三重表征在化学教学中的应用

摘要化学不仅需要在宏观的水平上探索物质的性质与变化，也要从微观角度探索物质的组成与结构，而宏观与微观间的联系则是通过化学符号将其交织起来的。因此，学生在学习化学的过程中通过内部信息加工形成了对化学知识的三重表征。本论文从三重表征理论出发，对表征的含义以及化学学习的三种表征形式进行解释，分析学生在进行化学学习时遇到的困难，再结合心理学知识探讨关于培养三重表征思维的教学策略及其应用方式。关键词:化学三重表征；化学学习

AbstractChemistryentailsexploringnotonlythepropertiesandchangesofmatteratthemacrolevel,butalsothecompositionandstructureofmatteratthemicrolevel,andthelinkbetweenthemacroandthemicroiswoventhroughchemicalsymbols.Thus,studentsformathreefoldrepresentationoftheirknowledgeofchemistrythroughinternalinformationprocessingduringthecourseoftheirstudies.Thisthesiswillusetriplerepresentationtheoryasastartingpointtoexplainthemeaningofrepresentationandthethreeformsofrepresentationinchemistrylearning,analyzethedifficultiesstudentsencounterinconductingchemistrylearning,andthencombinepsychologicalknowledgetoexploreteachingstrategiesandtheirapplicationindevelopingtriplerepresentationthinking.Keywords:Chemicaltriplerepresentation;Chemistrylearning

目录1引言………………12研究的目的与意义………………12.1研究目的…………12.2研究意义…………13化学三重表征的概述……………23.1三重表征理论……………………23.2表征的含义………………………23.3化学学习的三种表征形式………33.3.1宏观表征………………………33.3.2微观表征………………………33.3.3符号表征………………………33.3.4三种表征的有机结合…………44学生在理解三重表征上遇到的困难……………44.1学生难以理解化学反应的微观实质……………44.2学生难以理解化学符号的意义………………44.3学生难以在三重表征间进行转换……………55三重表征的教学策略………55.1通过化学实验，丰富学生的宏观体验…………65.2灵活运用多媒体，促使微观的可视化………65.3理解化学符号的意义，发挥符号的桥梁作用………………65.4加强三重表征转化的训练……………………66三重表征在教学中的应用……………………76.1化学概念的学习………………76.2化学原理的学习………………76.3物质性质的学习………………86.4物质结构的学习………………87结语………………8致谢…………………10参考文献……………11三重表征在化学教学中的应用1引言化学不仅需要在宏观的水平上探索物质的性质与变化，也要从微观角度探索物质的组成与结构，而宏观与微观间的联系则通过化学符号将其交织起来的。因此，学生在学习化学的过程中通过内部信息加工形成了对化学知识的三重表征。化学学习的三种表征形式包括了宏观表征、微观表征和符号表征。宏观表征主要指的是学习者对可以通过肉眼直接观察到的物质的外在现象的认识；微观表征是学习者对物质的微观属性的认识；而符号表征则是一种文字载体。这些表征既能以图像、声像等动态的形式存在，也能以语义和概念等静态的形式存在。