无机化学是应用化学专业从高中到大学过渡衔接的核心基础课，在大一开设，虽然中学化学的大部分内容都属于无机化学的范畴，但无机化学的教学目标、教学方法以及主要内容都与高中化学教学有显著的不同。大学教学的主要任务是发展大学生的抽象思维和理性思维能力^[1]，无机化学的教学目标是发展学生的逻辑思维、创新思维，培养学生用化学思想去分析解决实际问题。受学时限制，教师只能提纲挈领地讲授重点问题，课堂信息量大、进度快，随堂练习较少，这就要求学生有较好的自主学习能力。在教学内容上与中学化学知识点差异比较大，如配合物、共价键和分子结构、原子结构和元素周期律等，而且和中学相比，无机化学要求对一些理论如反应的方向、速率和限度等要进行详细的叙述，加深了深度和广度^[2]。因此，这就要求大学教师要主动更新教学理念，积极探索和引入新的教学方法，这对确保无机化学的教学质量有着重要的意义。

心理学研究表明，视觉神经通路具有高度自动化、无需意识控制和低负荷等优势，因而人类所获得的信息中，83%是通过视觉通路获得的。随着各种视觉信息载体的飞速发展，人们获取信息的渠道方式、加工信息的认知机制也发生了改变，视觉学习已成为数字化时代最主要的学习方式之一^[3]。知识可视化是视觉学习的重要形式和途径，本文从无机化学的教学内容特点出发，将知识可视化与教学内容和教学方法有机融合，在实现知识高效传授的同时，对学生思维的培养和课程思政的有效融入做了有益探索和实践。

知识可视化是将人们的个体知识以图解的手段表示出来，形成能够直接作用于人的感官的知识外在表现形式，从而促进知识的传播和创新^[4]。根据双重编码理论，同时以视觉形式和语言形式呈现的信息能够增强记忆和识别，知识可视化将知识以图解的方式表达出来，为基于语言的理解提供了很好的辅助和补充，大大降低了语言通道的认知负荷，加速了思维的发生^[4]。视觉表征就是承载知识的图解手段，例如思维导图、概念图等知识图表。随着研究的进一步深入，视觉表征的范围已经扩大到了知识动图、知识隐喻和图像等^[5]。通过各种视觉表征，可以能够给学习者提供比用语言、符号更为直接、具体和易于理解的经验，从而弥补学习者直接经验的不足，使隐性知识显性化，显性知识生动化^[6]。

知识可视化是一种教育理念，也是一种有效的教学技术。借助知识可视化，教师不但可以更加高效的传授显性知识，而且可以将自己对知识的理解、经验、态度、价值观及思维过程等隐性知识传授给学生，帮助学生记忆、重构和应用知识^[7]。学生在可视化的学习过程中，将充分调动感觉、知觉、联想、想象、情感、理解等多种认知心理，大脑会主动解释和探究图形的意义，从而促进新知识的记忆、应用和迁移；同时这一过程也包含了分析、综合、抽象和概括等心理操作，从而引导概念和观点的深入理解和正确评价，有助于培养学生创新思维、知识创新的意识和兴趣^{[8, 9]}。

目前，知识可视化应用在大学化学和无机化学等课程上的知识表征手段仅限于思维导图^[10-14]，虽然也取得了较为积极的教学效果，但是作为一种具有固定模式的知识表征手段，思维导图远远不能满足对无机化学中繁杂和抽象的知识进行可视化的要求。因此，我们在教学中构建了基于自我生成绘图策略^[15]和图形组织者策略^[16]的教学设计，对教学内容进行选择、组织、整合，通过绘图实现可视化。

知识可视化在无机化学中的教学策略构建如图 1所示。首先根据教学目标遴选教学内容，在了解学情的基础上匹配恰当的视觉表征方法，将知识有逻辑的通过视觉流程呈现，引导学生按照视觉设计的意图有意识地去进行表征转化和意义生成，促进学生的知识建构和思维发展，激发学生的学习动机和兴趣，实现以学生为中心的教学过程。

