圖像理解理論與方法

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圖像理解理論與方法范文第1篇

關鍵詞：科學活動觀；結構化學；課程教學

一、問題的提出

“結構化學”是高等院校化學專業的主干基礎課程。它從微觀視角闡明原子、分子和晶體的結構、性能和應用，主要包括量子力學基本原理及其在原子與分子體系中的應用和原子、分子與晶體結構的實驗表征兩大部分。后者又可根據被表征物質的形態及理論基礎的不同，劃分為譜學和晶體學兩個不同體系[1]。

由于“結構化學”課程涉及面廣、內容抽象、理論性強，要求學生具備較強的空間思維能力，嚴密的邏輯推理能力和扎實的數理功底；同時由于“結構化學”通常不作為考研基礎科目，因此許多教師對教學有效性缺乏足夠重視，大量采用灌輸式教學或簡化教學內容。這樣看似在短時間內完成了課程內容的教學，但實際上產生了諸多問題，這些問題恰恰制約著課程目標的達成。

（1）學生難以形成對知識的整體性認識。教師將結構化學知識作為一種結果和定論傳授給學生，從表面上看，學生能夠機械記憶基本知識，能進行簡單的運用和拓展。但由于沒有經歷和體驗知識獲得的過程，無法從本質上、整體上理解結構化學的知識體系的來龍去脈、因果關系。

（2）學生關于理論與計算化學的學習和研究能力非常欠缺。由于結構化學涉及許多微觀物質的結構和抽象的概念，如果沒有科學的方法支撐去解決問題、發現規律，學生難以理解理論與計算化學的核心觀念并運用理論與計算化學的核心方法。

（3）學生的情感體驗不足。由于結構化學本身具備較高的難度，學生容易產生抵觸、焦慮等一系列不良情緒。僅僅將知識作為一種工具和經驗傳授給學生，他們將無法體驗和感受在知識形成中的愉悅感和合作、會話、交流的過程，進而難以得到需要的滿足和被尊重、被接納的情感體驗。

基于以上“結構化學”教學的問題，有必要探索、建立新的教學觀念以改革“結構化學”課程教學。由于科學知識從本源來講恰恰是在科學活動中產生的，因此將“結構化學”的教學活動和科學活動做適當的融合，通過深入探索化學科學活動的基本特點和形式，研究科學活動與“結構化學”教學的相互關系，進而探索以科學活動為中心的“結構化學”課程教學途徑，不失為一種恰如其分的改革視角。

二、科學活動觀——“結構化學”課程教學的新理念

人們對科學本質的認識是一個不斷深化的過程。從動態的和生成性的觀點看，科學作為“系統化的實證知識”的觀點引起了人們高度反思。有人認為科學的本質是獲得知識的活動，例如，保加利亞學者T. H. 伏爾科夫曾提到，科學的本質，不在于已經認識的真理，而在于探索真理；科學本身不是知識，而是產生知識的社會活動，是一種科學生產[2]。我國學者劉大椿曾將科學更多地看成是活動的過程，指出科學是人類特有的活動形式，是人類特定的社會活動成果；雖離不開獨特的物質手段，但本質上是精神的、智力的活動[3]。這種以動態的角度認識科學本質的思想，能夠使人們對科學的理解更加豐富、深刻和全面。

對科學本質的理解，決定著科學教育實踐價值取向。以科學活動觀指導“結構化學”課程改革，對于提高教學質量，讓學生建立自己的“結構化學”乃至整個化學一級學科的知識框架體系，培養學生終身學習、自主學習的能力，引導學生掌握分子模擬研究的初步技能，有著顯著的優勢。

（1）科學活動觀視角下的“結構化學”教學是為科學知識的獲得服務的。學生獲得的系統性的、基礎性的結構化學知識大多是結構化學已有的成果，是科學家多年來積累的理論與計算化學的經驗、概念、理論、技能和方法。將知識的獲得過程還原于科學活動，符合結構化學教學活動和科學活動在知識形成過程中的本質共同性，有利于學生建立并鞏固系統的結構化學知識體系。

（2）科學活動觀視角下的“結構化學”教學為學生能力的培養帶來了良機。體驗結構化學研究過程、掌握結構化學研究方法，對學生走入結構化學研究、形成理論與計算化學的研究能力并進而發展對整個化學一級學科的研究能力都有著重要的意義。學生在以科學活動為背景的學習中感受科學研究的全過程，習得科學研究方法，感受科研的意義和價值，在獲得結構化學知識的同時形成與提高科研能力。

