空間表征的化學(xué)問題探討

空間問題的空間表征就是用各種圖表來表示事物間的空間關(guān)系及空間轉(zhuǎn)換等，如同數(shù)學(xué)上的幾何問題。而對于非空間問題的空間表征，它尋求的是空間信息和非空間信息的一種對應(yīng)，將非空間信息用空間表征的形式呈現(xiàn)。利用空間表征可促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行視覺化思維，更好地記住和理解其中對應(yīng)的非空間信息，這類似于數(shù)學(xué)上的代數(shù)問題用幾何的方法來解決。空間表征在空間問題和非空間問題中的應(yīng)用有很多優(yōu)勢，當(dāng)然也受到一些因素的影響。

化學(xué)圖表是一個示意性、說明性和符號性的表征。化學(xué)學(xué)科中主要的圖表形式有流程圖、等級圖和概念圖，還有化學(xué)儀器圖、化學(xué)現(xiàn)象圖、物質(zhì)結(jié)構(gòu)圖和有機(jī)合成的機(jī)理圖等。一個化學(xué)圖表有眾多目的，如解釋、描述、介紹及提供心理表象等。化學(xué)圖表的主要特征是在宏觀表征和微觀表征的水平上提供視覺沖擊，這種視覺沖擊能增加心理模型的發(fā)展，促進(jìn)學(xué)習(xí)上的聯(lián)結(jié)。化學(xué)學(xué)科需要在宏觀、微觀和符號三個表征水平間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而各種表征都涉及很多空間信息，所以空間表征對化學(xué)學(xué)科而言非常重要。以前的研究一般只注意到化學(xué)空間問題中的空間信息，如物質(zhì)結(jié)構(gòu)的各種圖表、有機(jī)化學(xué)中的分子結(jié)構(gòu)圖和機(jī)理圖等，對于化學(xué)非空間問題中的空間表征基本沒有涉及過。

一、空間表征在化學(xué)空間問題中的應(yīng)用

化學(xué)是一門視覺性的學(xué)科，化學(xué)家要研究分子和原子的結(jié)構(gòu)，以及它們交互作用之后的結(jié)果。這些微觀的化學(xué)變化過程并不能直接觀察到，為了理解和操作物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，化學(xué)家設(shè)計了一系列的二維符號、圖像、化學(xué)式和圖表等來表征分子的三維結(jié)構(gòu)和化學(xué)現(xiàn)象。這些用來反映化學(xué)分子的三維結(jié)構(gòu)和化學(xué)現(xiàn)象的表征統(tǒng)稱為化學(xué)表征，化學(xué)表征從水平上可分為三種：宏觀水平、微觀水平和符號水平[1]。化學(xué)宏觀表征涉及圖像或圖表表征可觀察到的現(xiàn)象，化學(xué)微觀表征涉及模型或其他視覺顯示來描述排列和微粒的運(yùn)動。符號表征包括符號、數(shù)字和化學(xué)標(biāo)志，這些標(biāo)志如化學(xué)符號、化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子式，可用來表示原子、分子、化合物和化學(xué)過程。盡管微觀表征和符號表征在化學(xué)教材中頻繁使用，但構(gòu)建微觀表征并使用微粒的觀點去解釋物質(zhì)的性質(zhì)和觀察到的現(xiàn)象還是非常困難的。

1.晶胞結(jié)構(gòu)。化學(xué)學(xué)科中存在很多空間問題，如物質(zhì)結(jié)構(gòu)和晶體類型等，也有很多問題涉及空間信息，如有機(jī)分子的物理化學(xué)性質(zhì)受其空間結(jié)構(gòu)的影響，有機(jī)合成的產(chǎn)物受到原料和試劑的空間位置關(guān)系的影響等。對于這些問題，教學(xué)中應(yīng)盡可能多地使用微觀表征，利用教學(xué)模型和多媒體教學(xué)來展現(xiàn)微觀過程，使用各種圖表來解釋物質(zhì)的性質(zhì)與反應(yīng)過程等。這些用來表示那些空間問題或涉及空間信息的教學(xué)模型和各種圖表，就是化學(xué)空間問題的空間表征。

例一，微粒在晶胞中主要有四種情況：處在頂點、處在棱上、處在面上、處在體內(nèi)。其中處在體內(nèi)最好理解，這時整個微粒都屬于這個晶胞，而其他三個理解比較困難，此時采用晶胞示意圖就很有優(yōu)勢，其中①代表處在頂點，晶胞占有1/8；②代表處在棱上，晶胞占有1/4；③代表處在面上，晶胞占有1/2。

圖1 晶胞示意圖

2.有機(jī)反應(yīng)機(jī)理圖。有機(jī)合成中特別是有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的解釋中，需要用圖形的形式將整個過程表示出來。化學(xué)家用各種圖表盡可能清晰地展現(xiàn)有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)，用各種符號、箭頭和化學(xué)式來描述化學(xué)過程，這些符號和二維形狀構(gòu)成了一系列的空間語言，使化學(xué)家進(jìn)行視覺化的思考，并通過視覺化的方式將信息有效地傳達(dá)出來。這種涉及空間問題并使用暗含空間特性的圖表來表征的形式，就是化學(xué)學(xué)科空間問題的空間表征。下面舉例闡述：

