思維導圖在物理化學知識體系構建中的應用*

雷雪峰，馬軍現，梁銳杰，黃增芳，陳綺凡

(電子科技大學中山學院材料與食品學院，廣東 中山 528402)

大學物理化學是應用化學、材料科學與工程、環境工程等專業的基礎理論課，是物理化學教學體系中的重要組成部分，其內容及研究方法能夠為相關行業的生產實踐和科學研究提供理論性指導。由于課程內容具有理論性強、邏輯性強、概念多、公式多、符號多、條件多的特點，需要學生有良好的高等數學和大學物理的理論基礎，因而學習難度大；同時，課程對學生的邏輯思維、知識構建、科學素養、實踐動手能力等方面的培養起著至關重要的作用。本文結合物理化學課程的特點，以能力輸出為導向，在引導學生掌握課程基礎知識的同時，以思維導圖為主要實施手段，訓練其邏輯思維能力，進而培養其知識構建能力。在構建主義理論及元認知理論的指導下，引導學生有目的、有層次、有規律地構建合理完整的物理化學知識體系，實現課程的個性化學習和深度學習。

1 建構能力訓練的理論基礎

1.1 構建主義理論

圖1 聯結鍵的類型Fig.1 The types of connect bond

構建主義理論提出[1]，人們對認知的構建是個體在獨有的思維背景下，通過“聯結鍵”實現知識之間的交聯，進而形成知識網絡體系?！奥摻Y鍵”是知識間相互吸引的“思維引力”，是知識間相互聯結的紐帶，其作用類似于將不同原子或分子鍵合起來的“化學鍵”。在個體原有的認知基礎上，不同知識點間可通過某種關系聯結起來形成認知結構片段，認知結構片段之間進一步復合形成認知結構單元，進而構建成復雜而立體的認知結構系統。由于在高級認知結構中，聯結鍵大多由抽象思維知識組成(圖1)，兼之每一個學習個體的思維認知背景和基礎都不盡相同，因此，認知體系的構建過程是復雜而且帶有個性化特點的。

1.2 元認知理論

“元認知”的概念是美國心理學家約翰·弗拉維爾于1976年提出來的。元認知是人們對認知活動本身的認知，它以認知為基礎，是個體對自身認知活動的反省、認知、加工過程，是個體對自身認知活動和結果的自我意識、自我評價和自我監控[2]。元認知可以看做是個體學習的“管理者”或“教練”，其本質是個體對自己認知活動的調節和管理[3]。2015年，美國大學與研究圖書館協會(ACRL)正式發布《高等教育信息素養框架》?！犊蚣堋返闹贫ɑ趦蓚€核心理念，即元素養和閾值概念，認為元素養是催生其他素養的根基，是其他素養的素養。元素養強調以元認知為理論基礎，加強元認知能力培養，認為具有元認知學習能力的學習者能夠更加客觀地認知自我，有意識地評價學習效果，調整學習策略，加強自我管理，更易于實現預定的學習目標[4]。個體的元認知能力越強，其認知活動的品質就越高。由此可見，學習個體的元認知能力在一定程度上會影響認知體系構建的質量；反過來，知識體系構建的品質也可以體現學習者的元認知水平。

2 思維導圖在建構能力訓練中的優勢

2.1 思維可視化

思維導圖是一種能夠將思維可視化的方法，利用圖文并茂的形式，將發散性思維整理為具有層級或隸屬關系的可視圖。在思維導圖中，每一個關節點代表與中心主題的連結，而每一個連結又可形成次級主題，向外發散出更多的關節點[5]。從思維導圖的繪制過程來看，其與認知體系的構建具有高度相似性：在思維導圖中，末端各關節點的連結可對應于認知體系中知識點之間聯結為認識片段的過程；各次級主題之間的連結則對應于認知體系中認知片段通過屬性鍵、能量流鍵、類比鍵、歸納鍵等多種復雜的聯結鍵復合為認知結構單元的過程；中心主題的構成則對應于復雜的認知結構單元進一步演變為認知結構體系的過程。從層級結構來看，思維導圖的繪制過程可視為認知結構體系的逆向形成過程。因而，在認知體系的構建過程中，思維導圖如具有其它方式不可比擬的便利性和直觀性[6-8]。

2.2 不可復制性

學習個體所形成的新的認知結構體系，是在原有認知結構的基礎上產生新的聯結鍵，通過連結作用擴展、重組甚至打破舊的認知系統，構建新的認知體系的過程，即皮亞杰認知心理學中所述的同化與順應的過程。由于學習個體的學習環境、學習經歷、個人因素等多方面的原因，每一個體的認知結構都不相同，帶有顯著的個性化特點。在采用思維導圖構建認知體系的過程中，學習個體所選擇的中心主題、思維的發散方向也不盡相同，所繪的思維導圖不可能完全一樣，具有不可復制性，避免了抄襲的可能性。因而，采用思維導圖的形式訓練學生的認知構建能力，是一種行之有效的方式[9]。

