信息技術支持的思維可視化教學研究

包玉紅

一、問題的提出

隨著信息技術的發展，互聯網與智能終端設備日益普及，我們進入了“互聯網+大數據”時代，人們越來越多地運用數字化工具、平臺和資源開展工作和學習并運用到生活中，信息技術改變著我們的生產生活方式。如何將信息技術應用到教育教學中，幫助學生提高學習思維能力，為國家綜合國力的提升提供保障，成為一項重要課題。在“雙減”政策下，以素養為本的教學中，重要的是要提高課堂效率，挖掘學生的思維潛能，讓學生了解知識的形成過程、即知其然也知其所以然，關注解決問題的方法、思路，從而高效地培養學生適應終身發展和社會發展的必備品格和關鍵能力。在教學過程中若能將知識形成的過程、解決問題的思考過程顯性化，便可以有效提高學生的核心素養。思維過程顯性化方法很多，比如概念圖、魚骨圖、思維導圖，這些都可以認為是思維的可視化。思維可視化即用圖示或圖示組合的方式把原本不可見的思維路徑、結構、方法及策略呈現出來，使其清晰可見的過程。通俗地講就是把思維“畫”出來的過程。

在教學實踐中發現，Focusky軟件能夠打破線性思維模式，其畫布的無限延展可以將整個體系呈現于眼前;其縮放功能，可以觀看任意層面的細節內容，使學生深刻理解整堂課的邏輯順序;其震撼的動畫演示過程，可以極大地提高學生的關注度。用Focusky軟件可制作出整體性強、邏輯性高且形象生動的教學課件，達到思維可視化目的，有助于學生建立思維模型，提高教學效率。現以“有機化合物結構的測定”為例探討思維可視化在具體教學中的應用。

二、教學實踐

（一）教學思路

在教學過程中，以阿司匹林的形成過程為情境，引導學生推理合成有機化合物的過程，即首先對有機物分離提純，然后測定其組成結構，最后人工合成。將合成有機物的程序以魚骨圖形式呈現，幫助學生建立合成有機物程序的思維模型，了解測定有機物結構的重要性。本節課重點是有機物的結構測定。研究有機物結構的核心步驟為確定其分子式和檢測分子中所含的官能團及其在碳骨架中的位置。按照研究過程的邏輯順序用線路圖表示該過程，將思維外顯，給學生形成整體認識，在整體中又了解每一步的測定方法，從而建構知識網絡，完善思維邏輯。

（二）教學過程

1.情境引入，提出問題

視頻展示阿司匹林的前世今生。相傳，早在2400多年前，希波克拉底曾用柳樹皮來治頭痛和發燒。阿司匹林從柳樹皮衍生而來，如果你是科學家，給你柳樹皮，你會怎么做？怎樣得到大量的我們需要的藥物？

【學生】

從柳樹皮中提取有效成分，用化學方法合成。

【教師】

在提取柳樹皮有效成分——水楊酸純品之后，依據什么合成呢？先測定有機物的結構，根據結構再合成，見圖1。如何確定結構呢？

（柳樹皮到阿司匹林藥物，研究有機物合成的基本思路以魚骨圖形式展示，形成系統思維）

2.交流研討，確定方案

學生小組交流研討，分析測定有機物結構的思路：組成元素→最簡式→分子式→分子結構。展示測定有機化合物結構測定的流程圖見圖2。

（以流程圖的形式展現測定有機物結構的基本思路，在實際講授過程中，使用Focusky軟件畫布的3D無限縮放的切換方式，從整體出發，逐一深入解決每一個小環節中的問題，例如確定元素的組成，點擊流程圖中的元素組成，深入畫布內部，了解如何確定元素組成。在大思路框架下逐步解決問題）

