三重表征促進學(xué)生化學(xué)知識的意義學(xué)習(xí)

1、三重表征促進學(xué)生化學(xué)知識的意義學(xué)習(xí)摘要：在已有理論和實踐研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合對“硝酸”教學(xué)實踐的審視和思考，闡述了“宏觀-微觀-符號”三重表征的內(nèi)涵、教學(xué)設(shè)計流程和構(gòu)建策略。通過多維度、多層次的問題設(shè)計和解決，幫助學(xué)生充分理解化學(xué)符號的意義，建立符號與微觀、符號與宏觀的有機關(guān)系，構(gòu)建學(xué)習(xí)者對化學(xué)知識完整的表征系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：硝酸；三重表征；內(nèi)涵；教學(xué)設(shè)計；構(gòu)建策略文章編號：1005?C6629(2016)4?C0044?C04中圖分類號：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B自1982年A.H.Johnstone提由應(yīng)從宏觀、微觀和符號三種水平上來學(xué)習(xí)、看待化學(xué)的觀點之后，“宏觀-微觀-符號”三重表征及其思維

2、方式的研究受到理論和實踐的關(guān)注。筆者在“中國教育期刊全文數(shù)據(jù)庫”以“三重表征”為主題，檢索國內(nèi)相關(guān)文章計60篇(至2015年12月28日)，發(fā)現(xiàn)研究側(cè)重點在三重表征的基本內(nèi)涵、教育價值、形成過程及內(nèi)容特質(zhì)、培養(yǎng)策略、學(xué)生現(xiàn)狀等方面。并呈現(xiàn)學(xué)界熱、實踐冷，尤其是高水平實踐少的傾向。這表明一線教師基于三重表征的實踐尚未成為普遍自覺，實踐探索的質(zhì)量有待提局。本文擬在已有理論和實踐研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合對“硝酸”教學(xué)實踐的審視和思考，對“宏觀-微觀-符號”三重表征的內(nèi)涵和教學(xué)設(shè)計、構(gòu)建策略作一闡述，以豐富這一研究的實踐內(nèi)容。1化學(xué)三重表征的內(nèi)涵及其教學(xué)設(shè)計1.1 化學(xué)三重表征的內(nèi)涵畢華林等基于化學(xué)學(xué)科的特

3、質(zhì)分析并結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)的研究，認(rèn)為：宏觀表征是指物質(zhì)在變化過程中表現(xiàn)由來的、可以直接感知到的宏觀現(xiàn)象在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映；微觀表征主要是指有關(guān)物質(zhì)的微觀組成和結(jié)構(gòu)、微觀粒子的運動及相互作用等微觀屬性在學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)者頭腦中的反映。這三種表征形式之間不應(yīng)是孤立的，而應(yīng)有機地聯(lián)系起來，共同構(gòu)成學(xué)習(xí)者對化學(xué)知識完整的表征系統(tǒng)1O從宏觀、微觀、符號三種表征角度去認(rèn)識和理解化學(xué)知識，并建立三者之間的有機結(jié)合和相互轉(zhuǎn)化，是化學(xué)學(xué)習(xí)特有的思維方式，稱之為三重表征思維方式，如圖1所示：畢華林等通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：（1）學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)三重表征思維方式尚未形成，缺乏將

4、宏觀、微觀、符號三者進行有機結(jié)合的意識。（2）任何一種表征的薄弱都會引起不同表征之間轉(zhuǎn)換的困難，并會進一步影響學(xué)生進行三重表征的水平和能力。（3）三重表征思維方式不能完全依靠學(xué)生自己形成，而需要教師的引導(dǎo)和培養(yǎng)21.2 基于化學(xué)三重表征的教學(xué)設(shè)計教學(xué)經(jīng)驗和實踐表明，三重表征思維方式對于突破學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的困難，形成良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，促進學(xué)生有意義的理解學(xué)習(xí)，提高問題解決能力等具有重要的意義3?；谌乇碚魉季S方式的教學(xué)設(shè)計，即先從宏觀現(xiàn)象入手提由問題，然后進行猜想假設(shè)、實驗驗證，再從微觀的角度分析本質(zhì)，最后用化學(xué)用語（符號）表征結(jié)論，并引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活生產(chǎn)實際應(yīng)用結(jié)論。其基本思路和流程如圖示4。2

