基于PowerPoint內嵌于思維導圖課件的物理化學課堂教學改革實證研究

孫元元，李國輝，宋明烜

（1.海南師范大學化學與化工學院，海南海口 571158；2.瓊臺師范學院理學院，海南?？?571127）

1 物理化學的學科特點及學習難點

物理化學是以物理的理論和實驗技術為基礎，研究與化學變化伴生的各種層次的物理現象為學科內容和發展方向，發現并建立化學體系中特殊規律的學科，是化學的理論基礎。它涵蓋了化學體系的宏觀平衡性質、微觀結構和性質，以及以時間為核心變量的化學體系動態性質。但因學科交叉性強、公式繁多、邏輯性強等特點，使得學生對物理化學望而生畏。

2 思維導圖研究現狀

思維導圖（Mind map）運用圖文并重的技巧，把各級主題的關系用相互隸屬與相關的層級圖表現出來，把主題關鍵詞與圖像、顏色等建立記憶鏈接。基于思維導圖的教學，讓學生圍繞授課內容展開聯想和推理，樹狀發散式構圖表達正好吻合了大腦聯想和想象的工作方式，有利于創造性活動的發生，有利于大學生發散思維和創新能力的培養。

國外許多一流大學如哈佛大學、劍橋大學等早已經把思維導圖應用在了教學中。相比于國外對思維導圖研究的成熟，我國對思維導圖的研究起步較晚，自1999年報刊上刊登托尼·博贊系列叢書之后，開始得到少數人的關注。2000年，在《淺析思維導圖教學法》中，王功玲首次提出并詳細介紹了思維導圖用于改變學生傳統記筆記的方式以及在課后復習中的應用[1]，這與托尼·博贊開創思維導圖的初衷是一致的。近幾年來，思維導圖的教學模式逐漸向高等教育領域發展。2019年，許妙瓊等研究了思維導圖在分析化學和無機化學課程中的應用[2]；2020年，張玉龍研究了思維導圖在大學有機化學復習中的實踐研究[3]。2022年雷雪峰等人思維導圖在物理化學知識體系構建中的應用[4]，2022年，李翠林等研究了思維導圖在物理化學熱力學教學中的應用[5]，馮悅兵研究了思維導圖在工科物理化學教學中的應用[6]，彭冰等研究了Xmind思維導圖軟件在物理化學課程中的運用[7]。

目前應用思維導圖對大學教學進行研究是非常少的，且使用范圍多數局限于幫助學生建立知識體系框架和幫助學生復習知識。本文致力于突破傳統的PowerPoint 教學模式，以Mindmaster 軟件為平臺制作物理化學思維導圖內嵌PowerPoint 課件，以可上可鉆的思維導圖為上課主要工具進行課堂教學改革，讓學生在教學過程中無時無刻不知不覺地感受所學知識處于整個知識架構中的位置，與前面所學知識之間的聯系，潛移默化中幫助學生在腦海中建立知識結構框架，再通過教師引導和課后學生采用思維導圖進行歸納學習，來提高學生對整個物理化學的認識和理解深度，探索思維導圖對學生發散思維和創新能力培養上的應用價值，如圖1所示。

圖1 熱力學部分思維導圖課件

3 物理化學思維導圖課件的設計及應用

3.1 思維導圖課件設計思路

物理化學思維導圖課件的設計重點考慮以下幾個因素：①利用思維導圖的優勢，凸顯物理化學各章知識的遞進性和內在聯系，充分展示各知識點間的內在邏輯關系；②利用思維導圖可上可鉆的特點，融入PowerPoint 插件，兼顧知識點的全面和習題與例題的展示效果。

