农行嵊州城西支行地址:应用思维导图提高学生化学问题解决能力

陆真¹  * 张怡天^1,2 万凤¹ 沈郁娟¹

（1.南京师范大学教师教育学院  江苏 南京 210097）

（2.南京玄武外国语学校 江苏 南京 210018）

摘 要 论文介绍了化学教学转型时期为提高学生化学问题解决能力而应用思维导图及其软件Mind Manager的行动研究，采用了“认知接受——模仿练习——自主探究”的教学过程，观察新思维方式对学生化学问题解决能力的影响，做出了质性和量化的分析，并指出运用思维导图促进学生解决化学问题能力形成的现实意义。

关键词 思维导图；Mind Manager；化学问题；问题解决能力；行动研究

当前在高中化学新课程实施中，培养学生的科学素养，优化学生的思维品质，提高学生分析和解决问题的能力，日益为教学者所重视。在教学实践中努力尝试“还原”科学发现的过程，通过问题情境的创设，使学生像科学家一样亲身体验科学探究过程，由主动参与问题解决到自主建构，形成新的思维方式。然而，如何更好引入新的思维方式与手段来使学生经历问题解决的过程，提高解决问题的能力成为人们进行教育教学探究的重点。本文研究引入思维导图和相关软件Mind Manager于化学问题解决学习中，从理论和实践中去探索新思维方式对学生问题解决能力的影响。

1 新思维方式和化学问题解决能力

1.1新思维方式——思维导图

思维导图是20世纪后期出现的一种放射性思考的新型思维方式。在传统的学科知识体系学习中，无论是习得某种知识还是解决某种问题，人们往往沿着惯性的线性思维方式，从而限制了思路的拓展，而不适应于现代多元化知识体系思维整合的需求。思维导图运用放射性思维方式，将习得知识过程与解决问题过程转换为以知识的核心概念或是关键问题为中心、借助联想式思维技巧来实现全方位解读知识概念和全面优化解决问题的过程。思考者将核心要点集中于图式的中央主题中，从主题的主干向四周放射；形成众多的分支，每支分支由一个关键词或图形构成次级主题；各分支形成一个链接的节点结构，可用不同字体、符号、颜色、图形等元素来表示，“遵循简单、基本、自然、易被大脑接受的规则”^[2]。思维导图提供了一种可视化的放射性新型思维方式，将思维向四面延伸开去，联想构成主题词间的连线，扩大思维范围，更加有利于创意的出现，成为改变学习方式的一种新思维方式。

1.2 化学问题解决能力

二十多年来，在对化学问题解决的深入研究中发现，在化学问题解决过程中，学习者首先需识别问题，对问题进行表征，这一环节所体现出学习者的表征能力决定了对问题认识层次水平的深与浅。约翰·斯通（John Stone）提出了化学问题解决过程中的表征的三个不同水平：宏观水平表征、微观水平表征和符号水平表征^[3]。从宏观到微观的表征，从具体到抽象的符号表征，都反映了解题者对问题理解的深度，关系着能否解决该化学问题。通过对问题的表征与认识，经过分析建立解决问题的初步模型。思维方式和策略直接决定和控制着化学问题解决的过程^[4]，而思维导图可以充当思维建构的脚手架，在问题解决过程中引导思维的方向。这种过程应当促进学习者化学问题解决能力的形成，放射状的表达方式使学习者多角度的思考问题，促使其多维表征和多策略地解决问题。

2.应用思维导图辅导学生解决化学问题的行动研究

在对思维导图的特征、应用以及问题解决教学的研究基础上，2008年9月，我们在南京某中学高一年级进行了以选修课的形式组织学生学习思维导图，开展化学问题解决的行动研究，探索提高学生化学问题解决能力的有效途径。并运用问卷调查、搜集学生作业和成果以及数据统计分析等方式来观察其对化学问题解决能力培养的影响。

2.1 行动研究方案的设计

设计采用了“认知接受——模仿练习——自主探究”的过程进行化学问题解决的教学，有19名学生选修了一学期20学时的课程。课程由介绍与学习思维导图、绘制与掌握思维导图、结合化学史表现化学探究过程和自主探究化学问题解决的四个部分组成。

2.1.1 介绍与学习思维导图

通过介绍思维导图使学生体验反思困惑、发现问题、找寻解决方法、开拓思考的问题解决全过程。同时理解思维导图的特点，并观摩思维导图的制作过程。

2.1.2 绘制与掌握思维导图

第一阶段：全体学生通过集体讨论共同参与问题思考，教师手绘思维导图，将学生们的想法用思维导图形式表现出来。同时，使学生在熟悉思维导图的过程中学会总结出思维导图的绘制步骤与基本方法。

第二阶段：学生在教师指导下手绘思维导图，进行化学问题解决。将学生分成5组（每组3~4人），针对某一化学问题开展小组讨论共同解决，各组用一张思维导图表现思路。

2.1.3 结合化学史表现化学探究过程

将科学家进行化学问题解决的过程通过思维导图的方式表现出来，使学生体会科学家进行化学问题解决中体现出来的创新思维。学生学会使用Mind Manager X5软件来绘制思维导图，并与手绘思维导图进行比较。

