高三学生基于“宏微符”转换的化学图形理解能力研究

陆惠莲+王祖浩

摘要：本研究在“宏微符”转换理论和化学图形教学功能分析基础上，划分化学图形理解能力水平，确定化学图形理解中的“宏微符”转换和化学图形形式要素（数形义）理解两个基本方面及其水平，进而对高三学生对涉及“宏微符”转换的化学图形理解能力进行考察，揭示学生发生图形理解障碍的关键性问题，为培养学生化学图形理解能力提供参考。

关键词：化学图形；图形理解；宏微符；数形义；化学学习

文章编号：1005–6629（2014）9–0024–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 研究背景

化学图形既是化学学习的重要内容，又是化学学习的思维工具及载体。因此培养学生阅读图形信息能力，帮助学生使用化学图形构建模型及推理演绎，对于他们获取知识、拓展思路，启发思维具有重要意义。

化学是在原子、分子水平上研究物质组成、结构、性质和变化规律的科学[1]，化学性质主要表现为宏观变化，物质的组成和结构理论是解释物质性质和变化的依据，而化学符号则简明地表达了宏观与微观的联系，由此形成了“宏观—微观—符号”有机结合的三重表征形式[2]。化学图形的使用往往从三重表征有机结合的角度，直观、形象地展示物质宏观形态特征和微观结构特点、数量特征以及空间分布特征，促使学生实现由感性认知向理性认识的转变。

除了“宏微符”表征以外，化学图形还包含了数形义等形式要素。“数”即数字说明，“形”即呈现真实的影像或模拟构型，“义”则指对图形内涵和特征的文字描述。因此，化学图形理解主要是指学生通过图形阅读，快速捕捉图形传递的宏微符表征信息和数形义包含的信息，并能对信息进行认知加工形成意义。本研究着眼于探索学生化学图形理解能力以及其中“宏微符”表征和化学图形数形义形式要素理解两个方面的表现，揭示学生发生图形理解障碍的关键性问题，由此思考培养学生化学图形理解能力、提高化学学习有效性的教学实践问题。

2 研究设计

2.1 测试材料设计

本研究所使用的测试材料包含六张化学图形，图形设计分别涉及宏-微、宏-符、微-符、宏-微-符等四种转换关系，并进一步融合图形中数形义等形式要素变量。每张图形都承担了具体的考察任务，如图1所示为测试材料中的图形5，涉及“宏微符”三种表征形式，并包含了数量关系和模型要素。表1为测试材料考察任务的设计说明。测试时要求被试观察测试材料上的图形，即时性地在图形下方的空白位置上用3～4句话概括性描述从图上获取的关键信息。

2.2 测试过程与数据采集

研究选择具有一定知识基础、化学思维能力发展相对成熟的高三学生为研究对象——上海市某区级重点高中三年级的一个自然班，共41名学生。

研究采用纸笔测试的方式，在测试活动中研究者向被试说明测试的要求，测试时间不做严格规定，被试受到施测活动氛围的影响，自觉地按照应有的节奏完成测试，对每张图片进行阅读和描述，时间为半小时至45分钟。

测试结束后，回收测试卷并进行分析和汇总，通过定义学生化学图形理解的水平、宏微符表征思维水平以及数形义的理解水平，对被试每一个图形的理解水平、宏微符表征思维水平和数形义的理解水平进行判断，进而了解被试化学图形理解的平均水平以及图形理解两个方面的具体表现。

3 研究结果及分析讨论

3.1高三学生化学图形理解能力水平分析

以被试对图形的描述内容为依据，将学生的化学图形理解能力水平划分为由低到高的三个层次，见表2。

根据化学图形理解三水平的判断标准对被试有关图形的描述内容加以分析，确定了每一位被试每一张图形的理解水平。例如，图1所示的测试材料图形5，如学生未能发现图形反映的是氢氧化铝的酸式电离和碱式电离，则认为图形理解处于水平1；如仅能指出是关于氢氧化铝的酸式电离和碱式电离，而未建立宏观现象中的溶解与沉淀、微观结构中的粒子以及电离方程式三种表征信息之间的关系或关系分析不准确，则为水平 2；如能指出图形呈现的是有关氢氧化铝的酸式电离和碱式电离，并能对三种表征形式的信息加以对应分析或说明，则认为被试对该图形的理解达到水平3。

每一个化学图形理解的平均水平如图2所示，可以看到图形4的理解情况较好，其次为图3、6，图形1、2、5的理解情况不够理想，平均值最低为1.6。通过求取被试六张图片的理解水平的平均值以代表被试的化学图形理解水平，从整体上看，被试的图形理解平均水平不够理想，所有被试化学图形理解水平的平均值为1.9，达到水平2及以上的人数仅占50%。

