“三重表征”能力培養的瓶頸及其突破

吳晗清，高慧

（1.首都師范大學教師教育學院，北京100037；2.首都師范大學化學教育研究所，北京100048）

教學實踐表明，學生在化學學習的起始階段，往往興致勃勃，主要是由于化學實驗的豐富多彩；然而到了學習物質的量的時候，眾多的符號、化學反應方程式等，尤其是微觀領域的概念，讓學生望而生畏，從而學習興趣大大減退。由此導致化學學習中的宏觀現象與微觀本質脫節，學生雖然能記住相關化學概念的定義，然而并不理解概念的實質，不理解化學符號的含義。更有甚者，認為化學是理科中的文科，像背誦英語單詞一樣記憶化學符號或實驗現象。化學符號之所以難記難背、難以理解，究其原因，就是沒有將化學反應宏觀現象、微觀本質與化學符號建立對應的正確的聯系，“宏觀—微觀—符號”三重表征能力缺失，學生在三者之間無法進行有效的轉譯。

一、三重表征的相關研究

1.三重表征概念的提出

1982年蘇格蘭格拉斯哥大學科學教育中心的斯通（John Stone）教授首先提出三重表征的概念，他認為化學學習存在三種水平：（1）描述的和功能的（descriptive and functional）；（2）表征的（represen?tational）；（3）解釋說明的（explanatory）。[1]1991年他又把最初的三種水平進行了修正，改稱為宏觀、微觀、符號，認為化學學習要從這三種水平上來進行。首先是宏觀水平，它是用來描述可觀察的現象的（如溶解、發光、沉淀現象等）；其次是微觀水平，它是用來描述微粒及其相互作用；再次是符號水平，它是根據化學式和化學方程式來表征化學物質與反應的，這樣從化學學科的特點出發，更全面更準確地概括了化學學習的三種水平。

2.國內關于化學三重表征的研究

國內對三重表征的研究相對較晚，有研究者基于化學學科的特質分析并結合認知心理學的研究，界定了化學“宏觀—微觀—符號”三重表征的內涵和關系，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。[2]基于上述觀點，研究發現學生難以將宏觀表征和微觀表征相聯系起來，造成知識鏈的脫節；中學生對符號表征的比較模糊，宏觀表征與微觀表征的轉換存在障礙；任何一種表征出現問題都會不同程度上影響學生三重表征的水平與能力。[3]

而造成上述常見狀況的原因在于，化學教師對于物質微觀結構的教學手段較為單一，多數是單純地通過黑板圖示來演示微觀粒子的結構和運動規律；學生學習微觀表征的方法比較有限；化學教材中知識表征的表示方式不同，影響學生對知識的理解程度；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，等等。

綜上所述，基于化學學科的學科特點，研究者普遍認可培養學生以“宏觀—微觀—符號”三重表征的角度看待化學問題，并認為三重表征是相互有機聯系的，培養學生三重表征轉化能力也是培養學生化學學科能力的關鍵。但由于教師教學方式、學生學習能力、教材表征方式等因素造成學生無法獨自建立三重表征能力，導致“宏觀—微觀—符號”相互轉化的能力十分薄弱。另外在研究方法上，已有研究多采用問卷調查法及訪談法，對照法進行相應研究。已有研究的不足之處主要體現在：研究較為籠統，沒有將所謂的“宏觀現象”進一步解構，導致對此蜻蜓點水、不求甚解，從而導致對于如何有效地培養這一能力，依然需要進一步深入的研究。

二、學生化學三重表征能力的測查

本研究對北京市普通中學的高二學生進行了有關化學反應的三重表征能力測查，發放測試卷210份，回收有效測試卷196份，有效率為93.3%。正如上文所述，已有研究沒有對具體的“宏觀”內涵進行解構。本研究擬將“宏觀”解構為顏色、狀態、氣味、聲音、能量（外顯表現為是否發光、溫度變化、電流計是否偏轉）、速率（外顯表現為顏色變化、氣泡產生、生成沉淀等的快慢）等六個維度。從而考查學生對六個維度的掌握程度，以及相關的“微觀”及“符號”表征的能力。

