雷雪峰，馬軍現(xiàn)，梁銳杰，黃增芳，陳綺凡

(電子科技大學(xué)中山學(xué)院材料與食品學(xué)院，廣東 中山 528402)

大學(xué)物理化學(xué)是應(yīng)用化學(xué)、材料科學(xué)與工程、環(huán)境工程等專業(yè)的基礎(chǔ)理論課，是物理化學(xué)教學(xué)體系中的重要組成部分，其內(nèi)容及研究方法能夠?yàn)橄嚓P(guān)行業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究提供理論性指導(dǎo)。由于課程內(nèi)容具有理論性強(qiáng)、邏輯性強(qiáng)、概念多、公式多、符號多、條件多的特點(diǎn)，需要學(xué)生有良好的高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理的理論基礎(chǔ)，因而學(xué)習(xí)難度大；同時，課程對學(xué)生的邏輯思維、知識構(gòu)建、科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐動手能力等方面的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。本文結(jié)合物理化學(xué)課程的特點(diǎn)，以能力輸出為導(dǎo)向，在引導(dǎo)學(xué)生掌握課程基礎(chǔ)知識的同時，以思維導(dǎo)圖為主要實(shí)施手段，訓(xùn)練其邏輯思維能力，進(jìn)而培養(yǎng)其知識構(gòu)建能力。在構(gòu)建主義理論及元認(rèn)知理論的指導(dǎo)下，引導(dǎo)學(xué)生有目的、有層次、有規(guī)律地構(gòu)建合理完整的物理化學(xué)知識體系，實(shí)現(xiàn)課程的個性化學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)。

1 建構(gòu)能力訓(xùn)練的理論基礎(chǔ)

1.1 構(gòu)建主義理論

圖1 聯(lián)結(jié)鍵的類型Fig.1 The types of connect bond

構(gòu)建主義理論提出[1]，人們對認(rèn)知的構(gòu)建是個體在獨(dú)有的思維背景下，通過“聯(lián)結(jié)鍵”實(shí)現(xiàn)知識之間的交聯(lián)，進(jìn)而形成知識網(wǎng)絡(luò)體系。“聯(lián)結(jié)鍵”是知識間相互吸引的“思維引力”，是知識間相互聯(lián)結(jié)的紐帶，其作用類似于將不同原子或分子鍵合起來的“化學(xué)鍵”。在個體原有的認(rèn)知基礎(chǔ)上，不同知識點(diǎn)間可通過某種關(guān)系聯(lián)結(jié)起來形成認(rèn)知結(jié)構(gòu)片段，認(rèn)知結(jié)構(gòu)片段之間進(jìn)一步復(fù)合形成認(rèn)知結(jié)構(gòu)單元，進(jìn)而構(gòu)建成復(fù)雜而立體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。由于在高級認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，聯(lián)結(jié)鍵大多由抽象思維知識組成(圖1)，兼之每一個學(xué)習(xí)個體的思維認(rèn)知背景和基礎(chǔ)都不盡相同，因此，認(rèn)知體系的構(gòu)建過程是復(fù)雜而且?guī)в袀€性化特點(diǎn)的。

1.2 元認(rèn)知理論

“元認(rèn)知”的概念是美國心理學(xué)家約翰·弗拉維爾于1976年提出來的。元認(rèn)知是人們對認(rèn)知活動本身的認(rèn)知，它以認(rèn)知為基礎(chǔ)，是個體對自身認(rèn)知活動的反省、認(rèn)知、加工過程，是個體對自身認(rèn)知活動和結(jié)果的自我意識、自我評價和自我監(jiān)控[2]。元認(rèn)知可以看做是個體學(xué)習(xí)的“管理者”或“教練”，其本質(zhì)是個體對自己認(rèn)知活動的調(diào)節(jié)和管理[3]。2015年，美國大學(xué)與研究圖書館協(xié)會(ACRL)正式發(fā)布《高等教育信息素養(yǎng)框架》。《框架》的制定基于兩個核心理念，即元素養(yǎng)和閾值概念，認(rèn)為元素養(yǎng)是催生其他素養(yǎng)的根基，是其他素養(yǎng)的素養(yǎng)。元素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)以元認(rèn)知為理論基礎(chǔ)，加強(qiáng)元認(rèn)知能力培養(yǎng)，認(rèn)為具有元認(rèn)知學(xué)習(xí)能力的學(xué)習(xí)者能夠更加客觀地認(rèn)知自我，有意識地評價學(xué)習(xí)效果，調(diào)整學(xué)習(xí)策略，加強(qiáng)自我管理，更易于實(shí)現(xiàn)預(yù)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)[4]。個體的元認(rèn)知能力越強(qiáng)，其認(rèn)知活動的品質(zhì)就越高。由此可見，學(xué)習(xí)個體的元認(rèn)知能力在一定程度上會影響認(rèn)知體系構(gòu)建的質(zhì)量；反過來，知識體系構(gòu)建的品質(zhì)也可以體現(xiàn)學(xué)習(xí)者的元認(rèn)知水平。

