基于“探究性化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)”的聯(lián)想思維能力的培養(yǎng)

王 梅，張學(xué)軍，唐久磊

(西北師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

探究式學(xué)習(xí)是目前國際教育界一致認(rèn)同并備受推崇的一種新的學(xué)習(xí)方法，它的指導(dǎo)思想是建構(gòu)能夠促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，讓學(xué)生自主地探求新的知識,從而培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)新精神[1-2]。在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中卻存在很多問題[3-6]，主要是：(1)教師觀念陳舊，教師往往輕實(shí)踐重理論、輕過程重結(jié)果，對探究性實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)很少，忽略學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)；(2)實(shí)驗(yàn)條件差，實(shí)驗(yàn)所需的儀器和藥品不能滿足學(xué)生的需求；(3)實(shí)驗(yàn)課時少，沒有花費(fèi)時間和精力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究；(4)教師水平有限，對探究性和創(chuàng)新思維方面的知識掌握比較欠缺，不能滿足培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的教學(xué)要求。

筆者將探究性、創(chuàng)新思維的理念和虛擬技術(shù)結(jié)合，設(shè)計開發(fā)了條件控制類探究性虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，旨在訓(xùn)練學(xué)生聯(lián)想思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

1 聯(lián)想思維概述

聯(lián)想思維是根據(jù)事物之間具有的相似性或相對性的特點(diǎn)進(jìn)行由此及彼、由近及遠(yuǎn)、由表及里的一種思維方法[7]。它是通過對兩種以上事物之間存在的關(guān)聯(lián)性與可比性，去擴(kuò)展人腦中固有的思維，使其由舊見新、由已知推未知，從而獲得更多的設(shè)想、預(yù)見和推測。它具有流暢性、靈活性、獨(dú)創(chuàng)性等多種復(fù)雜特征[8]。

聯(lián)想只能在存入人的記憶系統(tǒng)的表象之間進(jìn)行，它不是憑空產(chǎn)生的，而是建立在邏輯思維之上的正確想象的必然結(jié)果。聯(lián)想思維具有以下幾種類型[9]：(1)相似聯(lián)想：是可以根據(jù)事物外形、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)或作用等某一方面或幾方面的相似進(jìn)行的聯(lián)想：(2)對比聯(lián)想：是可以根據(jù)事物外形、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、作用等某個方面存在著的互不相同或彼此相反的情況進(jìn)行聯(lián)想；(3)接近聯(lián)想：是可以根據(jù)事物在空間或時間上的彼此接近進(jìn)行聯(lián)想。

聯(lián)想思維是創(chuàng)造性思維中特別重要并運(yùn)用廣泛的一種思維方式。一個在學(xué)習(xí)生活中不會聯(lián)想的人，他的知識是零散和孤立的；而聯(lián)想豐富的人一般都會舉一反三、觸類旁通、妙想無窮，形成系統(tǒng)化的知識體系，具有良好的思維品質(zhì)。聯(lián)想思維是打開記憶大門的鑰匙，是建立學(xué)科知識關(guān)系的紐帶。

2 探究性虛擬實(shí)驗(yàn)對聯(lián)想思維能力的培養(yǎng)

參照人教版高中《化學(xué)》必修2第二章“化學(xué)反應(yīng)與能量”第三節(jié)，以探究催化劑、溫度、濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響為目的，運(yùn)用控制變量法和實(shí)驗(yàn)對照法引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究學(xué)習(xí)。控制變量法是指在研究化學(xué)變化中，通過控制影響化學(xué)反應(yīng)速率的多個因素不變，只改變某個單一變量，觀察、記錄該變量對研究對象的影響，探索出該變量與化學(xué)變化之間的關(guān)系和規(guī)律[10]。實(shí)驗(yàn)對照法是指對同種實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行不同方法處理，跟蹤對比，找出不同的變化，通過分析得出結(jié)論[11]。基于控制變量法和實(shí)驗(yàn)對照法，學(xué)生可以自主設(shè)計探究方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1 探究性虛擬實(shí)驗(yàn)探究模式

