用思維導圖建構模型的實踐探索

成際寶 高翔 朱園園

摘要： 以無機化工流程圖題為例，用思維導圖建構高考試題內容的解讀模型、重難點知識的認知模型、高考試題的解題模型。通過各級模型的建構、應用和檢驗過程，可以發展學生的認知圖式，培養學生科學研究的方法和化學學科核心素養。

關鍵詞： 思維導圖； 工藝流程； 模型建構； 核心素養

文章編號： 10056629（2018）9008306 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的引出

江蘇省高考每年都考無機化工流程圖題。學生普遍認為該題難度大，一方面該題題干長、信息多、內容散、知識點多，另一方面又以真實的工業生產作為背景，因而情境陌生度大、綜合性強。

筆者認為產生這種認知的原因主要在于學生不能透過事物的表象，抓不住無機化工流程圖題的本質和規律；難以加強新舊知識的聯系、強化知識的理解，從而使知識結構條理化、系統化。

2 問題解決的方法

英國的托尼·博贊（Tony Buzan）在他的《思維導圖》[1]一書中指出： 人的大腦不是以線性和單一的方式思考的，而是以關鍵詞和關鍵圖像為中心觸發點，朝著多個方向進行思考的。思維導圖運用圖文并重的方式，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。

制作思維導圖，就是將分散知識整合成各層級的關鍵詞或者關鍵圖像，建構起結構化、系統化知識。各層級的“關鍵”就是化工流程圖相關的基本特征，能夠增加學生對化工流程圖相關知識的深度理解。整合后的“各層級的關鍵”，能夠引發關于化工流程圖的最大數量的聯想。

模型[2]是人們為了某種特定目的而對客觀對象稱為原型所做的一種簡化描述。孫小禮等認為科學模型是人們按照科學研究的特定目的，在一定假設條件下，用物質形式或思維形式再現原型客體的某種本質特征，諸如客體的某種整體或部分的結構、功能、屬性、關系、過程等。因此通過建構模型的方法，能夠使學生揭示無機化工流程圖題的形態、特征和本質，因而能使學生透過事物的表象，抓住無機化工流程圖題的本質和規律。

皮亞杰[3]認為，圖式是心理活動的框架或組織結構，是認知結構的起點和核心；圖式的形成和變化是認知發展的實質。認知的發展受同化、順應、平衡的影響。同化是個體對外在刺激輸入的過濾或改變，即用已有概念理解新概念；順應就是當個體遇到不能用原有圖式來同化新的刺激時，就要對原有圖式加以修改或者重建以適應情境。

化工流程圖題以真實的工業生產為背景，學生原有認知結構中很難有完整的認知圖式，需要在對舊知識進行深度理解、擴展認知結構的基礎上，對新知識、新的生產背景等進行同化、順應、平衡，才能構建新的、動態的認知圖式，從而解決化工流程圖題中復雜的情境問題。當然隨著學生認知的發展，舊的認知平衡就被破壞，逐漸達到新的認知平衡。

綜上所述，用思維導圖進行模型建構能夠有效解決無機化工流程圖題中的諸多問題，值得一試。

3 用思維導圖建構無機化工流程圖題解讀模型

在認知心理學中，“原型”是指一個范疇中最具代表性的一個或者幾個成員，模型的原型就是高考試題。以近4年江蘇省高考無機化工流程圖題（第16題）為例，讓學生按年份對考查內容所屬類別構建導圖，發現不同學生構建的導圖差異較大。

建構主義認為，人們不能直接知覺世界，必須經過人的理解加以過濾才能知覺世界。對于同一個知識點，每個人的理解可能是截然相反的[3]。構建思維導圖時，對零碎知識點整合成關鍵詞時，學生會帶入自己的不同理解在圖中顯現出來。因此在學生畫圖后，教師還要求講圖，然后師生、生生之間共同研討高考試題內容、導圖，得出共同的認知。經研討后學生構建的導圖如圖1所示。

有意義學習理論認為： 在新知識的學習中，認知結構中原有適當觀念起決定作用。這種對新知識起固定作用的觀念[4]稱為“固定作用的觀念（anchoring idea）”。顯然各年高考內容不能成為固定作用的觀念。筆者要求對近4年高考內容進行整合，舍棄偶然性內容，突出考試核心，再提煉出核心關鍵詞。生生、師生再次研討后，學生重新構建的導圖如圖2所示。

再將圖2代入到高考試題中，要求學生按照考查內容在試題中呈現的先后順序、將相同的內容進行整合，經多方研討后繪制導圖，如圖3所示。

圖3凸顯了模型的解讀功能： 任何一個化工產品的生產過程，都分為反應前工藝（原料處理、各種進料達到反應所需的工藝條件）、核心化學反應（一步或若干步）、反應后工藝[經過一次或若干步分離與提純、三廢處理（含循環利用）]，也凸顯了模型的預測功能，考試內容的重點主要來自這三個方面。