2 思維導(dǎo)圖在建構(gòu)能力訓(xùn)練中的優(yōu)勢

2.1 思維可視化

思維導(dǎo)圖是一種能夠?qū)⑺季S可視化的方法，利用圖文并茂的形式，將發(fā)散性思維整理為具有層級或隸屬關(guān)系的可視圖。在思維導(dǎo)圖中，每一個關(guān)節(jié)點(diǎn)代表與中心主題的連結(jié)，而每一個連結(jié)又可形成次級主題，向外發(fā)散出更多的關(guān)節(jié)點(diǎn)[5]。從思維導(dǎo)圖的繪制過程來看，其與認(rèn)知體系的構(gòu)建具有高度相似性：在思維導(dǎo)圖中，末端各關(guān)節(jié)點(diǎn)的連結(jié)可對應(yīng)于認(rèn)知體系中知識點(diǎn)之間聯(lián)結(jié)為認(rèn)識片段的過程；各次級主題之間的連結(jié)則對應(yīng)于認(rèn)知體系中認(rèn)知片段通過屬性鍵、能量流鍵、類比鍵、歸納鍵等多種復(fù)雜的聯(lián)結(jié)鍵復(fù)合為認(rèn)知結(jié)構(gòu)單元的過程；中心主題的構(gòu)成則對應(yīng)于復(fù)雜的認(rèn)知結(jié)構(gòu)單元進(jìn)一步演變?yōu)檎J(rèn)知結(jié)構(gòu)體系的過程。從層級結(jié)構(gòu)來看，思維導(dǎo)圖的繪制過程可視為認(rèn)知結(jié)構(gòu)體系的逆向形成過程。因而，在認(rèn)知體系的構(gòu)建過程中，思維導(dǎo)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(fù)制性

學(xué)習(xí)個體所形成的新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)體系，是在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生新的聯(lián)結(jié)鍵，通過連結(jié)作用擴(kuò)展、重組甚至打破舊的認(rèn)知系統(tǒng)，構(gòu)建新的認(rèn)知體系的過程，即皮亞杰認(rèn)知心理學(xué)中所述的同化與順應(yīng)的過程。由于學(xué)習(xí)個體的學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)經(jīng)歷、個人因素等多方面的原因，每一個體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)都不相同，帶有顯著的個性化特點(diǎn)。在采用思維導(dǎo)圖構(gòu)建認(rèn)知體系的過程中，學(xué)習(xí)個體所選擇的中心主題、思維的發(fā)散方向也不盡相同，所繪的思維導(dǎo)圖不可能完全一樣，具有不可復(fù)制性，避免了抄襲的可能性。因而，采用思維導(dǎo)圖的形式訓(xùn)練學(xué)生的認(rèn)知構(gòu)建能力，是一種行之有效的方式[9]。

3 應(yīng)用實(shí)例

熱力學(xué)是物理化學(xué)課程中非常重要的模塊，其中，熱力學(xué)第一定律解決了系統(tǒng)和環(huán)境之間的能量轉(zhuǎn)換問題；熱力學(xué)第二定律解決了變化過程的方向和限度問題，這兩部分內(nèi)容涉及到熱(Q)、功(W)、熱力學(xué)能(U)、焓(H)、熵(S)、亥姆霍茲函數(shù)(A)和吉布斯函數(shù)(G)等諸多重要的函數(shù)，這些函數(shù)間存在復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系，在不同變化過程中的計(jì)算與應(yīng)用遵循不同的規(guī)律，涉及到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，對于初學(xué)物理化學(xué)的同學(xué)來講，全面掌握各函數(shù)的性質(zhì)及彼此間的聯(lián)系，并用物理化學(xué)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(dǎo)圖為學(xué)生搭建知識框架，通過情景設(shè)計(jì)，形成清晰的知識脈絡(luò)，隨著課程的推進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生補(bǔ)充完善知識體系的脈絡(luò)分支。如在學(xué)習(xí)“熱力學(xué)第一定律”這一章時，采用圖2的思維導(dǎo)圖：將章節(jié)內(nèi)容設(shè)計(jì)為“劇集”；熱、功、熱力學(xué)能和焓設(shè)計(jì)為“角色”；通過次級主題幫助學(xué)生厘清四個函數(shù)間的關(guān)系；將PVT變化、相變化和化學(xué)變化三大過程設(shè)計(jì)為不同的“劇情場景”，以時下學(xué)生喜歡的“密室逃脫”模式講授課程內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和征服心態(tài)，在課程推進(jìn)過程中逐步為學(xué)生“提供”三大過程的“密鑰”，即熱容、摩爾相變焓、標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓和標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓，激發(fā)學(xué)生利用“密鑰”解鎖“過程”的熱情，從而在教師的引導(dǎo)下，逐步完善思維導(dǎo)圖。

