初中學生化學四重表征的思維方式

摘? ?要

從宏觀、微觀、符號、曲線等四重表征層次上，引領學生深度學習和理解初中化學知識，并逐漸構建多重表征的內在聯系。它是初中化學學習的重要思維方式，也是培養學生形成多重思維方式的重要教學途徑。通過相關的數字化實驗分析，幫助學生形成宏觀、微觀、符號、曲線等表征及其相互聯系生成二重、三重、四重表征思維方式，重點介紹運用微觀、曲線等類型實驗圖形進行教學實踐的案例及其分析，希望這些研究成果有助于初中化學教師培養學生“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征的思維方式。

關鍵詞

數字化實驗? 初中化學? 四重表征? 思維方式

多重表征理論是應用于概念教學的理論，概念的多重表征理論研究與化學概念教學研究的融合是一線化學教師研究的熱點和焦點。1982年來自蘇格蘭的約翰斯頓首次提出了化學“三重表征”模式（宏觀-微觀-符號），有關學生化學概念的三重表征[1]理論和教學實踐研究就此遍地開花。錢揚義教授在手持實驗即時收集數據和自動生成曲線的技術背景下，2009年首次提出“曲線表征”的定量分析方法，并構建化學“四重表征”[2]的教學范式，包括“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征。其中“曲線表征”是以手持實驗（微型數字化實驗）所得曲線為分析模板，學習者要將曲線的起點、終點、拐點等關鍵點、曲線變化趨勢及不同線段與宏觀實驗現象、微粒變化和化學方程式等符號建立聯結，最終在頭腦中以坐標圖曲線的形式反映實驗中因變量與時間變量的關系。“化學四重表征”研究的最大意義在于將化學教學與互聯網工具、傳感器等強大電子信息技術融為一體，研究價值和教學影響深遠。面向信息化時代，在化學學科教學中，教師需要積極重視培養學生的“宏觀-微觀-符號-曲線”多重表征（見圖1）的思維方式。

這幾種表征方式不僅能在大腦中獨立呈現，而且它們之間也能相互作用，形成“宏觀-微觀”“宏觀-符號”“微觀-符號”“宏觀-微觀-符號”等多重表征，甚至還能共同作用形成學生對化學知識“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征思維方式。但是，初中學生抽象思維能力還比較薄弱，尤其對“微觀”“符號”“數字化曲線”等在生活、實驗中看不見、摸不著的一些化學學科特有的表征材料，不能在自己的頭腦中進行有效的信息加工。為此，在總結教學經驗和深入專題研究的基礎上，我們進行數字化實驗分析，幫助學生形成宏觀、微觀、符號等表征及其相互聯系生成二重、四重表征思維方式，重點介紹運用微觀類型實驗圖形進行教學實踐的案例及其分析，希望有助于初中化學教師培養學生“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征的思維方式。

一、“微觀”表征是四重表征思維方式的重要基礎

初中學生剛開始學習化學實驗，在描述現象、分析實驗、得出結論等方面還不會觀察、記錄、分析和研究。他們對宏觀表征的思維基礎主要來源于生活經驗，尤其是在八年級第一單元的化學學習中，學生還沒有建立宏觀表征系統，更沒有微觀表征的思維能力。關于宏觀表征系統的構建，教師可以運用有關實驗類型的教材插圖，幫助學生學會用化學的特有語言闡釋化學實驗和科學探究。

從身邊的一杯水開始研究，面對宏觀的一杯水，我們想過水是由什么構成的嗎？其實，在一滴水中就含有約1021個水分子，如果運用一種工具，可以看到每個水分子的結構（見圖2）。同理，我們用這種思維方式還可以研究：氫氣和氧氣是由什么構成的？氫分子和氫原子有什么區別？1個氧分子和2個氧原子有什么區別？（見圖3）通過課本中的插圖，我們可以直觀地“看到”微觀粒子，而且通過這種微觀表征的思維方式，認識到世界是物質的、物質是由微粒（分子、原子等）構成的。

