深度学习理论视域下利用思维可视化工具开展高中化学教学的实践

摘 要：帮助学生实现深度学习是高中各学科教学改革的一个重要目标。借助思维可视化工具能够将抽象的化学概念形象化，有助于学生直观地理解抽象概念，有利于学生实现深度学习。高中化学教师在教授学科知识时，尤其是在涉及抽象概念的教学时，应该充分、有效地利用相关思维可视化工具实施教学。高中化学教师要了解教学中常用的思维可视化工具的概念、特点和作用，并在充分了解学生实际情况的基础上，选择合适的思维可视化工具有效开展教学工作，不断提高和发展学生的思维能力，从而帮助学生实现深度学习。

关键词：深度学习；“化学平衡”；思维可视化工具；高中化学

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2024）35-0056-05

作者简介：赵瑜，1988年生，广西北流人，本科，一级教师，主要研究方向为高中化学教学、学科教学方法创新。

化学平衡是高中化学学科的核心内容之一，其包括反应速率、平衡常数以及勒夏特列原理等众多复杂的化学概念。这一内容不仅是学生深入理解化学反应机制的基础，而且对培养学生的科学探究精神和逻辑思维能力具有重要的作用。然而，由于化学平衡涉及多个变量的动态交互，其高度的抽象性和复杂性使得高中生在学习和应用这一知识时面临较大的挑战，导致许多学生难以准确把握平衡移动的内在规律及其影响因素，这在一定程度上阻碍了学生对这一知识点的全面掌握。

随着教育改革的深入推进，教师所面临的核心议题之一是，如何通过有效的课堂教学促进学生深度学习能力的提升，发展学生的学科核心素养。深度学习理论作为一种先进的教学理念，其核心在于引导学生经历知识的发现、发展与应用全过程，让学生在解决真实问题的过程中，将零散的事实性知识转化为个人的结构化知识体系，从而逐步培养适应个人终身发展及社会需求的关键能力和必备素质［1］。深度学习的实现不仅使学生能够全面掌握基础知识，而且使学生通过知识的迁移应用，能够应对更为复杂的实际问题。因此，以深度学习理论指导化学平衡教学，能够帮助学生深化对化学平衡相关知识的理解，并提高分析和解决问题的能力。而思维可视化工具作为辅助教学的重要工具，能够将抽象的化学平衡概念形象化，帮助学生直观地理解反应物与生成物浓度的变化及其对平衡移动的影响。也就是说，通过将复杂的反应过程转化为可视化的图表或模型，学生能够更清晰地观察和分析平衡状态的变化，从而加深对相关概念的理解。

近年来，笔者尝试结合深度学习理论与思维可视化工具，探索一种有效的学科教学对策，以提高学生对化学平衡概念的理解及应用能力。在具体教学实践中，笔者通过精心设计的学习任务与实验活动，逐步引导学生掌握化学平衡的核心原理，并培育其科学思维与问题解决能力。教学实践证明：这样开展教学不仅能够帮助学生克服在化学平衡学习中遇到的难题，而且能够增强学生的知识迁移与应用能力，为学生进行更有深度的学科学习奠定坚实基础。

一、深度学习视域下的教学内容和学情分析

（一）教学内容分析

化学平衡作为高中化学学科教学的核心内容，包括平衡常数、勒夏特列原理以及反应速率等多个关键知识点。鉴于化学平衡的抽象性和复杂性，学生必须了解温度、压强、浓度等多个变量对反应动态的影响。传统的教学方法倾向于强调公式的记忆和概念的讲解，导致学生在真实情境中理解这些变量的实际作用遇到了较大的困难。因此，在深度学习的视角下，化学平衡的教学应着重培养学生的知识迁移应用和解决问题的能力，通过问题驱动和实验活动引导学生深入理解概念。深度学习不仅关注知识点的记忆，而且强调知识的内化和迁移。化学平衡教学应通过设计多次任务，让学生在实验中逐步推导规律，并将这些规律运用于新的情境，从而引导学生实现深度学习（如图1所示）。例如，通过实验观察温度或压强对平衡移动的影响，学生可以了解勒夏特列原理的运用和结论，并将这些结论运用于新的化学反应中。通过深度学习的任务驱动和实验探究，学生不仅能够掌握平衡移动的规律，而且能够将理论知识灵活运用于不同的化学反应情境中，从而形成系统的认知结构。

