深度學習理論視域下利用思維可視化工具開展高中化學教學的實踐

摘 要：幫助學生實現深度學習是高中各學科教學改革的一個重要目標。借助思維可視化工具能夠將抽象的化學概念形象化，有助于學生直觀地理解抽象概念，有利于學生實現深度學習。高中化學教師在教授學科知識時，尤其是在涉及抽象概念的教學時，應該充分、有效地利用相關思維可視化工具實施教學。高中化學教師要了解教學中常用的思維可視化工具的概念、特點和作用，并在充分了解學生實際情況的基礎上，選擇合適的思維可視化工具有效開展教學工作，不斷提高和發展學生的思維能力，從而幫助學生實現深度學習。

關鍵詞：深度學習；“化學平衡”；思維可視化工具；高中化學

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）35-0056-05

作者簡介：趙瑜，1988年生，廣西北流人，本科，一級教師，主要研究方向為高中化學教學、學科教學方法創新。

化學平衡是高中化學學科的核心內容之一，其包括反應速率、平衡常數以及勒夏特列原理等眾多復雜的化學概念。這一內容不僅是學生深入理解化學反應機制的基礎，而且對培養學生的科學探究精神和邏輯思維能力具有重要的作用。然而，由于化學平衡涉及多個變量的動態交互，其高度的抽象性和復雜性使得高中生在學習和應用這一知識時面臨較大的挑戰，導致許多學生難以準確把握平衡移動的內在規律及其影響因素，這在一定程度上阻礙了學生對這一知識點的全面掌握。

隨著教育改革的深入推進，教師所面臨的核心議題之一是，如何通過有效的課堂教學促進學生深度學習能力的提升，發展學生的學科核心素養。深度學習理論作為一種先進的教學理念，其核心在于引導學生經歷知識的發現、發展與應用全過程，讓學生在解決真實問題的過程中，將零散的事實性知識轉化為個人的結構化知識體系，從而逐步培養適應個人終身發展及社會需求的關鍵能力和必備素質［1］。深度學習的實現不僅使學生能夠全面掌握基礎知識，而且使學生通過知識的遷移應用，能夠應對更為復雜的實際問題。因此，以深度學習理論指導化學平衡教學，能夠幫助學生深化對化學平衡相關知識的理解，并提高分析和解決問題的能力。而思維可視化工具作為輔助教學的重要工具，能夠將抽象的化學平衡概念形象化，幫助學生直觀地理解反應物與生成物濃度的變化及其對平衡移動的影響。也就是說，通過將復雜的反應過程轉化為可視化的圖表或模型，學生能夠更清晰地觀察和分析平衡狀態的變化，從而加深對相關概念的理解。

近年來，筆者嘗試結合深度學習理論與思維可視化工具，探索一種有效的學科教學對策，以提高學生對化學平衡概念的理解及應用能力。在具體教學實踐中，筆者通過精心設計的學習任務與實驗活動，逐步引導學生掌握化學平衡的核心原理，并培育其科學思維與問題解決能力。教學實踐證明：這樣開展教學不僅能夠幫助學生克服在化學平衡學習中遇到的難題，而且能夠增強學生的知識遷移與應用能力，為學生進行更有深度的學科學習奠定堅實基礎。

一、深度學習視域下的教學內容和學情分析

（一）教學內容分析

化學平衡作為高中化學學科教學的核心內容，包括平衡常數、勒夏特列原理以及反應速率等多個關鍵知識點。鑒于化學平衡的抽象性和復雜性，學生必須了解溫度、壓強、濃度等多個變量對反應動態的影響。傳統的教學方法傾向于強調公式的記憶和概念的講解，導致學生在真實情境中理解這些變量的實際作用遇到了較大的困難。因此，在深度學習的視角下，化學平衡的教學應著重培養學生的知識遷移應用和解決問題的能力，通過問題驅動和實驗活動引導學生深入理解概念。深度學習不僅關注知識點的記憶，而且強調知識的內化和遷移。化學平衡教學應通過設計多次任務，讓學生在實驗中逐步推導規律，并將這些規律運用于新的情境，從而引導學生實現深度學習（如圖1所示）。例如，通過實驗觀察溫度或壓強對平衡移動的影響，學生可以了解勒夏特列原理的運用和結論，并將這些結論運用于新的化學反應中。通過深度學習的任務驅動和實驗探究，學生不僅能夠掌握平衡移動的規律，而且能夠將理論知識靈活運用于不同的化學反應情境中，從而形成系統的認知結構。