二、“宏觀-微觀”“宏觀-微觀-符號”表征是四重表征思維方式的橋梁

1.“宏觀-微觀”二重表征

學生構建來源于生活的宏觀表征系統相對微觀表征系統要快一些，比如學會觀察、描述化學變化的現象，分析化學現象的本質，得出化學科學探究的結論。這些學生明顯感到相對比較容易接受，也能夠拾階而上、順應宏觀表征的內在聯系和形成，最終初步形成化學學科特有的宏觀表征系統。從而，學生不僅能夠做化學實驗，還能提出問題、設計化學實驗，進行深入的化學科學探究。雖然學生經過學習能夠構建宏觀表征系統和微觀表征系統，但是如何搭建“宏觀-微觀”二重表征系統，探究它們的內在聯系和互動關系，這是學習化學的關鍵和重點之一，也是形成四重表征思維方式的橋梁。教師可以通過水的蒸發和水蒸氣的冷凝這兩個簡單的、常見的物理變化來引導學生學習和構建。在雨后初晴的炎炎夏日，道路上留下了雨水的“散兵游將”，經過太陽“無情”的照射，水蒸發了，不一會就悄無聲息的“走了”。教師可以通過水變成水蒸氣這幅教材插圖，形象直觀地展示出水分子是如何運動的：首先它們吸收了太陽光的能量，運動速度加快，克服了水分子之間的相互作用，它們的間隔變大了，然后它們離開液體表面，逐漸運動到空氣中去了，所以水蒸發了。為了鞏固“宏觀-微觀”二重表征的思維方式，課本緊接著還通過水蒸氣變成水這幅教材插圖說明了：水燒開后，水分子獲得了足夠的能量，離開水面向鍋蓋處運動，同時，鍋蓋開始的溫度比較低，水蒸氣中的水分子遇到冷的鍋蓋失去了能量，運動速度減慢，因為水分子間的相互作用而間隔變小了，然后它們聚集在鍋蓋的內側，凝結成水滴，所以水蒸氣變成水了。

教材借助水的三態變化，學習和構建“宏觀-微觀”二重表征系統，后面的教材中還用水通電分解化學變化的案例，徐徐深入“宏觀-微觀”二重表征系統，使學生能夠舉一反三、左右逢源，靈活運用這種思維方式進入化學學科的殿堂，重新認識整個物質世界。

2.“宏觀-微觀-符號”三重表征

建立了“宏觀-微觀”二重表征系統還不夠，對于形成“宏觀-微觀-符號”三重表征思維方式來說，最難的是構建“微觀-符號”二重表征系統，它是學習化學用語的難點，也是初中學生深入學習化學的一個分水嶺，具有承前啟后的重要作用。

通過學習，學生知道用元素符號可以表示某種元素，也可以表示這種元素的一個原子，這就是最簡單的從宏觀概念“元素”到微觀概念“原子”以及相應表示符號的內在關聯，形成最基本的“宏觀-微觀-符號”三重表征系統，但是關于“微觀-符號”這個二重表征系統還需要加強和鞏固。教材在展示物質的組成與化學式的關系（見圖4）時，重點介紹了微粒構成物質的三種情況以及與相應化學式的關系。

按照學習教材的順序，首先以水為例，研究了由分子構成的物質，如何用相關的元素符號來表示水這種物質、表示構成水的分子。這樣就建立了一個從宏觀概念“水”到微觀概念“水分子”以及相應表示符號（即水的化學式H2O）的“宏觀-微觀-符號”三重表征系統。通過圖中第三行第三個微觀圖“一個水分子”的展示，明確了每個水分子中含有1個氧原子和2個氫原子。從“微觀-符號”二重表征的角度，重點說明了化學式“H2O”中字母H表示氫原子、O表示氧原子、2表示每個水分子中含有2個氫原子，同時按照化合價“正價在前負價在后”的一般規律，把字母H和下標數字2排在字母O的左側，最后形成了符號-水的化學式“H2O”。

然后，以金屬銅為例，研究由原子構成的物質與化學式的關系，形成“金屬銅-銅原子-化學式Cu”的三重表征思維方式;以氯化鈉為例，了解由離子構成的物質與相應化學式的關系。只不過要通過第二行第二幅圖片，使學生明確NaCl中沒有單個的NaCl分子，而是在鈉離子和氯離子大量聚集的晶體結構中，Na+和Cl-的個數比為1∶1，因此氯化鈉的化學式為NaCl。