显性知识是已经文本化的知识，即以书面文字、图表和公式加以表述的知识，易于传播。无机化学课本上的知识尤其是元素部分的知识，都是以书面文字来进行描述的，无论是在微课视频中还是在课堂上，教师都是通过PPT的展示和语言的讲解来传授这些显性知识，但是如果还按着课本的内容将文字搬到PPT上面，学生跟随教师的讲解，可以理解一个词、一句话，但是随着词汇、语言的不断增加，学生将无法做到边听边看语句，边自动提取关键词、构建关系，从而无法理解知识，给学生带来额外的认知负荷。为此，需要将文字呈现的信息重新以视觉化的方式设计，以“图片+关键词+形状”的形式呈现，从而帮助学生记忆和理解。例如在讲授“硫的同素异形体”时，将硫的同素异形体的结构、种类和关系以可视化的方法组织和呈现出来(图 2)；再如讲授“铬元素”时，引入了“向日葵褪色的秘密”来激发学生的学习兴趣^[17]，通过从PbCrO₄和PbSO₄指向鲜艳向日葵的箭头，表明向日葵颜色的来源，通过从PbSO₄到PbCrO₄的箭头和关键词“吸收紫外线、还原为Cr(III)”说明Cr(VI)还原为Cr(III)的机理，通过Cr(III)指向褪色向日葵的箭头，表明褪色后向日葵颜色的来源(图 3)。通过这样可视化的设计，再结合教师课堂上的讲解，将语义信息与视觉信息形成双重编码，自然就促进了学生的理解。

在无机化学的教学中，需要教师讲授许多重要公式的推导过程和比较抽象又和学生生活经验没有直接联系的知识，将这两类显性知识通过“视觉隐喻+动作路径”的方法进行可视化的设计，以直观呈现，有利于提高课堂效率。例如在从化学反应的等温方程式推导电池反应的能斯特方程的过程中，以不同的颜色隐喻生成物和反应物、ΔG_m^ϴ和Δ_rG_m、E^ϴ和E，再通过“动作路径”设置公式的推导过程、系数2.303和0.059的来龙去脉，能够帮助学生从源头上理解和应用公式(图 4)。再如在讲授“分压和分体积”的概念时，首先用三种不同颜色的小球隐喻混和气体均匀充满左侧绿色正方体表示的容器里，接着通过“动作路径”设置动画让红色小球转移到右侧绿色正方体内，此时再讲授分压力的定义，学生就很容易理解(图 5a和图 5b)。在此基础上，引导学生思考“当一种组分气体单独占有混合气体的总体积时，它的压强和混合气体的总压强相等吗？怎样做才能使二者的压强相等？”结合中学所学知识，学生可以很容易地实现新旧知识的相互关联，并回答出：“二者压强不相等，可以通过压缩体积使二者压强相等”，这时教师再点明压缩到二者压强相等的体积就是这种组分气体的分体积，这样分体积的概念就水到渠成(图 5c和图 5d)。通过这种可视化的教学设计，学生对混合气体中某一组分气体应用理想气体状态方程时，不用死记硬背，基于对分压和分体积概念的深入理解，能够正确应用方程。

研究表明，通过学习者对知识表征的解读，能够培养学习者的直觉思维、形象思维、联想思维、发散思维，以及对待纷繁复杂视觉元素的整体把握与差异辨别能力的整体思维等，这些都是提升学习者的创新思维能力的重要因素^[5]。我们在教学过程中通过可视化的教学设计，可以给学生提供多维度意义解读和高阶思维发展的空间。

例如在讲授“角量子数取值”时，采用了样例教学法结合自我生成绘图策略的教学设计(图 6)。在教学中不直接给出取值的要求，而是用短横线隐喻电子层，用“动作路径”设置动画将重叠在一起的短横线分开隐喻电子层裂分为电子亚层，给出电子亚层对应的取值和符号，引导学生自己推导出主量子数和角量子数取值之间的关系。这种先情境后语义的概念讲授方法，降低了知识的内在认知负荷，增加了相关认知负荷^[18]，在以帮助学生理解基本知识的同时，有效地促进了学生分析、综合等高阶思维的发展。

再如讲授配合物的价键理论时，我们借助Diamond软件结合自己的科研，在课堂上通过旋转操作展示不同配合物的分子空间构型作为导入，激发学生的学习兴趣。另外，作为课本知识的拓展，我们在课堂上引导学生思考配位数为5的时候，除了三角双锥构型，还可能采取四方锥构型，接下来用构型畸变程度不同的一系列Cu(II)配合物为例，通过Diamond软件以配位原子为顶点、铜离子为中心来构建多面体，向学生展示配合物的空间构型，通过配合物键角的计算得到参数τ，量化配合物结构的畸变程度(图 7)。通过这种可视化的展示，学生不仅拓展了课本知识，了解到配合物的构型会随着配体的结构、配位原子的类型发生变化，而且引导学生分析键参数和配位构型之间的关系，通过案例与知识之间的多重关系链接，将知识之间的关系以连通性和条理性呈现，为学生分析思维的培养提供了条件^[19]。

