知識可視化在無機化學教學中的應用研究

趙海燕 ，孫華

1河北科技大學理學院，石家莊 050018

2河北科技大學化學與制藥工程學院，石家莊 050018

無機化學是應用化學專業從高中到大學過渡銜接的核心基礎課，在大一開設，雖然中學化學的大部分內容都屬于無機化學的范疇，但無機化學的教學目標、教學方法以及主要內容都與高中化學教學有顯著的不同。大學教學的主要任務是發展大學生的抽象思維和理性思維能力[1]，無機化學的教學目標是發展學生的邏輯思維、創新思維，培養學生用化學思想去分析解決實際問題。受學時限制，教師只能提綱挈領地講授重點問題，課堂信息量大、進度快，隨堂練習較少，這就要求學生有較好的自主學習能力。在教學內容上與中學化學知識點差異比較大，如配合物、共價鍵和分子結構、原子結構和元素周期律等，而且和中學相比，無機化學要求對一些理論如反應的方向、速率和限度等要進行詳細的敘述，加深了深度和廣度[2]。因此，這就要求大學教師要主動更新教學理念，積極探索和引入新的教學方法，這對確保無機化學的教學質量有著重要的意義。

心理學研究表明，視覺神經通路具有高度自動化、無需意識控制和低負荷等優勢，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展，人們獲取信息的渠道方式、加工信息的認知機制也發生了改變，視覺學習已成為數字化時代最主要的學習方式之一[3]。知識可視化是視覺學習的重要形式和途徑，本文從無機化學的教學內容特點出發，將知識可視化與教學內容和教學方法有機融合，在實現知識高效傳授的同時，對學生思維的培養和課程思政的有效融入做了有益探索和實踐。

1 知識可視化和視覺表征

知識可視化是將人們的個體知識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外在表現形式，從而促進知識的傳播和創新[4]。根據雙重編碼理論，同時以視覺形式和語言形式呈現的信息能夠增強記憶和識別，知識可視化將知識以圖解的方式表達出來，為基于語言的理解提供了很好的輔助和補充，大大降低了語言通道的認知負荷，加速了思維的發生[4]。視覺表征就是承載知識的圖解手段，例如思維導圖、概念圖等知識圖表。隨著研究的進一步深入，視覺表征的范圍已經擴大到了知識動圖、知識隱喻和圖像等[5]。通過各種視覺表征，可以能夠給學習者提供比用語言、符號更為直接、具體和易于理解的經驗，從而彌補學習者直接經驗的不足，使隱性知識顯性化，顯性知識生動化[6]。

知識可視化是一種教育理念，也是一種有效的教學技術。借助知識可視化，教師不但可以更加高效的傳授顯性知識，而且可以將自己對知識的理解、經驗、態度、價值觀及思維過程等隱性知識傳授給學生，幫助學生記憶、重構和應用知識[7]。學生在可視化的學習過程中，將充分調動感覺、知覺、聯想、想象、情感、理解等多種認知心理，大腦會主動解釋和探究圖形的意義，從而促進新知識的記憶、應用和遷移；同時這一過程也包含了分析、綜合、抽象和概括等心理操作，從而引導概念和觀點的深入理解和正確評價，有助于培養學生創新思維、知識創新的意識和興趣[8,9]。

2 知識可視化在無機化學教學中的應用

目前，知識可視化應用在大學化學和無機化學等課程上的知識表征手段僅限于思維導圖[10–14]，雖然也取得了較為積極的教學效果，但是作為一種具有固定模式的知識表征手段，思維導圖遠遠不能滿足對無機化學中繁雜和抽象的知識進行可視化的要求。因此，我們在教學中構建了基于自我生成繪圖策略[15]和圖形組織者策略[16]的教學設計，對教學內容進行選擇、組織、整合，通過繪圖實現可視化。

知識可視化在無機化學中的教學策略構建如圖1所示。首先根據教學目標遴選教學內容，在了解學情的基礎上匹配恰當的視覺表征方法，將知識有邏輯的通過視覺流程呈現，引導學生按照視覺設計的意圖有意識地去進行表征轉化和意義生成，促進學生的知識建構和思維發展，激發學生的學習動機和興趣，實現以學生為中心的教學過程。