基于探究性化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了針對條件控制類實(shí)驗(yàn)的設(shè)計模式(見圖1)，它是為解決實(shí)驗(yàn)探究過程中某一特定問題，在一定抽象、簡化、假設(shè)的實(shí)驗(yàn)條件下，驗(yàn)證原型客體的某種本質(zhì)特性，是對探究活動的本質(zhì)抽象。在實(shí)驗(yàn)流程的創(chuàng)設(shè)問題情境、設(shè)計探究方案、實(shí)驗(yàn)探究操作3個步驟，可以激發(fā)學(xué)生積極思維、推理、想象，從而解決實(shí)驗(yàn)探究問題。

圖1 “條件控制類”探究性化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綀D

2.2 創(chuàng)設(shè)問題情境、提供自主探究氛圍

現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)研究表明：思維的本源在于問題情境，而且是以解決問題為目的的。問題情境是指人們覺察到目的但又不知如何達(dá)到這一目的的心理困境,即當(dāng)已有知識不能解決新問題時的一種心理狀態(tài)。要擺脫這種處境,就必須擬定以前未曾有過的、新的活動策略,亦即完成創(chuàng)造性活動[12]。問題探究情境的創(chuàng)設(shè)是將問題作為“刺激”因素，把學(xué)生置身于一種好奇、質(zhì)疑、思維、探究、交流的實(shí)驗(yàn)氛圍中，它是開啟對實(shí)驗(yàn)探究興趣大門的鑰匙。

本探究性虛擬實(shí)驗(yàn)問題情境的創(chuàng)設(shè)是給出一組圖片：腐爛的水果、生銹的鐵、瞬間發(fā)生的爆炸，反映出的問題是：鐵為什么會生銹，為什么水果的腐爛比較緩慢，而爆炸卻是瞬間完成的。通過已學(xué)過的知識，學(xué)生可知這3種現(xiàn)象都表現(xiàn)為物質(zhì)性質(zhì)發(fā)生了變化，而這些變化都是因?yàn)榘l(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，但化學(xué)反應(yīng)速率有快有慢。學(xué)生充分發(fā)揮自己的聯(lián)想，并能夠列舉出生活中形形色色與化學(xué)反應(yīng)速率有關(guān)的例子。

情境提出的問題是：化學(xué)反應(yīng)的快慢與那些因素有關(guān)？學(xué)生由冬天食物不易腐爛聯(lián)想到溫度；從包裝食品的干燥劑能延緩食品變質(zhì)聯(lián)想到水和氧氣的多少。那么化學(xué)反應(yīng)速度還會跟什么因素有關(guān)呢？可見通過創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，可以使學(xué)生從化學(xué)視角觀察生產(chǎn)、生活中有關(guān)化學(xué)反應(yīng)快慢的問題，激發(fā)學(xué)生展開自主相似性的聯(lián)想，根據(jù)創(chuàng)設(shè)情境的圖片所表達(dá)出的現(xiàn)象，聯(lián)想日常生活、生產(chǎn)中與其性質(zhì)和作用相似的化學(xué)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的聯(lián)想思維能力。

2.3 依據(jù)實(shí)驗(yàn)條件的相對性聯(lián)想設(shè)計探究方案

在引出一系列的問題之后，學(xué)生通過查閱資料，了解影響化學(xué)反應(yīng)速率的內(nèi)在因素主要有催化劑、溫度、濃度等。學(xué)生進(jìn)入條件控制類虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，按照給定的藥品、儀器，自主設(shè)計探究方案，探究催化劑、溫度、濃度怎樣對化學(xué)反應(yīng)速率產(chǎn)生影響。

