān)系以連通性和條理性呈現(xiàn)，為學(xué)生分析思維的培養(yǎng)提供了條件[19]。

圖7 配合物結(jié)構(gòu)的可視化設(shè)計(jì)

無機(jī)化學(xué)中有許多知識(shí)比較瑣碎，而關(guān)系又比較復(fù)雜，借助圖形組織者，可以將瑣碎的知識(shí)和復(fù)雜的關(guān)系可視化，從而掃清繁雜概念、建立清晰穩(wěn)固的邏輯關(guān)系。例如在“配合物基本概念”的教學(xué)中，利用思維導(dǎo)圖的形式將配合物的定義、構(gòu)成、命名、配位原子和配位數(shù)、單齒和多齒配體等多個(gè)概念呈現(xiàn)出來(圖8)，利用關(guān)鍵詞而不是大段的文字來解釋概念，利用關(guān)鍵詞間的連線來呈現(xiàn)邏輯關(guān)系。學(xué)生在用思維導(dǎo)圖學(xué)習(xí)或復(fù)習(xí)這些知識(shí)時(shí)，就會(huì)自行解讀關(guān)鍵詞來回憶概念，通過概念間的連線建立恰當(dāng)和正確的邏輯關(guān)系，最終在教師的幫助下建立知識(shí)的整體框架。再如講授“配合物磁性和結(jié)構(gòu)關(guān)系”時(shí)，在課堂內(nèi)容講授和隨堂練習(xí)完成后，可以利用對(duì)策型魚骨圖來整理解題思路(圖9)，將解題的關(guān)鍵步驟作為魚骨圖的分支主體漸次展開，清晰地呈現(xiàn)各個(gè)步驟之間的關(guān)系，在學(xué)生掌握具體知識(shí)的目標(biāo)基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生建立對(duì)“配合物磁性和結(jié)構(gòu)關(guān)系”的整體理解，建立知識(shí)的思維模型，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科思維能力的目的。

圖8 配合物基本概念的思維導(dǎo)圖

圖9 配合物磁性和結(jié)構(gòu)關(guān)系的魚骨圖

2.3 情感助力課程思政

知識(shí)可視化活動(dòng)中包含了“傳達(dá)–體驗(yàn)–生成”一定的情感、態(tài)度和價(jià)值觀的過程，帶給學(xué)生的積極情緒情感體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)個(gè)體思維和情感、知識(shí)和能力的共同發(fā)展和提升[20]。在教學(xué)過程中，結(jié)合知識(shí)可視化，通過故事創(chuàng)建教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生情感，是實(shí)現(xiàn)課程思政的一個(gè)有力抓手。例如，在講授碳酸鈉的工業(yè)化制備方法時(shí)，結(jié)合知識(shí)可視化的設(shè)計(jì)，將兩種制堿法的工藝原理、優(yōu)缺點(diǎn)比較等專業(yè)知識(shí)和創(chuàng)新敬業(yè)、愛國、民族精神等思政點(diǎn)融入到故事情境中(圖10)，按照技術(shù)發(fā)展史，從索爾維發(fā)明氨堿法開始講起，到索爾維工會(huì)對(duì)中國封鎖氨堿法工藝，再到侯德榜先生學(xué)成回國，克服重重困難打破封鎖，并根據(jù)我國實(shí)際國情，大膽創(chuàng)新，在世界上首次提出了聯(lián)合制堿法。在這個(gè)過程中，將重要的節(jié)點(diǎn)按時(shí)間軸設(shè)計(jì)，用雙氣泡圖比較分析兩種方法的異同點(diǎn)，隨著教師的講解徐徐展開，不僅將碎片化的知識(shí)融合在故事中，并且可視化的設(shè)計(jì)讓教學(xué)情境更加鮮活，而且遷移默化地培養(yǎng)了學(xué)生的家國情懷。

圖10 碳酸鈉工業(yè)制法的可視化設(shè)計(jì)

3 教學(xué)反饋

選取河北科技大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)2020級(jí)105名學(xué)生為研究對(duì)象，經(jīng)過一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，我們通過調(diào)查問卷的方式調(diào)查了知識(shí)可視化視覺表征的使用效果，共發(fā)放問卷105份，回收100份，有效問卷100份，有效率100%。

調(diào)查結(jié)果表明，93%的學(xué)生認(rèn)為知識(shí)可視化視覺表征會(huì)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高課堂注意力；98%的學(xué)生認(rèn)為這種知識(shí)表征方法有助于將抽象的知識(shí)具體化、形象化，概念變得容易理解和記憶，特別是91%的學(xué)生還認(rèn)為這種方法具有啟發(fā)性，特別是設(shè)計(jì)中隨著動(dòng)畫的展開，會(huì)引起深層次的思考。這一結(jié)果表明通過可視化知識(shí)的呈現(xiàn)降低了學(xué)生學(xué)習(xí)中的認(rèn)知負(fù)荷，增加了相關(guān)負(fù)荷，學(xué)生能夠充分發(fā)揮想象力，積極主動(dòng)參與到教學(xué)過程中，提高了學(xué)習(xí)效率，有利于以學(xué)生為中心開展教學(xué)，為學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)打下了良好的基礎(chǔ)。

課后88%學(xué)生會(huì)使用教師提供的課件進(jìn)行復(fù)習(xí)，89%的學(xué)生通過課件復(fù)習(xí)提高了學(xué)習(xí)效率。這一結(jié)果說明我們基于知識(shí)可視化的課件具有非常強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，課件制作水準(zhǔn)與復(fù)習(xí)效率具有顯著的相關(guān)性。

4 結(jié)語

在無機(jī)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用知識(shí)可視化，要注重與知識(shí)內(nèi)容和教學(xué)方法的高度融合，最大發(fā)揮知識(shí)可視化的優(yōu)勢(shì)。還應(yīng)從教到學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生采取知識(shí)可視化的方法來自主構(gòu)建知識(shí)體系。另外，在未來可以知識(shí)可視化表征為載體，通過同伴學(xué)習(xí)和生生互評(píng)等方法，促進(jìn)學(xué)習(xí)共同體的社區(qū)交流和討論，促進(jìn)生生之間知識(shí)的傳遞和創(chuàng)新。同時(shí)，我們也應(yīng)該注意到，可視化不是萬能的，并不能取代其他知識(shí)傳遞和創(chuàng)造的手段，而應(yīng)該和其他手段結(jié)合使用。