（3）科學活動觀視角下的“結構化學”教學給予學生體驗科研情感的平臺。科學活動創造了真實的結構化學科研情境，而科學情感等隱性目標都是在情境中通過感悟獲得的。學生在對結構化學問題的研究過程中提高學習興趣、產生學習熱情、發揚團隊精神，這就有效解決了因知識灌輸式教學而帶來的學生情感體驗不足的問題。

三、“結構化學”課程教學——“知識學習與能力培養”并重

1.以挑戰性問題為學習驅動，構建“結構化學”學習活動

基于挑戰性問題的探究式教學方法是為了設計合理的科學活動、有效實施“結構化學”教學而設計的。所謂的挑戰性問題是指教師提出的一些與教學內容相關的、具有探索意義和探究價值的問題，供學生小組根據自己的興趣和思維特點進行選擇，以此作為科學活動的一個驅動性引導。在學習過程中，學生通過查找資料、相互討論、動手實踐等多種形式，采用合理的結構化學研究方法對這個問題進行深入研究，完成研究報告。

在“量子力學基本原理及其在平動、振動、轉動、原子與分子軌道理論中的應用”模塊的教學過程中，教師選擇了從簡單到復雜的系列自主學習內容，組織學生開展了以挑戰性問題為驅動的自主研究性學習。

例如，教師在過去的教學過程中發現，學生對類氫原子結構的球諧波函數和徑向波函數的圖像理解有難度，不清楚圖像的來源和圖像節點的性質。為此，教師向學生介紹matlab軟件，并提出挑戰性問題：如何利用matlab軟件編寫程序語言作圖，幫助理解原子與分子軌道圖像。并根據這個問題，分別提出了一套由簡入深的系列問題：（1）利用matlab 軟件將諧振子振動波函數數字圖形化，并與教材上的圖形進行對比分析，以此為例說明表層理解信息（naming something）和深層理解信息（knowing something）的區別。（2）利用matlab軟件將粒子圍繞球面轉動的球諧波函數Y及其|Y|2數字圖形化。（3）利用matlab軟件將類氫原子的徑向函數、徑向分布函數、原子軌道（徑向函數R與球諧函數Y之積）數字圖形化并討論其節點問題。（4）利用matlab軟件將氫分子離子的分子軌道（分子軌道理論框架下的單電子波函數近似解）數字圖形化并討論其節點與成鍵與反鍵性質。（5）設計一個程序將矩陣對角化，為共軛體系的休克爾經驗分子軌道理論的近似解提供一套矩陣算法（HC=SCE在休克爾近似下變為HC=CE），并重點理解分子軌道理論的核心在于變分原理——將不可能完成的精確求解多體薛定諤方程的任務轉化為近似求解體系能量函數（嘗試波函數的線性組合系數為變量）的條件極值問題。

該系列挑戰性問題由若干不同難度的小問題組成，根據學生的認知特點和水平逐漸提高，既防止問題太寬泛而無從下手，又逐漸向學生發出挑戰以激發學生求知欲。另外，該問題的解決方法不固定，解答結果也不唯一。它允許學生運用不同的方法來解決問題，并且將分子模擬技術融入理論課程之中，通過體驗編寫程序的過程，獲得結構化學研究的思路，深化對理論知識的理解和掌握。在學習過程中，教師作為學生學習的主導者，對學生學習過程進行觀察、把握和調配，當學生學習出現困難時，提供必要的指導和點撥。

學生通過分工合作、查找資料、熟悉軟件、編寫程序、運行程序、優化程序，逐漸解決了每一個子問題。在這個過程中，學生在原有知識經驗基礎上主動構建對知識的理解，充分將知識內化為自己的認知。比如對球諧函數圖像的認識，不再是機械地“記憶”每一個函數對應的圖像，而是充分理解其本質，將原理融入圖像的繪制過程，整體把握“數-形”關系，在理解的層面上深刻記憶圖像的性質和形狀。不僅如此，學生在學習過程中熟悉了結構化學學習與研究的基本方法，充分將結構化學的理論知識與分子模擬實踐相結合，體驗了以科研的視角去分析問題、解決問題、獲得新知的過程。更加難能可貴的是，有學生通過自己繪制一維諧振子振動波函數示意圖，發現了教材附圖中的一處印刷錯誤[4]。

科學的發展是建立在繼承前人的研究結果，并在科學實踐過程中不斷地對已有認識形成批判而發展的。例如，原子結構理論模型正是一代又一代科學家在繼承、借鑒、批判前人研究成果，并在孜孜不倦地分析與探索過程中逐步建立的。這種科學精神和科學意識的形成必須依賴于科學活動。如果僅僅是讀書、聆聽教師的講授，思維往往會被局限，實證意識往往會變得淡漠；相反，學生通過審慎地思考、縝密地分析、嚴謹的踐行，不僅能夠讓學生認識到科學的學習不能唯書唯上，還需自己親歷躬行。