（二）學情分析

為深入探究玉林北流市明瑞高級中學二年級學生在化學平衡概念學習中的具體表現，筆者采用問卷調查與課堂觀察相結合的方法，對所教授的3個班級的165名學生進行了調查研究。研究結果顯示學生在化學平衡學習中還存在一些突出的問題。一是部分學生在掌握化學平衡基礎概念方面存在認知缺陷。約有60.00%的學生表示難以準確把握反應速率與平衡常數的定義，導致他們在處理平衡移動問題時，無法將實驗觀察與理論知識有效對接。這一問題主要表現在學生在解答化學平衡應用題時，往往僅限于公式的機械記憶，而欠缺通過邏輯推理得出正確答案的能力。二是不少學生不能很好地推理和分析多變量間的相互作用。化學平衡涉及溫度、壓強、濃度等多個變量，它們相互作用、相互影響，學生難以理解這些變量如何共同作用于反應平衡狀態。例如，在探討如何通過溫度調節影響平衡的問題時，僅約有34.94%的學生能夠正確運用勒夏特列原理進行推導。學生在邏輯推理和實驗數據分析能力上的不足，是導致錯誤推理的主要原因。三是約有54.94%的學生在數據處理與分析方面的能力較弱。具體而言，面對實驗數據時，學生往往無法系統地進行分析，從而無法從中提取出有價值的信息，進一步影響了他們對平衡移動規律的理解。如，在課堂實驗中，部分學生未能通過曲線圖或表格準確總結出反應物與生成物濃度的動態變化過程。

在多年的教學實踐過程中，筆者發現，學生在化學平衡的學習上過于依賴公式的記憶，而缺少實驗探究和實際操作的機會。這種現象導致部分學生認為化學平衡概念難以掌握，并對該知識點的學習產生畏懼心理。對學生而言，化學平衡的難點不僅在于概念的抽象性，而且在于其涉及的變量眾多且復雜，使學生無法將理論與實踐有效結合。為了幫助學生克服這些學習障礙，筆者近年來嘗試加強實驗探究和思維可視化工具在教學中的應用，幫助學生通過實際操作和圖表分析逐步理解化學平衡的概念及動態過程。

二、教學中常用的思維可視化工具

在教育領域，思維可視化工具是指通過圖形化等手段展示復雜概念，增進學生對知識的理解和記憶。這些工具利用視覺化信息吸引學生的注意力，從而提升學生的課堂參與度，并支持互動式學習，增強學生的參與感。這些工具能夠適應不同學習風格的學生，為學生提供多樣化的學習材料和方法，協助教師評估學生的學習進度并調整教學策略。這些工具有利于發展學生的批判性思維能力，通過分析和綜合信息培養學生的邏輯推理能力。這些工具還便于教師整理和組織信息，使教學資源更加條理化，并便于長期保存和共享。由此可見，這些工具在教學中發揮著重要的作用。以下，筆者列舉在教學實踐中常用的三種思維可視化工具，并對其概念和作用做簡單論述。

（一）概念圖

概念圖是一種圖形化工具，用于描繪概念及其與其他概念的相互關聯。該工具通過視覺化手段展現概念，有助于學生構建清晰的概念框架，深化對概念的理解與記憶。概念圖主要由節點和連接線組成，節點代表特定概念，連接線則表示概念間的關聯性。節點的標識可以采用文字描述、圖案描繪或符號標記等方式。該方法能夠明確地描繪出概念間的關系網絡，幫助學生更高效地掌握和記憶相關概念。在使用概念圖的過程中，學生需不斷整理和審視已有知識，分析不同概念之間的聯系。這一思維過程能夠引導學生進行更深層次的思考，避免僅限于機械知識點記憶的情況，并逐步構建起系統的認知體系。構建概念圖的一般操作流程如下：第一步，明確核心主題，即確定概念圖的核心主題或研究范圍，并明確需要展示的概念；第二步，確定節點內容，將核心主題或研究范圍內的概念設定為節點，并使用文字或圖案來表示；第三步，明確節點間的聯系，并用連接線連接起來，連接線可以有多種形式，如箭頭、直線、虛線等；第四步，添加標簽和描述，在節點和連接線上添加標簽和文字描述，以便更詳細地闡釋概念及概念間的相互關系；第五步，進行美化和格式調整，對概念圖進行美化和格式調整，確保其外觀清晰、整潔且易于理解。