无机化学中有许多知识比较琐碎，而关系又比较复杂，借助图形组织者，可以将琐碎的知识和复杂的关系可视化，从而扫清繁杂概念、建立清晰稳固的逻辑关系。例如在“配合物基本概念”的教学中，利用思维导图的形式将配合物的定义、构成、命名、配位原子和配位数、单齿和多齿配体等多个概念呈现出来(图 8)，利用关键词而不是大段的文字来解释概念，利用关键词间的连线来呈现逻辑关系。学生在用思维导图学习或复习这些知识时，就会自行解读关键词来回忆概念，通过概念间的连线建立恰当和正确的逻辑关系，最终在教师的帮助下建立知识的整体框架。再如讲授“配合物磁性和结构关系”时，在课堂内容讲授和随堂练习完成后，可以利用对策型鱼骨图来整理解题思路(图 9)，将解题的关键步骤作为鱼骨图的分支主体渐次展开，清晰地呈现各个步骤之间的关系，在学生掌握具体知识的目标基础上，帮助学生建立对“配合物磁性和结构关系”的整体理解，建立知识的思维模型，最终达到培养学生学科思维能力的目的。

知识可视化活动中包含了“传达–体验–生成”一定的情感、态度和价值观的过程，带给学生的积极情绪情感体验，实现个体思维和情感、知识和能力的共同发展和提升^[20]。在教学过程中，结合知识可视化，通过故事创建教学情境，激发学生情感，是实现课程思政的一个有力抓手。例如，在讲授碳酸钠的工业化制备方法时，结合知识可视化的设计，将两种制碱法的工艺原理、优缺点比较等专业知识和创新敬业、爱国、民族精神等思政点融入到故事情境中(图 10)，按照技术发展史，从索尔维发明氨碱法开始讲起，到索尔维工会对中国封锁氨碱法工艺，再到侯德榜先生学成回国，克服重重困难打破封锁，并根据我国实际国情，大胆创新，在世界上首次提出了联合制碱法。在这个过程中，将重要的节点按时间轴设计，用双气泡图比较分析两种方法的异同点，随着教师的讲解徐徐展开，不仅将碎片化的知识融合在故事中，并且可视化的设计让教学情境更加鲜活，而且迁移默化地培养了学生的家国情怀。

选取河北科技大学应用化学专业2020级105名学生为研究对象，经过一学期的教学实践，我们通过调查问卷的方式调查了知识可视化视觉表征的使用效果，共发放问卷105份，回收100份，有效问卷100份，有效率100%。

调查结果表明，93%的学生认为知识可视化视觉表征会激发学习兴趣，提高课堂注意力；98%的学生认为这种知识表征方法有助于将抽象的知识具体化、形象化，概念变得容易理解和记忆，特别是91%的学生还认为这种方法具有启发性，特别是设计中随着动画的展开，会引起深层次的思考。这一结果表明通过可视化知识的呈现降低了学生学习中的认知负荷，增加了相关负荷，学生能够充分发挥想象力，积极主动参与到教学过程中，提高了学习效率，有利于以学生为中心开展教学，为学生创新能力和创造性思维的培养打下了良好的基础。

课后88%学生会使用教师提供的课件进行复习，89%的学生通过课件复习提高了学习效率。这一结果说明我们基于知识可视化的课件具有非常强的现实意义，课件制作水准与复习效率具有显著的相关性。

在无机化学教学中应用知识可视化，要注重与知识内容和教学方法的高度融合，最大发挥知识可视化的优势。还应从教到学，引导学生采取知识可视化的方法来自主构建知识体系。另外，在未来可以知识可视化表征为载体，通过同伴学习和生生互评等方法，促进学习共同体的社区交流和讨论，促进生生之间知识的传递和创新。同时，我们也应该注意到，可视化不是万能的，并不能取代其他知识传递和创造的手段，而应该和其他手段结合使用。