三重表征促进学生化学知识的意义学习

1、三重表征促进学生化学知识的意义学习摘要：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，阐述了“宏观-微观-符号”三重表征的内涵、教学设计流程和构建策略。通过多维度、多层次的问题设计和解决，帮助学生充分理解化学符号的意义，建立符号与微观、符号与宏观的有机关系，构建学习者对化学知识完整的表征系统。关键词：硝酸；三重表征；内涵；教学设计；构建策略文章编号： 1005?C6629（ 2016 ） 4?C0044?C04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B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

2、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RJo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

3、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

4、：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21.2 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2所度分析本质，最后

5、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.

6、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

7、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 T +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（

8、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、完整一一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

9、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”，以突生宏观表征的典型性。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

10、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

11、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

12、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

13、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一一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

14、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 T +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一一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。

15、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：12 毕华林，黄婕，亓英丽.化学学习中“宏观-微观-