三重表征：促進學生化學知識的意義學習

孫夕禮 陳益

摘要：在已有理論和實踐研究的基礎上，結合對“硝酸”教學實踐的審視和思考，闡述了“宏觀-微觀-符號”三重表征的內涵、教學設計流程和構建策略。通過多維度、多層次的問題設計和解決，幫助學生充分理解化學符號的意義，建立符號與微觀、符號與宏觀的有機關系，構建學習者對化學知識完整的表征系統。

關鍵詞：硝酸；三重表征；內涵；教學設計；構建策略

文章編號：1005–6629（2016）4–0044–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

自1982年A. H. Johnstone提出應從宏觀、微觀和符號三種水平上來學習、看待化學的觀點之后，“宏觀-微觀-符號”三重表征及其思維方式的研究受到理論和實踐的關注。

筆者在“中國教育期刊全文數據庫”以“三重表征”為主題，檢索國內相關文章計60篇（至2015年12月28日），發現研究側重點在三重表征的基本內涵、教育價值、形成過程及內容特質、培養策略、學生現狀等方面。并呈現學界熱、實踐冷，尤其是高水平實踐少的傾向。這表明一線教師基于三重表征的實踐尚未成為普遍自覺，實踐探索的質量有待提高。

本文擬在已有理論和實踐研究的基礎上，結合對“硝酸”教學實踐的審視和思考，對“宏觀-微觀-符號”三重表征的內涵和教學設計、構建策略作一闡述，以豐富這一研究的實踐內容。

1 化學三重表征的內涵及其教學設計

1.1 化學三重表征的內涵

畢華林等基于化學學科的特質分析并結合認知心理學的研究，認為：宏觀表征是指物質在變化過程中表現出來的、可以直接感知到的宏觀現象在學習者頭腦中的反映；微觀表征主要是指有關物質的微觀組成和結構、微觀粒子的運動及相互作用等微觀屬性在學習者頭腦中的反映；符號表征主要是指由字母組成的符號和圖形符號在學習者頭腦中的反映。這三種表征形式之間不應是孤立的，而應有機地聯系起來，共同構成學習者對化學知識完整的表征系統[1]。

從宏觀、微觀、符號三種表征角度去認識和理解化學知識，并建立三者之間的有機結合和相互轉化，是化學學習特有的思維方式，稱之為三重表征思維方式，如圖1所示：

畢華林等通過調查發現：（1）學生化學學習三重表征思維方式尚未形成，缺乏將宏觀、微觀、符號三者進行有機結合的意識。（2）任何一種表征的薄弱都會引起不同表征之間轉換的困難，并會進一步影響學生進行三重表征的水平和能力。（3）三重表征思維方式不能完全依靠學生自己形成，而需要教師的引導和培養[2]。

1.2 基于化學三重表征的教學設計

教學經驗和實踐表明，三重表征思維方式對于突破學生學習化學的困難，形成良好的認知結構，促進學生有意義的理解學習，提高問題解決能力等具有重要的意義[3]。

基于三重表征思維方式的教學設計，即先從宏觀現象入手提出問題，然后進行猜想假設、實驗驗證，再從微觀的角度分析本質，最后用化學用語（符號）表征結論，并引導學生聯系生活生產實際應用結論。其基本思路和流程如圖2所示[4]。

2 “硝酸”教學實錄（片斷）

2.1 硝酸的化學性質——不穩定性

展示：裝有濃硝酸的棕色試劑瓶

師（設問）：裝有濃硝酸的試劑瓶為什么用棕色的？

生（猜想、推理）：濃硝酸見光會分解。

展示：裝有濃硝酸的無色試劑瓶

生（觀察）：瓶內溶液上方有紅棕色的氣體；溶液的顏色顯黃色。

師：紅棕色氣體是二氧化氮，這是濃硝酸見光分解產生的。除此以外，還可能有什么產物？

生：沉默、思考

師（啟發）：濃硝酸分解生成二氧化氮，氮的化合價降低，那么，應當有元素化合價升高，化合價升高的是什么元素？產物可能是什么？

生（領悟）：是氧，生成氧氣。

2.2 硝酸的化學性質——強氧化性

實驗1：向置有粗銅絲的試管中加入濃硝酸生（觀察、興奮）：反應劇烈；銅片溶解，溶液變綠；產生紅棕色的氣體。

師：該反應中硝酸表現的性質有哪些？

生：氧化性；還有酸性。

……

實驗1-1：通過膠頭滴管向實驗1的試管中加入水

生（觀察、驚喜）：大燒杯中水倒吸入試管；溶液上方紅棕色氣體變為無色；試管中溶液變藍。

實驗1-2：打開試管上方膠塞

生（觀察、驚喜）：試管口出現紅棕色氣體。

師（設問并提供思路）：大燒杯中水倒吸入試管，說明試管內氣體壓強減小，紅棕色氣體變為無色，二氧化氮與水發生了什么反應？打開試管上方膠塞后，無色氣體遇氧氣轉化為紅棕色氣體，無色氣體應當含有氮，該無色氣體是什么？又發生了什么反應？