（二）流程圖

流程圖作為一種可視化工具，被廣泛運用于展示事件或過程的步驟及其邏輯順序，以幫助學生對復雜過程的各個階段及其相互關系有清晰的認識。流程圖能夠對復雜的化學反應過程或問題解決步驟進行直觀化處理，使學生能夠以線性方式對化學反應的每一步驟進行分析。例如，在化學反應過程中，學生可利用流程圖呈現從反應物到生成物的轉化過程，從而理順變量間的相互作用，解決實際問題。通過繪制流程圖，學生能夠更準確地把握整個化學反應的動態變化過程，從而更深層次地認知化學平衡。制作流程圖的一般步驟如下：一是確定事件或過程，即確定要展示的事件或過程，并在紙的中央寫下主題詞；二是確定步驟和決策點，即列出事件或過程的所有步驟和決策點，并將它們按照順序排列；三是標記符號，即在每個步驟和決策點上標記相應的符號，如開始符號、結束符號、流程符號、決策符號等；四是使用箭頭連接步驟或決策點，將所有步驟和決策點連接起來，顯示它們之間的順序和關系；五是添加注釋，即在流程圖上在每個步驟和決策點旁邊添加注釋或說明；六是回顧和修改，即在初步完成流程圖的繪制后，對其進一步完善、修訂，以確保它能清晰地展示所有步驟和流程，并且易于閱讀和理解。

（三）表格

表格是一種數據整理與對比的可視化工具，在化學實驗教學中發揮著重要作用。它不僅有助于學生系統地記錄各項實驗數據，而且便于對數據進行深入分析，從而總結歸納出實驗規律。在實驗過程中，學生可以利用表格對不同實驗條件下的數據進行有效整理和比較，進而探究變量對化學反應速率及平衡狀態的作用。例如，在探究溫度和壓強對反應物濃度影響的實驗中，通過表格記錄不同條件下的實驗數據，學生能夠清晰地對比分析各變量對化學平衡移動的影響規律。此外，學生可以利用表格對數據間邏輯關系進行系統分析和推理，從而有效提升自身的邏輯思維和實驗推理能力。可見，表格是幫助學生明確實驗變量間因果關系并逐步推導出實驗結論的有力工具。制作表格的一般步驟如下：第一步，確定表格目的，即決定表格展示哪些實驗數據和變量；第二步，設計表格結構，即確定表頭內容，如實驗條件、時間、反應物濃度等；第三步，填寫實驗數據，即根據實驗結果，按項目逐一填入相關數據；第四步，檢查與整理數據，檢查表中數據是否完整、準確，確保沒有遺漏、差錯；第五步，分析表格數據，即對比分析不同變量下的實驗數據，總結推導規律。

另外，諸如視頻和動畫等思維可視化工具也在教學中被廣泛使用。這些工具通過提供動態的視覺信息，有助于學生深化對學習材料的理解和記憶。例如，視頻能夠生動地呈現事件演變過程，動畫則能清晰地闡釋物體或系統的運作機制及其動態變化過程。這些思維可視化工具不僅能提升學生對知識內容的認知和記憶的能力，而且能促進其批判性思維與創造性思維的發展。教師應基于教學的需要及學生需求的差異，靈活挑選并運用這些工具，以期達到提升教學成效的目的。

三、運用合適的思維可視化工具進行教學實踐

在深度學習的目標框架內，采用思維可視化工具輔助化學平衡教學，其目的在于通過可視化的教學，促進學生對化學平衡動態本質的深入理解，并促進知識的轉化應用。這一教學過程包括三個主要階段：一是情境導入；二是任務導向的探究學習；三是知識的轉化應用。

（一）創設情境，引入化學平衡相關問題

為激發學生的學習熱情與探究欲望，教師可借助具體情境引導學生探討化學平衡問題。以氨的合成為案例，筆者首先提出問題：“在合成氨的過程中，如何通過調節溫度和壓強提升產量？”此類與實際生活緊密相關的問題不僅能夠激發學生的好奇心，而且能使他們認識到化學平衡理論在實際生活中的重要性。筆者組織學生進行深入討論，并鼓勵他們基于已有知識提出假設。學生可以提出多種假設，如“溫度升高會加快反應速率”或“高溫可能抑制反應”。通過討論，學生能夠初步整理并鞏固已有知識，同時教師也能借此評估學生的知識掌握程度，了解學生學習上的盲點；教師不僅能夠活躍課堂氛圍，而且能夠為后續的實驗探究奠定基礎。最后，筆者對學生的討論進行總結，并明確指出接下來的實驗探究任務——通過實驗驗證不同變量對化學平衡的影響。此時，筆者引入概念圖等思維可視化工具，幫助學生梳理出溫度、壓強、濃度等因素與化學平衡的關系，從而讓學生對即將進行的實驗任務有更清晰的認識（如圖2所示）。