5、“硝酸”教學(xué)實錄（片斷）2.1 硝酸的化學(xué)性質(zhì)一一不穩(wěn)定性展示：裝有濃硝酸的棕色試劑瓶師（設(shè)問）：裝有濃硝酸的試劑瓶為什么用棕色的？生（猜想、推理）：濃硝酸見光會分解。展示：裝有濃硝酸的無色試劑瓶生（觀察）：瓶內(nèi)溶液上方有紅棕色的氣體；溶液的顏色顯黃色。師：紅棕色氣體是二氧化氮，這是濃硝酸見光分解產(chǎn)生的。除此以外，還可能有什么產(chǎn)物？生：沉默、思考師（啟發(fā)）：濃硝酸分解生成二氧化氮，氮的化合價降低，那么，應(yīng)當(dāng)有元素化合價升高，化合價升高的是什么元素？產(chǎn)物可能是什么？生（領(lǐng)悟）：是氧，生成氧氣。2.2 硝酸的化學(xué)性質(zhì)一一強氧化性實驗1:向置有粗銅絲的試管中加入濃硝酸生（觀察、興奮）：反應(yīng)劇烈；銅片

6、溶解，溶液變綠；產(chǎn)生紅棕色的氣體。師：該反應(yīng)中硝酸表現(xiàn)的性質(zhì)有哪些？生：氧化性；還有酸性。實驗1-1:通過膠頭滴管向?qū)嶒?的試管中加入水生（觀察、驚喜）：大燒杯中水倒吸入試管；溶液上方紅棕色氣體變?yōu)闊o色；試管中溶液變藍(lán)。實驗1-2:打開試管上方膠塞生（觀察、驚喜）：試管口由現(xiàn)紅棕色氣體。師（設(shè)問并提供思路）：大燒杯中水倒吸入試管，說明試管內(nèi)氣體壓強減小，紅棕色氣體變?yōu)闊o色，二氧化氮與水發(fā)生了什么反應(yīng)？打開試管上方膠塞后，無色氣體遇氧氣轉(zhuǎn)化為紅棕色氣體，無色氣體應(yīng)當(dāng)含有氮，該無色氣體是什么？又發(fā)生了什么反應(yīng)？生：積極思考、表達(dá)師（引導(dǎo)觀察）：此時的試管中還看到什么現(xiàn)象？生（觀察、發(fā)現(xiàn)）：試管中銅

7、絲上有氣體產(chǎn)生，反應(yīng)還在繼續(xù)。師（分析、提問）：此時試管中的硝酸是稀硝酸，說明稀硝酸也能與銅反應(yīng)，發(fā)生的反應(yīng)是什么？生：思考、嘗試師（呈現(xiàn)）：3Cu+8HNO3（?。?3Cu（NO3）2+2NOT+4H2O師（設(shè)問）：反應(yīng)停止后，如果在溶液中再加入稀硫酸還會有反應(yīng)嗎？生（眾）：沉默、疑惑、不確定生（個別）：有反應(yīng)。師（個別提問）：說說為什么有反應(yīng)？生（答）：溶液中存在硝酸根離子，加入稀硫酸后，氫離子和硝酸根離子在溶液中，相當(dāng)于又有了硝酸，會繼續(xù)和銅反應(yīng)。生（眾）：會意、釋然實驗2（驗證）：向Cu（NO3）2溶液中加入少量銅絲，再加入少量硫酸（觀察現(xiàn)象）：銅絲溶解，表面有氣體產(chǎn)生3三重表征的構(gòu)建

8、和對“硝酸”教學(xué)實踐的審視3.1 典型、完整一一構(gòu)建宏觀表征宏觀表征指人類感知器官可以直接感知到的物質(zhì)及其性質(zhì)，化學(xué)教學(xué)應(yīng)該從宏觀表征開始循序漸進地展開，這就決定了實驗在化學(xué)學(xué)習(xí)中的基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性作用宏觀表征因為具有直觀性和鮮明性的特點成為最易于學(xué)習(xí)者接受和形成的，這并不意味著感知到的宏觀現(xiàn)象在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映都是準(zhǔn)確的、有意義的。研究發(fā)現(xiàn)，信息豐富的宏觀現(xiàn)象為學(xué)習(xí)者提供大量的感官刺激，有時反而讓學(xué)生困惑到底要從中學(xué)習(xí)些什么，他們往往限于觀察顯著的宏觀現(xiàn)象。因此，宏觀表征對象的選擇和感知方法的指導(dǎo)就顯得很重要，教師必須清楚要讓學(xué)生“看到”什么以及如何“看”，以突生宏觀表征的典型性。典型性并不