圖1 知識可視化在無機化學中的構建示意圖

2.1 高效傳授顯性知識

顯性知識是已經文本化的知識，即以書面文字、圖表和公式加以表述的知識，易于傳播。無機化學課本上的知識尤其是元素部分的知識，都是以書面文字來進行描述的，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，但是如果還按著課本的內容將文字搬到PPT上面，學生跟隨教師的講解，可以理解一個詞、一句話，但是隨著詞匯、語言的不斷增加，學生將無法做到邊聽邊看語句，邊自動提取關鍵詞、構建關系，從而無法理解知識，給學生帶來額外的認知負荷。為此，需要將文字呈現的信息重新以視覺化的方式設計，以“圖片+關鍵詞+形狀”的形式呈現，從而幫助學生記憶和理解。例如在講授“硫的同素異形體”時，將硫的同素異形體的結構、種類和關系以可視化的方法組織和呈現出來(圖2)；再如講授“鉻元素”時，引入了“向日葵褪色的秘密”來激發學生的學習興趣[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的箭頭和關鍵詞“吸收紫外線、還原為Cr(III)”說明Cr(VI)還原為Cr(III)的機理，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計，再結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，自然就促進了學生的理解。

圖2 硫的同素異形體可視化設計

圖3 向日葵褪色的秘密可視化設計

在無機化學的教學中，需要教師講授許多重要公式的推導過程和比較抽象又和學生生活經驗沒有直接聯系的知識，將這兩類顯性知識通過“視覺隱喻+動作路徑”的方法進行可視化的設計，以直觀呈現，有利于提高課堂效率。例如在從化學反應的等溫方程式推導電池反應的能斯特方程的過程中，以不同的顏色隱喻生成物和反應物、ΔGm?和ΔrGm、E?和E，再通過“動作路徑”設置公式的推導過程、系數2.303和0.059的來龍去脈，能夠幫助學生從源頭上理解和應用公式(圖4)。再如在講授“分壓和分體積”的概念時，首先用三種不同顏色的小球隱喻混和氣體均勻充滿左側綠色正方體表示的容器里，接著通過“動作路徑”設置動畫讓紅色小球轉移到右側綠色正方體內，此時再講授分壓力的定義，學生就很容易理解(圖5a和圖5b)。在此基礎上，引導學生思考“當一種組分氣體單獨占有混合氣體的總體積時，它的壓強和混合氣體的總壓強相等嗎？怎樣做才能使二者的壓強相等？”結合中學所學知識，學生可以很容易地實現新舊知識的相互關聯，并回答出：“二者壓強不相等，可以通過壓縮體積使二者壓強相等”，這時教師再點明壓縮到二者壓強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設計，學生對混合氣體中某一組分氣體應用理想氣體狀態方程時，不用死記硬背，基于對分壓和分體積概念的深入理解，能夠正確應用方程。

圖4 能斯特方程的推導可視化設計

圖5 分壓力和分體積的可視化設計

2.2 積極引領高階思維

研究表明，通過學習者對知識表征的解讀，能夠培養學習者的直覺思維、形象思維、聯想思維、發散思維，以及對待紛繁復雜視覺元素的整體把握與差異辨別能力的整體思維等，這些都是提升學習者的創新思維能力的重要因素[5]。我們在教學過程中通過可視化的教學設計，可以給學生提供多維度意義解讀和高階思維發展的空間。

例如在講授“角量子數取值”時，采用了樣例教學法結合自我生成繪圖策略的教學設計(圖6)。在教學中不直接給出取值的要求，而是用短橫線隱喻電子層，用“動作路徑”設置動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，給出電子亞層對應的取值和符號，引導學生自己推導出主量子數和角量子數取值之間的關系。這種先情境后語義的概念講授方法，降低了知識的內在認知負荷，增加了相關認知負荷[18]，在以幫助學生理解基本知識的同時，有效地促進了學生分析、綜合等高階思維的發展。

圖6 角量子數的可視化設計

再如講授配合物的價鍵理論時，我們借助Diamond軟件結合自己的科研，在課堂上通過旋轉操作展示不同配合物的分子空間構型作為導入，激發學生的學習興趣。另外，作為課本知識的拓展，我們在課堂上引導學生思考配位數為5的時候，除了三角雙錐構型，還可能采取四方錐構型，接下來用構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、銅離子為中心來構建多面體，向學生展示配合物的空間構型，通過配合物鍵角的計算得到參數τ，量化配合物結構的畸變程度(圖7)。通過這種可視化的展示，學生不僅拓展了課本知識，了解到配合物的構型會隨著配體的結構、配位原子的類型發生變化，而且引導學生分析鍵參數和配位構型之間的關系，通過案例與知識之間的多重關系鏈接，將知識之間的關系以連通性和條理性呈現，為學生分析思維的培養提供了條件[19]。

