三重表征促进学生化学知识的意义学习
三重表征促进学生化学知识的意义学习 自1982年A. H. Johnstone提出应从宏观、微观和符号 三种水平上来学习、看待化学的观点之后，“宏观-微观-符 号”三重表征及其思维方式的研究受到理论和实践的关注。笔者在“中国教育期刊全文数据库”以“三重表征”为 主题，检索国内相关文章计60篇（至2015年12月28日），发 现研究侧重点在三重表征的基本内涵、教育价值、形成过程 及内容特质、培养策略、学生现状等方面。并呈现学界热、 实践冷，尤其是高水平实践少的倾向。这表明一线教师基于 三重表征的实践尚未成为普遍自觉，实践探索的质量有待提 高。
本文拟在已有理论和实践研究的基础上，结合对“硝酸” 教学实践的审视和思考，对“宏观-微观-符号”三重表征的 内涵和教学设计、构建策略作一阐述，以丰富这一研究的实 践内容。
1 化学三重表征的内涵及其教学设计 1.1 化学三重表征的内涵 毕华林等基于化学学科的特质分析并结合认知心理学的研究，认为：宏观表征是指物质在变化过程中表现出来的、 可以直接感知到的宏观现象在学习者头脑中的反映；
微观表 征主要是指有关物质的微观组成和结构、微观粒子的运动及 相互作用等微观属性在学习者头脑中的反映；
符号表征主要 是指由字母组成的符号和图形符号在学习者头脑中的反映。
这三种表征形式之间不应是孤立的，而应有机地联系起来， 共同构成学习者对化学知识完整的表征系统[1]。
从宏观、微观、符号三种表征角度去认识和理解化学知 识，并建立三者之间的有机结合和相互转化，是化学学习特 有的思维方式，称之为三重表征思维方式，如图1所示：
毕华林等通过调查发现：（1）学生化学学习三重表征 思维方式尚未形成，缺乏将宏观、微观、符号三者进行有机 结合的意识。（2）任何一种表征的薄弱都会引起不同表征 之间转换的困难，并会进一步影响学生进行三重表征的水平 和能力。（3）三重表征思维方式不能完全依靠学生自己形 成，而需要教师的引导和培养[2]。
1.2 基于化学三重表征的教学设计 教学经验和实践表明，三重表征思维方式对于突破学生学习化学的困难，形成良好的认知结构，促进学生有意义的 理解学习，提高问题解决能力等具有重要的意义[3]。
基于三重表征思维方式的教学设计，即先从宏观现象入 手提出问题，然后进行猜想假设、实验验证，再从微观的角 度分析本质，最后用化学用语（符号）表征结论，并引导学 生联系生活生产实际应用结论。其基本思路和流程如图2所 示[4]。
2 “硝酸”教学实录（片断） 2.1 硝酸的化学性质——不稳定性 展示：装有浓硝酸的棕色试剂瓶 师（设问）：装有浓硝酸的试剂瓶为什么用棕色的？ 生（猜想、推理）：浓硝酸见光会分解。
展示：装有浓硝酸的无色试剂瓶 生（观察）：瓶内溶液上方有红棕色的气体；
溶液的颜色显黄色。
师：红棕色气体是二氧化氮，这是浓硝酸见光分解产生 的。除此以外，还可能有什么产物？ 生：沉默、思考 师（启发）：浓硝酸分解生成二氧化氮，氮的化合价降 低，那么，应当有元素化合价升高，化合价升高的是什么元 素？产物可能是什么？ 生（领悟）：是氧，生成氧气。
2.2 硝酸的化学性质——强氧化性 实验1：向置有粗铜丝的试管中加入浓硝酸生（观察、 兴奋）：反应剧烈；
铜片溶解，溶液变绿；
产生红棕色的气 体。
师：该反应中硝酸表现的性质有哪些？生：氧化性；
还有酸性。
…… 实验1-1：通过胶头滴管向实验1的试管中加入水 生（观察、惊喜）：大烧杯中水倒吸入试管；
溶液上方 红棕色气体变为无色；
试管中溶液变蓝。
实验1-2：打开试管上方胶塞 生（观察、惊喜）：试管口出现红棕色气体。