9、排斥和忽略其他有意義和有價值的宏觀表征。全面、深入的感知，不僅能夠保證宏觀表征的完整性，有時還會有意外的發(fā)現(xiàn)和生成。對這些資源的運用，不僅反映了教師的教育觀念，同時也反映了教師的學(xué)科知識水平和教學(xué)智慧。整體上看，該教學(xué)實踐重視宏觀表征典型性的設(shè)計和實施，但宏觀表征的“完整性”有所缺失。在“硝酸的不穩(wěn)定性”環(huán)節(jié)，再設(shè)計一個“濃硝酸受熱分解”實驗，可使學(xué)生對濃硝酸分解條件的認(rèn)識更加完備，當(dāng)學(xué)生面對濃硝酸如何保存的問題時，就會同時想到“避光”和“低溫”。在“硝酸的強氧化性”環(huán)節(jié)，粗銅絲與濃硝酸反應(yīng)的“放熱”和“越來越快”的現(xiàn)象，卻被有意或無意地忽略了。事實上，化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)和快慢，也是化學(xué)反應(yīng)的重

10、要方面，毫無疑問，這些宏觀表征同樣具有意義和價值化學(xué)學(xué)習(xí)需要學(xué)生將體驗到的宏觀現(xiàn)象與相關(guān)科學(xué)概念或理論解釋相聯(lián)系，將宏觀表征分別與符號表征、微觀表征建立聯(lián)系。沒有這種聯(lián)系支持的宏觀表征學(xué)習(xí)往往停留在膚淺層面。3.2 可視化和想象一一構(gòu)建微觀表征學(xué)生的學(xué)習(xí)過程與化學(xué)研究的路徑相似，遵循“宏觀表征-微觀表征-符號表征”的認(rèn)知順序。微觀表征既有助于分析與理解宏觀現(xiàn)象，更有利于符號表征的提煉與符號含義的理解。因此，微觀表征是聯(lián)系宏觀表征與符號表征的橋梁與紐帶，是建構(gòu)化學(xué)三重表征的關(guān)鍵5o相較于宏觀現(xiàn)象，微觀表征則因為其抽象化則不太利于學(xué)習(xí)者的形成，它需要在學(xué)習(xí)者形成了對物質(zhì)大量的宏觀表征基礎(chǔ)之上，通過

11、教師的講解和指導(dǎo)后才能逐漸形成。經(jīng)驗和研究結(jié)果表明，教師利用模型、微觀圖示、多媒體等直觀手段；依托學(xué)生的知識經(jīng)驗、借助自然和生活現(xiàn)象，進行生動形象地比喻，這些指向微觀本質(zhì)的描摹、模擬、想象，能為學(xué)生提供可以探察微觀世界的“眼睛”和“翅膀”，使微觀過程直觀化、抽象過程形象化，有效突破學(xué)生的微觀認(rèn)知困難。同時，對可視化模型的理解還需要學(xué)生具備相關(guān)的科學(xué)概念并擁有多種能力，如空間想象能力、在不同維度（三維和二維）之間轉(zhuǎn)換的能力等。然而在教學(xué)實踐中，一方面教師對微觀表征的重要性認(rèn)識不足，另一方面急于獲得結(jié)論的求成心理，使得微觀表征的這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)要么被忽視，要么被弱化了。本教學(xué)實踐中，在“硝酸的不穩(wěn)定性