以物理化學簡明教程教材為參考，首先將物理化學的內容分為四個模塊，分別為化學熱力學、化學動力學、量子力學和統計熱力學。以熱力學為例（如圖1所示），詳細介紹思維導圖課件的制作思路。從研究雙變量系統與環境之間的能量轉換關系出發（熱力學第一定律），尋找功熱轉換的不可逆性和方向性，進而找到新的狀態函數熵變，由此來判斷雙變量系統變化的方向和限度（熱力學第二定律），即為熵判據。結合熱力學第一定律和熱力學第二定律推導出吉布斯能和亥姆霍茲能，從而引出只做體積功時，定溫定容下的亥姆霍茲判據和定溫定壓下的吉布斯判據。在此基礎上，將雙變量系統中學習的熱力學函數應用到多組分系統（兩個以上變量）中，研究熱力學函數在多組分系統中的應用，引出化學勢判據，進而學習化學勢在化學平衡中和多相系統中的應用。并在熱力學知識框架中以附件的形式引入PowerPoint 文件，兼顧每個知識點的詳細學習和展示功能，更加有利于知識學習的全面性和深入程度。

3.2 思維導圖課件的應用及課堂效果

通過課前問卷調查，發現超過一半的學生在復習時會使用思維導圖（50.6%），還沒有體驗過使用思維導圖的課堂教學模式，并且對使用思維導圖內嵌PowerPoint 附件上課形式非常受歡迎（57.1%），如圖2所示。

圖2 學生使用思維導圖的場景及對思維導圖課件上課的態度（課前）

基于設計好的思維導圖課件，以20級化學1班學生作為實驗班，開展課堂教學研究。在思維導圖展示的知識框架結構中，各知識點之間的邏輯關系清晰直觀，學生可以多角度全方位地感知所學知識所處的位置，所起的承前啟后的作用。對于課程知識點的詳細解釋和習題練習可通過打開附件進行詳細學習，對于課程的重難點可以融會貫通進一步深入交流和探討。課后通過作業的形式讓學生使用思維導圖對所學知識點進行梳理，進一步強化學習效果，增強對知識點的理解深度。使用思維導圖內嵌PowerPoint 附件的課件進行課堂教學有助于學生思維發散式成長，快速建立所學的知識點之間的關系，形成知識網絡，促進知識間的融會貫通，強化所學知識的遷移能力，為學生解決實際工藝問題打下堅實的理論基礎。

對思維導圖課件應用一個學期后的上課效果進行調研，如圖3所示。發現46.2%的學生認為這種課堂模式讓知識點脈絡更加清晰，在傳授知識的同時更加直觀地展示了知識點之間的關系，更容易理解所學知識點的承前啟后作用。29.9%的同學反饋這樣的課堂模式，讓他們課堂上更方便整理筆記，提高學習效率。對于思維導圖課件上課更容易使學生進行深度思考，15.2%的學生認為非常認同，因為知識點可視化，脈絡更清晰，更易聯想和深度思考知識點間的內在聯系，57.5%的同學表示基本認同這一觀點，27.3%的同學不是很確定使用思維導圖課件和深度思考之間是否存在必然聯系。對于是否希望將這一模式應用到其他課程的課堂學習中，75.8%的同學表示想，僅有3%的同學不想（如圖4所示），這說明相比于傳統的PowerPoint 幻燈片授課模式，思維導圖課件的上課模式更符合學生的學習需求，更快速地厘清需要掌握的知識點，理清所學知識的相互關系，更容易達到融會貫通水平，提高學生的學習效率。

圖3 學生對使用思維導圖課件上課效果的反饋及對使用思維導圖更容易引發深度思考的觀點

圖4 學生對將思維導圖的課堂模式應用于其他課程學習的反饋

4 結束語

制作了物理化學思維導圖課件并應用于課堂教學，研究發現將PowerPoint 內嵌于思維導圖內的課件應用于課堂教學改革中，近99%的同學表示歡迎。該上課模式能更加有效的向學生展示整個課程的知識架構，潛移默化中提升學生對知識點內在邏輯關系的理解，促進學生深入思考和融會貫通的能力，同時還兼顧了PowerPoint 的展示功能，幫助學生掌握重難點和解題思路，進而有效提升物理化學的課堂學習效率，同時讓學生學會了使用思維導圖歸納總結所學內容，培養學生嚴謹的邏輯思維和自學能力。