1.微觀與符號：大部分學生能較好地利用符號來表征微觀世界

在微觀與符號維度，學生不能很好地對溶液體系的微觀粒子進行分析。比如考查學生寫出水的電離化學方程式并用微觀示意圖表示反應過程。有67.9%的學生有化學反應中斷鍵成鍵的意識；但有14.2%的學生無法正確地分析水中的微觀粒子，認為水中存在氫離子和氧離子，電解時他們各自得失電子生成氫氣和氧氣；有60.7%的學生能較好地用微觀示意圖表示水的電解，多采用比例模型進行解釋。對水的電解這樣一個熟悉的反應，雖有一定的學習基礎，但是學生并未能夠很好地認識到化學反應的本質，并對溶液體系中離子組成的分析存在一定知識性問題。

進一步考查溶液中的離子活動，比如分析CH3COONa溶液為什么pH＞7時，約有30%學生認為是由于氫氧化鈉的堿性強而醋酸酸性弱，導致溶液呈堿性，沒有考慮到水的電離平衡以及水解維度。只從字面上機械記憶：誰強顯誰性，卻難以分析出鹽類電離出來的陰陽離子影響了水的電離平衡，從而導致溶液的酸堿性。通過關于微觀與符號維度的研究，我們發現，學生無法將反應的微觀本質與化學符號、化學方程式很好地建立轉化關系。雖然學生能理解符號的意義，但對符號表征的微觀世界無清晰的認識。并且學生對微觀粒子的認識局限在原子要用圓球來表示的程度，對分子原子無豐富的認識。

2.宏觀與微觀：大部分學生認為兩者之間存在鴻溝，缺乏二者相互聯系的能力，并且對物質性質與內部結構的認識是割裂的

（1）顏色方面。學生在回答測試題“同樣是鐵元素為什么含二價鐵離子溶液呈淺綠色，含三價鐵離子的溶液呈棕黃色”的時候，僅有17.9%的學生能回答出與離子的電子層結構有關，其中僅有10.7%的學生能回答出顏色與離子吸收光的程度有關。有高達82.1%的學生表示是常識，從沒考慮過這個問題，甚至有的學生直接反問“1加1為什么等于2”，這充分說明了學生認為化學物質有顏色是理所當然，而未從微觀的角度考慮過內在的原因。在考查影響物質顏色的因素時，僅有一名學生考慮到物質的狀態，如氧氣與液氧，兩者雖為同一物質但狀態不同導致顏色各異。進一步考查狀態的影響因素時，大部分學生能認識到物質狀態與分子間距有關，但沒有一人能回答出狀態與晶體類型有關。

（2）氣味方面。學生在回答“為什么會聞到化學藥品的氣味”時，有67.9%的學生能以案例的方式回答，如易揮發性的醋酸、氨水、鹽酸等。其要點都在于分子的不斷運動，卻沒有學生回答出聞到氣味也是化學物質與受體細胞的一種微觀反應。

（3）聲音方面。在回答“某些化學反應過程中為什么出現聲音”時，大部分學生能舉出實例，集中為鈉與水反應的“嘶嘶”聲及氫氣驗純的爆鳴聲，他們從氣體產生的角度對化學反應的聲音進行解釋。但僅有46.4%的學生能夠從較為微觀的角度解釋，這部分學生中的一少半還能從能量角度進行考慮，表明學生極少從微觀的角度來考量聲音這一宏觀的體驗。

（4）化學反應速率方面。學生能夠從氣泡產生、沉淀生成的快慢等宏觀現象判斷化學反應進行的快慢。但僅有49%的學生在追問下回答化學反應快慢與微粒單位時間內有效碰撞有關。如解釋“對反應N2（g）+3H2（g）?2NH3（g），△H=-92.4kJ/mol來說，增加氫氣濃度或升溫會加快反應速率”時，絕大多數學生錯誤地認為是平衡移動影響了反應速率，分不清化學動力學問題與熱力學問題。極少數的學生提到了濃度增加導致反應混合物之間接觸更充分從而速率加快，但卻沒有學生明確指出是有效碰撞概率增加導致化學反應速率加快。

（5）能量方面。學生知道化學反應能量有多種形式，包括光能、電能、熱能等形式，化學反應能量與化學反應成鍵與斷鍵有關。但在分析“為什么同一個反應方程式如2H2+O2=2H2O，既可以產生光能、熱能，還可以作為氫氧燃料電池產生電能”時，有46.4%的學生答出是由于反應條件的不同導致物質轉化相同但能量轉化卻不同。但只有一名學生對反應條件進行了詳細論述，認為投料比例、催化劑及反應物物態都會影響能量的轉化。沒有任何人提到反應發生的裝置問題，表明學生沒有從微觀的角度去理解原電池的原理。

