化学学科中物质三重表征的教学策略

                        毕华林 王玲玲

摘要：对物质进行的三重表征以及建立起三者间的联系是化学学科独特的思维方式，对形成学生良好的认知结构和化学科学观念，具有重要的作用。本文在分析了化学学科中物质的三重表征的基础上，提出了相应的教学策略。

关键词：化学学科 三重表征 教学策略

化学学习中学习者对物质进行的宏观表征、微观表征和符号表征以及建立三者间的联系是化学学科不同于其他科学最典型的思维方式，离开了这个基本点，就不是化学。然而，调查发现学生学习化学的困难却是缺乏将它们进行有机联系起来的能力，学生很难完成从宏观到微观、从微观到符号和从宏观到符号的抽象。本文通过对学习者三重表征形成过程的研究，提出了相应的教学略，以此来促进学生良好的化学思维方式及认知结构，并帮助学生理解化学学科内在的逻辑结构。

一、物质三重表征的涵义及形成

表征是认知心理学中的一个术语，它是指客观事物在人的心理上的感知反映，它可以是图像的、声像的、动作的、符号的，也可以是语义的、情景的、概念的、意象的和逻辑的。化学作为研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的一门学科，既研究物质宏观上（可以直接观察到）的性质及其变化，也研究物质微观上（不能直接观察到）的组成、结构，而作为研究和交流化学的工具则诞生了表述物质组成、结构和变化的符号。因此，在学习者心理上就形成了对物质特有的三重表征形式：宏观表征、微观表征和符号表征。这三种表征形式涉及心理的各个感知，这些感知在心理上的内化表征形式越丰富，对物质的认识和理解也越趋全面和透彻。因此，研究化学学科中物质的三重表征及其形成，并以此来指导教学具有重要的价值和意义。

1．三重表征的涵义

宏观表征：是指对物质所进行的外在可观察的现象在学习者头脑中的反映。化学学科中可以直接观察到的现象主要是指物质属性中的物理性质和化学性质的外在表现。学生通过观察物质的形状、颜色，或是通过与其他物质发生反应所产生的一系列可观察的现象如光、热等来感知事物，在头脑中形成图像的如黑色粉末状的氧化铜，形成声像的如点燃氢气所发出的“噗”的一声响，形成动作的如用小刀切割金属钠等对物质的多重感知反映，形成对物质宏观表征的一种认识。这是初期刚接触化学学科的学生最易接受和形成的表征形式，是一种最丰富的感性认识，为以后进行微观领域的表征学习打下基础。

宏观表征具有再现性，能再现一些情景，包括图像的、声像的、动作的等多种感知。比如，在以后的学习中遇到了有关金属钠的问题时，在学生头脑中的就会在浮现出老师或是自己亲自切割金属钠时的“动作形象”和切割后金属钠由银白色变为灰色的一些图像表征。

微观表征：是指不能通过直接观察得到的，物质的结构、组成、反应机理等微观领域的属性在学习者头脑中的反映。学生通过教师的讲解、模型展示或借助一定的多媒体，想象微观水平上物质的内部结构、组成及变化运动来感知事物。在头脑中形成图像的如金刚石内部正四面体的网状结构、石墨内部层状的原子结构分布，语义的如原子是构成物质的一种微粒，形成逻辑的如分子是由原子组成的等，对物质的多重感知反应，形成对物质的微观表征。在中学化学中，微观表征的内容主要有反映物质微观组成和结构的基本概念和原理知识。如物质组成上的概念有：原子、分子、元素等；物质结构上的概念有：离子键、共价键、共价电子等；基本理论上的有：电离平衡、盐类水解等。从认识论上来说，宏观表征到微观表征是学习者对物质从感性认识到理性认识的一次飞跃。

微观表征的形成，需要学生丰富的想象力，通过想象力来理解看不见摸不着的微观世界。如老师在讲解水分子的结构时，借助模型学生能想象出一个氧原子通过共用电子对结合氢原子形成水分子的结构。

符号表征：是指由拉丁文和英文字母组成的符号和图形符号在学习者头脑中的反映。这些字母是化学独特的符号系统，有其特有的语言和语法规则，是化学学科内进行思维的最基本的工具，它是人们理解物质化学变化最贴切、最丰富的符号系统，不掌握化学语言就无法进行思考。如对于符号H₂O，可以表示“水这种物质”、“1个水分子”、“水是由氢元素和氧元素组成的”，还可以表示“1个水分子由2个氢原子和1个氧原子组成”。可见化学符号不仅是一种思维的工具，还作为一种中介将宏观物质“水”和微观组成的水分子及符号“H₂O”联系起来。

