高考題對“多重表征”教學的需求*——以“化學反應原理題”為例

邱惠芬

（廣東省中山市教育局教研室 廣東 中山 528400）

自2010年來全國普通高考理科綜合化學試題（廣東卷）取消X 科，以理科綜合形式呈現。理科綜合化學部分的非選擇題依次為有機題、化學反應原理題、無機綜合題和實驗題，有機和無機題都在考查化學反應原理的知識， 其中化學反應原理題更為突出。2010－2014年的化學反應原理題凸顯“化學科學特點和化學研究基本方法”。在高考題導向下的教學需求：培養(yǎng)學生化學學科所特有的多重表征思維方式，幫助學生更好地理解化學科學，提高學生的科學素養(yǎng)。

一、理論基礎

表征又稱心理表征或知識表征，是現代認知心理學的核心概念之一，它指信息在人腦中記載和呈現的方式［1］。多重表征作為化學學科獨特的表征模式，已經取得了諸多研究成果。1991年，約翰斯頓提出了經典的“多重表征”的三角模型，如圖1 所示。［2］

圖1 約翰斯頓的多重表征三角模型

圖2 四重表征教學模式的結構

在此基礎上，錢揚義等人提出了“曲線表征”，將“三重表征”發(fā)展為“四重表征”，如圖2 所示。其中宏觀表征指向人類感知器官可以直接感知到的物質及其性質；微觀表征指向亞微觀水平和亞原子微粒水平上的物質及其性質； 符號表征指向表示化學物質組成、結構、性質、變化、狀態(tài)、數量、單位等的符號，如分子式、化學方程式等。曲線表征是指由某些自變量的變化引起因變量的變化以坐標圖的曲線形式在學習者頭腦中的反映。［3］

張丙香、畢華林在《化學多重表征的界定及其關系分析》中構建的表征關系如圖3 所示。

圖3 張丙香、畢華林的多重表征關系圖

每一種表征水平和其他兩種表征水平都有交集，三種表征水平也有共同的交集，交集部分說明知識的表征水平間具有內在聯(lián)系。這表示有些知識是以一種表征水平存在（如對純凈物的顏色、氣味僅從宏觀角度理解），有些知識是以兩種（如對化學變化和物理變化的界定就是從宏觀和微觀的角度進行理解的）或者三種表征水平（如化學方程式的理解）存在的。交集中表征水平越多，交集面積越大，說明知識理解越深刻也越豐富。交集部分意味著學生能在它所包含的不同表征水平之間進行信息轉換。且交集部分是可變化的，隨著學生對知識的理解越來越深刻，交集部分就越來越大，包含的表征水平也越來越多。［4］這是我們教學期望達到的，這種交集的能力要求在高考題中體現得淋漓盡致。

二、對高考“化學反應原理題”的多重表征分析

廣東高考實施理綜高考模式5年來，理綜試題中化學反應原理題是重要組成部分。從對2010－2014年的化學原理題進行分析可知：“化學反應原理題”既考查學生對物質及其性質理解應用、實驗方案、描述實驗現象、總結實驗結論等的“宏觀表征”能力，也考查學生進行理論分析與微觀解析的“微觀表征”能力，還考查學生書寫化學用語、方程式、公式計算的“符號表征”能力以及曲線分析、預測、繪制的“曲線表征”能力。“化學反應原理題”與多重表征緊密結合是這類題目的整體特點，各表征之間相互滲透、融合，需要學生有較強的多重表征思維能力才能解決問題。具體分析如表1 所示。

表1 2010－2014年廣東高考理綜“化學反應原理題” 多重表征的分析

從表1 可發(fā)現，高考化學原理題中，幾乎每個小題都有其側重的考查視角， 有些小題還同時考查多個表征水平。從下表2 數據來看，可以說明這五年試題的優(yōu)秀性，區(qū)分度均在0．4 以上。難度基本上都大于或等于當年的全卷難度（除2010年外），說明學生用多重表征思維方式答題還存在一定的困難，也說明了從多重表征的視角來剖析高考試題的合理性。