2.以知識框架圖為學習工具，建立“結構化學”學科網絡

要具備良好的理論與計算化學的學習與研究能力，必須具備系統化的結構化學基礎知識和基本技能，從整體上、宏觀上駕馭整個學科體系。學生需要將自己在科學活動中所獲得的知識與經驗加以總結、提煉與提升，構建自己的知識網絡。在以教師講授為主的“結構化學”教學過程中，這一點做得很不夠，不是忽視知識的系統化處理過程，就是將教師自我頭腦中已經構建好的體系直接傳遞給學生，供學生直接借鑒、吸取，而缺乏探索和整理的過程，缺失個性。

在“結構化學”的課程教學過程中，通過學生自主根據自己的知識理解狀況繪制知識框架圖（Schema），以圖形而非文字的形式將結構化學知識加以梳理。在具體的實施過程中，教師要求學生將結構化學知識進行梳理、歸類，根據具體的內容繪制相應的知識框架圖，不僅僅要全面涵蓋該內容內所有的知識點，同時要呈現出各知識點之間的邏輯關系，清晰地表明知識的結構屬性和形成方式，使知識逐漸從“點”向“線、面”過渡。學生在繪制知識框架圖的時候，不需要根據課本上的章節順序來設計，也沒有固定的思路，更希望學生能夠呈現出自己對知識結構的理解。

以量子力學基本原理一章為例，學生繪制了該章的知識框架圖，展現出了量子力學基本原理所包括五方面內容。這種教學方式不僅有助于幫助學生梳理結構化學知識的來龍去脈，建立科學的結構化學知識體系，形成全面的關于結構化學基本學科邏輯結構和基本學習與研究思路的認識；更有助于學生反思科學研究活動過程和結果，總結開展科學學習與研究的視角和途徑，探索有待進一步學習和研究的盲點和解決策略，最終建立起清晰的化學學科體系框架，并在具體知識基礎上形成化學觀念。

3.以多種形式呈現學習結果，提升能力同時以評促學

所謂“研而不發則囿”，在科學活動中，通過書面報告（論文）和口頭匯報（學術報告）等形式，科學生動地、多樣化地展示科學活動成果，是科學工作者必須具備的能力和素質。學生在實踐中解決了挑戰性問題，繪制了知識框架圖之后，需要完成關于學習與研究過程與結果的書面報告，同時在課堂中將自己的學習與研究過程與結果通過口頭匯報的形式向教師和同學展示。這樣能夠讓教師了解學生的學習研究過程，讓同學學習與借鑒研究方法和研究結果，同時也能夠接受教師與同學的批評指正，認識到自己的研究不足之處，為今后開展深入的結構化學學習與研究工作啟迪思維、創設條件、打好基礎。

利用書面報告和口頭匯報等形式表達學習和研究過程與結果，在提高學生的基本科學研究素養的同時，也有助于從過程的角度、從個性化的角度、從個人全面發展的角度來開展并落實過程評價、全員評價，將過程評價與終結性評價相結合。傳統的以平時成績和期末考試成績為唯一評價指標的評價方式，過多地局限于知識點的掌握，卻不能很好地考查學生的個性化學習能力和學習方式，更難以評價學生的科學研究基本素養。利用書面報告和口頭匯報則有效地彌補了單一評價方式的不足之處，最終達到以評促學的根本目的。這種以多個評價者從多個角度對學習者進行評價的機制，關注學習者學習過程中所表現出來的各方面能力和素質而并非簡單的學習結果，有效促進了學習者學習的積極性，體現了過程評價與終結性評價相結合的現代教育評價理念。

通過“活動-提煉-總結”方式的“結構化學”課程學習，學生能夠在科學活動中找到自己的長處，發現自己的潛能，體驗到相互合作的樂趣以及自己的想法被他人肯定和接納時的成功愉悅感。學生在自主學習過程中收獲的不僅僅是知識和能力，還有對自我的肯定，對他人的贊許，以及對學習、對科學研究的積極態度。同時，最難能可貴的是學生的學習能力普遍得到了提高，自主學習意識明顯增強，為他們今后更好地開展分子模擬研究乃至從事化學理論與實驗相結合的研究打下了良好的基礎。

參考文獻：

[1] 萬堅等. “結構化學”課程內容體系與教學方法的研究與實踐[A]//大學化學化工基礎課程報告論壇論文集[C]. 北京：高等教育出版社，2007：264-267.

[2] 夏禹龍. 科學學基礎[M]. 北京：科學出版社，1983：45.