生：積極思考、表達

師（引導觀察）：此時的試管中還看到什么現象？

生（觀察、發現）：試管中銅絲上有氣體產生，反應還在繼續。

師（分析、提問）：此時試管中的硝酸是稀硝酸，說明稀硝酸也能與銅反應，發生的反應是什么？

生：思考、嘗試

師（呈現）：3Cu+8HNO3（稀）=3Cu（NO3）2+ 2NO↑+4H2O

師（設問）：反應停止后，如果在溶液中再加入稀硫酸還會有反應嗎？

生（眾）：沉默、疑惑、不確定

生（個別）：有反應。

師（個別提問）：說說為什么有反應？

生（答）：溶液中存在硝酸根離子，加入稀硫酸后，氫離子和硝酸根離子在溶液中，相當于又有了硝酸，會繼續和銅反應。

生（眾）：會意、釋然

實驗2（驗證）：向Cu（NO3）2溶液中加入少量銅絲，再加入少量硫酸（觀察現象）：銅絲溶解，表面有氣體產生

……

3 三重表征的構建和對“硝酸”教學實踐的審視

3.1 典型、完整——構建宏觀表征

宏觀表征指人類感知器官可以直接感知到的物質及其性質，化學教學應該從宏觀表征開始循序漸進地展開，這就決定了實驗在化學學習中的基礎性和關鍵性作用。

宏觀表征因為具有直觀性和鮮明性的特點成為最易于學習者接受和形成的，這并不意味著感知到的宏觀現象在學習者頭腦中的反映都是準確的、有意義的。研究發現，信息豐富的宏觀現象為學習者提供大量的感官刺激，有時反而讓學生困惑到底要從中學習些什么，他們往往限于觀察顯著的宏觀現象。因此，宏觀表征對象的選擇和感知方法的指導就顯得很重要，教師必須清楚要讓學生“看到”什么以及如何“看”，以突出宏觀表征的典型性。

典型性并不排斥和忽略其他有意義和有價值的宏觀表征。全面、深入的感知，不僅能夠保證宏觀表征的完整性，有時還會有意外的發現和生成。對這些資源的運用，不僅反映了教師的教育觀念，同時也反映了教師的學科知識水平和教學智慧。

整體上看，該教學實踐重視宏觀表征典型性的設計和實施，但宏觀表征的“完整性”有所缺失。在“硝酸的不穩定性”環節，再設計一個“濃硝酸受熱分解”實驗，可使學生對濃硝酸分解條件的認識更加完備，當學生面對濃硝酸如何保存的問題時，就會同時想到“避光”和“低溫”。在“硝酸的強氧化性”環節，粗銅絲與濃硝酸反應的“放熱”和“越來越快”的現象，卻被有意或無意地忽略了。事實上，化學反應的熱效應和快慢，也是化學反應的重要方面，毫無疑問，這些宏觀表征同樣具有意義和價值。

化學學習需要學生將體驗到的宏觀現象與相關科學概念或理論解釋相聯系，將宏觀表征分別與符號表征、微觀表征建立聯系。沒有這種聯系支持的宏觀表征學習往往停留在膚淺層面。

3.2 可視化和想象——構建微觀表征

學生的學習過程與化學研究的路徑相似，遵循“宏觀表征→微觀表征→符號表征”的認知順序。微觀表征既有助于分析與理解宏觀現象，更有利于符號表征的提煉與符號含義的理解。因此，微觀表征是聯系宏觀表征與符號表征的橋梁與紐帶，是建構化學三重表征的關鍵[5]。

