关键词：思维可视化；柱状图；有机分子空间结构；高中化学
1 思维可视化应用于高中化学教学的意义
“ 思维可视化”是指运用图形组织器等一 系列 图示技术，把原本不可视的思维展示出来使其清晰 可见的过程．“思维可视化”强调思维能力是学习能 力的关键，提高教学效果的关键在于挖掘知识背后 的思维规律，并让学生懂得思维及其应用.
在教学中，运用流程图、柱状图、模型图等表征 信息的图形组织器进行思维可视化教学，能将抽象 的、微观的、细碎的化学知识，用直观的方式展现给 学生，让学生可以快速地把新的知识与原有的知识 结合起来，形成自己独特的知识网络，并把它们融入 到自己的元认知结构中，培养学生的高阶思维.
2 高中化学思维可视化教学表现形式
2 . 1 化学原理图
化学概念是化学原理的基础，学生要想掌握概 念，必须要弄明白概念的构成要素．首先要了解“ 概 念”的含义，明确“ 概念”是一种东西或事件的规则 属性，用专门的名词和符号来标注，而命题是通过词语之间的逻辑关系来表达具体事物运行关系．从概 念的说明中可以看出，概念的优点是能够清晰地展 现知识体系，并且能够反映出知识的层次，从而降低 学生在搜索知识时所承受的负担．通过知识网络，可 以将相关的知识进行梳理，从低维度的知识点中自 然的转移到更高层次的知识点，帮助学生把错综复 杂的、零碎的知识系统，用图示、连线的方式，组成知 识间的联系，从而使学生在学习过程中，对一些细节 知识的遗忘程度大大降低．化学原理图适用于化学 概念性知识的辨析，也适用于学生对概念、理论和事 例的可视化类比表达.
2 . 2 化学工艺流程图
化学工艺流程题是高考必考的重要题型，以现 代化学工艺生产为信息背景，将主要的生产阶段用 框图表示，用箭头将反应原料与目标产品联系到一 起．在流程上一般分为三个过程：原料处理→分离提 纯→获得产品.
2 . 3 多媒体信息技术资源
借助多媒体信息技术来模拟化学反应原理的历 程，通过专业软件生成直观的图像，把不易观察到化学反应原理的历程展示出来，把难以想象出来的空 间结构展示出来，借助信息技术软件的慢镜头功能 和重复播放功能，360 °旋转功能，突出观察的要点和 重点，进行可视化教学，让学生明确观察的目的，从 而使学生对抽象的知识有更直观地认识.
3 实施思维可视化教学的原则
3 . 1 适度原则
在化学教科书、化学作业、习题中，往往存在着 许多抽象的原理，晦涩难懂．尽管教师可以用图解的 方式来引起学生的注意，运用图形组织器能将抽象 原理直观化，模型化微观世界，理解化学变化本质应 用，但也要注意适度，只有合理地运用，才能取得预 期的教学效果．要防止过犹不及，在教学中不要只展 示图形、图像，而忽视了语言传授的功能与效果.
3 . 2 合理原则
教师在实施思维可视化教学时，要根据所涉及 的教学内容特征，设计合理的概念原理图、微观模型 图，选择合适的可视化表达方式，实现将隐性的思维 过程逐步显性化、形象化，从而引导学生建立思维过 程，促进学生思维品质的发展.
3 . 3 自主原则
教学的主体是学生，只要学生积极、热情地参与 到思维过程中来，思维取得的效果最好．教师在掌握 了思维可视化的视觉表现形式后，要指导学生学会 思考，引导学生懂得找到一种适合自己的思维可视 化表现形式，自觉主动积极地构建自己的认知结构， 让学生成为学习的主人.
4 思维可视化教学应用举例
4 . 1 化学基本概念类思维可视化分析
化学概念是化学现象、化学过程的本质属性的 反映．建构概念时，利用各种模型，通过合适的情境、 直观的图像，进行思维可视化教学，能加强学生感性 认识，促进学生对概念实质和精髓的理解与领悟.
比如，在电解质的电离的教学中，学生往往难以 理解为什么 NaCl 固体不能导电，NaCl 溶液可以导 电，液态 HCl 不能导电，HCl 溶于水（ 即盐酸）却能导电．如图 1 所示，从电解质的宏观组成分析入手， 再到微观层面分析电解质溶于水后微粒变化及其相 互作用，从可视化的角度提升学生思维.
图 1 电离方程式左边表示 NaCl 固体溶于水前， 虽然 NaCl 固体中含有阴阳离子，但 Na + 和 Cl- 通过 微粒间作用力紧密结合，不能自由移动，因而不能导 电；方程式右边表示 NaCl 溶于水后，在水分子的作 用下，解离出的 Na + 和 Cl- 可以自由移动，因此 NaCl 溶液可以导电．而对 HCl 而言，电离方程式左边表 示 HCl 溶于水前以分子形式存在，没有带电的微 粒，因而液态 HCl 不能导电；方程式右边表示 HCl 溶于水后，在水分子的作用下，解离出的 H + 和 Cl- 可以自由移动，因此 HCl 溶液（ 即盐酸）可以导电.