化学三重表征的学习也与学习者心理活动有关，化学知识随着学习者的心理活动而不断地被内化，而知识的表征形式的丰富程度有助于学习者认识和理解物质，同时也有利于其对于化学知识的掌握。因此，建立化学三重表征是帮助学生更好地进行化学学习的重要方法。2研究目的与意义2.1研究目的本论文将从三重表征理论出发，对表征的含义以及化学学习的三种表征形式进行解释，分析学生在进行化学学习时遇到的困难，再结合心理学知识探讨关于培养三重表征思维的教学策略及其应用方式。2.2研究意义在过去的30年里，化学三重表征思想已经逐渐成为最有影响力、最富有创造性的思想之一，成为化学教育研究的理论基础，指导着世界各地化学教师的教学和课程、软件、教材编制者的工作[1]。根据新课程改革的要求，教师在教学中不仅要使学生掌握学科基础知识和基本技能，同时还要使其获得一定的学习方法与技巧。而三重表征作为化学学习的新方法，有利于使学生获得清晰的知识结构，使其能三个不同的维度上更全面的认识化学变化的实质，从而有助于学生进行化学学习。3化学三重表征的概述3.1三重表征理论1982年，约翰斯顿教授首次提出了“化学三重表征”的概念。他认为对物质的研究至少要从三个不同的层面上来进行：描述的和功能的、表征的、解释说明的[2]。到了1991年，他将这三种水平命名为：宏观水平、微观水平和符号水平[3]。1999年，OnnodeJong和JanvanDriel指出[4]，化学教师进行教学的首要任务是帮助学生建立三重表征间的联系。三重表征包括了宏观、微观和符号三种水平上的表征。宏观表征是学习者对物质的宏观属性的认识，主要是指宏观角度上物质的性质与现象等；微观表征是学习者对物质的微观属性的认识，包括了分子、原子和离子等；符号表征主要有化学符号、化学式和化学方程式等。2001年，DavidF.Treagust和GailChitteborough对三重表征进行了解释，他认为宏观表征主要来源于学生日常生活中的经验；微观表征指的是物质在微粒层面上的属性，例如对分子、原子等微观粒子运动过程进行表述；符号表征包括了代数式和计算式等。[5]他认为通过建立对物质的三重表征间的联系，能够有效的促进学生理解知识且加深其对知识的掌握程度。“化学三重表征”概念的首次提出为之后化学教育研究的发展奠定了基础。上述学者通过不同的理论分析了三重表征的含义与价值，进而论证了建立三重表征间的联系对学生学习化学的意义。3.2表征的含义Representation有代表、象征等意思，即一物作为另一物的代表，或用一种信号代表一种事物，在心理学中被译为表征[6]。每个人在学习时都是基于自己对知识的不同表征而采取不同的学习方式。潘菽在《教育心理学》一书中指出[7]，学生认知结构中的知识表征的丰富程度将会影响知识在不同的学习情境间的运用情况；如果学生的知识表征是不恰当的，那么学生在学习时就无法迅速的提取和运用知识。学生对知识的理解和学习能力会随着其表征能力的高低而产生相应的差异。因此，只有根据不同类型知识的特征灵活地采用相应的表征方式，才能使学生获得一个清晰的知识结构，从而取得较好的学习效果。3.3化学学习的三种表征形式3.3.1宏观表征宏观表征主要是对可以通过肉眼直接观察到的物质的外在现象的认识。它主要包括以下三个方面：（1）通过视觉、听觉或嗅觉等感受器官，能够直接获得到的物质外部的个别属性。（2）物质的性质和用途等。（3）物质产生变化时所观察到的现象。通过宏观表征所带来的视觉上的感官刺激能够激发学生对化学的学习兴趣，通过宏观表征所获得的感性认识也有助于学生之后进入微观和符号水平的学习。3.3.2微观表征微观表征主要指对物质内在微粒的组成和结构或者物质微粒的运动等微观属性的认识。知识的微观表征主要体现在：（1）物质是由无数看不见的微粒构成的；（2）微粒总是在不断地运动；（3）微粒间存在着一定的间隔；（4）微粒间存在着相互作用[8]。因为化学变化的本质其实就是由于微粒间发生了相互作用而引起的，所以微观表征的学习核心其实就是使学生掌握对微粒间相互作用的理解。