（二）学情分析

为深入探究玉林北流市明瑞高级中学二年级学生在化学平衡概念学习中的具体表现，笔者采用问卷调查与课堂观察相结合的方法，对所教授的3个班级的165名学生进行了调查研究。研究结果显示学生在化学平衡学习中还存在一些突出的问题。一是部分学生在掌握化学平衡基础概念方面存在认知缺陷。约有60.00%的学生表示难以准确把握反应速率与平衡常数的定义，导致他们在处理平衡移动问题时，无法将实验观察与理论知识有效对接。这一问题主要表现在学生在解答化学平衡应用题时，往往仅限于公式的机械记忆，而欠缺通过逻辑推理得出正确答案的能力。二是不少学生不能很好地推理和分析多变量间的相互作用。化学平衡涉及温度、压强、浓度等多个变量，它们相互作用、相互影响，学生难以理解这些变量如何共同作用于反应平衡状态。例如，在探讨如何通过温度调节影响平衡的问题时，仅约有34.94%的学生能够正确运用勒夏特列原理进行推导。学生在逻辑推理和实验数据分析能力上的不足，是导致错误推理的主要原因。三是约有54.94%的学生在数据处理与分析方面的能力较弱。具体而言，面对实验数据时，学生往往无法系统地进行分析，从而无法从中提取出有价值的信息，进一步影响了他们对平衡移动规律的理解。如，在课堂实验中，部分学生未能通过曲线图或表格准确总结出反应物与生成物浓度的动态变化过程。

在多年的教学实践过程中，笔者发现，学生在化学平衡的学习上过于依赖公式的记忆，而缺少实验探究和实际操作的机会。这种现象导致部分学生认为化学平衡概念难以掌握，并对该知识点的学习产生畏惧心理。对学生而言，化学平衡的难点不仅在于概念的抽象性，而且在于其涉及的变量众多且复杂，使学生无法将理论与实践有效结合。为了帮助学生克服这些学习障碍，笔者近年来尝试加强实验探究和思维可视化工具在教学中的应用，帮助学生通过实际操作和图表分析逐步理解化学平衡的概念及动态过程。

二、教学中常用的思维可视化工具

在教育领域，思维可视化工具是指通过图形化等手段展示复杂概念，增进学生对知识的理解和记忆。这些工具利用视觉化信息吸引学生的注意力，从而提升学生的课堂参与度，并支持互动式学习，增强学生的参与感。这些工具能够适应不同学习风格的学生，为学生提供多样化的学习材料和方法，协助教师评估学生的学习进度并调整教学策略。这些工具有利于发展学生的批判性思维能力，通过分析和综合信息培养学生的逻辑推理能力。这些工具还便于教师整理和组织信息，使教学资源更加条理化，并便于长期保存和共享。由此可见，这些工具在教学中发挥着重要的作用。以下，笔者列举在教学实践中常用的三种思维可视化工具，并对其概念和作用做简单论述。

（一）概念图

概念图是一种图形化工具，用于描绘概念及其与其他概念的相互关联。该工具通过视觉化手段展现概念，有助于学生构建清晰的概念框架，深化对概念的理解与记忆。概念图主要由节点和连接线组成，节点代表特定概念，连接线则表示概念间的关联性。节点的标识可以采用文字描述、图案描绘或符号标记等方式。该方法能够明确地描绘出概念间的关系网络，帮助学生更高效地掌握和记忆相关概念。在使用概念图的过程中，学生需不断整理和审视已有知识，分析不同概念之间的联系。这一思维过程能够引导学生进行更深层次的思考，避免仅限于机械知识点记忆的情况，并逐步构建起系统的认知体系。构建概念图的一般操作流程如下：第一步，明确核心主题，即确定概念图的核心主题或研究范围，并明确需要展示的概念；第二步，确定节点内容，将核心主题或研究范围内的概念设定为节点，并使用文字或图案来表示；第三步，明确节点间的联系，并用连接线连接起来，连接线可以有多种形式，如箭头、直线、虚线等；第四步，添加标签和描述，在节点和连接线上添加标签和文字描述，以便更详细地阐释概念及概念间的相互关系；第五步，进行美化和格式调整，对概念图进行美化和格式调整，确保其外观清晰、整洁且易于理解。