3 應用實例

熱力學是物理化學課程中非常重要的模塊，其中，熱力學第一定律解決了系統和環境之間的能量轉換問題；熱力學第二定律解決了變化過程的方向和限度問題，這兩部分內容涉及到熱(Q)、功(W)、熱力學能(U)、焓(H)、熵(S)、亥姆霍茲函數(A)和吉布斯函數(G)等諸多重要的函數，這些函數間存在復雜的內在聯系，在不同變化過程中的計算與應用遵循不同的規律，涉及到嚴謹的數學推導，對于初學物理化學的同學來講，全面掌握各函數的性質及彼此間的聯系，并用物理化學的思維解決不同過程的問題難度很大。

在課程的最初階段，可以利用思維導圖為學生搭建知識框架，通過情景設計，形成清晰的知識脈絡，隨著課程的推進，引導學生補充完善知識體系的脈絡分支。如在學習“熱力學第一定律”這一章時，采用圖2的思維導圖：將章節內容設計為“劇集”；熱、功、熱力學能和焓設計為“角色”；通過次級主題幫助學生厘清四個函數間的關系；將PVT變化、相變化和化學變化三大過程設計為不同的“劇情場景”，以時下學生喜歡的“密室逃脫”模式講授課程內容，激發學生的學習興趣和征服心態，在課程推進過程中逐步為學生“提供”三大過程的“密鑰”，即熱容、摩爾相變焓、標準摩爾生成焓和標準摩爾燃燒焓，激發學生利用“密鑰”解鎖“過程”的熱情，從而在教師的引導下，逐步完善思維導圖。

圖2 熱力學第一定律思維導圖框架Fig.2 The mind mapping framework of first law of thermodynamics

在本章的學習過程中，思維導圖起到了很好的引導作用。熱力學第一定律中出現的四個函數，學生在高中和大學無機化學中都有所接觸，但是以零星的認知片段的形式存在于認知結構中，對函數本質和彼此間關系的理解并不深入，在學習過程中，教師通過引導，激發學生認知片段的“活性”，通過屬性鍵(狀態函數與途徑函數)、能量流鍵(系統和環境的能量交換)、類比鍵(恒容熱與恒壓熱)、演繹鍵(H的定義式的推導)、歸納鍵(不同PVT過程四大函數的計算)等聯結鍵，將認知片段通過思維引力連結成較復雜的認知結構單元，進而與原有的認知結構融合，通過同化和順應過程完成新的知識構建。

熱力學第二定律引入了狀態函數S、A和G，在不同條件下，可利用ΔS、ΔA和ΔG判斷過程的方向和限度。在這一章中，PVT變化、相變化和化學變化過程中ΔS、ΔA和ΔG的計算是本章重點內容之一。至此，三大過程常見的狀態函數(ΔU、ΔH、ΔS、ΔA和ΔG)和途徑函數(W和Q)的計算全部講解完畢。由于符號多、公式多、條件多、信息量大，很多學生在解決實際問題的過程中出現遺忘公式、混淆條件、表達錯誤等多種問題。此時，可借助思維導圖幫助學生“打通經脈”，以三大過程為切入點，將熱力學第一定律和熱力學第二定律的內容重新梳理、結合，建構更加全面、更深層次的知識體系。

圖3 由教師提供的三大過程計算問題的思維導圖框架Fig.3 The mind mapping framework of calculation problems on three major processes provided by teacher

在課堂設計中，教師為學生提供框架(如圖3所示)，學生以小組討論的方式完成思維導圖的繪制。在這一活動中，學生深度參與思維導圖和知識體系的建構，充分發揮主觀能動性，強化原有的聯結鍵，并通過自身的發散性思維形成新的聯結鍵，完成知識體系的自我整合。在此過程中，學生的知識體系構建能力得以提升。圖4為學生完成的三大過程計算問題的思維導圖。

隨著課程的深入推進，學生在思維導圖繪制活動中由參與到深度參與，再到獨立完成，在教師的逐步引導下，建立知識體系建構意識，并逐步提升體系建構能力。

4 結 語

在實踐過程中發現，利用思維導圖培養學生認識體系的構建能力，需要注意以下方面。一，學生作為學習個體，其學習能力和思維的發散性是有差異的，其原有認知結構的廣度和深度也不同，因此在學習的過程中，對于課程內容的接受程度不同，而課程的學習目標和培養目標是一致的。因此，在課程的初始階段，教師需要做好體系構建的引導作用，以學習目標和培養目標為依據，搭建好以章、或以主題為單位的體系框架，引導學生學習用不同類型的聯結鍵將知識連結起來，形成建構知識體系的意識與習慣。完全放手，要求學生獨立完成思維導圖的方式不可取，不易達成教學目標。二，引導學生構建知識體系的同時，要為學生留下思維發散的空間，積極主動的思維活動對構建能力的提升是非常必要的，要引導并鼓勵學生通過類比、歸納、演繹、概括、分析、判斷等過程，形成新的認知單元，并將原有的認知結構同化融合或順應更新，形成具有個性化特征的新的認知建構體系。