綜上所述，在宏觀與微觀維度，學生對于化學反應的現象變化如顏色、狀態、氣味、聲音等問題熟視無睹、習以為常，大多當作常識性知識來死記硬背的，沒考慮過這些宏觀現象背后的微觀原因，沒有很好地建立起物質結構決定性質的這一觀念，從而宏觀與微觀之間的有機聯系被生硬割裂。而對于化學反應速率部分，大部分學生無法分清動力學問題與熱力學問題，將二者混為一談，關鍵的一點是沒將微觀粒子有效碰撞與宏觀上我們觀測到的速率變化建立聯系。

3.宏觀與符號：絕大部分學生難以用符號來表征宏觀現象的數量關系

在宏觀與符號維度，學生能很好地掌握一些宏觀物質及其對應的化學符號、反應方程式等。經過訪談，學生普遍表示沒什么捷徑，基本都是背誦下來的。而對于定量關系方面的考查，我們發現學生會根據化學計量數，能夠進行相關問題的簡單計算，他們往往按照教師強調的解題程序，知其然而不知其所以然。如向氯化鋁溶液中滴加氫氧化鈉溶液，考查學生是否掌握這一反應。發現絕大部分學生能寫出兩者反應生成氫氧化鋁沉淀的方程式，只有少部分學生在沒有提示反應物量的情況下，寫出了過量的氫氧化鈉進一步和前期生成的氫氧化鋁沉淀反應。進一步考查量化的反應，即已知溶液中含有0.2mol氯化鋁和0.7mol氫氧化鈉，發現絕大部分學生束手無策，只有極個別的學生寫出了正確的反應方程式：2AlCl3+7NaOH=Al(OH)3+NaAlO2+6NaCl+2H2O。這充分表明，絕大部分學生難以用符號來表征宏觀現象的數量關系。

4.“宏觀—微觀—符號”三重表征的構架

如上所述，對于化學反應宏觀現象我們可以從物質的顏色、狀態、氣味、聲音、能量、速率這幾個方面進行微觀角度的分析。從調查結果及學生訪談可知，學生對于這些化學現象的微觀本質并沒有思考過，從而導致他們主要以機械背誦的方式來學習化學。基于此，可以整合構建化學反應的“宏觀—微觀—符號”三重表征關系（如表1），從而促進學生三重表征的內在一致性認知。

（1）顏色方面。化學物質顯色主要與其粒子中電子的分子軌道有關，由于分子軌道之間的能級差較小，可見光照射到分子時，會因能級躍遷而被部分吸收，從而該分子的反射光就是其他未被吸收的單色光的復合色，因而該化學物質就會顯色。當有些物質和它反應時，生成了新分子，而新分子的分子軌道能級差較大，不吸收光，發生完全反射，因此就褪色了，如常見的酸性高錳酸鉀溶液反應后褪色。

表1 “宏觀—微觀—符號”三重表征關系

（2）狀態方面。物質狀態與物質內部結構有著不可分離的關系，包括物質的自身性質。比如晶體類型，分子晶體、離子晶體還是原子晶體，有無氫鍵；物質的溫度、壓強等外部條件，對微粒之間的距離及物質狀態有著重要影響。

（3）氣味方面。分子是不斷運動的，我們聞到氣味是化學物質與生物感受器作用的結果。嗅覺是由物體發散于空氣中的物質微粒作用于鼻腔上的感受細胞而引起的。在鼻腔上鼻道內有嗅上皮，嗅上皮中的嗅細胞，是嗅覺器官的外周感受器。嗅細胞的黏膜表面帶有纖毛，可以同有氣味的物質相接觸。接觸后，通過神經傳導，將信號傳導到大腦，產生嗅覺，比如氯氣、氨氣等的刺激性氣味。

（4）聲音方面。物質發生反應時瞬間體積急劇膨脹或瞬間放出大量能量，可能發生爆炸，會引起容器壁劇烈振動，分子撞擊器壁，從而發出爆鳴聲，同時在溶液體系中氣泡破裂也會發出聲音。

（5）能量方面。化學反應中，舊化學鍵斷裂吸收的能量與新化學鍵生成放出的能量之間存在能量差，從而有能量的轉化。而能量具體轉化形式與反應條件、發生裝置以及反應的劇烈程度有關。比如正是由于發明了原電池裝置，才能順利地將化學能轉化為電能，為人類社會進步做出重要貢獻。