符号表征的内容有实体符号（元素符号和化学式）、状态符号（表明物质所处的状态的符号）、结构符号（准确反映某一物质内部各构成单元之间的空间关系）、条件符号（表征化学反应的具体条件）及效应符号（表征与化学变化相伴而生的宏观效应）等，通过它们建立起对物质组成、结构及其变化的表示。用符号语言来表示物质的存在变化必须和宏观的事实经验与微观的组成结构联系起来，否则，这些符号在学生们的眼里只能是“第二外语”，是化学中一种毫无疑义的代数练习。

2．三重表征的形成

关于物质的三重表征在学习者心理的形成，我们做一个初步的解释。

学习者通过对物质外在物理性质和化学性质的现象观察，在头脑中产生了一些图像的、声像的、动作的、情景的等刺激，在教师借助一定的媒体手段如模型引导和语言的解说下，使学生通过丰富的想象建立起对物质微观的、图像的、符号的，语义的、概念的等多重感知，在化学符号的中介作用下，对这些表征信息给予梳理，整合，在大脑中形成对事物完整的表征认识。经过多次这种多重感知在头脑中的融合、存储和保持，就形成了对事物稳定的多重表征。在实际运用中，大脑会提取相关信息，重复再现表征，实现从理性认识到实践的再次飞跃。

例如，在加热水，使水沸腾蒸发，水变少这一水的物质状态变化的过程中，学生是这样建立起三重表征关系的。通过图像的（冒出的水蒸气）、声音的（加热水的声音）、语义的（分子作无规则运动）、情景的（水变少）、概念的（水分子吸热）等对学生心理上的多重刺激，和H₂O (l)→H₂O(g) 这一表示水状态变化的符号方程式在学生头脑中融合后，完成了关于“水”这一物质从液体变为气体的状态变化和从宏观到微观、再到符号的抽象过程。

研究表明，经过融合后的多重表征其效果比单一的对物质所进行的表征能得到更综合的学习效果，对事物的认识和理解也更加深刻了。但是，随着学生对大量事物三重表征的学习及学生思维能力和想象能力的发展，通过教学，学生可在没有具体可观察事物的宏观表征时，直接形成对事物的微观表征和符号表征。

二、加强物质三重表征的教学策略

物质三重表征的形成在很大程度上需要教师在教学过程中积极引导，进行有意的联系。通过学生亲身实验，或是通过投影片展示实物的宏观性质等其他方式，以引起学生的兴趣和求知欲望，在学生的脑海中产生“为什么”的想法时，教师通过描述，模型展示，多媒体放映或进一步的实验对比，使学生们了解物质的微观结构和特征。在结合物质的分子式、结构式或表示变化过程的反应式等符号表征下，使对物质的三重表征教学自然地融合在一起。

图1 物质的三重表征策略示意图

1. 利用模型增强学生对微观结构的空间想象力，实现从宏观到微观的抽象

多数研究者认为视觉图像表征在对问题解决中起到举足轻重的作用，因而在对物质微观领域的认识学习上，也具有重要的意义。因为它能增强直观性，形象地向学生展现出物质的微观结构，如分子的立体形状、分子内各原子的相对大小和空间位置，促进学生对知识的理解。因此，为了理解微观概念和原理，在教学中将微观结构与刺激视觉的模型（中学中最常用的刺激视觉的模型通常有实体球棍模型和图示比例模型）联系起来进行教学，同时，也将模型和符号联系起来^，这样可以帮助学生很容易地在头脑中建立起联系宏观和微观的“观念模型”，培养学生的空间想象力。学生通过长期的这种观念的熏陶，会逐渐认识到物质在宏观上表现出的性质和现象，在微观上却“原来如此”，从而感叹科学的奥秘。