圖2 熱力學(xué)第一定律思維導(dǎo)圖框架Fig.2 The mind mapping framework of first law of thermodynamics

在本章的學(xué)習(xí)過程中，思維導(dǎo)圖起到了很好的引導(dǎo)作用。熱力學(xué)第一定律中出現(xiàn)的四個函數(shù)，學(xué)生在高中和大學(xué)無機(jī)化學(xué)中都有所接觸，但是以零星的認(rèn)知片段的形式存在于認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，對函數(shù)本質(zhì)和彼此間關(guān)系的理解并不深入，在學(xué)習(xí)過程中，教師通過引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生認(rèn)知片段的“活性”，通過屬性鍵(狀態(tài)函數(shù)與途徑函數(shù))、能量流鍵(系統(tǒng)和環(huán)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(dǎo))、歸納鍵(不同PVT過程四大函數(shù)的計(jì)算)等聯(lián)結(jié)鍵，將認(rèn)知片段通過思維引力連結(jié)成較復(fù)雜的認(rèn)知結(jié)構(gòu)單元，進(jìn)而與原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)融合，通過同化和順應(yīng)過程完成新的知識構(gòu)建。

熱力學(xué)第二定律引入了狀態(tài)函數(shù)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(xué)變化過程中ΔS、ΔA和ΔG的計(jì)算是本章重點(diǎn)內(nèi)容之一。至此，三大過程常見的狀態(tài)函數(shù)(ΔU、ΔH、ΔS、ΔA和ΔG)和途徑函數(shù)(W和Q)的計(jì)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(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中出現(xiàn)遺忘公式、混淆條件、表達(dá)錯誤等多種問題。此時，可借助思維導(dǎo)圖幫助學(xué)生“打通經(jīng)脈”，以三大過程為切入點(diǎn)，將熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容重新梳理、結(jié)合，建構(gòu)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(jì)算問題的思維導(dǎo)圖框架Fig.3 The mind mapping framework of calculation problems on three major processes provided by teacher

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

隨著課程的深入推進(jìn)，學(xué)生在思維導(dǎo)圖繪制活動中由參與到深度參與，再到獨(dú)立完成，在教師的逐步引導(dǎo)下，建立知識體系建構(gòu)意識，并逐步提升體系建構(gòu)能力。

4 結(jié) 語

在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，利用思維導(dǎo)圖培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識體系的構(gòu)建能力，需要注意以下方面。一，學(xué)生作為學(xué)習(xí)個體，其學(xué)習(xí)能力和思維的發(fā)散性是有差異的，其原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度和深度也不同，因此在學(xué)習(xí)的過程中，對于課程內(nèi)容的接受程度不同，而課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)和培養(yǎng)目標(biāo)是一致的。因此，在課程的初始階段，教師需要做好體系構(gòu)建的引導(dǎo)作用，以學(xué)習(xí)目標(biāo)和培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，搭建好以章、或以主題為單位的體系框架，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)用不同類型的聯(lián)結(jié)鍵將知識連結(jié)起來，形成建構(gòu)知識體系的意識與習(xí)慣。完全放手，要求學(xué)生獨(dú)立完成思維導(dǎo)圖的方式不可取，不易達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。二，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建知識體系的同時，要為學(xué)生留下思維發(fā)散的空間，積極主動的思維活動對構(gòu)建能力的提升是非常必要的，要引導(dǎo)并鼓勵學(xué)生通過類比、歸納、演繹、概括、分析、判斷等過程，形成新的認(rèn)知單元，并將原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)同化融合或順應(yīng)更新，形成具有個性化特征的新的認(rèn)知建構(gòu)體系。