學(xué)生會想到：如果要得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，必須改變反應(yīng)條件。在本探究實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)條件就是催化劑、溫度和反應(yīng)物濃度。在客觀事物之間，普遍存在著相對或相反的關(guān)系；事物的內(nèi)部，普遍存在著既統(tǒng)一又對立的兩個方面，條件控制類化學(xué)實(shí)驗(yàn)亦是如此。學(xué)生由一個實(shí)驗(yàn)條件聯(lián)想到與之相對或相反的條件，即：從無催化劑聯(lián)想到有催化劑，再由有催化劑聯(lián)想到不同的催化劑；從常溫聯(lián)想到高溫，由高溫又聯(lián)想到低溫；從增大反應(yīng)物濃度聯(lián)想到減小反應(yīng)物濃度。學(xué)生還要思考實(shí)驗(yàn)反應(yīng)條件的變化，會使反應(yīng)速率加快還是減慢或是不變化；怎樣的設(shè)計方案才能體現(xiàn)出不同反應(yīng)條件下不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計問題進(jìn)行聯(lián)想思維，從大量的信息中檢索、提取與當(dāng)前問題有關(guān)的各種信息，用化學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用的控制變量和對照實(shí)驗(yàn)的方法設(shè)計實(shí)驗(yàn)探究方案。例如以催化劑對雙氧水(H2O2)分解反應(yīng)速率的影響作為研究對象，設(shè)計出無催化劑、用MnO2為催化劑、用0.1 mol/L的FeCl3溶液為催化劑的3種實(shí)驗(yàn)方案。通過對比聯(lián)想，幫助學(xué)生從不同實(shí)驗(yàn)條件的思考中，悟出巧妙設(shè)計思路，從條件聯(lián)想到條件的相反面，在較短的時間內(nèi)在問題對象和其他思維對象之間建立起了聯(lián)系，不但找到了如何設(shè)計探究方案這個問題的突破口，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的逆向思維能力和聯(lián)想思維能力。

2.4 實(shí)驗(yàn)相關(guān)性的聯(lián)想，完成探究實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)探究是一種邏輯與思維相融合的活動，需要進(jìn)行聯(lián)想、質(zhì)疑和理論聯(lián)系實(shí)際。探究催化劑、溫度、反應(yīng)物濃度對雙氧水分解影響的實(shí)驗(yàn)，只有控制好實(shí)驗(yàn)反應(yīng)條件才能取得比較好的實(shí)驗(yàn)效果。化學(xué)反應(yīng)有快有慢，學(xué)生需要思考通過怎樣的現(xiàn)象來判斷雙氧水分解反應(yīng)進(jìn)行得快慢。由于反應(yīng)物為液體，氣泡冒出的快慢可以作為判斷的標(biāo)準(zhǔn)，而聯(lián)想日常生活中和以前學(xué)過的化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識可知，顏色變化的快慢，液體變渾濁的快慢，溫度變化的快慢等都可以判斷出化學(xué)反應(yīng)的快慢。

在實(shí)驗(yàn)探究方案中，控制變量法的重要性就體現(xiàn)在它可以控制所研究的對象。

以催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的虛擬實(shí)驗(yàn)為例,實(shí)驗(yàn)界面給出實(shí)驗(yàn)所需的儀器和藥品，其中MnO2和FeCl3溶液是分解H2O2的催化劑。在自主探究的過程中，難免出現(xiàn)操作上的錯誤，如將H2O2直接倒入試管中，用藥勺取H2O2，這時虛擬實(shí)驗(yàn)中則會給出操作錯誤的提示(見圖2)。根據(jù)對照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計方案，設(shè)計出一組對照實(shí)驗(yàn)，分別是無催化劑、催化劑為MnO2、催化劑為FeCl3溶液，實(shí)驗(yàn)完成之后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示。實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是：無催化劑H2O2的分解無明顯的變化，催化劑為MnO2時H2O2中有大量的氣泡冒出，催化劑為FeCl3溶液時H2O2中有均勻的氣泡冒出，可見，在H2O2的分解實(shí)驗(yàn)中，催化劑MnO2和FeCl3溶液加快了化學(xué)反應(yīng)的速率。

