化学学习中“宏观—微观—符号”三重表征的研究

 

          

毕华林 黄婕 亓英丽

(山东师范大学化学化学教育研究所 济南 250014)

摘要 “宏观—微观—符号”三重表征是体现化学学科特征的思维方式，能增进学生对化学知识的理解。本研究在对三重表征思维方式进行分析的基础上，采用问卷调查的方法，对不同群体学生化学学习三重表征水平进行了探查和分析，为化学教学提供了一个新的视角。

关键词 宏观—微观—符号 三重表征 思维方式 化学学习

1问题的提出

化学是一门在分子、原子水平上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的自然科学。物质的性质体现在宏观变化上，物质的组成、结构等微观理论则是理解性质、把握变化本质的依据，而化学符号则从微观层次上科学、简明地表达了宏观物质及其变化规律，成为联接宏观与微观的中介。这样，在化学学习中，学习者心理上就形成了对物质及其变化所特有的3种表征形式：宏观表征、微观表征和符号表征。

表征是现代认知心理学的核心概念之一，它指信息在人脑中记载和呈现的方式^[1]。宏观表征是指物质在物理和化学变化过程中表现出来的、可以直接观察到的宏观现象在学习者头脑中的反映；微观表征主要是指有关物质的微观组成和结构、微观粒子的运动及相互作用等微观属性在学习者头脑中的反映；符号表征主要是指由拉丁文或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3种表征形式之间不应是孤立的，而应有机地联系起来，共同构成学习者对化学知识完整的表征系统。

因此，从宏观、微观和符号3种表征水平上认识和理解化学知识，并建立3者之间的内在联系，是化学学习特有的思维方式，我们称之为三重表征思维方式，如图1所示：

 

运用三重表征思维方式学习化学，能增进学生对化学知识的理解，提高学生分析和解决化学问题的能力。但国外研究表明，许多学生在化学学习中缺乏三重表征的思维方式，不能有效地建立宏观、微观和符号3种表征之间的有机联系，从而导致化学学习困难^[2]。那么，我国学生化学学习的三重表征水平如何呢？为此，我们采用抽样调查的方式，对高中一年级、大学化学专业一年级和三年级学生的三重表征水平进行初步研究，以获得有关的信息和结论。

2研究设计

2. 1研究目的

本研究旨在探查我国学生在化学学习中是否形成了“宏观—微观—符号”三重表征的思维方式，以及不同学生群体三重表征的思维水平，旨在为促进化学学习提供有益的启示。

2. 2研究对象

为了使研究结果具有一定的代表性，我们分别对高中一年级（相当于初中毕业水平）、大学化学专业一年级（相当于高中毕业水平）和大学三年级的学生进行了抽样调查。其中高一年级的测查对象为济南市3所不同层次学校的高一新生，每所学校随机抽取3个班级，共收回有效问卷491份；大一、大三的学生均来自山东师范大学化学系化学教育本科专业，大一年级收回有效问卷236份，大三年级收回有效问卷209份。

2. 3测试材料

本研究采用自编问卷。根据研究目的，问卷中涉及到的化学知识均为学生已知的。问卷共包括两部分：第一部分为选择题，主要考查学生在不同表征之间的转换能力；第二部分为一道开放题，旨在探查学生的三重表征水平。对3个群体样本运用同一问卷进行调查。

3调查结果及分析

3.1选择题测查结果及分析

3. 1.1不同群体学生三重表征水平的差异

我们把学生对间卷中选择题的回答情况进行了统计分析，结果见表1和表2。

 

从以上数据我们可以看出，不同年级的学生随着知识的增长，在不同表征间转换的能力有所提高，然而到了一定程度，即使学生的知识经验仍在不断丰富，但这种能力的发展却趋于缓慢。具体来看：

高一与大一学生在4个题目中有3个呈显著性差异，这说明学生通过高中阶段的化学学习，在不同表征之间进行转换的能力有了一定的提高，但这能否就说明大一学生已经具备了三重表征的能力了呢？通过后面的分析我们可以看出，即使是成绩略高一点的大三学生也都远没有达到三重表征的要求。因此，我们认为大一学生转换能力的增强并不是因为他们掌握了三重表征思维方式而提高的，而是经过高中阶段的学习，在接触了大量的微观与符号知识之后一种应有的、在正常范围内的提高。

