“三重表征”下化學實驗教學的探索與創新

摘 要：實驗是化學學科的重中之重。傳統的化學實驗教學多以實驗操作細節以及對應的化學反應原理為主要教學內容，忽略學生綜合素養培育。“三重表征”理念是基于“微觀—宏觀—符號”三個水平認識和理解化學知識的思維方法，在化學教學中起著至關重要的作用。文章結合“三重表征”理念，對化學實驗教學進行創新探索，嘗試利用“三重表征”理念賦能化學實驗教學，促進學生化學實驗學習效率提高。

關鍵詞：“三重表征”；初中化學；實驗教學

作者簡介：劉瑩（1985—），女，江蘇省高郵市車邏鎮初級中學。

一、基于心理建構，探析實驗教學關鍵

“三重表征”理念下的化學實驗教學，首先應該讓學生學會應用“三重表征”，即利用不同的表征形式理解和表述化學實驗。在準確表述的基礎上，再引導學生深入探索化學實驗背后的規律，進而實現對學生化學實驗能力以及學科素養的培養。

（一）宏觀表征，觀察現象變化

宏觀表征是“三重表征”中的基礎表征方式，它強調通過觀察物質的形狀、顏色等直觀表現，將化學實驗過程描述出來。這種方式能夠直觀呈現化學實驗中的現象變化，有助于學生建構對化學實驗的宏觀理解［1］。

通過宏觀表征，我們可以將化學反應與實際現象聯系起來，使化學反應不僅能用抽象的文字進行描述，還能夠以可視化的方式存在于學生的腦海中。比如，在學習“金屬的化學性質”這一節時，學生需要對不同金屬的可燃性進行探析，觀察各種金屬的燃燒現象。鎂在空氣中燃燒的化學方程式為2Mg＋O2=2MgO，這一反應的現象可用文字表述為“發出耀眼白光，放熱，生成白色物質”。學生可以通過多媒體視頻或實際實驗，觀察這一反應的宏觀現象，從而更深入地理解化學反應的現象變化。宏觀表征是理解和記憶化學實驗的基礎表征方式，它以直觀的方式呈現化學反應的現象變化，不僅能培養學生的化學實驗興趣，還能為學生將來深入理解微觀層面的化學知識以及掌握符號表達奠定基礎。

（二）微觀表征，跨越理性認知

從宏觀感受表征跨越到微觀認識表征，是從感性認知到理性認知的重要轉變。化學反應的實質是在化學反應中分子分裂為原子、離子，原子、離子重新組合形成新的分子，因而通過微觀表征理解化學反應過程，對于學生理解化學規律，深刻掌握各種化學結構式和基本化學概念有著十分重要的作用。

將宏觀層面上的現象變化與微觀粒子之間的反應聯系起來，是一種有效的微觀認知方法。比如，在學習“酸與堿的中和反應”這一節時，對于這兩種物質之間的化學反應，教師可以引導學生探討兩者的微觀反應與宏觀現象之間的關聯。首先，向裝有NaOH溶液的試管內滴入酚酞，可以觀察到溶液變紅，這是因為試管中含有OH-離子。然后，用滴管逐滴向溶液內滴入HCl溶液，從宏觀角度可以觀察到紅色逐漸變淡，最終變為無色。這一宏觀現象的變化對應了試管內的OH-離子與H+離子之間的結合，具體反應為OH-＋H+=H2O，而溶液中的Na+離子則與Cl-離子結合得到NaCl，即實現了酸堿中和，得到了對應的鹽和水。在上述實驗教學中，教師引導學生從宏觀現象的變化分析對應的微觀粒子反應過程，能有效培養學生的化學微觀表征意識，幫助他們更好地理解化學反應的內在原理，實現從宏觀認知向微觀理解的認知跨越。

（三）符號表征，形成科學體系

符號表征是化學學科的精髓，它是建立化學科學體系、確立宏觀物質現象與微觀化學組成之間邏輯關聯的必要紐帶。在實驗教學中，教師應注重符號表征的滲透，有意識地培養學生運用化學符號來描述化學組成、分析化學反應過程的能力［2］。

讓學生明白如何用元素符號與數字表示物質組成，以及能夠使用化學式準確描述化學反應的過程是提升學生符號表征能力的有效手段。比如，在學習“水的組成”這一小節時，學生可以通過電解水實驗來探究水的成分。通過觀察實驗現象，學生可以總結出：電極上出現氣泡，正極產生氣體體積與負極產生氣體體積比為1∶2，正極產生的氧氣能使帶火星的木條復燃，負極產生的氫氣能夠燃燒，形成淡藍色火焰。通過分析這兩種氣體，學生可以得出水由氫原子和氧原子構成，其比例與產生氣體的比例相同的結論。由此歸納可知，水分子的化學符號表達式為H2O，對應的電解水化學方程式可以表達為2H2O=2H2↑＋O2↑。這一過程有助于學生清晰、準確地建立關于化學分子及其相關反應的知識體系架構。化學符號是化學學科的重要工具，教師必須重視符號表征能力的培養，聯系宏觀物質現象與化學微觀反應過程，助力學生養成良好的化學符號表達習慣。