2.1.4 自主探究化学问题解决

提供选题目录，由各小组自行选择，针对选题展开思考，运用思维导图来设计解决问题的过程，总结出问题解决的方案，最后由小组代表用Mind Manager X5绘图进行汇报。

2.2 行动研究之案例

2.2.1解决问题表征能力的训练——氯化钠的溶解

将初中教材中的溶液的形成与高一教材中的离子反应内容进行整合后，以氯化钠的溶解作为思维导图的核心主题，通过学生绘画的思维导图（见图1），使学生从不同层面对氯化钠的溶解过程予以理解，用文字表征、图形表征以及电离方程式的表征反应在思维导图的三个分支上，并针对不同分支进一步分析理解，扩充对此化学问题的理解。在次级主题文字表征中，把握其中的核心词汇进行发散；图形表征中，不同分子、原子、离子大小与核外电子排布图的区分而发散开去；电离方程式的符号表征中，书写要求作为下一层次的分支。这样使学生对于离子晶体的溶解问题有了发散式的立体性理解。

图1  氯化钠的溶解的思维导图

2.2.2解决问题策略能力的训练——如何分离混合物

“混合物的分离与提纯”是《化学 必修1》第一章的内容。在实验基本操作章节内，往往侧重于向学生介绍过滤、蒸发、蒸馏与萃取的具体实验操作步骤，并归纳出对应于这些操作的混合物特点。造成学生在解决混合物的分离与提纯问题时，首先将所学的分离方法予以罗列，再尝试是否与需分离的混合物特点相匹配，便使得学生对这部分内容的掌握仅停留在了记忆层面，而不能有效地解决此类问题。

为转变学生的思维策略，将问题抽象化，使学生不得不去考虑物质到底是什么，将学生的关注点转移到对混合物的认识上，在先认识混合物特点与性质的基础上，选定准确的分离与提纯的方法。该思维导图（见图2）以此问题为中心，混合物的不同组成（固-固、固-液、液-液）为分支，使学生进一步思考分离这些物质的方法，从而认识到这些分离提纯的方法是怎么被发现、发明出来的，真正体会探究化学问题的过程。

图2 混合物如何分离提纯的思维导图

3 行动研究对提高学生化学问题解决能力的影响

学习结束后，我们对学生化学学习成绩和解决问题过程进行了观察与分析。

3.1 选修学生学习化学课程成绩的变化

将参加该学校期中考试[①]和期末考试[②]的高一年级学生作为研究对象，总体容量n = 595，选择参加选修课的学生作为实验组，其样本容量n₁ = 19，未参加选修课的学生为对照组，其样本容量n₂ = 576，利用SPSS统计软件对他们的期中考试成绩与期末考试成绩进行了分析（见表1），实验组平均成绩的提高程度高于对照组，且集中程度也有所提高。

表1  各组两次考试的平均成绩和标准差

人数/人

期中

期末

差值

平均分

标准差

平均分

标准差

平均分

总体

595

57.945

16.865

59.567

16.159

1.622

实验组

19

62.895

11.493

66.947

11.336

4.052

对照组

576

57.846

16.955

59.324

16.257

1.478

同时，在对学生期中、期末成绩进行Z分数进行正态分布处理的基础上，对对照组和实验组进行了双侧t’检验，统计结果（见表2）为，P=0.090>0.05，说明对照组与实验组的期中成绩没有显著差异。而对照组与实验组的期末成绩经由双侧t’检验得出，P=0.010<0.05，即对照组与实验组的期末成绩出现了显著性差异。

表2  两组期中、期末考试成绩方差分析与t’检验结果统计

期中

期末

F

2.127

2.056

P(F≤f)单尾

0.030

0.036

t Stat

1.782

2.826

P(T≤t)双尾

0.090

0.010

其次，将这些学生置于相同教师任教班级的总体样本当中，与未选修的学生进行期中、期末成绩的对比，结果发现选修学生在期中与期末的测试中，成绩的提升幅度高于班级其他同学。

3.2 提高化学问题解决能力的行动研究的结果分析

为进一步观察学生的化学问题解决能力的变化，在实施运用思维导图解决化学问题教学过程中对S同学进行了个案分析与研究。

在教学进行到“绘制与掌握思维导图”的第一阶段时，学生已基本掌握思维导图的特点与绘制方法，初步掌握用思维导图来表达问题解决思路，我们以“如何用多种方法证明氢氧化钠和二氧化碳发生了反应”为中心问题让同学们进行解决，并用思维导图的形式表现自己的思路与想法，S同学机绘的思维导图如下图3。

