思维导图在物理化学知识体系构建中的应用*

雷雪峰，马军现，梁锐杰，黄增芳，陈绮凡

(电子科技大学中山学院材料与食品学院，广东 中山 528402)

大学物理化学是应用化学、材料科学与工程、环境工程等专业的基础理论课，是物理化学教学体系中的重要组成部分，其内容及研究方法能够为相关行业的生产实践和科学研究提供理论性指导。由于课程内容具有理论性强、逻辑性强、概念多、公式多、符号多、条件多的特点，需要学生有良好的高等数学和大学物理的理论基础，因而学习难度大；同时，课程对学生的逻辑思维、知识构建、科学素养、实践动手能力等方面的培养起着至关重要的作用。本文结合物理化学课程的特点，以能力输出为导向，在引导学生掌握课程基础知识的同时，以思维导图为主要实施手段，训练其逻辑思维能力，进而培养其知识构建能力。在构建主义理论及元认知理论的指导下，引导学生有目的、有层次、有规律地构建合理完整的物理化学知识体系，实现课程的个性化学习和深度学习。

1 建构能力训练的理论基础

1.1 构建主义理论

图1 联结键的类型Fig.1 The types of connect bond

构建主义理论提出[1]，人们对认知的构建是个体在独有的思维背景下，通过“联结键”实现知识之间的交联，进而形成知识网络体系。“联结键”是知识间相互吸引的“思维引力”，是知识间相互联结的纽带，其作用类似于将不同原子或分子键合起来的“化学键”。在个体原有的认知基础上，不同知识点间可通过某种关系联结起来形成认知结构片段，认知结构片段之间进一步复合形成认知结构单元，进而构建成复杂而立体的认知结构系统。由于在高级认知结构中，联结键大多由抽象思维知识组成(图1)，兼之每一个学习个体的思维认知背景和基础都不尽相同，因此，认知体系的构建过程是复杂而且带有个性化特点的。

1.2 元认知理论

“元认知”的概念是美国心理学家约翰·弗拉维尔于1976年提出来的。元认知是人们对认知活动本身的认知，它以认知为基础，是个体对自身认知活动的反省、认知、加工过程，是个体对自身认知活动和结果的自我意识、自我评价和自我监控[2]。元认知可以看做是个体学习的“管理者”或“教练”，其本质是个体对自己认知活动的调节和管理[3]。2015年，美国大学与研究图书馆协会(ACRL)正式发布《高等教育信息素养框架》。《框架》的制定基于两个核心理念，即元素养和阈值概念，认为元素养是催生其他素养的根基，是其他素养的素养。元素养强调以元认知为理论基础，加强元认知能力培养，认为具有元认知学习能力的学习者能够更加客观地认知自我，有意识地评价学习效果，调整学习策略，加强自我管理，更易于实现预定的学习目标[4]。个体的元认知能力越强，其认知活动的品质就越高。由此可见，学习个体的元认知能力在一定程度上会影响认知体系构建的质量；反过来，知识体系构建的品质也可以体现学习者的元认知水平。

2 思维导图在建构能力训练中的优势

2.1 思维可视化

思维导图是一种能够将思维可视化的方法，利用图文并茂的形式，将发散性思维整理为具有层级或隶属关系的可视图。在思维导图中，每一个关节点代表与中心主题的连结，而每一个连结又可形成次级主题，向外发散出更多的关节点[5]。从思维导图的绘制过程来看，其与认知体系的构建具有高度相似性：在思维导图中，末端各关节点的连结可对应于认知体系中知识点之间联结为认识片段的过程；各次级主题之间的连结则对应于认知体系中认知片段通过属性键、能量流键、类比键、归纳键等多种复杂的联结键复合为认知结构单元的过程；中心主题的构成则对应于复杂的认知结构单元进一步演变为认知结构体系的过程。从层级结构来看，思维导图的绘制过程可视为认知结构体系的逆向形成过程。因而，在认知体系的构建过程中，思维导图如具有其它方式不可比拟的便利性和直观性[6-8]。

2.2 不可复制性

学习个体所形成的新的认知结构体系，是在原有认知结构的基础上产生新的联结键，通过连结作用扩展、重组甚至打破旧的认知系统，构建新的认知体系的过程，即皮亚杰认知心理学中所述的同化与顺应的过程。由于学习个体的学习环境、学习经历、个人因素等多方面的原因，每一个体的认知结构都不相同，带有显著的个性化特点。在采用思维导图构建认知体系的过程中，学习个体所选择的中心主题、思维的发散方向也不尽相同，所绘的思维导图不可能完全一样，具有不可复制性，避免了抄袭的可能性。因而，采用思维导图的形式训练学生的认知构建能力，是一种行之有效的方式[9]。