圖7 配合物結構的可視化設計

無機化學中有許多知識比較瑣碎，而關系又比較復雜，借助圖形組織者，可以將瑣碎的知識和復雜的關系可視化，從而掃清繁雜概念、建立清晰穩固的邏輯關系。例如在“配合物基本概念”的教學中，利用思維導圖的形式將配合物的定義、構成、命名、配位原子和配位數、單齒和多齒配體等多個概念呈現出來(圖8)，利用關鍵詞而不是大段的文字來解釋概念，利用關鍵詞間的連線來呈現邏輯關系。學生在用思維導圖學習或復習這些知識時，就會自行解讀關鍵詞來回憶概念，通過概念間的連線建立恰當和正確的邏輯關系，最終在教師的幫助下建立知識的整體框架。再如講授“配合物磁性和結構關系”時，在課堂內容講授和隨堂練習完成后，可以利用對策型魚骨圖來整理解題思路(圖9)，將解題的關鍵步驟作為魚骨圖的分支主體漸次展開，清晰地呈現各個步驟之間的關系，在學生掌握具體知識的目標基礎上，幫助學生建立對“配合物磁性和結構關系”的整體理解，建立知識的思維模型，最終達到培養學生學科思維能力的目的。

圖8 配合物基本概念的思維導圖

圖9 配合物磁性和結構關系的魚骨圖

2.3 情感助力課程思政

知識可視化活動中包含了“傳達–體驗–生成”一定的情感、態度和價值觀的過程，帶給學生的積極情緒情感體驗，實現個體思維和情感、知識和能力的共同發展和提升[20]。在教學過程中，結合知識可視化，通過故事創建教學情境，激發學生情感，是實現課程思政的一個有力抓手。例如，在講授碳酸鈉的工業化制備方法時，結合知識可視化的設計，將兩種制堿法的工藝原理、優缺點比較等專業知識和創新敬業、愛國、民族精神等思政點融入到故事情境中(圖10)，按照技術發展史，從索爾維發明氨堿法開始講起，到索爾維工會對中國封鎖氨堿法工藝，再到侯德榜先生學成回國，克服重重困難打破封鎖，并根據我國實際國情，大膽創新，在世界上首次提出了聯合制堿法。在這個過程中，將重要的節點按時間軸設計，用雙氣泡圖比較分析兩種方法的異同點，隨著教師的講解徐徐展開，不僅將碎片化的知識融合在故事中，并且可視化的設計讓教學情境更加鮮活，而且遷移默化地培養了學生的家國情懷。

圖10 碳酸鈉工業制法的可視化設計

3 教學反饋

選取河北科技大學應用化學專業2020級105名學生為研究對象，經過一學期的教學實踐，我們通過調查問卷的方式調查了知識可視化視覺表征的使用效果，共發放問卷105份，回收100份，有效問卷100份，有效率100%。

調查結果表明，93%的學生認為知識可視化視覺表征會激發學習興趣，提高課堂注意力；98%的學生認為這種知識表征方法有助于將抽象的知識具體化、形象化，概念變得容易理解和記憶，特別是91%的學生還認為這種方法具有啟發性，特別是設計中隨著動畫的展開，會引起深層次的思考。這一結果表明通過可視化知識的呈現降低了學生學習中的認知負荷，增加了相關負荷，學生能夠充分發揮想象力，積極主動參與到教學過程中，提高了學習效率，有利于以學生為中心開展教學，為學生創新能力和創造性思維的培養打下了良好的基礎。

課后88%學生會使用教師提供的課件進行復習，89%的學生通過課件復習提高了學習效率。這一結果說明我們基于知識可視化的課件具有非常強的現實意義，課件制作水準與復習效率具有顯著的相關性。

4 結語

在無機化學教學中應用知識可視化，要注重與知識內容和教學方法的高度融合，最大發揮知識可視化的優勢。還應從教到學，引導學生采取知識可視化的方法來自主構建知識體系。另外，在未來可以知識可視化表征為載體，通過同伴學習和生生互評等方法，促進學習共同體的社區交流和討論，促進生生之間知識的傳遞和創新。同時，我們也應該注意到，可視化不是萬能的，并不能取代其他知識傳遞和創造的手段，而應該和其他手段結合使用。