例二，wittig反應(yīng)的空間機(jī)理過程：三苯基磷呈電正性，與之相連的C為電負(fù)性，會進(jìn)攻帶正電的羰基碳，形成右上角的中間過渡態(tài)，這個過渡態(tài)不穩(wěn)定時會進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使磷原子與氧原子在同面上形成磷氧鍵，然后發(fā)生消去反應(yīng)，生成烯烴和三苯氧膦。（見圖2）

圖2 wittig反應(yīng)的空間機(jī)理過程

二、空間表征在化學(xué)非空間問題中的應(yīng)用

化學(xué)學(xué)科中除了那些空間特性非常明顯的空間問題，還涉及很多非空間問題，如基本的概念和原理等，這些概念和原理從某種意義上講沒有任何空間特性，也不存在空間表征。

1.類屬關(guān)系。下面考察空間表征在化學(xué)非空間問題中的一個應(yīng)用實例：

例三，初中化學(xué)中有四大基本化學(xué)反應(yīng)類型，高中學(xué)習(xí)過氧化還原反應(yīng)后，教材和習(xí)題中總是嘗試將四大基本化學(xué)反應(yīng)類型和氧化還原反應(yīng)統(tǒng)一起來，具體如下：置換反應(yīng)肯定是氧化還原反應(yīng)；復(fù)分解反應(yīng)肯定不是氧化還原反應(yīng)；化合反應(yīng)中有單質(zhì)參與的才是氧化還原反應(yīng)；分解反應(yīng)中有單質(zhì)生成的才是氧化還原反應(yīng)。（用圖形反映如圖3）

圖3 四大基本反應(yīng)與氧化還原反應(yīng)的關(guān)系

例三所描述的類屬關(guān)系，表達(dá)的信息不存在任何空間線索，問題本身與空間無關(guān)，因而可界定為非空間問題。將圖三與例三對應(yīng)分析可以發(fā)現(xiàn)：例三中沒有空間線索，圖三卻具有明顯的空間屬性，兩者在信息表達(dá)上基本是等價的。因此，圖中的空間關(guān)系與所要表述的非空間關(guān)系必然存在對應(yīng)聯(lián)系，這種將非空間問題的信息內(nèi)容和結(jié)構(gòu)借助一定的空間關(guān)系和空間位置體現(xiàn)出來，即為非空間問題的空間表征。

2.流程圖。化學(xué)學(xué)科中除了有類屬關(guān)系的非空間問題外，其他問題也存在空間表征，如化學(xué)中的推斷題和化學(xué)工藝流程題，圖表中也存在各種物質(zhì)的位置關(guān)系等空間屬性。

圖4 廢舊鋰離子電池的回收處理工藝

例四，2013年全國Ⅰ卷理綜化學(xué)27題——廢舊鋰離子電池的回收處理工藝。圖中的箭頭指明了參與反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物，清晰地說明了鋰離子電池是如何回收處理的。（見圖4）

3.化學(xué)鐘表。國外對化學(xué)元素周期表的教學(xué)也會采用空間表征，如將短周期中的24個元素按照原子序數(shù)的順序排列成鐘表的形式，如圖5所示。

圖5 化學(xué)鐘表（Chem Time）

圖表表征之所以普遍存在，與其在一定情景下的簡單有效性密不可分，而空間表征又是圖表表征中與化學(xué)學(xué)科聯(lián)系十分緊密的一種表征形式。實踐證明，對于解決日常事務(wù)和學(xué)科問題，建構(gòu)適當(dāng)?shù)膱D表往往是一種很有效的方法，一幅簡單的圖表有時能幫助理解問題，還能幫助完成化學(xué)實驗。所以，在數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)領(lǐng)域里，如何使用圖表表征問題以及從這類表征中提取信息一直倍受重視。

空間表征的應(yīng)用研究目前主要集中在數(shù)學(xué)學(xué)科，針對物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等自然科學(xué)的相關(guān)研究還較少。教育對空間表征能力有很大的影響，而學(xué)生不會使用空間表征策略正反映出他們?nèi)狈ο到y(tǒng)指導(dǎo)[3]。因此，這方面的研究對中小學(xué)校在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式上的實踐有重要指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]畢華林，黃婕，亓英麗.化學(xué)學(xué)習(xí)中“宏觀—微觀—符號”三重表征的研究[J].化學(xué)教育，2005，26，（5）:51-54.

[2]曾盼盼，俞國良.小學(xué)生視覺——空間表征類型和數(shù)學(xué)問題解決的研究[J].心理科學(xué)，2003，26，（2）:268-272.

[3]徐速.數(shù)學(xué)問題解決中視覺空間表征研究的綜述[J].數(shù)學(xué)教育學(xué)報，2006，15，（1）:35-38.