二、指向思維能力，探析實驗教學階段

初中階段是培養學生化學思維能力的重要階段，初中化學實驗課程設計應以學生的認知心理特點為基礎，實現“三重表征”思維的滲透。從認知心理學角度出發，我們可以將“三重表征”思維的培養分為習得、轉化與自動三個階段。

（一）習得階段，熟悉基本規律

習得階段是“三重表征”理念下實驗學習的基礎。在這一階段，學生需要了解實驗反應物的基本性質，掌握實驗的化學反應規律。因此，教師在這一階段應通過情境創設和借鑒生活經驗等方式，幫助學生熟悉基本的化學反應規律，從而為學生理解三種表征方式奠定基礎。

舉例來說，在學習“粗鹽中雜質的去除”這一節時，教師一般先向學生介紹粗鹽雜質的種類以及去除雜質的常見方法，并解釋各種方法對應的化學反應原理。比如，常見的雜質去除方法包括將雜質轉化為提純物質、沉淀或氣體，對于粗鹽中的MgCl2、CaCl2、Na2SO4等可溶性雜質，我們可用沉淀法除雜，即在混合物中加入某種試劑，使雜質形成沉淀后通過過濾除去。然后，教師可以讓學生簡單了解各個方法對應的化學反應，比如MgCl2+2NaOH=Mg（OH）2↓+2NaCl。在這一階段，學生從理論基礎層面了解了化學實驗的目的，掌握了通過化學反應達成某種目的的反應原理，以及實驗中出現的各種宏觀現象，這為他們后續理解多種表征方式提供了支持。

（二）轉化階段，指導信息加工

轉化階段的主要內容為通過實驗觀察與理論分析，對習得階段獲知的實驗原理進行模型建構，厘清化學反應中宏觀現象與微觀粒子反應之間的邏輯關聯，同時通過符號形式準確辨析對應的化學反應過程，實現信息的深度加工。

轉化階段的重點在于根據信息加工理論，將習得階段所獲取的宏觀現象和微觀反應原理相結合，建立化學關聯，實現多種表征方式間的相互轉換。在“粗鹽中雜質的去除”這一節的講解中，學生需要結合習得階段的了解，分析反應的微觀變化規律。例如，粗鹽提純過程涉及處理粗鹽溶液中包含的Mg2+、Ca2+以及SO42-，通過加入OH?-、CO32-以及Ba2+三種離子引發反應，使其分別轉化為三種固體鹽類，然后通過過濾進行提純。學生用符號式對上述過程進行表述，從而實現宏觀、微觀以及符號三種表征形式的信息轉化。這一學習階段能幫助學生建立不同表征方式之間的化學關聯，使其能夠熟練地進行不同表征方式的表述轉換，從而加深學生對化學知識的理解和記憶。

（三）自動階段，解決具體問題

自動階段是學習“三重表征”的最終環節，旨在培養學生的“三重表征”應用能力，使他們能夠在解決化學問題時，靈活地運用宏觀、微觀和符號三種表征方式，理解化學反應的內涵。例如，在學習“粗鹽中難溶性雜質的去除”這一節后，教師設置問題如下：

粗鹽中難溶性雜質通常采用“溶解—沉淀—過濾—蒸發結晶”的方法去除，下列可采用上述原理處理的物質及雜質是（? ?）

A.C（CuO）? ? ? ? ? B.NaCl（KCl）

C.KCl（MnO2）? ? D.CaO（CaCO3）

對于這一問題，學生首先需要聯想到粗鹽中難溶性雜質去除的原理，即通過溶解將需去除的物質溶解于水中，從而將難溶物質進行沉淀和過濾。因此，學生需要判斷每個選項中的物質和雜質是否分別是可溶以及難溶物質：由于A和D選項中的物質和雜質均為難溶性物質，因此無法去除，而B選項中的物質和雜質均為可溶性物質，也無法去除，只有C選項中的物質和雜質符合要求，可以通過溶解過濾的方式去除雜質。

在自動階段，以問題的方式引導學生利用“三重表征”能力對具體問題進行分析，可以有效強化學生轉化表征方式的能力。

三、聚焦核心素養，探析實驗教學策略

“三重表征”理念下的化學實驗教學致力于培養學生的化學核心素養，強調通過不同表征形式的相互轉化，加深學生對化學反應過程的理解，使其能夠靈活地選用合適的表征方式進行推理、學習，實現核心素養提升［3］。