3.3.3符号表征刘知新曾在《化学用语教学法几议》中提出：符号是对主观思维和客观事物及其变化过程的标记，它既可以作为系统和要素的标记，又是过程与程序的标记，还是人与机器实现对话的中介与要素[9]。因为化学符号具有高度概括的特点。所以符号表征既包含了物质宏观层面的信息，又包含了微观和化学计量等信息。例如，Fe2O3从它的宏观意义来看它表示四氧化三铁这种物质，在微观意义上来看它表示1个四氧化三铁分子、1摩尔四氧化三铁等，它即包含了宏观层面上四氧化三铁的意义，又包含微观层面上四氧化三铁的化学计量信息。化学符号以高度概括的抽象形式将客观事物的丰富内涵合为一体，所以化学符号可以将物质的宏观表征与微观表征这两种不同的表征进行有机的结合。3.3.4三种表征的有机结合我国学者毕华林等人通过问卷调查发现，在这三种表征间无论是哪种表征的薄弱都将使学生造成难以在三重表征间进行转换的情况[10]。化学知识之间存在着千丝万缕的联系，只有通过三重表征的形式在学习者的头脑中建立起这种联系，才能使学生系统地理解知识。反之，如果在学习过程中忽视了知识间的内在联系，会使得知识在不同的表征间相互割裂，那么对于学习者而言只是获得了碎片化的知识。因此，教师在学生学习化学的过程中帮助学生将这三种不同的表征相互联系起来，只有这样才能帮助学习者建立起清晰而合理的表征系统，更好地发挥表征系统的整体优势。4学生在理解三重表征上遇到的困难4.1学生难以理解化学反应的微观实质1978年，S.Novick等人经过调查发现[11]，为了建构物质的离子模型，学生必须突破认知结构里的原有观念，从而对相关的科学模型进行内化。在内化模型的过程中，学生不仅要突破感知的局限还要理解概念的本质，从而使得自己建构的认知模型与科学家的模型达到一致。而造成学生微观表征学习的困难的主要原因是，学生往往难以突破自身的原有观念无法像科学家那样理解微观实质。Hinton和Nakhieh曾在1999年研究发现[12]，大多数学生对于化学反应现象的描述有较为良好的表述能力，但是对化学反应背后的微观实质却不甚了解。这是因为极大部分学生是凭借着自身的生活经验来理解化学的知识的，他们对化学的认识只是停留在了的一个感性阶段，而不能进行理性的思考也难以想象化学变化的微观领域。由此看来，当学生对于物质微观实质的认知并不准确时，会使得他们在微观层面的学习过程中产生不可避免的错误甚至产生学习困难。4.2学生难以理解化学符号的含义J.Wellington和J.Osborne曾指出[13]，根据过去30年的研究结果，表明了对于大多数学生来说，科学语言学习是科学学习的主要困难之一。K.S.Taber曾在“符号层面的学习”一文中指出[14]：由于符号表征里不仅包含了着物质的宏观意义还包含了着物质的微观意义，从而使得符号表征指向具有一定程度上的含糊性，所以学生也难以辨别某个化学符号到底是在表达哪个层面的表征信息。看似简短的化学符号背后往往包含着许多繁琐的学科知识与抽象的概念，因此它具有抽象性和概括性。例如化学方程式中的化学式、化学计量数、反应条件、气体符号等，都蕴含着丰富的信息。Barke经过调查发现学生了对于化学方程式的理解方面存在着较大的困难[15]。测试结果显示，被试学生中有70%的学生能记住镁条燃烧反应化学方程式，但是他们并不知道化学方程式在微观层面上的含义。像这样，只是单纯的使用化学符号并不代表着学生能够理解化学符号的含义和化学反应的实质。4.3学生难以在三重表征间进行转换国外学者通过大量的研究发现，当许多学生能够正确的完成测试题目时再对其进行深入测试，却发现这些学生并没有真的理解概念，他们中的大多数都可以运用公式解决计算类问题，但对于概念性的问题他们却无法解决。Yorroch等人通过调查发现[16]，参与测试的学生都能正确书写出化学方程式，却不能通过图示的方式表明这个化学反应过程的机理。能否配平化学方程式是为了考察他们是否具备了运用符号表征的能力，画微粒图是为了考察他们对物质微观水平的理解程度。而实验结果表明了，学生在建立微观和符号表征间的联系时存在困难且不能使思维在这二者间进行转换。Rosenquist通过调查发现[17]，即使是化学专业的学生也缺乏在不同表征间灵活转换的能力。