而大一与大三学生有3个题目无显著性差异，这表明在没有形成三重表征思维方式的情况下，虽然经过2年的大学系统学习，但学生的实际能力却没有明显的提高。换句话说，在不同表征间相互转换的能力与知识的增长并不成正比，在没有外部因素（如教材、教师）的支持引导下，即便知识累积到了一定程度，不同表征间转换的能力也很难再有大的发展。同时，这也说明三重表征思维方式很难自发形成。应该说，在三重表征思维方式的培养中，教师所肩负的作用是至关重要的，教师要发挥好“播火者”的作用。

3.1.2学生宏观表征与微观表征间转换能力的分析

第1个题目从宏观现象入手，考察学生由宏观表征向微观表征转换的能力。这道题的回答情况并不理想，3个年级的正确率均在70%左右。

温度计内汞柱热胀冷缩是学生早已形成的宏观表征，“微粒间存在间隔”也应是学生头脑中普遍存在的微观表征，然而许多学生却不能将两者有效地联系起来，这大致说明两个问题：

第一，学生确实存在由宏观表征向微观表征转换的困难，其主要原因可能是：（1）学生对于微观知识只是机械记忆，因此头脑中的微观表征僵化不灵活，这样的知识只能在有限的背景下才能提取出来，宏观表征与微观表征之间出现“断路”也就在所难免了。（2）学生有把宏观表征与微观表征相混淆的倾向。以本题为例，学生出现的错误多集中在将汞热胀冷缩这一宏观性质与汞原子的性质混为一谈上，这与国外的研究结果相一致。比如，De Vos和Verdonk(1987)和Lee et al (1993)已经指出^[3]，很多学生认为一个分子或一个原子具有和物质一样的性质，如水分子是湿的，碳原子是黑的等等。这可能是因为当学生缺乏对微观知识的真正理解时，他们就倾向于用头脑中已有的、熟悉的宏观表征，按自己的方式去给予“合理”的解释，而这难免就会出错。这就要求教师在讲解微观知识时应尽可能用丰富的、科学的、特别是学生头脑中已有的宏观事例来帮助学生形成正确而深刻的微观表征。

第二，对于“微粒很小，微粒在不断运动，微粒间有间隔，微粒间存在着相互作用”等基本的微粒观念，学生只是当作纯粹的知识点来学习，而没有内化为自己的一种固有观念，没有形成学习化学后应该具有的基本科学素养，这可能与平时教学中只重视具体知识的学习而忽视基本观念的培养有很大关系。

另外在这个题目中，3个年级的成绩无显著差异，说明学生对某些微观知识的机械记忆并没有随着知识的增多而有所改善。

3.1.3学生微观表征与符号表征间转换能力的分析

第2题要求学生选择合适的微观图示来表示化学方程式，以考察学生由符号表征向微观表征的抽象能力。结果表明，有23. 0％的高一学生认为3 H₂应表示为○○○○○○(○代表氢原子)，甚至有9. 6%的学生认为化学方程式N₂十3H₂＝2NH₃应表示为●●十○○○○○○=●●○○○○○○（●表示氮原子）。显然，这些学生倾向于

以一种加合的方式来理解化学符号，他们不知道3 H₂应该是3个独立的双原子分子，却把它理解为6个紧密相连的粒子，把2个独立的氨分子错误地理解为氮原子和氢原子的长条排列。由此可以看出，学生并不理解化学方程式中角标和系数的含义，符号表征向微观表征的转换也存在困难。造成这一现象的原因，我们认为主要是学生不理解符号所表示的信息，这与教师在教学中总是有意无意地把化学方程式等化学符号当作数学技能来训练是分不开的。在教学中，教师一般用更多的时间去训练学生配平化学方程式，却没有将符号所承载的丰富信息揭示出来。