3 应用实例

热力学是物理化学课程中非常重要的模块，其中，热力学第一定律解决了系统和环境之间的能量转换问题；热力学第二定律解决了变化过程的方向和限度问题，这两部分内容涉及到热(Q)、功(W)、热力学能(U)、焓(H)、熵(S)、亥姆霍兹函数(A)和吉布斯函数(G)等诸多重要的函数，这些函数间存在复杂的内在联系，在不同变化过程中的计算与应用遵循不同的规律，涉及到严谨的数学推导，对于初学物理化学的同学来讲，全面掌握各函数的性质及彼此间的联系，并用物理化学的思维解决不同过程的问题难度很大。

在课程的最初阶段，可以利用思维导图为学生搭建知识框架，通过情景设计，形成清晰的知识脉络，随着课程的推进，引导学生补充完善知识体系的脉络分支。如在学习“热力学第一定律”这一章时，采用图2的思维导图：将章节内容设计为“剧集”；热、功、热力学能和焓设计为“角色”；通过次级主题帮助学生厘清四个函数间的关系；将PVT变化、相变化和化学变化三大过程设计为不同的“剧情场景”，以时下学生喜欢的“密室逃脱”模式讲授课程内容，激发学生的学习兴趣和征服心态，在课程推进过程中逐步为学生“提供”三大过程的“密钥”，即热容、摩尔相变焓、标准摩尔生成焓和标准摩尔燃烧焓，激发学生利用“密钥”解锁“过程”的热情，从而在教师的引导下，逐步完善思维导图。

图2 热力学第一定律思维导图框架Fig.2 The mind mapping framework of first law of thermodynamics

在本章的学习过程中，思维导图起到了很好的引导作用。热力学第一定律中出现的四个函数，学生在高中和大学无机化学中都有所接触，但是以零星的认知片段的形式存在于认知结构中，对函数本质和彼此间关系的理解并不深入，在学习过程中，教师通过引导，激发学生认知片段的“活性”，通过属性键(状态函数与途径函数)、能量流键(系统和环境的能量交换)、类比键(恒容热与恒压热)、演绎键(H的定义式的推导)、归纳键(不同PVT过程四大函数的计算)等联结键，将认知片段通过思维引力连结成较复杂的认知结构单元，进而与原有的认知结构融合，通过同化和顺应过程完成新的知识构建。

热力学第二定律引入了状态函数S、A和G，在不同条件下，可利用ΔS、ΔA和ΔG判断过程的方向和限度。在这一章中，PVT变化、相变化和化学变化过程中ΔS、ΔA和ΔG的计算是本章重点内容之一。至此，三大过程常见的状态函数(ΔU、ΔH、ΔS、ΔA和ΔG)和途径函数(W和Q)的计算全部讲解完毕。由于符号多、公式多、条件多、信息量大，很多学生在解决实际问题的过程中出现遗忘公式、混淆条件、表达错误等多种问题。此时，可借助思维导图帮助学生“打通经脉”，以三大过程为切入点，将热力学第一定律和热力学第二定律的内容重新梳理、结合，建构更加全面、更深层次的知识体系。

图3 由教师提供的三大过程计算问题的思维导图框架Fig.3 The mind mapping framework of calculation problems on three major processes provided by teacher

在课堂设计中，教师为学生提供框架(如图3所示)，学生以小组讨论的方式完成思维导图的绘制。在这一活动中，学生深度参与思维导图和知识体系的建构，充分发挥主观能动性，强化原有的联结键，并通过自身的发散性思维形成新的联结键，完成知识体系的自我整合。在此过程中，学生的知识体系构建能力得以提升。图4为学生完成的三大过程计算问题的思维导图。

随着课程的深入推进，学生在思维导图绘制活动中由参与到深度参与，再到独立完成，在教师的逐步引导下，建立知识体系建构意识，并逐步提升体系建构能力。

4 结 语

在实践过程中发现，利用思维导图培养学生认识体系的构建能力，需要注意以下方面。一，学生作为学习个体，其学习能力和思维的发散性是有差异的，其原有认知结构的广度和深度也不同，因此在学习的过程中，对于课程内容的接受程度不同，而课程的学习目标和培养目标是一致的。因此，在课程的初始阶段，教师需要做好体系构建的引导作用，以学习目标和培养目标为依据，搭建好以章、或以主题为单位的体系框架，引导学生学习用不同类型的联结键将知识连结起来，形成建构知识体系的意识与习惯。完全放手，要求学生独立完成思维导图的方式不可取，不易达成教学目标。二，引导学生构建知识体系的同时，要为学生留下思维发散的空间，积极主动的思维活动对构建能力的提升是非常必要的，要引导并鼓励学生通过类比、归纳、演绎、概括、分析、判断等过程，形成新的认知单元，并将原有的认知结构同化融合或顺应更新，形成具有个性化特征的新的认知建构体系。