调查结果显示，参与测试的学生对于化学平衡的概念缺乏认识。大部分学生将达到平衡状态误认成是化学反应的结束。而这一结果恰恰表明了学生在建立微观和符号表征间的联系时存在困难，不能使思维在这二者间进行转换。并且还有一部分学生认为当溶液达到平衡状态时，化学方程式两边的物质总数相等。相当于他们将化学方式中的“=”看作是等于号，这也说明了他们没有建立起不同表征间的联系。5三重表征的教学策略5.1通过化学实验，丰富学生的宏观体验化学学科是在实验的基础不断发展的，所以它的学科知识与实验是密不可分的。三重表征的提出者约翰斯顿教授曾指出[18]，要想进行微观学习，首先得获得宏观认识。宏观体验的丰富程度极大地影响着学生对微观本质的理解。化学实验现象能给学生造成较强的感官刺激，在给学生带来大量的感性材料的基础上激发学生学习的动机，开展积极的思维活动。同时，也丰富了学生的宏观体验，为学生的微观学习打下基础。因此，在化学实验教学中，教师要不断引导学生有意识的将宏观表征与微观表征相互联系，发挥化学实验对学生掌握微观表征的支撑作用。5.2灵活运用多媒体，促使微观的可视化微观层面学习需要学生具备良好的空间想象能力。在化学教学中教师需要对抽象的微观世界进行合理的微观模拟。例如，通过多媒体呈现出原子的结构、电子云等，能使学生更直观的认识微观微粒。灵活选用图片、模型、多媒体等教学工具进行展示能将微观世界变得更加直观化和形象化，使得学生在脑海里构造出微观模型，有助于学生将宏观现象与微观变化过程相结合。不仅能帮助学生加深对物质的本质与组成的正确认识，更好地理解微观世界形成正确的科学概念，也有助于学生对化学三重表征的构建。5.3理解化学符号的意义，发挥符号的桥梁作用奥苏泊尔认为有意义学习的本质就是将符号所代表的新观念与学习者认知结构中的原有观念建立起实质性的非人为的联系[19]。在这个过程中，需要学生主动的对获取的知识进行建构，而不是教师单方面向学生传输知识。学生通过建立新知识与旧知识间的联系，对已有的知识经验进行不断的扩充和转换，从而对新知识形成自己的理解。对于学生来说，在没有理解符号表征所蕴含的宏观含义与微观含义的前提下，学习符号表征是十分困难的。所以，在教授化学符号的内容时，重点要使学生真正理解化学符号的含义。其次，引导学生学会利用化学符号来进行符号表征，训练他们在不同表征间灵活转换的能力。5.4加强三重表征转化的训练如果学生在化学学习中能够做到，面对宏观表征时能运用微观表征对其进行解释，并且能够运用化学符号进行符号表征。或者，面对化学符号时能够自发的在脑海中回忆起它所蕴含的宏观表征与微观表征的意义，那么说明他已经形成了对化学三重表征的建构。同时，教师在进行化学教学时要不断的对学生进行强化训练，以提高学生的转化意识与转化的能力。在教学过程中教师要注重创设适合学生进行三重表征学习的学习情境。其次，在学习过程中提高学生运用三重表征的能力。例如，在教学过程中引导学生进行思考“这个知识点可以从哪些角度进行思考，如何进行表述”“这些知识点之间存在着什么样的内在联系”“这一现象如何从微观角度进行解释，怎么用符号表示”等问题。在培养学生形成三重表征的学习思维过程中教师要不断地对学生进行引导，同时要让学生参与到实践中。6三重表征在教学中的应用6.1化学概念的学习化学概念包括了化学事实、原理、和方法等方面知识的概括与定义，是学习者理解物质的组成和变化的前提。通过运用化学三重表征的方式进行化学概念的教学，有助于促进学生对抽象概念的掌握和理解。例如，学习物质的分类时，例如纯净物、混合物、单质或化合物等，都可以根据学生的生活经验或者从学生身边常见的物质进行引入，接着借助微观模拟与讲解相结合解释这种物质的组成元素，再从分子或原子的聚集状态来分析物质的种类，最后教会学生如何用符号表示这种物质。在这过程中不仅使学生从对宏观现象认识过渡到对微观本质的理解，也发挥了符号的中介作用，体现了三重表征的价值。化学概念繁多且概念与概念间有着千丝万缕的联系，靠死记硬背式的机械记忆难以长久的掌握知识，还会造成知其然而不知其所以然的现象。这就要求学生学习化学概念时要在理解基础上进行有意义的学习，符合三重表征的思想。