表2 2010－2014年廣東高考理綜“化學反應原理題”數據分析

綜上所述，高中化學教學需要培養(yǎng)學生的多重表征思維方式。那么，多重表征在高中化學教學中具有哪些功能？ 下面通過結合高中化學學科能力和高考試題進行分析。

三、多重表征在高中化學教學中的功能

1．培養(yǎng)學生的多重表征思維，提高學生分析問題能力

高中化學學習中學生面臨的學習困難是： 分子、原子、催化劑、物質的量、化學鍵、同系物、化學平衡、電離平衡等抽象的化學概念和理論；化學事實性知識頭緒繁雜、零亂，學生理不清線索，難以在頭腦中形成系統(tǒng)的知識網絡；大量的化學符號等等。多重表征能從化學學科的特點出發(fā)統(tǒng)領整合化學學習，可在宏觀表征、微觀表征、符號表征和曲線表征實質性聯(lián)系上進行學習，不斷地進行知識點的聯(lián)結、組塊和結構化，從而得到多維有序的、清晰合理的化學認知網絡結構。優(yōu)良的多重表征認知結構，將提高學生分析問題能力，使學生時時（在學習的各個階段）處處（在宏觀、微觀、符號和曲線各個維度）有序地進行分析問題。當學生遇到問題時，可以習慣性地從多重表征來理解問題的本質，認識得更全面。例如：2012年廣東卷第31題第（2）小題，為探討反應物濃度對化學反應速率的影響，設計的實驗方案如下表：

?

表中Vx＝_____mL， 理由是 __________________。已知某條件下，濃度c（S2O82－）～反應時間t 的變化曲線如圖4，若保持其他條件不變，請在答題卡坐標圖中，分別畫出降低反應溫度和加入催化劑時c（S2O82－）～t 的變化曲線示意圖（進行相應的標注）

圖4

如果在平時教學時，能夠從多重表征的角度來引導學生理解化學反應，那么，當學生遇到這個陌生的化學反應時，學生頭腦中也可以立即呈現出各反應物濃度與時間的關系等等，并成功地解決問題。

2．培養(yǎng)學生的多重表征思維，加強學生獲取信息的能力

在學習過程中，教師和教材會向學生呈現大量的化學知識信息，但是每個學生有選擇地進行感知的信息量是不同的。學習化學存在困難的學生，可能只注意到一些有趣的宏觀現象。而能夠運用多重表征來學習化學的學生，由于他們已經儲存了一些宏觀、微觀、符號和曲線的有機聯(lián)系，他們對信息的選擇面就會寬泛的多， 因而能夠最大程度地增加有用信息進行儲存。在儲存、提取信息時，提取線索起著非常重要的作用，對于同一知識點，運用多重表征之后就會有至少三個提取線索。因此，在提取知識時，即使有一兩個線索中斷，仍然會有其他的線索可用，從而達到提取效果。近幾年高考考生答卷反應的主要問題之一：信息獲取能力較弱， 缺乏提取有效信息并進行加工的能力。例如：2010年廣東卷第31 題第（2）小題，（2）在其他條件相同時， 反應H3BO3＋3CH3OH?B（OCH3）3＋3H2O 中，H3BO3的轉化率（α）在不同溫度下隨反應時間（t）的變化見圖5，由此圖可得出：

圖5

①溫度對應該反應的反應速率和平衡移動的影響是 ______________________。

②該反應的ΔH____0（填“＜”、“＝”或“＞”）。

具有多重表征思維的學生，當看到該反應的符號表征時，在腦中即會自動地進行其他表征，提取相應的信息，進行分析：溫度越高，反應速率越大，越早出現拐點；若該反應是放熱反應，轉化率則隨溫度升高而減小，若該反應吸熱，轉化率隨溫度降低而增大等等相關曲線趨勢，等等。具有多重表征思維的考生，可以從曲線表征獲得的信息推動逆向思考，并從微觀的角度進行解釋，全面地理解該反應的本質。

3．培養(yǎng)學生的多重表征思維，提高學生解決問題能力

培養(yǎng)學生的多重表征思維，學生運用多重表征思維方式可將大量信息在頭腦中進行分類，從而空出更多的空間來考慮問題的其他方面， 如問題的已知條件、未知條件與該知識點的聯(lián)系，以及該知識點與其它有關知識點之間的關系等。同時多重表征良好的認知網絡結構可根據問題情景的需要，在宏觀、微觀、符號和曲線四個層面迅速互譯，提取相關信息（如看到宏觀現象、曲線，立即提取相應的微觀和符號信息），從而解決問題。

例如：2013年廣東卷第31 題第（3）小題，O3將I－氧化成I2的過程由3 步反應組成：

（3）為探究Fe2＋對O3氧化I－反應的影響（反應體如圖6）， 某研究小組測定兩組實驗中I3－濃度和體系pH，結果見圖7 和下表。

圖6

圖7

?