（二）流程图

流程图作为一种可视化工具，被广泛运用于展示事件或过程的步骤及其逻辑顺序，以帮助学生对复杂过程的各个阶段及其相互关系有清晰的认识。流程图能够对复杂的化学反应过程或问题解决步骤进行直观化处理，使学生能够以线性方式对化学反应的每一步骤进行分析。例如，在化学反应过程中，学生可利用流程图呈现从反应物到生成物的转化过程，从而理顺变量间的相互作用，解决实际问题。通过绘制流程图，学生能够更准确地把握整个化学反应的动态变化过程，从而更深层次地认知化学平衡。制作流程图的一般步骤如下：一是确定事件或过程，即确定要展示的事件或过程，并在纸的中央写下主题词；二是确定步骤和决策点，即列出事件或过程的所有步骤和决策点，并将它们按照顺序排列；三是标记符号，即在每个步骤和决策点上标记相应的符号，如开始符号、结束符号、流程符号、决策符号等；四是使用箭头连接步骤或决策点，将所有步骤和决策点连接起来，显示它们之间的顺序和关系；五是添加注释，即在流程图上在每个步骤和决策点旁边添加注释或说明；六是回顾和修改，即在初步完成流程图的绘制后，对其进一步完善、修订，以确保它能清晰地展示所有步骤和流程，并且易于阅读和理解。

（三）表格

表格是一种数据整理与对比的可视化工具，在化学实验教学中发挥着重要作用。它不仅有助于学生系统地记录各项实验数据，而且便于对数据进行深入分析，从而总结归纳出实验规律。在实验过程中，学生可以利用表格对不同实验条件下的数据进行有效整理和比较，进而探究变量对化学反应速率及平衡状态的作用。例如，在探究温度和压强对反应物浓度影响的实验中，通过表格记录不同条件下的实验数据，学生能够清晰地对比分析各变量对化学平衡移动的影响规律。此外，学生可以利用表格对数据间逻辑关系进行系统分析和推理，从而有效提升自身的逻辑思维和实验推理能力。可见，表格是帮助学生明确实验变量间因果关系并逐步推导出实验结论的有力工具。制作表格的一般步骤如下：第一步，确定表格目的，即决定表格展示哪些实验数据和变量；第二步，设计表格结构，即确定表头内容，如实验条件、时间、反应物浓度等；第三步，填写实验数据，即根据实验结果，按项目逐一填入相关数据；第四步，检查与整理数据，检查表中数据是否完整、准确，确保没有遗漏、差错；第五步，分析表格数据，即对比分析不同变量下的实验数据，总结推导规律。

另外，诸如视频和动画等思维可视化工具也在教学中被广泛使用。这些工具通过提供动态的视觉信息，有助于学生深化对学习材料的理解和记忆。例如，视频能够生动地呈现事件演变过程，动画则能清晰地阐释物体或系统的运作机制及其动态变化过程。这些思维可视化工具不仅能提升学生对知识内容的认知和记忆的能力，而且能促进其批判性思维与创造性思维的发展。教师应基于教学的需要及学生需求的差异，灵活挑选并运用这些工具，以期达到提升教学成效的目的。

三、运用合适的思维可视化工具进行教学实践

在深度学习的目标框架内，采用思维可视化工具辅助化学平衡教学，其目的在于通过可视化的教学，促进学生对化学平衡动态本质的深入理解，并促进知识的转化应用。这一教学过程包括三个主要阶段：一是情境导入；二是任务导向的探究学习；三是知识的转化应用。

（一）创设情境，引入化学平衡相关问题

为激发学生的学习热情与探究欲望，教师可借助具体情境引导学生探讨化学平衡问题。以氨的合成为案例，笔者首先提出问题：“在合成氨的过程中，如何通过调节温度和压强提升产量？”此类与实际生活紧密相关的问题不仅能够激发学生的好奇心，而且能使他们认识到化学平衡理论在实际生活中的重要性。笔者组织学生进行深入讨论，并鼓励他们基于已有知识提出假设。学生可以提出多种假设，如“温度升高会加快反应速率”或“高温可能抑制反应”。通过讨论，学生能够初步整理并巩固已有知识，同时教师也能借此评估学生的知识掌握程度，了解学生学习上的盲点；教师不仅能够活跃课堂氛围，而且能够为后续的实验探究奠定基础。最后，笔者对学生的讨论进行总结，并明确指出接下来的实验探究任务——通过实验验证不同变量对化学平衡的影响。此时，笔者引入概念图等思维可视化工具，帮助学生梳理出温度、压强、浓度等因素与化学平衡的关系，从而让学生对即将进行的实验任务有更清晰的认识（如图2所示）。