在模型的構建過程中，由于抓住工藝流程圖題的本質特征及各環節的功能、屬性、從屬關系等，為學生形成良好的認知圖式提供了科學的保障。用思維導圖構建模型，凸顯了模型的形象化、直觀化、可視化、框架化，而且通過對知識的細化與整理減少了冗余信息，降低了工作記憶的負荷，增強了大腦的信息加工能力和認知效率；思維導圖的演化過程，有利于教師對學生學習結果的評價，及時改進教與學，促使學生進行反思，形成良好的認知習慣，及時發現學生模型建構存在的問題。用模型的思維繪制思維導圖，為關鍵詞或關鍵圖像的選取提供了方向，使其更能反映本質特征、一般特征之間的從屬關系。

4 用思維導圖建構重、難點知識的認知模型

根據模型（圖3）解讀功能，核心反應、化工工藝及其原理不僅是考試內容的重點，更是教師教學與學生學習的重、難點，因此必須建構這兩者的認知模型。

4.1 構建核心反應的認知模型

化學學習不僅僅是為了獲得更多的外部信息，而是要更多掌握認識知識的程序，即建構新的認識圖式。對元素及其化合物的復習，應將其拓展到從元素觀（分類觀、價態觀、變化觀）的角度對某一類型的元素及其化合物進行復習，就會挑戰學生的底線，促使學生將已有知識進行整合，重新構建知識體系的認知模型。如以二氧化硫為例，對它的性質上升到元素觀的角度來建構知識體系，就會使學生獲取更高層次的認知結構。經多方研討后，學生畫出導圖如圖4所示。

研討過程中，將低層次（單一物質SO2、知識模型）認知模型上升到高層次（一類物質、理論）的認知模型（圖4），不僅能指導知識的學習，更能揭示元素及其化合物反應的本質特征： 如反應前后化合價變了，按價態觀指導變化；如化合價沒變，按分類觀指導變化。反應是有條件的，要注意反應條件來自課本還是題中的信息，其次信息決定了反應物或生成物存在的形態；條件不同，化學性質不同，根本原因在于反應物結構上的差異，即結構決定性質。

將元素及其化合物拓展到元素觀、反應原理體系中，就能將以前割裂的知識與相關知識（平行知識、上下游知識等）、相關理論相融合，使學生的認知結構得到豐富和發展，使學生能夠從整體到局部、局部到整體來重新認知元素及其化合物的性質，得到對已有知識更加全面、科學和辯證的認識與深度理解。

4.2 構建電極反應的認知模型

只有將電化學的認知上升到氧化還原反應，就能明確解決問題的關鍵所在。首先確定核心元素的價態；其次明確核心元素價態的升高、降低；關注介質至關重要（多以信息提示出現），如酸性溶液、堿性溶液、非水介質等，直接決定了核心元素在生成物中存在的微粒形式。以氫氣、氧氣燃料電池和電解飽和食鹽水為例，將個性上升至共性，將知識上升到理論，經多方研討，學生繪制的導圖如圖5所示。

只有將電化學知識融入到氧化還原反應理論、將微粒的性質融入到元素觀中，才能健全、豐富和發展學生的電化學認知，不僅加深學生對電化學知識的深度理解，也加深了學生對元素及其化合物知識點的深度理解。同時也說明學科知識的核心概念、模型的特征知識等為思維導圖的關鍵詞整合提供了方向，為學生建立正確、科學、全面的認知結構提供了保證。

4.3 構建化工工藝的認知模型

工藝流程圖題，學生最大的困難在于對工藝感到陌生，即情境的陌生性，由此導致系列知識的提取困難。應充分利用教材中已有的工藝流程，開發其中的工藝部分，使學生嘗試用原理、元素化合物、結構等知識解決工藝流程中的諸多問題。

建構主義強調真實世界的復雜性和許多知識領域的結構不良性[4]，許多教學系統的失敗就是因為教學設計脫離現實的簡單化，而結構良好的方式呈現了教學領域以及相關的行為要求。無機化工流程圖題，就是結構不良性知識領域經典案例，即涉及元素化合物、結構、原理等知識同時交互作用；任一部分，又都是比較復雜的；不同試題的問題，又可能用不同內容的知識來解決。因此學習者需要有更大的認知彈性，包括能從不同的觀點和案例表征知識；應用知識時，能夠適應理解的需要或者問題情境的需要，從這些不同的概念和案例表征中建構知識整體。如在硫酸工業生產[5]過程中，教師根據已有經驗、查閱文獻等開發其中的工藝部分，提出相應的問題。引導學生用元素化合物、原理等知識與新情境相融合，構建新的知識體系，從而解決相關問題。經多方研討后，學生構建的導圖如圖6所示。

其他工業生產也可以按照圖6進行整合，如教師沒有這方面的條件，可根據物料線（進料、出料及其處理，各種循環），能量線（溫度、壓強等工藝與能量守恒）等對元素及其化合物核心反應及原理、結構等相應知識進行整合，學生構建的導圖如圖7所示。