12、”環(huán)節(jié)，教師注意運用氧化還原反應(yīng)概念一一元素化合價的變化分析判斷反應(yīng)產(chǎn)物（O2）,以揭示物質(zhì)轉(zhuǎn)化的原理。如果再追問“生成的NO2和O2個數(shù)比是多少”，就可使物質(zhì)的變化關(guān)系由定性到定量，其實質(zhì)是電子得失守恒規(guī)律的揭示和應(yīng)用，隨后硝酸分解的化學(xué)反應(yīng)方程式水到渠成，同時這一反應(yīng)配平的難點即迎刃而解。二氧化氮與水反應(yīng)的微觀表征，也可借鑒類似的程序。在“硝酸的強氧化性”環(huán)節(jié)，粗銅絲與濃硝酸反應(yīng)的微觀表征，可設(shè)計如下微觀表征圖：該圖可直觀地反映由反應(yīng)過程中宏觀現(xiàn)象對應(yīng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化以及電子轉(zhuǎn)移方向和數(shù)目的微觀機理。3.3 意義理解一一構(gòu)建符號表征化學(xué)式、結(jié)構(gòu)式、化學(xué)反應(yīng)方程式等這些表示微觀結(jié)構(gòu)和變化的化學(xué)符號

13、語言，是宏觀現(xiàn)象的簡化表達(dá)，又是微觀本質(zhì)的巧妙體現(xiàn)?？梢?，符號表征是宏觀表征和微觀表征的中介。在微觀結(jié)構(gòu)或符號表征形成的初級階段，學(xué)習(xí)者對其的認(rèn)知也不是完全熟練和深入的，只是將其作為一種單一的陳述性知識一一獲得的結(jié)論而機械地記憶，不能領(lǐng)悟微觀結(jié)構(gòu)或符號所隱藏的更加深刻的意義。當(dāng)學(xué)生沒有形成對微觀表征的理解時，符號表征對于化學(xué)學(xué)習(xí)是最困難的。因此，教師要幫助學(xué)生充分理解化學(xué)符號的意義。本教學(xué)實踐的“硝酸的強氧化性”環(huán)節(jié)，在得由化學(xué)反應(yīng)方程式“Cu+4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2T+2H2O”后，教師設(shè)問：“該反應(yīng)中硝酸表現(xiàn)的性質(zhì)有哪些"，引導(dǎo)學(xué)生觀察分析化學(xué)方程式的意義，

14、幫助學(xué)生全面揭示其中蘊含的硝酸的性質(zhì)信息。如果換一種方式設(shè)問“該反應(yīng)中氧化劑和還原劑物質(zhì)的量之比是多少”，則學(xué)生對硝酸性質(zhì)的理解更深刻一一兼顧了定性和定量的兩個層面，也及時消除了學(xué)生頭腦中硝酸只表現(xiàn)氧化性的片面認(rèn)識，符號表征和宏觀表征由此建立了聯(lián)系。如果再換一種方式設(shè)問“該反應(yīng)中若生成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下2.24LNO2,轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量是多少”，則可建立符號表征和微觀表征的聯(lián)系。由此可見，多維度、多層次的問題設(shè)計和解決，有助于學(xué)生充分理解化學(xué)符號的意義，建立符號與微觀、符號與宏觀的有機聯(lián)系，構(gòu)建學(xué)習(xí)者對化學(xué)知識完整的表征系統(tǒng)。學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)知識的初始，三重表征的構(gòu)建應(yīng)力求清晰、完整。此時，學(xué)生的三重表征往往維度單一、聯(lián)系割裂、轉(zhuǎn)換困難，這一階段處在三重表征的習(xí)得階段。讓學(xué)生建立“三重表征”的學(xué)習(xí)思維，最終實現(xiàn)三重表征間有機聯(lián)系、靈活轉(zhuǎn)化并自動化，必須經(jīng)歷一個長期的過程，它需要教師的引導(dǎo)與培養(yǎng)、學(xué)生的實踐與反思。要有效發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用，不僅需要教師深刻領(lǐng)悟化學(xué)學(xué)科特質(zhì)、理解培養(yǎng)三重表征思維的重要性和必要性、實施促進三重表征思維培養(yǎng)的教學(xué)，還需要認(rèn)識到三重表征思維的建構(gòu)條件與歷程以及不同教學(xué)內(nèi)容與階段對三重表征思維培養(yǎng)的價值，如此，才能有效提升學(xué)生進行三重表征思維的意識與能力，才能有效提升化學(xué)教學(xué)的質(zhì)量與效果6。參考文獻(xiàn)：12畢華林，黃婕，亓英麗.化學(xué)學(xué)習(xí)中