確定有機化合物結構測定的核心問題是分子式的確定、官能團的檢驗及其在碳骨架中的位置。

3.實施方案，思維遷移

【活動探究1】 水楊酸分子式的確定。

從柳樹中提取水楊酸純品，要確定分子式，首先測定其組成元素，由組成元素→最簡式→分子式。

思考：

怎樣測定有機物的組成元素及其百分含量，見圖3。

現取1.38g水楊酸按照上述流程完成實驗，得知水楊酸只含C、H、O三種元素，燃燒后只得到3.08g二氧化碳和0.54g水。請大家計算實驗式（最簡式）。

【學生】

由以上數據得出水楊酸實驗式即最簡式為C7H6O3。

【教師】

拓展：現代儀器分析只需要元素分析儀，將樣品置入分析儀的燃燒管中，計算即可自動得出所含元素及含量。

思考：

（1）已知最簡式，要確定水楊酸的分子式還需要哪些數據？

（2）你知道哪些確定物質相對分子質量的方法？

【學生】

（1）需要知道相對分子質量。

（2）可以通過測定有機物蒸氣的相對密度的方法得到。

【教師】

總結確定物質相對分子質量的方法，拓展質譜儀測定物質相對分子質量法。閱讀材料，確定水楊酸的分子式。

（1）水楊酸蒸氣的密度約是相同狀況下氫氣的69倍。

（2）展示水楊酸的質譜圖。

【學生】

根據以上數據得出水楊酸分子式為C7H6O3，總結分子式確定思路。

【活動探究2】 水楊酸的結構式確定。

水楊酸分子式C7H6O3，如何確定其結構？

【學生】

小組討論，分析，總結。

（1）根據水楊酸的分子式C7H6O3，先計算不飽和度，分析可能含有的官能團可能含有苯環+羧基+羥基，苯環+酯基+羥基，苯環+醛基+2個羥基，鏈烴基+含氧官能團等。

（2）設計實驗驗證假設，-COOH可以用與碳酸氫鈉溶液反應實驗或石蕊試液來檢驗;-CHO可以用新制氫氧化銅實驗來驗證，酚羥基可以用三氯化鐵溶液檢驗。

（3）確定官能團的連接和碳鏈結構。

【教師】

方法導引：用化學實驗方法檢驗官能團時，優先檢驗酚羥基、羧基等實驗現象明顯的官能團，可以排除一些組合，縮小檢測范圍。

實際上用傳統的化學方法來確定有機物的結構，工作相當復雜。隨著科學技術的發展，我們可以用紅外光譜和核磁共振準確、快速測定。

現代技術分析法：

①根據紅外光譜分析可能的官能團。

②根據核磁共振譜找出等效氫個數，得出官能團的連接方式。

【資料】

（1）水楊酸微溶于水，所得溶液能夠使石蕊試液變紅。加入碳酸氫鈉溶液中，有氣泡產生，遇到三氯化鐵顯紫色。

（2）展示水楊酸的紅外光譜圖和核磁共振氫譜。

【學生】

由紅外光譜圖可知分子中存在苯環、碳氧雙鍵、碳氧單鍵、氧氫鍵。

分析數據，推導出水楊酸的結構簡式可能為：

【教師】

這兩種同分異構體如何鑒別？可以根據等物質的量的樣品與濃溴水反應，消耗溴水的物質的量的不同，最終確定水楊酸的結構簡式是■。

（三）概括總結，思維進階

再次展示有機化合物結構測定的流程圖，梳理有機物結構測定的流程，歸納總結測定分子式和結構的思路方法，建立有機化合物結構測定的思維模型。

【拓展資料】柳樹皮中能治病的成份是水楊酸。水楊酸雖然具有很好的解熱鎮痛作用，但是味道令人生厭，且有副作用，對腸胃的刺激性很大。德國化學家霍夫曼對其做出改進，以該樣品為原料合成了乙酰水楊酸，即阿司匹林，鎮痛效果更好，副作用小。現在還有研究表明阿司匹林具有抗血栓、防癌等功效，在保護生命方面存在很大的潛在價值。

三、結語

本節課以幾千年前人類從柳樹皮中發現水楊酸、提純、測定其結構、改進結構，最后發明阿司匹林的歷史史實為主線，引導學生像科學家一樣思考，利用所學知識完成對水楊酸分子結構的探秘。利用貫穿整節課的流程圖引導，以一定的邏輯打開，較完整地呈現了有機合成的科學方法和工作程序，將研究有機物結構的思維可視化，凸顯有機合成的大觀念和大思路，豐富了有機物結構的研究角度，完善了方法，建立了研究有機物結構的思維模型。拓展資料讓學生了解，我們可以根據需要修改結構、改良性能，讓化學更好地服務人類生產生活，使學生深刻地體會有機化學的學科價值，便于學生遷移應用，培養學生解決實際問題的高階能力。

注：本文系煙臺市教育科學“十四五”規劃課題“化學核心素養下信息技術與化學教學有效融合的教學研究”（2020/16）成果。