在做完催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響的探究實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生會進(jìn)一步聯(lián)想到溫度對H2O2的分解的影響問題。在探究溫度對化學(xué)反應(yīng)速率影響的實(shí)驗(yàn)中，溫度是可變因素，第二組實(shí)驗(yàn)對照條件分別為低溫、常溫、高溫。在其他實(shí)驗(yàn)條件相同時，還需要考慮是否需要加入催化劑，以及用MnO2還是用FeCl3溶液作為催化劑的問題。由于本實(shí)驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行的，如果不加催化劑就觀察不到氣泡，但是選用MnO2作為催化劑則反應(yīng)太快，不利于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因此，聯(lián)想的結(jié)果是：反應(yīng)需要催化劑，并且選擇FeCl3溶液作為催化劑，能解決實(shí)驗(yàn)難以比較的問題。

進(jìn)一步的聯(lián)想是：如果改變H2O2的濃度會對它的分解產(chǎn)生什么影響。在第三組實(shí)驗(yàn)中，濃度是可變條件。H2O2濃度對其分解速率的影響，可以通過在規(guī)定的時間內(nèi)測定收到的氧氣的體積反映出來，不存在實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過快難以觀察現(xiàn)象的問題，因此可以加入MnO2催化劑，在H2O2濃度不同的情況下探究其對分解速率的影響。

通過對催化劑對H2O2的分解實(shí)驗(yàn)探究的聯(lián)想，設(shè)計出溫度、濃度對它的分解的實(shí)驗(yàn)探究方案，最后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并得出結(jié)論：在H2O2分解實(shí)驗(yàn)中，溫度升高，加快了H2O2的分解，溫度降低，減慢了H2O2的分解；加大H2O2濃度加快了H2O2的分解，減小H2O2濃度減慢了H2O2的分解。

圖2 實(shí)驗(yàn)操作錯誤提示圖

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比圖

在上述探究性虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，聯(lián)想思維貫穿始終，從判斷H2O2的分解快慢實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象聯(lián)想到判斷其他實(shí)驗(yàn)反應(yīng)快慢的現(xiàn)象。世界上的事物不是孤立存在的，他們之間總是在時間或空間上保持著聯(lián)系。這3組實(shí)驗(yàn)，不管控制條件是催化劑、溫度還是濃度，它們都是同一個H2O2分解實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)條件。3組實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生積極思考、擴(kuò)展學(xué)生思路，拓寬學(xué)生視野，在思想上建立起了這3次實(shí)驗(yàn)之間新的關(guān)系，從催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率影響的探究實(shí)驗(yàn)，聯(lián)想到以溫度、濃度作為變量時實(shí)驗(yàn)的設(shè)計和操作。

3 聯(lián)想思維在探究式化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)中的作用

聯(lián)想思維在探究式化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)情境創(chuàng)設(shè)中可以激發(fā)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的興趣，營造學(xué)生積極思維的探究氛圍，建立新舊知識之間的聯(lián)系，增強(qiáng)對化學(xué)知識學(xué)習(xí)的熱愛。

聯(lián)想思維在探究式化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)學(xué)生深入生活、以日常生活中的化學(xué)現(xiàn)象為誘發(fā)因子，由一種事物聯(lián)想到另一種事物，使學(xué)生的思維更加靈活、更加敏捷，從而產(chǎn)生更多新的設(shè)想、構(gòu)思和創(chuàng)意，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力奠定了基礎(chǔ)，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

聯(lián)想思維在探究式化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)中擴(kuò)大了學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識的內(nèi)涵和外延，使知識融會貫通。聯(lián)想是記憶的關(guān)鍵，聯(lián)想思維的應(yīng)用可以促進(jìn)記憶，增強(qiáng)知識的積累，使零散的知識條理化、系統(tǒng)化，從而對化學(xué)知識的理解更加深刻牢固。

4 結(jié)束語

培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)想思維能力，提高學(xué)生的聯(lián)想悟性，引導(dǎo)學(xué)生建立知識間的聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)學(xué)生聯(lián)想思維的自覺性，有利于培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、獲取信息和解決問題的能力，是當(dāng)代教育教學(xué)的需要。聯(lián)想思維在探究性化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，使學(xué)生從多角度、多渠道、多側(cè)面地思考問題，尋求解決問題的方法。在探究性化學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常進(jìn)行知識間的聯(lián)想，不但有利于培養(yǎng)學(xué)生的聯(lián)想思維能力，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維也會起到很大的作用。

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