三、“宏觀-曲線”表征是構建四重表征思維方式的激發點

實驗教學是在大時代背景下的師生探究活動，在“互聯網+教育”的潮流中，我們需要對實驗教學儀器和實驗教學觀念進行更新，跟上時代發展節奏，甚至為未來培養需要的創新人才。

筆者有幸作為評委全程參與了淄川區初中化學優質課評選的活動，在經過模擬講課的初賽之后，決賽的選手們以魯教版五四學制九年級全一冊化學教材第二單元第四節“酸堿中和反應”為課題進行課堂教學“比拼”，有的選手播放視頻讓學生觀看數字化實驗過程，有的選手展示圖片讓學生思考數字化實驗，有的選手準備學生分組實驗讓學生親身體驗數字化實驗過程等等，真是“八仙過海、各顯神通”！

不過，選手們在課堂教學中體現出來的教學觀念和教育理念卻參差不齊、大相徑庭。有的選手為了實驗而單純地讓學生“照貓畫虎”，學生只有動手體驗和表層感覺，沒有深度學習和重新思考;有的選手為了烘托課堂氛圍和完成教學任務而選擇播放視頻，讓學生“走馬觀花”，也沒有認真分析數字化實驗;有的選手雖然只是進行了演示實驗，卻是挖掘了曲線表征教學資源的教育價值，通過和學生一起觀察宏觀實驗現象、聯系微觀粒子的變化實質、用離子符號表示反應的實質、思考曲線中的3個特殊點，從而得出對應曲線和宏觀現象之間相互關聯的實驗結論。

通過觀課活動，思考在教學實踐中如何貫徹“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征教學觀念和培養學生深度學習思維方式等問題，教師通過什么方式展示數字化實驗過程不是最重要的，比如圖片、視頻、手持實驗等等，重要的是教師以什么教學觀念和教學理念引領課堂教學活動，哪怕是用最原始的板書和板畫等呈現方式，也不能妨礙教師充分挖掘這個曲線表征與其他表征密切聯系教學資源的教育價值。層次決定高度，教學技術是為教育教學服務的，沒有先進的教育理念和教學觀念引領，再“高大上”的教學呈現方式都是徒勞的[6]。只有明確了四重表征之間，尤其是“微觀-符號”“宏觀-曲線”等表征之間的內在聯系，學生才能真正理解和靈活運用化學用語進行“讀、寫、算”;只有讓學生自主進行交流，學會解決問題的思維方式和具體方法，才能從簡單的模仿逐漸變成自主的思考，達到熟練掌握化學學科概念的目標。

總之，合理利用數字化實驗、虛擬實驗等教學儀器和技術進行化學教學，是為了達到形象、直觀、激發四重表征思維方式的目的。基于數字化實驗分析不僅僅重視微觀觀念的教學，還啟發學生通過表征之間的內在聯系，構建“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征的思維方式。教教材不如用教材教，看實驗做實驗不及用實驗思考，希望通過數字化實驗圖形分析的研究，啟發老師們更多的“想象力”，讓它為實驗教學研究插上“信息化”的翅膀，把數字化實驗圖形從紙上深入腦中，不僅僅教會學生化學知識，更要提升學生的化學思維方式。

參考文獻

[1] 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（05）：51-54.

[2] 林建芬， 盛曉婧，錢揚義.化學"四重表征"教學模式的理論建構與實踐研究——從15年數字化手持技術實驗研究的回顧談起[J].化學教育（中英文），2015（07）：1-6.

[3][4][5] 畢華林，盧巍.義務教育課程標準實驗教科書化學（八年級全一冊）[M].濟南：山東教育出版社，2013：6，7，66.

[6] 光程.數字實驗室在ThinkQuest項目學習中的應用——選擇“刻繪材料”的化學數字實驗探究[J].中小學信息技術教育，2013（03）：71-75.

【責任編輯? 郭振玲】