（二）設計任務驅動，引導學生研究化學平衡的影響因素

首先，筆者將學生進行分組，每組負責研究某一個變量對化學平衡的影響，如溫度、壓強或反應物濃度。分組探究的方式能夠使每個小組成員都能專注于一個特定因素，并通過實驗進行現象分析。例如，負責觀察溫度的學生可以在不同溫度下（如50℃、100℃）觀察反應物和生成物的濃度變化，從實驗中得出結論。學生在實驗過程中記錄相關數據，并通過可視化工具整理和展示實驗結果（如表1所示）。表格能夠清晰地呈現不同變量下的實驗數據，幫助學生更清晰地對比各個變量對化學平衡的影響。例如，學生可以將不同溫度、壓強和反應物濃度下的實驗數據整理成表格，通過對比發現反應物濃度和生成物濃度在不同條件下的變化規律。學生借助表格進行數據分析，得出不同實驗條件下化學平衡狀態的對比結果，從而能夠直觀地看到各個變量對化學平衡移動的影響。這種數據整理和歸納過程有助于學生更好地理解化學平衡的動態本質，并加深對變量與平衡移動關系的認識。最后，各小組匯總實驗結果并進行討論，分析不同變量對化學平衡的影響，形成判斷影響化學平衡關鍵因素的思維方式（如圖3所示）。通過本課學習，學生可以將實驗現象與理論知識結合，與小組成員互相學習、分享觀點。同時，結合勒夏特列原理，學生可以進一步理解平衡移動的規律，培養邏輯推理能力和分析數據能力。

（三）遷移應用，將化學平衡知識運用于實際

在深度學習的視角下，教師的職責不能限于培養學生的基礎化學能力，如解題技巧和實驗操作技能，而要著重培育學生將所學知識用于解決現實化學問題的應用能力［2］。基于此，教師應引導學生將化學平衡的理論知識運用于實際情境。例如，筆者提出具有開放性問題：“假設你是一名化工工程師，你將如何通過調節溫度、壓力和反應物濃度來提高氨的生產效率？”此類問題能夠促進學生將理論知識運用于具體實踐，從而提高知識遷移和應用能力。學生通過小組合作討論設想優化氨生產的對策，需結合實驗數據和勒夏特列原理，設計出最優的反應條件組合，并利用流程圖等工具展示優化策略。例如，有學生建議在高壓和中等溫度條件下進行生產，這樣可以平衡反應速率與產量。在這個過程中，學生要綜合考慮多個變量，有助于培養分析問題和解決問題能力。最后，學生展示優化方案，并與其他小組進行交流和評估。這樣學生不僅能夠識別不同方案的優劣，而且能通過交流和比較進一步完善自己的方案。集體討論有助于學生從多個角度審視問題，培養批判性思維，并進一步深化對化學平衡理論的理解。

在具體教學過程中，筆者通過實施上述三個教學環節，使學生在真實情境下逐步深入理解化學平衡理論，并通過實驗探究活動深化理論理解。在此過程中，思維可視化工具的引入顯著增強了學生對實驗數據及化學反應動態過程的直觀理解。同時，通過知識遷移活動，學生能夠將化學平衡理論運用于解決實際問題，從而提升其批判性思維和問題解決能力。由上述可知，筆者通過設計三個環節引導學生進行深入思考與分析，并在實驗與真實情境中不斷驗證和遷移知識，學生不僅能夠通過實驗深入理解化學平衡，而且能夠將這種理解拓展至更廣泛的化學反應領域，進而形成更扎實的化學素養和問題解決能力。

參考文獻

［1］張畫花.基于深度學習理論的高中化學教學實踐案例［J］.安徽教育科研，2024（09）：49-51.

［2］張峰.基于深度學習的高中化學項目式教學的應用研究［J］.學周刊，2023（17）：85-87.

（責編 蒙秀溪）