师（设问并提供思路）：大烧杯中水倒吸入试管，说明 试管内气体压强减小，红棕色气体变为无色，二氧化氮与水 发生了什么反应？打开试管上方胶塞后，无色气体遇氧气转 化为红棕色气体，无色气体应当含有氮，该无色气体是什 么？又发生了什么反应？ 生：积极思考、表达 师（引导观察）：此时的试管中还看到什么现象？生（观察、发现）：试管中铜丝上有气体产生，反应还 在继续。
师（分析、提问）：此时试管中的硝酸是稀硝酸，说明 稀硝酸也能与铜反应，发生的反应是什么？ 生：思考、尝试 师（呈现）：3Cu+8HNO3（稀）=3Cu（NO3）2+ 2NO↑+4H2O 师（设问）：反应停止后，如果在溶液中再加入稀硫酸 还会有反应吗？ 生（众）：沉默、疑惑、不确定 生（个别）：有反应。
师（个别提问）：说说为什么有反应？ 生（答）：溶液中存在硝酸根离子，加入稀硫酸后，氢 离子和硝酸根离子在溶液中，相当于又有了硝酸，会继续和 铜反应。生（众）：会意、释然 实验2（验证）：向Cu（NO3）2溶液中加入少量铜丝， 再加入少量硫酸（观察现象）：铜丝溶解，表面有气体产生 …… 3 三重表征的构建和对“硝酸”教学实践的审视 3.1 典型、完整——构建宏观表征 宏观表征指人类感知器官可以直接感知到的物质及其 性质，化学教学应该从宏观表征开始循序渐进地展开，这就 决定了实验在化学学习中的基础性和关键性作用。
宏观表征因为具有直观性和鲜明性的特点成为最易于 学习者接受和形成的，这并不意味着感知到的宏观现象在学 习者头脑中的反映都是准确的、有意义的。研究发现，信息 丰富的宏观现象为学习者提供大量的感官刺激，有时反而让 学生困惑到底要从中学习些什么，他们往往限于观察显著的 宏观现象。因此，宏观表征对象的选择和感知方法的指导就显得很重要，教师必须清楚要让学生“看到”什么以及如何 “看”，以突出宏观表征的典型性。
典型性并不排斥和忽略其他有意义和有价值的宏观表 征。全面、深入的感知，不仅能够保证宏观表征的完整性， 有时还会有意外的发现和生成。对这些资源的运用，不仅反 映了教师的教育观念，同时也反映了教师的学科知识水平和 教学智慧。
整体上看，该教学实践重视宏观表征典型性的设计和实 施，但宏观表征的“完整性”有所缺失。在“硝酸的不稳定 性”环节，再设计一个“浓硝酸受热分解”实验，可使学生 对浓硝酸分解条件的认识更加完备，当学生面对浓硝酸如何 保存的问题时，就会同时想到“避光”和“低温”。在“硝 酸的强氧化性”环节，粗铜丝与浓硝酸反应的“放热”和“越 来越快”的现象，却被有意或无意地忽略了。事实上，化学 反应的热效应和快慢，也是化学反应的重要方面，毫无疑问， 这些宏观表征同样具有意义和价值。
化学学习需要学生将体验到的宏观现象与相关科学概 念或理论解释相联系，将宏观表征分别与符号表征、微观表 征建立联系。没有这种联系支持的宏观表征学习往往停留在 肤浅层面。3.2 可视化和想象——构建微观表征 学生的学习过程与化学研究的路径相似，遵循“宏观表 征→微观表征→符号表征”的认知顺序。微观表征既有助于 分析与理解宏观现象，更有利于符号表征的提炼与符号含义 的理解。因此，微观表征是联系宏观表征与符号表征的桥梁 与纽带，是建构化学三重表征的关键[5]。
相较于宏观现象，微观表征则因为其抽象化则不太利于 学习者的形成，它需要在学习者形成了对物质大量的宏观表 征基础之上，通过教师的讲解和指导后才能逐渐形成。
经验和研究结果表明，教师利用模型、微观图示、多媒 体等直观手段；