这个题目对于大一与大三学生应该说比较容易，他们的正确率也都在97%左右。但这并不能说明大一、大三学生就不存在符号表征向微观表征的转换困难，这从同样涉及微观表征和符号表征转换的第5题(大一学生正确率仅为42. 0%，大三学生正确率也仅为58. 9%)就可以看出。同样是微观表征与符号表征间的转换，结果却如此悬殊，这说明对于学过的、教师反复强调的内容，学生能够“记住”，但对于其本质内容却并不理解，更不会应用。因此，即便是化学专业的大学生，也难以在微观表征和符号表征间进行顺利转换，而且困难比较严重。

3. 1.4学生三重表征水平的分析

第3题和第4题都是考察学生三重表征的掌握应用状况，其中第3题要求学生比较“水分子中氢原子所占的质量分数与一杯水中氢元素所占的质量分数”间的关系，考察学生能否把宏观表征与微观表征统一到符号表征中去。答错的学生中有少数认为二者不相等，大多数学生(高一年级30. 1%，大三年级21.5%)认为二者无法比较。假如让学生单独计算水中氢元素的质量分数，学生一般都会作对，但一涉及到宏观与微观相统一的计算，学生就不知所措了，许多学生事后也不理解为什么二者是相等的。实际上这道题的解决关键在于对符号的宏观、微观双重含义的准确把握，这再次说明许多学生并不理解化学式的意义，他们头脑中的符号表征是薄弱的，并没有起到联接宏观表征与微观表征的桥梁作用，而这也直接导致了学生难以实现三者间的顺利转换。

第4题给出了一个化学反应的微观图示，让学生选择相应的化学方程式，本题的正确率最低。乍看这个题目，是考察微观表征与符号表征两重间的转换，但要圆满解决，则必须在微观表征向符号表征转换的过程中不断贯穿思考化学反应和化学方程式的宏观含义，即不断地在三者间互译转换。如果学生具有三重表征的思维方式，在看完题后就会形成Y物质没有完全参加反应这一宏观表征，因而将图中2个○划去，然后再进行表征间的转换。

选择A或B的学生只是把构成反应物和生成物的微观粒子进行简单加合，其头脑中的微观表征和符号表征都非常薄弱，三重表征思维方式就更无从谈起了。本题的问题主要集中于选项D上，有很多学生不断地在C与D之间徘徊。他们在选择D选项(3X十8Y =3XY₂+2Y)后，又发现此方程式有2 mol的Y物质可以约去，又改成了C，这就暴露了学生的思维过程。表面上，他们只是根据题目所给信息(微观和符号)进行简单、机械的对照，而更深层次的原因在于学生不理解化学反应的实质，也没有真正理解反应方程式的含义，其认知结构中缺乏三者间的有效联系。

3. 2开放题的测查结果及分析

化学符号是随着化学学科发展而诞生的一套简明、严密、国际通用的符号系统，是说明问题的一种简单易懂的形式，是一种高度概括和抽象的语言，因为符号中既包含物质及其宏观现象，又包含着微观本质，还表示着量的关系，因此成为联接宏观与微观的有效中介和桥梁。所以，我们选择了从最典型的化学符号——化学方程式入手，来考察学生的三重表征水平。

我们认为，如果学生具备了三重表征思维方式，就能够由化学符号出发，去提取头脑中相应的宏观表征、微观表征以及其他的符号表征，而且能够在不同表征之间建立起内在的联系，顺利完成表征间的互译、转换。具体分析，这些内在的联系大致可以从以下几个方面考虑:

(1)实验现象：H₂、O₂和H₂O的有关性质、反应条件、反应现象等。

(2)定量关系：H₂、O₂和H₂O三者之间的定量关系(包括质量和物质的量等)。

(3)物质组成与结构方面：H₂、O₂和H₂O的元素组成及微观结构等。

(4)化学反应本质：H₂、O₂和分子化学键的断裂与H₂O分子化学键的生成，H₂O原子重新组合，微粒间相互作用等。

(5)符号方面：H₂、O₂和H₂O的结构式、电子式，以及相关的化学方程式等。

(6)能量方面：反应过程中能量的变化等。

从学生所写的信息可以看出，他们的思维非常开阔，想到的内容也涉及较广。但是，3个年级80%左右的信息都集中于宏观表征，有54. 6%的高一学生所写的信息全部为宏观表征，即使在已经学习了大量微观与符号知识的大三学生中，这一比例也高达38. 3%。