6.2化学原理的学习化学原理是在大量实验的基础上，经过归纳、概括得出的具有普遍意义的基本规律。利用三重表征进行化学原理的教学有助于加深学生对原理的掌握和理解程度。例如，在学习热效应反应时，先引导学生观察氢气与氯气发生反应时的现象，通过观察到的苍白色火焰、白雾和放热等现象获取物质变化的感性认识，在学生的头脑中逐渐形成对反应现象的宏观表征；接着教师借助微观模具与讲解相结合，启发学生对物质的结构与变化过程进行想象，形成微观表征；最后引导学生学会用化学符号的形式进行表达。化学原理是化学公式的基础，学生在学习化学的过程中往往会觉得化学原理十分抽象，难以掌握。但化学原理的形成其实是建立在感性认识的基础上的。这就要求教师在教授化学原理时要先给学生提供感性的认识，在直观的过程中形成宏观表征，再从微观的角度进行分析，使学生形成思维的理性认识，使学生能够运用化学原理去解释产生化学现象的原因。6.3物质性质的学习物质的性质大多都是以宏观表征的形式呈现的。如果对物质的认识只停留在宏观水平上，那么这样的认知只是一种浅显的认识。在生活中没学过化学的人也知道这样一些常识，比如，金属可以导电，用热的纯碱溶液可以去除油污等。但是在化学学习中，我们不仅要知道物质性质的宏观表征，也要了解物质背后的微观实质。例如，在学习金属钠的性质时，通过观察金属钠与水反应的现象。师生一起从物质的结构与反应过程分析产生实验现象的原因，从微观角度进行讲解共同揭示物质的本质，促使学生逐步形成正确的微观表征。最后通过化学方程式对反应的客观事实和微观实质进行符号表征。通过三重表征的学习方法可以揭示物质的微观本质，帮助学生掌握物质性质的学习。6.4物质结构的学习物质所表现出的宏观表征都是由物质本质的微观表征所决定的，而微观表征又是从物质内在的微粒的运动以组成和结构等微观属性去揭示物质变化的原因。当我们将三重表征运用到物质的概念、原理与性质的学习过程中，每一次揭示微观的本质时，其实就已经将三重表征的方式运用到物质结构的学习中了。7结语通过运用化学三重表征不仅能提高教学的效率，也能使得教师在教学的过程中不断的加深对化学知识的理解程度。在进行教学活动的设计时，运用三重表征在不同的化学知识间建立起紧密的联系。三重表征可以帮助学生理解在宏观现象下所隐含的那些抽象而又复杂的微观本质，使学生了解到在抽象符号的背后也有着丰富的宏观意义和微观意义。对于学生来说三重表征思维能够有效的改善他们记忆知识的学习方法。对于教师来说，要想培养学生的三重表征思维的需要花费许多的时间和精力。在本论文中，仅仅通过列举教学策略与应用的例子来论述三重表征的学习方式是远远不够的，这就需要在将来的教学中凭借学生的实际情况进行详细而具体的分析。同时，对各个不同阶段的教学目标进行设计，从而逐步培养学生的三重表征思维。国外的教育研究者对于三重表征的理论研究已经有了二十多年的历史，并取得了一定的成果。但是纵观研究历史，却依然停留在静态的分析层面上，而没有形成独立完善的理论。各种研究结果已显示着三重表征的理论对于化学学科的教学有着显著的作用，但是在国内却才刚开始发展，希望随着化学教育的研究，能有越来越多的研究者加入到对三重表征研究队伍中，一起探索化学学习的新方法。

致谢在大学四年的时光里我学到了不少知识也收获了珍贵的友谊，在师院的每一天都是那么快乐且充实。在此，感谢我的任课老师们，不论是他们那认真严谨的学术态度，还是幽默风趣的授课方式，都给我留下了难忘的印象，使我在收获了知识的同时开拓了我的视野。感谢我的导师周美珍老师，在进行微格教学时为我提供了许多宝贵的建议，使我的教学技能在不断练习中得以改善。同时，感谢我的室友和班上的每一位同学，让我大学生活的每一天都满是阳光和欢笑；感谢我的家人四年来对我学业上支持和鼓励；感谢我的母校宁德师范学院提供了优秀的师资力量和舒适的学习环境，使我在这严谨的校风和浓厚的学术氛围中顺利的完成了我的学业。最后，祝愿我敬爱的老师和亲爱的朋友们万事胜意，明日可期，得偿所愿，不负坚持！

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