①第1 組實驗中，導致反應后pH 升高的原因是______________。

②圖6 中的A 為________， 由Fe3＋生成A 的過程能顯著提高I－的轉化率，原因是__________。

③第2 組實驗進行18s 后，I3－濃度下降。導致下降的直接原因有（雙選）___________。

A．c（H＋）減小 B．c（I－）減小

C．I2（g）不斷生成 D．c（Fe3＋）增加

從反應機理中，具有多重表征的學生可以從符號表征中發(fā)現與圖表中信息的交叉點——氫離子濃度（pH）在反應中的變化，從而解決第①個問題。又可以根據圖表中“Fe3＋”多個表征，對它的存在進行微觀角度（得失電子、水解等）分析、加以假設，并通過圖表表征中“pH 變化”的信息，可以推斷出“A”是Fe（OH）3，而不是Fe2＋。如果考生缺乏多重表征思維，可能在簡單假設后思維得到收斂，誤以為Fe3＋被還原。

以上三個功能并不是相互獨立的，而是相互促進的。能夠根據多重表征的思維分析問題的各個方面，是提取、分析信息的重要前提，而提取的信息質量又影響了學生對信息的分析和判斷。如果學生能夠對問題進行多重表征思考，那么對相互之間的關系也能把握得更好，從而提高解決問題的概率。綜上所述，在教學過程中，培養(yǎng)學生多重表征思維是有必要的。

四、多重表征的教學建議

1．注重創(chuàng)設和聯(lián)系學生的宏觀表征，凸顯多重表征

化學教學應聯(lián)系學生已有的知識經驗進行教學，從學生已有經驗中找到和新知識相關的聯(lián)系點，促進學生的理解。在實驗教學中，教師不僅要指導學生怎樣觀察現象，還應啟發(fā)學生怎樣利用這些宏觀現象去思考問題，看到化學現象背后的本質，也就是說要在實驗過程中將宏觀現象與微觀結構有意識地聯(lián)系起來，增強對化學知識的學習。

其次，教師要盡可能多地為學生創(chuàng)造親自運用多重表征的機會，為其創(chuàng)建一個有利于進行多重表征的學習情景。例如，引導學生思考：“對于這一知識點，我是從宏觀、微觀、符號、曲線相結合的角度考慮、學習的嗎？”“今天學習的這些知識之間有什么內在聯(lián)系？”“這一現象的微觀本質是什么？ 怎樣用符號來表示呢？ ”等等。通過這些問題，引導學生逐步提高多重表征的意識與能力。［5］

2．充分利用模型、圖片、多媒體等直觀教具，增強微觀表征

模型、圖片、多媒體等直觀教具對于學生從多重表征的角度理解和學習化學具有重要意義。例如，運用模型展示物質的微觀結構、運用多媒體技術把“電離過程”“共價鍵的形成”等抽象的微觀知識形象地表示出來，從而增強對微觀表征的理解。在教學中，教師要激發(fā)學生的興趣，在學生產生“為什么”的想法時，教師通過模型、微觀圖片、多媒體動畫等方式，引導其分析微觀結構、變化過程，使學生們對所學知識產生微觀的本質上的動態(tài)的理解，再把宏觀現象、微觀過程簡潔準確地抽象為化學式、結構式、反應方程式等符號表征，從而讓學生用多重表征的思維方式來構建化學知識。

3．突出化學用語的意義，強化符號表征

在符號表征的教學中，要充分利用實驗、實物、模型、圖示、多媒體等直觀手段，在帶給學生充分感知的基礎上，把化學符號所蘊涵的宏觀和微觀信息表示出來，使學生明白符號代表的宏觀和微觀含義，使得學生自動實現思維在宏觀、微觀和符號之間的轉換，進行有意義的學習。

4．挖掘數據曲線的規(guī)律特點，增值曲線表征

教學中需要培養(yǎng)學生查找資料、分析信息的能力。充分利用教材中的素材，教材中有大量的數據曲線類的圖表，且數據曲線真實有效，有極大的權威性和很強的說服力，是處理量化信息的使用工具。高考每一年都考查考生：通過觀察和分析數據曲線，以及從數據曲線中準確提取實質性內容，并進行初步加工和有序存儲的能力。基于數據曲線的化學原理題不僅是廣東近年來高考的重要組成部分，而且也是其命題特色，其充分體現了高考題對多重表征教學的需求。

［1］吳慶麟．認知教學心理學［M］．上海：上海科學技術出版社，2000

［2］畢華林，黃婕，亓英麗．化學學習中“宏觀－微觀－符號”三重表征的研究［J］．化學教育，2005，（5）：51－54

［3］魯新玲．運用“手持技術”與“互動課堂反饋系統(tǒng)”的高三化學復習課教學實踐與思考 ［J］．中學化學教學參考，2010，（4）：18～21

［4］張丙香，畢華林．化學三重表征的界定及其關系分析［J］．化學教育，2013，（3）：8－11

［5］張丙香．高中生化學反應多重表征心智模型的研究—以氧化還原反應為例［D］．濟南：山東師范大學學位論文，2013