另外，我们对学生所回答的每一条信息都做了详细地整理、归类，结果发现3个年级的学生所想到的宏观表征总数均是其所想到的微观表征总数的5～6倍，而微观表征总数又是符号表征总数的2. 7～3. 9倍。

由此我们可以看出，学生对化学的理解明显地沿着宏观、微观、符号的顺序依次降低。也就是说，学生对于可观察的宏观现象的理解要显著优于对于抽象概念（如分子、原子、离子以及方程式等符号系统）的理解。3种表征比例的严重不协调明显阻碍了学生三重表征思维方式的形成。具体分析，我们发现主要存在以下几方面的问题。

3. 2. 1学生宏观表征较好，但微观表征、符号表征薄弱

学生的宏观表征几乎没有什么大的问题，这可能是由于宏观表征具有鲜明、生动、具体等感性特点，而成为学生最熟悉、也最易接受和形成的表征形式。但相比起来，学生的微观表征和符号表征则比较薄弱。一方面，在数量上，前面已经提到它们的巨大差异；另一方面，我们发现学生的微观表征和符号表征的质量不高。

微观表征方面：具有动态作用少，静态组成多，灵活运用少，书本知识多等不足。以高一学生为例，在346条单重微观表征中，有261条(75. 4%)是关于H₂、O₂和H₂O的微观组成，原子个数比等表面的、较低层次的微观表征，而像化学反应的本质是原子的重新排列与组合等较高层次的表征则仅占2. 0 %。在大一、大三学生中，想到最多的也是“H₂、O₂、H₂O的微观组成、原子守恒、原子是化学变化中的最小微粒”等静态知识，而像“化学反应的实质是旧键的断裂与新键的生成、微粒间存在相互作用、化学反应是微粒间相互作用的结果”等动态微观表征则较少提及。

符号表征方面：虽然本题是由化学符号人手，但假如学生具备三重表征思维方式，还是会联系到许多其他的符号表征的。然而，即使在大三学生中，像“氢气、氧气、水的化学式为H₂、O₂和H₂O，氢气、氧气等的实验室制备方程式，水的电解方程式”等等较低级的化学符号表征也占到了81. 8%，而像水的电子式、结构式，用化学键、比例模型等形式表示的化学方程式等较高层次的符号表征却仅为4. 4%。这说明学生对于化学符号的理解非常狭窄，不能充分揭示化学符号的丰富内涵，尤其是其微观涵义，这就影响了三重表征思维方式的形成。

3. 2. 2学生难以在不同表征间建立有效联系

在学生所回答的宏观表征、微观表征和符号表征中，有很多是具有明显的内在联系的，但学生十分缺乏将其进行结合的意识。也就是说，学生的三重表征意识十分薄弱。例如，有25. 1%的高一学生意识到反应遵守质量守恒定律，而且其中有14. 1%的学生想到了反应中原子的种类和个数不变，但却没有一个能够将这种微观本质上的解释与宏观的质量守恒定律联系起来。再如，某学生认为“原子是化学变化中的最小微粒，反应中它不能再分，只能重新组合”，紧接着又写“化学反应的实质是有新物质生成”，就是缺乏“化学反应中原子重新进行组合，因此有新物质生成”这样的观念。这也说明，学生只有具备了三重表征结合的意识，才能有效地提高将不同表征进行结合的能力。

据我们统计，在高一年级中这种建立了联系的表征仅占学生表征总数的0. 7%，而大一与大三学生也仅为1. 6%。这说明，随着知识的增长，学生三重表征的意识并没有明显地提高。而且通过进一步分析，我们还发现即使在这样低的联系中，绝大部分也属于像“还有许多其他的化合反应，如H₂十Cl₂ ＝2HC1”这种较低级的联系，大约占总数的75 %。我们认为其主要原因不在于学生的知识有限，而主要是由于学生缺乏将三者结合起来的意识，在他们的认知结构中十分缺乏这种类似的联系。