皮亞杰認為認識是螺旋式上升的。即任何認識，在解決了前面問題的時候，又會出現新的問題。每一種達到平衡的建構，都是新的不平衡的開始，即模型完善是相對的。經常對同一工藝流程圖題從不同角度（如模型6、7）等進行整合，既檢驗認知模型（發現元素及其化合物、核心反應、原理等模型的缺失），又完善、發展該模型，在此基礎上又建構了新的認知模型。只有結構良好的模型，根據新的工藝情境，才能快速提取與工藝相匹配的知識，從而快速解決工藝中的問題。

5 用思維導圖構建解題模型

上述建立的模型屬于知識結構認知模型，只有上升到解決實際問題的解題模型，模型才能體現出應用價值。因此當學生建立認知模型之后，還要求學生對近4年高考試題實地演練，建構自己的解題模型。原有的模型再次變為“潛在意義”，通過同化（演練）使得變為具體個體心理意義的解題模型。學生的導圖如圖8所示。

從圖8可知，導圖中的主題思想為： 對比法（）（對比進出口物料的成分及其類別、價態、pH值等）、守恒法（）（物料守恒、電子得失守恒、電荷守恒）、平衡觀念（）（化學平衡、電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡等）的綜合應用，切中了工藝流程圖題的解題要點；四個一級關鍵詞中，有兩個分別屬于物料線（原料到產物，物理分離途徑）、反應線（化學分離途徑、信息反應），也基本抓住了化工流程圖題的特征，因此學生畫的解題模型總體正確。唯一缺失的仍然是學生的薄弱環節——工藝線沒有重點體現，這不僅是學生的薄弱環節，也是教師的薄弱環節。

皮亞杰認為“錯誤是有意義學習所必需的”[6]。錯誤會引起學生同化自己的知識結構，并且把所觀察的結果同化到修正過了的知識結構中去。同時也說明模型6、7是在教師的指導下建構的，學生還沒有真正理解。因此對于薄弱環節的相關知識，學生還需要進一步理解、建構。

6 模型的應用與檢驗

模型的形成需要反復的過程，通過得到的資料或數據對模型進行修正，修正后的模型又需要不斷地驗證，以2014江蘇高考試題為例檢驗如下。

例題： 煙氣脫硫能有效減少二氧化硫的排放。實驗室用粉煤灰（主要含Al2O3、 SiO2等）制備堿式硫酸鋁[Al2（SO4）x（OH）6-2x]溶液，并用于煙氣脫硫研究。

（1） 酸浸時反應的化學方程式為 ① ；濾渣1的主要成分為 ② （填化學式）。

（2） 加CaCO3調節溶液的pH至3.6，其目的是中和溶液中的酸，并使Al2（SO4）3轉化為Al2（SO4）x（OH）6-2x。濾渣2的主要成分為 ① （填化學式）；若溶液的pH偏高，將會導致溶液中鋁元素的含量降低，其原因是 ② （用離子方程式表示）。

（3） 上述流程中經完全熱分解放出的SO2量總是小于吸收的SO2量，其主要原因是 ① ；與吸收SO2前的溶液相比，熱分解后循環利用的溶液的pH將 ② （填“增大”、“減小”或“不變”）。

解析： 根據解題模型中的化學途徑（結合圖4）可以解決（1）①（2）②（3）等問題；根據解題模型中原料與產物的對比可以解決（1）②的問題；根據解題模型中信息方程式書寫可解決（1）問題。（具體解析、答案略）

上述說明應用思維導圖模型能有效解決無機化工流程圖題，同時也檢驗了圖4、 5、 7、 8模型是否具有良好的結構。考后學生普遍反映良好，與沒有建構模型的學生對比： （1）（2）②得分沒有差距，即在較難、較易題中差距不大；在第（3）問領先較多（與平時基本相符），即模型建構在中等及偏上題目中得分率有較大優勢，這部分內容比重越多，領先的幅度越大。說明模型建構的層次與試題的難度層次存在博弈，同時也說明模型是一種動態平衡，還需要不斷升級到新的平衡，才能解決層級越來越高的試題。

綜上所述，模型建構能促進學生認識化工流程圖題的特征，建立良好的認知結構，從而幫助學生理解工業情境、促進試題分析、幫助學生解題。采用思維導圖的方式，可以發現模型中良好的認知結構部分、不良的認知結構部分，從而不斷地改進和完善，且可看到重構后的部分是否結構良好。同時還可以評價學生的模型層級，推測學生可解決的問題及問題的層次。

參考文獻：

[1]Buzan， T等著. 卜煜婷譯. 思維導圖[M]. 北京： 化學工業出版社， 2015.

[2]陳文婷. 化學教師對模型的認識與應用研究[D]. 上海： 華東師范大學碩士學位論文， 2008.

[3]皮連生. 教育心理學[M]. 上海： 上海教育出版社， 2004： 107～117.

[4][美]萊斯利·P， 斯特弗（Leslie P.Steffe）等主編. 教育中的建構主義[M]. 上海： 華東師范大學出版社， 2002， 99～110.

[5]成際寶等. 建構模型、 轉換角色、 突破工藝流程題[J]. 中學化學教學參考， 2013，（9）： 65～67.

[6]康立新. 國內圖式理論研究綜述[J]. 河南社會科學， 2011，（7）： 185～188.