相較于宏觀現象，微觀表征則因為其抽象化則不太利于學習者的形成，它需要在學習者形成了對物質大量的宏觀表征基礎之上，通過教師的講解和指導后才能逐漸形成。

經驗和研究結果表明，教師利用模型、微觀圖示、多媒體等直觀手段；依托學生的知識經驗、借助自然和生活現象，進行生動形象地比喻，這些指向微觀本質的描摹、模擬、想象，能為學生提供可以探察微觀世界的“眼睛”和“翅膀”，使微觀過程直觀化、抽象過程形象化，有效突破學生的微觀認知困難。同時，對可視化模型的理解還需要學生具備相關的科學概念并擁有多種能力，如空間想象能力、在不同維度（三維和二維）之間轉換的能力等。

然而在教學實踐中，一方面教師對微觀表征的重要性認識不足，另一方面急于獲得結論的求成心理，使得微觀表征的這一關鍵環節要么被忽視，要么被弱化了。

本教學實踐中，在“硝酸的不穩定性”環節，教師注意運用氧化還原反應概念——元素化合價的變化分析判斷反應產物（O2），以揭示物質轉化的原理。如果再追問“生成的NO2和O2個數比是多少”，就可使物質的變化關系由定性到定量，其實質是電子得失守恒規律的揭示和應用，隨后硝酸分解的化學反應方程式水到渠成，同時這一反應配平的難點即迎刃而解。二氧化氮與水反應的微觀表征，也可借鑒類似的程序。

在“硝酸的強氧化性”環節，粗銅絲與濃硝酸反應的微觀表征，可設計如下微觀表征圖：

該圖可直觀地反映出反應過程中宏觀現象對應的物質轉化以及電子轉移方向和數目的微觀機理。

3.3 意義理解——構建符號表征

化學式、結構式、化學反應方程式等這些表示微觀結構和變化的化學符號語言，是宏觀現象的簡化表達，又是微觀本質的巧妙體現。可見，符號表征是宏觀表征和微觀表征的中介。

在微觀結構或符號表征形成的初級階段，學習者對其的認知也不是完全熟練和深入的，只是將其作為一種單一的陳述性知識——獲得的結論而機械地記憶，不能領悟微觀結構或符號所隱藏的更加深刻的意義。當學生沒有形成對微觀表征的理解時，符號表征對于化學學習是最困難的。因此，教師要幫助學生充分理解化學符號的意義。

本教學實踐的“硝酸的強氧化性”環節，在得出化學反應方程式“Cu+4HNO3（濃）=Cu（NO3）2+ 2NO2↑+2H2O”后，教師設問：“該反應中硝酸表現的性質有哪些”，引導學生觀察分析化學方程式的意義，幫助學生全面揭示其中蘊含的硝酸的性質信息。如果換一種方式設問“該反應中氧化劑和還原劑物質的量之比是多少”，則學生對硝酸性質的理解更深刻——兼顧了定性和定量的兩個層面，也及時消除了學生頭腦中硝酸只表現氧化性的片面認識，符號表征和宏觀表征由此建立了聯系。如果再換一種方式設問“該反應中若生成標準狀態下2.24L NO2，轉移電子物質的量是多少”，則可建立符號表征和微觀表征的聯系。

由此可見，多維度、多層次的問題設計和解決，有助于學生充分理解化學符號的意義，建立符號與微觀、符號與宏觀的有機聯系，構建學習者對化學知識完整的表征系統。

學生在學習化學知識的初始，三重表征的構建應力求清晰、完整。此時，學生的三重表征往往維度單一、聯系割裂、轉換困難，這一階段處在三重表征的習得階段。讓學生建立“三重表征”的學習思維，最終實現三重表征間有機聯系、靈活轉化并自動化，必須經歷一個長期的過程，它需要教師的引導與培養、學生的實踐與反思。要有效發揮教師的指導作用，不僅需要教師深刻領悟化學學科特質、理解培養三重表征思維的重要性和必要性、實施促進三重表征思維培養的教學，還需要認識到三重表征思維的建構條件與歷程以及不同教學內容與階段對三重表征思維培養的價值，如此，才能有效提升學生進行三重表征思維的意識與能力，才能有效提升化學教學的質量與效果[6]。

參考文獻：

[1][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].化學教學，2005，（5）：51～54.

[3]黃婕.中學生“宏觀-微觀-符號”三重表征的調查研究[J].山東教育，2006，（14）：48～49.

[4]閆偉.元素化合物教學：基于三重表征思維方式——以《硫酸、硝酸的性質》一課為例[J].教育研究與評論，2015，（9）：37.

[5]吳慶生.化學微觀表征的方法與教學策略[J].化學教育，2015，（19）：41.

[6]楊梓生.對“宏觀-微觀-符號”三重表征思維及其培養的認識[J].中小學教材教學，2015，（7）：58.