（6）速率方面。化學反應速率往往可以通過觀察宏觀現象（顏色變化、氣泡產生、生成沉淀等）變化的快慢來判斷。內因與物質自身性質有關，如化學鍵強弱、氧化性還原性的強弱；外因有溫度、濃度、壓強、溶劑化效應、有無催化劑等。從微觀上講，反應中單位時間內活化因子的有效碰撞的多少決定了化學反應的快慢。

三、三重表征能力建構的教學建議

通過上述的調查分析，我們可以看出學生在化學反應的三重表征能力方面存在較為嚴重的問題。比如無法從多個角度看待化學反應與現象，從而導致了很多知識性的問題與迷思概念。在化學學習過程中，往往死記硬背化學現象、知識，概念、原理等，而且視其理所當然，沒有深入地去理解和分析背后的原因，以致“宏觀—微觀—符號”三重表征能力欠缺，尤其缺乏對三者之間的內在一致性的認識。為了改變這一現狀，可以從以下三個方面入手。

1.結合化學史，挖掘化學符號背后的歷史意義

在教學中，我們應充分利用豐富的化學史資源，幫助學生理解符號的由來及含義，培養學生對“符號”本身歷史意義的深度認知。從而突出符號的宏觀與微觀意義，強化微粒作用觀的形成，幫助學生理解符號在微觀與宏觀之間搭建橋梁的重要意義。比如“H2O”這一化學符號，它是什么意義呢？宏觀層面，它指的是一種通常狀況下無色無味的液體，是生命之源，是人類社會生活不可或缺的重要資源；微觀層面，它指的是兩個氫原子和一個氧原子通過共價鍵結合成一個水分子。如果讓學生去機械背誦這些，則失去了化學符號本身承載的意義。

通過分析化學史料發現，1803年道爾頓發表了原子學說，他認為自然界存在著不可分割的原子。若兩種元素只能形成一種化合物，則在該化合物中只含有每種元素的一個原子，所以水的簡寫表達式被定為“HO”。1805年蓋呂薩克發現，在相同溫度、壓力下，氣體反應中各氣體體積互成簡單整數比。例如氫氣和氧氣化合成水蒸氣，體積比恰好是2∶1∶2，據此他提出了一個假說，在相同溫度和壓力下，同體積的不同氣體含有原子的數目相同。但是道爾頓堅決反對蓋呂薩克的這一假說，因為若成立，那必然會推出半個氧原子存在的結論，即O＋2H→2HO，那么一個水分子的形成就如：1/2O＋H→HO。然而道爾頓的原子論認為簡單原子是不可分割的。1811年阿伏伽德羅為了解決這一矛盾，提出了“分子假說”。他認為，無論是單質還是化合物，在原子之上還存在一個分子層次；單質分子由同種原子組成，化合物分子由不同種原子組成；化學反應實質上是不同物質的分子間各原子的重新組合。因為，氫氣和氧氣的化合就是2個氫分子（包括4個氫原子）和1個氧分子（包括2個氧原子）結合成2個水分子的過程，即2H2＋O2＝2H2O。

我們從歷史的角度來挖掘化學符號“H2O”的意義，發現化學符號不是隨便提出的，它是基于已有的知識基礎和實驗數據而確定的。另外，沉淀下來的符號一定是目前認識范圍內正確的，即要經得起實驗的考驗。蓋呂薩克假說，導致半個原子的存在，而這顯然與道爾頓假說的原子不可分矛盾。阿伏伽德羅假說之所以能成為理論，是因為解決了上述矛盾，能成功地解釋氫氣和氧氣化合成水蒸氣的過程中三者體積比這一宏觀現象。如果在教學中，簡化上述歷史過程，讓學生經歷探究，那么學生對化學符合“H2O”的認知就不會停留在表面，而是深度蘊含了原子論、蓋呂薩克定律以及分子學說等，合理地通過符號“H2O”構建了無色液體水與氫氧原子微觀結合的系統認知。

