空间想象力弱?用手势加深对复杂化学概念的理解 | eic

文摘   教育   2024-04-30 16:57   英国  



Education in Chemistry (eic) 杂志是英国皇家化学会的化学教育杂志,致力于为化学教师分享有用的教育教学新闻、文章以及资源。

本文中 David 老师介绍了一项最新的化学教育研究成果,文章探讨了在化学教学中利用手势和视觉空间思维来帮助学生更好地理解复杂的化学概念,特别是分子的三维结构,强调了形象推理的重要性。

作者 David Read 是南安普顿大学的 principal teaching fellow。此前曾在雷丁的 Theale Green Community School 担任高中科学教师。

   


视觉空间思维 (Visuospatial thinking) 是解决科学学习问题中不可或缺的一种基本认知能力。这种能力包括在心理上构建、旋转及变换虚拟图像的能力。这种心理视觉化和形象推理对于高级科学学习发挥关键作用。

  • 引导学生利用形象推理来想象复杂的化学结构 Source: ©Rose Rodionova/Shutterstock

有研究显示,解题者在使用分析推理等策略的同时,也会应用形象推理。手势是一种关键的表达方式,尤其是手势,可以有效传达关系性、空间性和具体化的概念。
一项新的研究发现,初学者在将分子结构从二维转换为三维表示时,往往会采用形象策略 (imagistic strategies)。16岁以上的学生在学习价层电子对互斥理论(VSEPR)理论时,通常首次面临这一挑战。VSEPR提供了一种用于预测许多分子的三维结构的方法。

在考虑原子数少于五个的分子和带有孤对电子的分子时学生更多地使用形象推理


教学技巧

  • 识别出学生使用的可能导致错误概念的无效手势,并通过视频记录这些手势以便进行小组分析和反馈。

  • 了解自己的手势如何帮助传达复杂的概念。这些手势对学生在回答问题和解决问题时可以起到提示作用。

  • 设计一个以语言和手势为重点的评价标准,帮助学生为他们面对的任务开发出一种方法或算法策略。

  

视觉空间思维

一项研究探讨了视觉空间思维如何帮助学生掌握分子的几何结构。研究人员设计了一个开放式的书面活动,捕捉16名参与学生推理时的差异。他们需要在80分钟 (两个课时) 中描述自己对分子三维形状的理解。
教师首先用 PPT 花 20 分钟讲解 VSEPR 理论,随后布置了一组 8 个问题的书面练习。学生们两两一组,互相录像,预测选定化合物的分子几何结构。他们有 30 分钟完成这项任务,并且已经很熟悉视频录制的方法。在此过程中,所有用于演示的分子 3D 模型都被收了起来。
研究人员分析视频数据,记录了440种手势,以下是数据解释的一个示例:
想象中心原子在这里(左手握拳代表中心原子),然后氢原子分别在这里(右手指向拳头周围的空间)、这里(指向拳头周围另一处空间)和这里(指向拳头周围第三个位置)。
有趣的是,当考虑原子数较少且含孤对电子的分子时,学生使用了更多形象推理。
研究人员辨识出五种不同的手势类型:
  • Beat(节奏):在说“因为孤对电子的排斥作用更强”时,反复上下挥动双手 
  • Deitic-beat(指示性节奏):反复用手指来强调语言表达,而非传达形象信息 
  • Deitic(指示):在空间中指向四个虚构的点,同时说明:“顶端是N,这里、这里和这里各有一个H” 
  • Deitic-iconic (指示性象征):双手手势,一只手显示如三角锥形的象征性表示,另一只手指向该手指示原子位置
  • Iconic (象征):用一只手或两只手表现出分子的形状

总的来说,这些发现与之前的研究相吻合,这些研究都发现,学生在初次学习某一主题时,往往依赖形象推理策略,随后才会探索其他的分析策略。有经验者已经掌握了解决问题的分析方法。在本研究中,学生从一开始就以此为学习支架,但许多人似乎仍然倾向于使用形象推理策略。

参考文献:N Kiernan et al, Chem. Ed. Res. Pract., 2024, 25, 524-543 (doi.org/10.1039/d3rp00186e)






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