2. 通过实验分析化学反应的微观动态过程，实现从宏观到微观、微观到符号的抽象

通过实际操作，学生们从宏观上观察到的现象等直接经验和物质的内部结构联系起来，使学生认识到宏观上表现出的性质，实际是看不见的粒子在微观状态下集体行为的表现，从而不再对物质表现出的性质感到不解和神秘。如电解水的实验，通过对结果验证，证明两个试管中的气体分别是氧气和氢气，让学生从宏观上观察到水电离后的产物。当教师提出“电解水是如何生成氢气和氧气的呢？”这个问题的时候，也就意味着进入从物质的微观层面寻求答案的认识历程。通过多媒体课件播放水分子电解的动画过程，使同学们想象出水中微弱电离出的氢离子和氢氧根离子是怎样在电流的作用下运动的，就如同在学生们眼前展现了一幅离子排着整齐的队伍在各自朝着不同的目的前进的画面，实现了从宏观到微观的抽象。再通过离子方程式的书写，从而在同学们的头脑中建立起关于水电解从宏观上表现出的性质和微观电离过程及水分子电离出氢离子和氢氧根离子三重表征的有机联系，形成了对水这一物质的深刻认识。尽管在有的教学中，教师也讲述了电离的过程，但由于教学中缺乏对三重表征的有意联系，使学生不能形成整体统一的认识，这样的知识缺乏灵活性和迁移力，不易形成合理的认知结构。

3．利用概念图展示宏观物质与微观结构之间的层级关系，实现从宏观到微观的抽象

概念图是用图的方法来表现概念以及其中的概念间的联系。一个概念图是由结点和连线构成的结构性的表征，其中，结点对应某领域中代表各种概念的重要术语名词，连线代表一对概念（结点）之间的关系，而连线上的标注则说明这是什么样的关系。各种关系在整体上组成了概念图的层级关系。

化学学科中含有大量的表示宏观特征的概念名词如化合物、元素及微观结构如分子、原子的概念，这些概念按照从抽象到具体、概括性由大到小的层次，把概括性最广的概念放在顶层，最具体的概念放在最低层，展示各级概念间的层级关系的图示，能清楚地展现出物质宏观表征和微观表征之间的关系，对培养学生合理的认知结构起到重要的作用，在进行三者联系的教学中占有很重要的位置。图2是关于物质组成结构的一个简单的概念图的绘制。

图2 物质组成结构关系图

从以上概念图中我们可以看出，从最高层级的宏观“物质”到组成物质的微观粒子“质子”、“中子”，使学生能很好地完成从宏观到微观的抽象过程。

4．通过精心设计类比案例，实现对物质从宏观性质到微观结构差异的认识

不同类型的例子可以开阔学生的思路，从不同的角度和视野加深对物质宏观性质和微观结构之间关系的认识。

第一种类型是对一些表面物理性质相同，但具有不同性质和结构的物质所作的对比分析。通过例如，在学生刚接触化学时，为了使学生树立化学学科中基本的观念和思维方法并认识化学，用烧杯展示三种不同的无色液体，一种是水，另两种是盐酸和氢氧化钠溶液。然后，把紫色石蕊试液分别加入三种溶液中，发现三种液体的颜色发生不同的变化，通过这个现象，使学生认识到表面看来都是无色透明的物质，对同一种物质的反应却不同，原来是物质内部含有不同的微粒和结构造成的。

第二种类型是对一些表面看起来极不相同的物质，却由相同的元素组成，但物质形态的差异，最终还是结构上的不同造成的。例如在讲授碳元素时，石墨和金刚石的案例能给学生们以很好的启迪。

5. 从学生熟悉的物质入手，实现从宏观到微观，从宏观到符号的抽象

研究发现学生对他们熟悉的事物比对那些他们不熟悉的事物更容易建立起三者间的联系。对于这些不熟悉的物质，他们无法从宏观上加以把握，对微观的理解也难以进行，那些表述物质的符号只不过是一些不可理解的代码。按照信息加工理论，对不熟悉事物的学习需要花大量的时间去感知，而这又需要占用短时记忆的空间。而从熟悉的物质和与他们日常生活有关的事物出发，学生对事物有较多的感性认识，也就是说已具有大量的有关这种物质的宏观性质的感知表征，所以在学习其微观结构和书写化学符号、化学式时，占用短时记忆的空间也相对较少，较容易建立三者间的联系。

参考文献

[1]何少华，毕华林.化学课程论.南宁：广西教育出版社，1996

[2]邵志芳.思维心理学.上海：华东师范大学出版社，2001

[3]刘知新.化学教学论.北京：高等教育出版社，1990

[4]刘知新.中学化学.济南：山东教育出版社，1998

[5]毕华林.化学新教材开发与使用.北京：高等教育出版社，2003

[6]王磊.科学学习心理学.海口：海南出版社，2000

[7]农江萍，王兄.视觉－空间表征类型与数学问题解决.广西教育学院学报.2002（2）

[8]廖正衡.略论化学思维方法.化学教育.1996（1）

[9]王贞惠，黄台珠.改善学生传统概念学习之研究——应用“巨观”“微观”“符号表征”导向之概念改变教学模式.国立高雄师范大学科学教育研究所