2.從定量的角度，用符號來精準表征宏觀和微觀世界

上文的分析表明，絕大部分學生難以用符號來表征宏觀現象的數量關系。另有研究也表明，大部分學生對定量僅有表層淺顯的認識，沒有深度的認知。他們并不清楚定量的重要性，不了解化學現象背后的量的關系，更不清楚量的關系體現了化學反應的本質關系。例如把二氧化硫氣體通入澄清的石灰水中，澄清的石灰水變渾濁，此實驗可以定性地檢驗刺激性氣味的二氧化硫。但是在實驗過程中若繼續通入二氧化硫氣體，則發現溶液變渾濁后，又由渾濁變為澄清。這是由于二氧化硫與澄清的石灰水反應生成白色沉淀亞硫酸鈣，若繼續通入二氧化硫則生成的沉淀繼續與過量的二氧化硫反應生成易溶于水的亞硫酸氫鈣。其實定量的意識在化學學習乃至整個科學研究中的作用都不容忽視，我們應對學生進行針對性的指導，讓學生在實驗中動手操作、動腦思考，做到手腦并用。

因此，培養學生的三重表征能力，定量的化學實驗是重要的切入口。讓學生從宏觀現象的變化，去探求微觀的量變，從而正確地用符號表征，深刻構建宏觀與微觀的精致化關聯，準確把握化學理論與實驗現象之間的關系。教材中有許多表述，如果不從量的角度去思考微觀層面的原因，學生難以理解。如乙醛與新制的氫氧化銅反應時，氫氧化鈉需要過量。為什么呢，由于生成的氧化亞銅在堿性環境中才能穩定存在。就像康德名言所說，“在自然科學的各門分支中，只有那些能以數學表達的分支才是真正的科學”。從這個層面上來說，定量實驗是對定性實驗的升華，它讓學生從表層的宏觀現象進入了微觀的本質的原理，讓量化的化學符號精準地將宏觀和微觀兩個割裂的視域緊密聯系起來。

3.培養學生獨特的化學眼光：條件反射地以三重表征來認識化學問題

前已述及，學生看待問題時，化學學科特色的眼光還遠未形成，也就是說沒有入木三分地將宏觀現象到微觀本質進行持續深入的洞察。要么看到現象，淺嘗輒止；要么從化學原理分析，無視現實條件的限制；要么難以用符號正確地表征已知的宏觀或微觀世界。因此，培養學生一種獨特的能力就顯得非常重要，即看到一個問題，瞬間就條件反射地從微觀、宏觀、符號三個視角去深入探討。當今，信息技術飛速發展，化學理論與技術也是日臻完善，我們緊密結合化學前沿，充分利用模型、圖片、多媒體等直觀教具，來幫助學生建立宏觀與微觀的聯系。如直接給出最新化學技術“拍攝”出來的分子、原子的“照片”，讓學生直觀地感知原本看不見的微觀粒子。除了直觀，培養學生的理性思維也非常重要，這樣才能將宏觀的辨識與微觀的探析深度一致地結合起來。

例如金剛石和石墨。宏觀層面上，金剛石是目前地球上最堅硬的物質，于幾十億年前在地下深處高溫高壓下結晶而成。硬度最大，折射率高、色散性強，所以看起來五彩繽紛。石墨，其名稱源于希臘文，原是“用來寫”的意思，常用作鉛筆芯，質軟，有滑膩感，可導電。兩種物質風馬牛不相及。微觀層面上，拉瓦錫等人燃燒金剛石發現得到的竟然是二氧化碳，從而表明它與石墨互為同素異形體。性質的迥異，源自結構的不同。二十世紀初，人們用X射線研究金剛石晶體內原子的存在形式，發現每一個碳原子都與周圍的四個碳原子緊密結合，形成一種正四面體的致密結構，碳原子間距離為154pm。而石墨的結晶格架為六邊形層狀結構，每一層間的距離為340pm，同一網層中碳原子的間距為142pm，具有完整的層狀解理。解理面以分子鍵為主，對分子吸引力較弱，故其質軟，滑膩感強。化學符號表征方面，金剛石化學性質穩定，具有耐酸性和耐堿性，高溫下不與濃HF、HCl、HNO3作用。石墨常溫下也比較穩定，燃燒時生成二氧化碳或一氧化碳，可與氟直接反應，具有還原性，在高溫下可以冶煉金屬。通過這樣的引導，學生就會以三重表征整合的視野，將復雜的化學問題進行深入系統的思考，從而行成化學學科的核心素養。▲

[1]畢華林.化學學習中“宏觀—微觀—符號”三重表征的研究[J].化學教育，2005，26（5）：51-54.

[2]梁永平.微粒作用觀的科學學習價值及其科學建構[J].化學教育，2003，24（6）：6-10.

[3]吳晗清.化學實驗中學生定量概念的建構[J].化學教育，2013，34（7）：70-72.