图3 “如何用多种方法证明氢氧化钠与二氧化碳发生了反应”的思维导图

从该思维导图的中心主题与次级主题间的关联缺少一定逻辑性，未能体现出对问题的分析、分解、假设、建模与提出方案等过程，即S同学未能梳理清楚解决该问题的思路。

而经历过一学期的运用思维导图解决化学问题的选修课教学后，观察了S同学解决“如何运用多种方法检验NaOH变质”的问题，用思维导图表现解决问题的过程（见图4）。

图4 “如何运用多种方法检验NaOH变质”的思维导图

通过分析此思维导图发现，该生已初步建立分析问题的模型，为解决该问题，首先分析NaOH的性质，在列举的多种性质中，判断哪个性质是导致NaOH变质的最有可能的因素，进而分析产物的性质，并与NaOH作对比，将问题转换为“检验NaOH是否混有少量NaCO₃”，进一步用化学方程式表征两物质不同的特征反应，从而成功地解决问题。

仅从两幅思维导图的分支层级数就可发现，前者最大层级数为3，后者为7，反映出学生的思维深度以及网络建构化程度在加深，表征问题的水平也从语言表述上升为运用化学反应方程式来表达，并且已经建立了问题的思考模型，从分析问题中的关键词到把握问题的核心从而转换问题，变成自己较为熟悉的知识点运用，进而解决问题。

此外，通过对卷面的成绩及稿纸的分析发现，绝大多数选修课学生已经将思维导图工具自觉地运用在了平时的化学问题解决中，从中心问题发散开去的形式触发更多的灵感，直观地将自己的思路表达出来，并呈现出多种表征方式，如文字、数字、图形、图表、符号等，这些既是构成思维导图的基本要素，又成为触发学生多重表征问题的必备途径。与此同时，学生经过思维导图的发散性训练，学生的思维流畅性和变通能力都得以提高与加强。

在问题解决中，借助思维导图联想技法促使了学生多角度地思考，发挥思维的联想能力，运用多学科的知识来综合解决问题。在同类问题的解决中可以触类旁通，得到较有效的迁移^[5]。在思考建立的概念体系与多重联系的思维导图中，提出更具创新的问题，从而提升了化学问题解决的能力。

4 运用思维导图促进学生解决化学问题能力形成的现实意义

在运用思维导图于化学问题解决的教学中，思维导图不仅作为学生学习的思维工具，还成为教师实施过程性评价的依据。学生将解决化学问题的思路以及涉及到的相关概念都可以运用思维导图予以表现，教师很容易从图中观察到学生在概念间的关联上出现的问题，比较学生间思考角度的差异性，捕捉到学生在思维过程中的诸多细节，如问题表征的正确与否、相关概念的定是否准确等等。学生思维过程以外显图式的表现，使教师对学生思考过程出现的问题给予评价成为可能^[6]。表现出了学生个体的差异性，突出了每个学生的个人学习风格。还可以作为档案袋评价的资料，有助于教师更准确地把握学生的变化，从而更好地因材施教。

参考文献

[1]化学课程标准研制组.普通高中化学课程标准（实验）解读[M].湖北教育出版社,2005:2.

[2]托尼·巴赞.思维导图——放射性思维[M].北京:世界图书出版社,2004:80-87.

[3]Johnstone A. H. Why is Science Difficult to Learn? Things Are Seldom What They Seem[J]. Journal of Computer Assisted Learning, 1991(7):75-83.

[4]吴鑫德.高中生化学问题解决思维策略训练的研究论[D].重庆:西南大学,2006:3.

[5]Paul Farrand, Fearzana Hissain, Enid Hennessy. The efficacy of the ‘mind map’ study technique[J]. medical education, 2002(36):426-431.

[6]Karen Goodnough, Robin Long. Mind Mapping as a flexible assessment tool[J]. Assessment in Science: Practicle Experiences and Education Research,2002:219-228.

[7]陆真等. 信息技术与化学新课程整合的研究—思维导图与化学模块化学习[J]. 中学化学教学参考.2006 (279): 47-49.

Application of Mind Map to improve students’ abilities of solving chemistry problems: The action research report about chemistry instruction in transition time under IT supporting

Zhang Yitian, Lu Zhen, Zou Zheng

Abstract This paper describes an action research about using Mind Map to improve students’ abilities of solving chemistry problems in transition period of chemistry instruction. In the teaching process which are called “cognitive acceptance – imitation practice – self-exploration”, we observed the influence of the new way of thinking on students’ abilities of solving chemistry problems, made a qualitative and quantitative analysis, and pointed out that the practical significance in using Mind Map to enhance students’ abilities to solve chemistry problem forming.

Key words Mind Map; Mind Manager; chemistry problems; problem-solving ability; action research

*“第四届全国化学教师教育学术研讨会”学术交流论文，联系方式：陆真 zhlu@njnu.edu.cn

论文系江苏省教育科学十一五规划课题：高中新课程（化学）实践中教学策略、模式和优秀案例的研究（课题批准号：D/2006/01/093）；南京师范大学教育教学改革资助课题（2008年）的研究成果。

[①]期中考试卷为由南京市某中学高一化学组编制的期中考试卷

[②]期末考试卷为由南京市区教研室统一编制的高一化学期末调研试卷