依托学生的知识经验、借助自然和生活现象， 进行生动形象地比喻，这些指向微观本质的描摹、模拟、想 象，能为学生提供可以探察微观世界的“眼睛”和“翅膀”， 使微观过程直观化、抽象过程形象化，有效突破学生的微观 认知困难。同时，对可视化模型的理解还需要学生具备相关 的科学概念并拥有多种能力，如空间想象能力、在不同维度 （三维和二维）之间转换的能力等。
然而在教学实践中，一方面教师对微观表征的重要性认识不足，另一方面急于获得结论的求成心理，使得微观表征 的这一关键环节要么被忽视，要么被弱化了。
本教学实践中，在“硝酸的不稳定性”环节，教师注意 运用氧化还原反应概念——元素化合价的变化分析判断反 应产物（O2），以揭示物质转化的原理。如果再追问“生成 的NO2和O2个数比是多少”，就可使物质的变化关系由定性 到定量，其实质是电子得失守恒规律的揭示和应用，随后硝 酸分解的化学反应方程式水到渠成，同时这一反应配平的难 点即迎刃而解。二氧化氮与水反应的微观表征，也可借鉴类 似的程序。
在“硝酸的强氧化性”环节，粗铜丝与浓硝酸反应的微 观表征，可设计如下微观表征图：
该图可直观地反映出反应过程中宏观现象对应的物质 转化以及电子转移方向和数目的微观机理。
3.3 意义理解——构建符号表征 化学式、结构式、化学反应方程式等这些表示微观结构 和变化的化学符号语言，是宏观现象的简化表达，又是微观本质的巧妙体现。可见，符号表征是宏观表征和微观表征的 中介。
在微观结构或符号表征形成的初级阶段，学习者对其的 认知也不是完全熟练和深入的，只是将其作为一种单一的陈 述性知识——获得的结论而机械地记忆，不能领悟微观结构 或符号所隐藏的更加深刻的意义。当学生没有形成对微观表 征的理解时，符号表征对于化学学习是最困难的。因此，教 师要帮助学生充分理解化学符号的意义。
本教学实践的“硝酸的强氧化性”环节，在得出化学反 应方程式“Cu+4HNO3（浓）=Cu（NO3）2+ 2NO2↑+2H2O”后， 教师设问：“该反应中硝酸表现的性质有哪些”，引导学生 观察分析化学方程式的意义，帮助学生全面揭示其中蕴含的 硝酸的性质信息。如果换一种方式设问“该反应中氧化剂和 还原剂物质的量之比是多少”，则学生对硝酸性质的理解更 深刻——兼顾了定性和定量的两个层面，也及时消除了学生 头脑中硝酸只表现氧化性的片面认识，符号表征和宏观表征 由此建立了联系。如果再换一种方式设问“该反应中若生成 标准状态下2.24L NO2，转移电子物质的量是多少”，则可 建立符号表征和微观表征的联系。
由此可见，多维度、多层次的问题设计和解决，有助于学生充分理解化学符号的意义，建立符号与微观、符号与宏 观的有机联系，构建学习者对化学知识完整的表征系统。
学生在学习化学知识的初始，三重表征的构建应力求清 晰、完整。此时，学生的三重表征往往维度单一、联系割裂、 转换困难，这一阶段处在三重表征的习得阶段。让学生建立 “三重表征”的学习思维，最终实现三重表征间有机联系、 灵活转化并自动化，必须经历一个长期的过程，它需要教师 的引导与培养、学生的实践与反思。要有效发挥教师的指导 作用，不仅需要教师深刻领悟化学学科特质、理解培养三重 表征思维的重要性和必要性、实施促进三重表征思维培养的 教学，还需要认识到三重表征思维的建构条件与历程以及不 同教学内容与阶段对三重表征思维培养的价值，如此，才能 有效提升学生进行三重表征思维的意识与能力，才能有效提 升化学教学的质量与效果[6]。
参考文献：
[1][2]毕华林，黄婕，亓英丽.化学学习中“宏观-微观 -符号”三重表征的研究[J].化学教学，2005，（5）：51～ 54. [3]黄婕.中学生“宏观-微观-符号”三重表征的调查研究[J].山东教育，2006，（14）：48～49.