（二）设计任务驱动，引导学生研究化学平衡的影响因素

首先，笔者将学生进行分组，每组负责研究某一个变量对化学平衡的影响，如温度、压强或反应物浓度。分组探究的方式能够使每个小组成员都能专注于一个特定因素，并通过实验进行现象分析。例如，负责观察温度的学生可以在不同温度下（如50℃、100℃）观察反应物和生成物的浓度变化，从实验中得出结论。学生在实验过程中记录相关数据，并通过可视化工具整理和展示实验结果（如表1所示）。表格能够清晰地呈现不同变量下的实验数据，帮助学生更清晰地对比各个变量对化学平衡的影响。例如，学生可以将不同温度、压强和反应物浓度下的实验数据整理成表格，通过对比发现反应物浓度和生成物浓度在不同条件下的变化规律。学生借助表格进行数据分析，得出不同实验条件下化学平衡状态的对比结果，从而能够直观地看到各个变量对化学平衡移动的影响。这种数据整理和归纳过程有助于学生更好地理解化学平衡的动态本质，并加深对变量与平衡移动关系的认识。最后，各小组汇总实验结果并进行讨论，分析不同变量对化学平衡的影响，形成判断影响化学平衡关键因素的思维方式（如图3所示）。通过本课学习，学生可以将实验现象与理论知识结合，与小组成员互相学习、分享观点。同时，结合勒夏特列原理，学生可以进一步理解平衡移动的规律，培养逻辑推理能力和分析数据能力。

（三）迁移应用，将化学平衡知识运用于实际

在深度学习的视角下，教师的职责不能限于培养学生的基础化学能力，如解题技巧和实验操作技能，而要着重培育学生将所学知识用于解决现实化学问题的应用能力［2］。基于此，教师应引导学生将化学平衡的理论知识运用于实际情境。例如，笔者提出具有开放性问题：“假设你是一名化工工程师，你将如何通过调节温度、压力和反应物浓度来提高氨的生产效率？”此类问题能够促进学生将理论知识运用于具体实践，从而提高知识迁移和应用能力。学生通过小组合作讨论设想优化氨生产的对策，需结合实验数据和勒夏特列原理，设计出最优的反应条件组合，并利用流程图等工具展示优化策略。例如，有学生建议在高压和中等温度条件下进行生产，这样可以平衡反应速率与产量。在这个过程中，学生要综合考虑多个变量，有助于培养分析问题和解决问题能力。最后，学生展示优化方案，并与其他小组进行交流和评估。这样学生不仅能够识别不同方案的优劣，而且能通过交流和比较进一步完善自己的方案。集体讨论有助于学生从多个角度审视问题，培养批判性思维，并进一步深化对化学平衡理论的理解。

在具体教学过程中，笔者通过实施上述三个教学环节，使学生在真实情境下逐步深入理解化学平衡理论，并通过实验探究活动深化理论理解。在此过程中，思维可视化工具的引入显著增强了学生对实验数据及化学反应动态过程的直观理解。同时，通过知识迁移活动，学生能够将化学平衡理论运用于解决实际问题，从而提升其批判性思维和问题解决能力。由上述可知，笔者通过设计三个环节引导学生进行深入思考与分析，并在实验与真实情境中不断验证和迁移知识，学生不仅能够通过实验深入理解化学平衡，而且能够将这种理解拓展至更广泛的化学反应领域，进而形成更扎实的化学素养和问题解决能力。

参考文献

［1］张画花.基于深度学习理论的高中化学教学实践案例［J］.安徽教育科研，2024（09）：49-51.

［2］张峰.基于深度学习的高中化学项目式教学的应用研究［J］.学周刊，2023（17）：85-87.

（责编 蒙秀溪）