3. 2. 3学生头脑中有较多较为明显的错误表征

从学生的回答情况看，我们在各个年级中均发现不少较为明显的错误表征。例如，有的学生认为“水由氢分子、氧原子组成”，有的认为“一个水分子中有2个氢离子和1个氧离子”，还有的认为“2个氢气和1个氧气反应生成2个水分子”，“水分解生成氢气和氧气，说明水中含有氢分子和氧分子”等等。这说明许多被试头脑中的表征十分混乱，而且，这些错误表征大都是因为学生头脑中的宏观表征与微观表征相混淆的结果。

这些错误表征不但无助于三重表征思维方式的建立，而且它作为一种已有“知识经验”直接影响到新的、正确表征的形成，甚至会导致学生在不同表征形式间建立错误的联系，其危害性应当引起我们的重视。

3.2.4在不同表征间能够建立联系的学生选择题成绩较高

在每个年级中，我们根据学生的回答情况，将符合条件的学生分为3个组：毫无微观意识组，指学生的回答丝毫没有涉及微观；单重表征良好组，指从学生的回答情况看，宏观、微观、符号3种表征都比较好，但三者之间未建立联系；建立联系组，指从学生的回答情况看，能够在宏观、微观、符号3种表征间建立联系者。我们对这3个组的选择题成绩进行了对比，结果发现3个组的成绩依次上升。限于篇幅，我们仅以大三学生为例，其结果列于表3。

 

从表3我们可以清楚地看出，毫无微观意识组成绩最差，且呈现两头相对较小、中间相对较大的正态分布。而单重表征良好组虽然答对4个选择题的较多(54. 4%)，但答对2道题的被试也占到了(18. 2%)，这说明学生虽然能提取较多的宏观表征、微观表征和符号表征，但由于缺乏三者间的有机联系，不能将现象与本质联系起来。在建立联系组中，虽然全部答对的比例相对于单重表征良好组稍差一点，但由于其基础比较扎实，因此成绩最高，如果其单重表征再好一些，或不同表征之间的联系再多一些，其问题解决能力还将有更大的提高。

4结论

通过上述分析，我们可以得出以下结论：（1）学生化学学习三重表征思维方式尚未形成，缺乏将宏观、微观、符号三者进行有机结合的意识。（2）任何一种表征的薄弱都会引起不同表征间转换的困难，并会进一步影响学生进行三重表征的水平和能力。（3）三重表征思维方式不能完全依靠学生自己形成，而需要教师的引导和培养。

参 考文献

[1]皮连生.智育心理学.北京：人民教育出版社，1996:42

[2] Dorothy Gabel. Improving 'Teaching and Learning through Chemistry Education Research； A Look to the Future. Journal of Chemical Education ,1999,76；4

[3] Onno de Jong, Jan van Driel. Prospective teachers' concerns about teaching Chemistry topics at a macro- micro- symbolic interface. Paper presented at the 1999 NARST Annual Meeting, Boston, USA ,1999. 3

[4]毕华林，元英丽.化学教育新视角.济南：山东教育出版社，2004

[附] 问卷调查

1. 温度升高时，温度计内的水银(汞)柱会上升，从微观角度分析，你认为其原因是( )

A. 汞原子数目增多了

B. 汞原子受热后运动速度加快，都冲到温度计另一端去了

C. 汞原子热胀冷缩，汞原子自身体积变大了

D. 汞原子受热后，运动速度加快，原子间间隔增大了

2.氮气和氢气在一定条件下，能发生反应N₂十3H₂=2NH₃，若用●

来表示氮原子，用○来表示氢原子，则上述反应可表示为( )

 

3.水分子中氢原子所占的质量分数与一杯水中氢元素所占的质量分数( )

A. 两者相等

B. B水分子中氢原子所占的质量分数大

C. 一杯水中氢元素所占的质量分数大

D. 两者无法比较

4.物质X(□)和物质Y( ○)的反应如下图所示

 

哪一个化学方程式描述了这个化学反应( )

A. 3X+8Y=X₃Y₈ B. 3X＋6Y=X₃Y₆

C. X+2Y=XY₂ D. 3X+8Y=3XY₂+2Y

5.从化学方程式2H₂＋O₂=2H₂ O，你都能想到哪些有关的知识？请尽可能多的写出你所知道的信息