在电解质的电离平衡的教学中，要对相同物质 的量浓度、相同体积的盐酸和醋酸溶液中微粒的 浓度或数量进行比较，或相同 pH 、相同体积的盐 酸和醋酸溶液中微粒的浓度或数量进行比较．从 微观角度认识电解质的组成比较抽象，学生往往 难以理解掌握．柱状图是一种很好的可视化工具. 图 2 、图 3 中用不同颜色的柱子表示不同的微粒， 以下方的实线为基准线，上方的虚线作为标尺，柱 子的高度表示微粒的多少．溶液中微粒的数量关 系一 目了然.
柱状图可以直观地表示出溶液中各种微粒浓 度大小的关系，通过直观的图像启发学生可视化 思维，培养学生证据推理和模型认知的核心素养.
4 . 2 有机分子空间结构思维可视化分析
有机分子空间结构是人们从微观角度认识宏观的物质世界，以及建立“结构决定性质”这一化学基 本观念的重要载体．分子空间构型是抽象的，难以想 象的，为了使学生直观地了解分子空间结构，提高学 生的空间想象力，借助球棍模型教具，或运用 Chem 3D 等信息技术展示有机分子空间构型，促进学生思 维可视化，培养学生证据推理与模型认知的化学核 心素养.
例如，有机物
和
是同分异构体，还是同一种物质？ 很多学生往往会误以为是同分异构体．以为在这两种结构中 H - C - H的键角一种为 90 ° , 一种为 180 ° . 在教学中，往往从 理论上告诉学生甲烷分子结构是以碳原子为中心，四个氢原子为顶点的正四面体结构，而不是平面的正方形结构，H - C - H 的键角为 109 °28 ′ , 所以二者实际上是同一种物质．而学生往往难以理解与想象. 而在教学中，提供球棍模型教具让学生先自行组装 出甲烷分子的空间结构，再用两个氯原子任意取代 两个氢原子，可以直观展示出这两种结构的三维立 体空间构型，发现无论取代哪两个氢原子，实际组装 出来的空间结构都是相同的．所以，上述两种结构实 际上为同一种分子.
在有机化学教学中，分子中原子的共线共面问 题一直是一个难点．原子共线共面问题思维的基础： 甲烷分子的空间构型为正四面体结构，碳原子和四 个氢原子不共线不共面；乙烯和苯的分子空间构型 为平面结构，碳原子和氢原子在同一平面；乙炔分子 空间构型为直线结构，两个碳原子和两个氢原子在 同一直线上．其中，单键可以旋转，碳碳双键、碳碳叁 键不能旋转．对于单个的基础分子的结构，学生可以 分析清楚，但将这几种典型的常见的有机分子结构
进行组合，学生往往想象不出其分子的空间结构．例如 ，
分子中最多有几个原子处于同一平面上？
利用 Chem 3 D 软 件 生 成 该 分 子 的 三 维 立 体球棍 模 型（ 如 图 3 所 示 ），应 用 Chem 3 D 软 件 360 ° 旋转功 能，进 行 可 视 化 教 学，分 析 相 邻 原 子 间的键角，可以准确判断出各原子的共线共面情 况．同时找出共线共面的规律．应用 Chem 3 D 软 件能从证据推理和模型认知角度提高学生的思 维可视化 .
4 . 3 晶体结构思维可视化分析
金属晶体堆积方式是学习其他类型晶体的基 础，要求学生具备较强的空间想象能力，并能精确地 将空间问题转化为平面问题，学生往往难以想象和 理解．通过等径小球表示的金属原子以 ABAB 方式 逐层堆积出简单立方的三维球棍模型，能将微观结 构形象化、具体化，强化学生的三维空间想象能力和 模型认知能力，促进学生对晶体结构的基本堆积方 式的理解，促进学生思维可视化的发展．在此基础 上，延伸出体心立方、六方、面心立方等基本的晶体 堆积方式．对采用均摊法计算晶胞中的实际占有的 原子的个数，对空间利用率的计算，配位数的计算也 自然融汇贯通.
同时，也可以采用让学生绘制晶体结构的图像， 亲自动手搭建晶体结构实物模型等教学方法，让学 生获得足够多的晶体结构的具体信息，扎实建立有 关晶体结构的信息基础，提高学生有关晶体结构思 维可视化的品质.
参考文献：
[1] 范爱玉. Chem3D 可视化在“ 有机分子空间结构”教学中的应 用 [ J ] . 福 建 基 础 教 育 研 究，2020(10) : 121 - 123 .
[2] 娄福艳．柱状图：认识电解质在水溶液中行为的可视化工具[ J] . 中学化学教学参考，2022(9) :35 - 37 .
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