（一）任務驅動，進行證據推理

證據推理要求學生能夠根據現有條件以及化學知識來分析和推理化學反應中的變化，將學科知識應用于實際情境。在課堂教學中，教師采用任務驅動的方式，將推理和論證過程設計成課堂學習任務，能夠有效地調動學生的積極性，提高學生在課堂中進行證據推理和邏輯思考的效率。

通過觀察試劑顏色變化、有無氣體或沉淀生成、是否發光或發熱等對化學反應過程進行推理，是最常見的化學推理形式。例如，在學習有關二氧化碳的性質時，學生發現將CO2通入紫色石蕊溶液中，溶液變紅，于是，教師布置任務讓學生自主設計實驗進行探究。在任務驅動下，學生設計對比實驗，取四朵用石蕊溶液染成紫色的干燥紙花，分別進行如下處理：①噴上水；②放入干燥CO2氣體中；③噴水后放入干燥CO2氣體中；④噴灑稀鹽酸。結果發現只有第三和第四朵紙花變紅了。基于這一觀察，學生可以推斷CO2氣體與水發生反應生成碳酸，導致試劑變色，這個反應的符號表征為CO2＋H2O=H2CO3。任務驅動法是一種行之有效的實驗教學方法，在任務驅動法的指導下，學生能夠更加直接地參與到課堂設計中，將完成任務作為主要動力，通過對實驗現象的對比分析，實現證據推理的目標。

（二）設計實驗方案，生發創新意識

創新意識對于提升化學核心素養、活躍化學思維來說必不可少。在“三重表征”理念下的實驗教學設計中，教師應有針對性地鼓勵學生改進實驗方式，通過設計更易于觀察的實驗，提高實驗在宏觀層面的可觀察性。

比如，在學習“分子運動現象”時，我們需要通過實驗來證明分子的運動特性。傳統的實驗方式通常是將濃氨水和酚酞溶液共同放置在一個倒扣的燒杯下，通過酚酞溶液的顏色變化來證明分子的運動性質。然而，這一實驗需要較長的時間，且學生無法觀察到分子運動的實際軌跡。在這種情況下，教師可以鼓勵學生分析是否存在其他方法來證明分子的運動性。通過仔細分析現有的實驗設備，學生設計了更方便的實驗方案：將滴有酚酞溶液的濾紙條（每隔1.5—2 cm滴一小滴酚酞溶液）水平放置在試管里，然后用一個滴有濃氨水的棉花團堵住試管口，觀察試紙上的顏色變化。由于分子的運動性，氨氣分子不斷從試管的口部向底部移動，使滴有酚酞溶液的濾紙條變紅色，這一實驗還能直觀呈現紙條從口部到底部的顏色漸變過程，更好地說明分子的運動性質。

創新實驗設計需要學生充分發散思維，結合化學反應原理和現有化學實驗設備，使反應的宏觀現象更加直觀，這有利于學生通過宏觀現象來深入分析對應的微觀反應原理，能激發學生的創新意識和加深他們對化學反應過程的理解。

（三）參與實踐，滲透社會責任

科學態度與責任是義務教育化學學科核心素養之一。化學學科在日常生活中有著廣泛的應用，教師要注重化學實驗課程的實踐性，讓學生體會到化學對于社會發展的重要作用，培育學生的社會責任意識［4］。

化學反應廣泛應用于環境治理、污染處理以及醫療等領域，這是化學學科的重要價值之一。在學習“酸堿中和”相關知識時，教師可以首先向學生講解酸堿中和的化學反應原理，然后引導學生考慮日常生活中酸堿中和的應用場景，并通過實驗來驗證這些應用。例如，針對酸堿中和現象，有學生提到醫療領域中用于治療胃酸過多的藥物，如胃舒平和斯達舒，包含Mg（OH）2、Al（OH）3等成分，這些藥物的治療原理是利用相應的弱堿性物質與胃酸（主要成分為HCl）發生酸堿中和反應，如Mg（OH）2＋2HCl=MgCl2↓＋2H2O，從而中和多余的胃酸。之后，學生進行相關實驗，觀察相應的宏觀現象，直觀地感受化學反應在日常生活中的作用，并將課本中以符號形式表示的化學反應原理與實際的宏觀反應過程和應用場景相聯系。這樣的生活化教學有助于培育學生的社會責任感，使他們能夠更好地理解化學學科對社會的重要性，形成良好的社會責任感。

綜上所述，“三重表征”理念下的化學實驗教學注重宏觀現象觀察、微觀反應原理解釋以及符號原理表達的有機統一，通過三者之間的相互轉換，深化學生對化學知識的理解，是一種行之有效的化學實驗教學創新方法。

［參考文獻］

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