3.2 高三学生化学图形中“宏-微-符”表征思维水平分析

关于化学图形理解过程中“宏-微-符”表征思维水平的定义，主要以被试对表征形式变量的组成及其关系的把握为核心，也形成了如表3所示的三个水平。

根据化学图形中“宏-微-符”表征思维的三水平标准，对被试有关图形的描述内容加以分析，确定被试每一张图形中“宏-微-符”表征的思维水平。例如，图1所示的测试材料图形5，如被试只能指出宏观现象中的溶解与沉淀、微观结构中的粒子以及电离方程式中的某一种表征形式所包含的信息，则判定为水平1；如仅能分别描述三种表征形式所包含的信息，而未建立三种表征之间的关系或关系分析不准确，则认为“宏微符”表征思维处于水平2；如能将宏观现象中的溶解与沉淀、微观结构中的粒子以及电离方程式三个方面的信息加以对应分析或说明，则认为被试对该图形中的“宏微符”表征思维达到水平3。

每一个化学图形中“宏微符”表征思维的平均水平如图3所示。据图3可以看到测试材料中的图形4“宏微符”表征思维水平值最高，其次是图形1、3，学生对三个图形中“宏微符”表征的思维水平值相当，图形2、5、6的“宏微符”表征思维水平值最低，最低值仅为1.5。图形5和图形6均涉及三重表征形式，而其他图形均只涉及宏微符中的两种表征形式，由此可以初步推断“宏微符”表征形式的多少可能会对被试理解和建立多重表征的形式和意涵之间的关系产生影响。通过求取被试六张图片中“宏微符”表征思维的平均水平以此作为被试化学图形中“宏-微-符”表征思维的水平，整体而言，被试“宏微符”表征思维平均水平一般，所有被试化学“宏微符”表征思维水平的平均值为2.0，达到水平2及以上的人数仅占55%。

3.3 高三学生化学图形中“数形义”要素理解水平分析

关于被试对化学图形中出现的“数形义”等要素的理解水平，也可以按照如下标准定义为三个水平，见表4。

需要说明的是，当图形中仅涉及数形义中的单一要素，如不能准确理解和使用要素的信息则判定为水平1，而只要能对要素传递的信息进行准确描述可判定为水平3。

根据化学图形中“数形义”要素理解水平的标准，对被试有关图形的描述内容加以分析，确定了被试每一张图形中“数形义”要素的理解水平。例如，图1所示的测试材料图形5，如被试错误描述了图形中涉及的物质微观结构模型特征和电离方程式包含的粒子的数量关系等数、形信息，则认为“数形义”理解处于水平1；如未建立两种形式要素之间的关系或关系分析不准确，则判定为水平2；如被试能描述物质的微观结构模型特征和电离方程式包含的粒子的数量关系，并能将两者结合进行对应性说明，则认为被试对该图形中的“数形义”的理解达到水平3。

每一个化学图形中“数形义”理解的平均水平如图4所示。根据图4可知，图形4的平均值最高，达到了3.0，其次为图形2、3，平均值为2.0和2.5，图形5“数形义”要素理解水平值最低，为1.1。通过求取被试六张图形“数形义”理解水平的平均值作为被试化学图形中“数形义”要素理解水平，整体而言，被试“数形义”理解的平均水平一般，所有被试化学图形中“数形义”理解水平的平均值为1.9，达到水平2及以上的人数仅占53%。

3.4 研究结论

3.4.1 高三学生化学图形理解能力整体偏弱

学生在观察图形，获取图形信息，并建立信息的相互联系及其意义时，一般只做简单的图形观察，大致了解图形中呈现的基本信息，然后就习惯性地从已有知识经验出发，调用个人知识库中与图形信息相匹配的目标知识点，从而构建图形的意义。学生对图形中宏观、微观和符号表征形式的信息捕捉以及与数字、形态和文字信息的整合均表现为一种不自觉的行为，只有当他们原有的知识结构中存在上述信息及其联结关系，学生才能顺利地将其对应地描述和分析图形中的相关内容。当学生无法找到目标知识点，或是目标知识点中并没有丰富的宏微符及数形义等具体信息时，他们通常表现为无法确定图形的意义指向，不能很好地辨识和获取宏微符及数形义等信息，造成各种信息的遗漏，在图形描述中往往无法有效整合各种信息，造成了无意义联结的信息堆积现象。

3.4.2 高三学生对化学图形中的微观信息理解水平不高

在本研究测试材料的6个图形中，除了图形4，其他图形均涉及微观表征形式的信息。学生对图形中微观表征形式的信息获取和描述并不理想。他们虽然能从图形中辨识出微观层面的信息，但是很多情况下，不能很好地理解微观结构或过程信息的意义。如图形2中极性键和非极性键中成键原子的电性分布情况是通过色差和分子构型的对称与否来表现的，几乎没有学生能关注到图形中这些微观结构的特征，对于图5中“Al（H2O）6-、Al（H2O）2（OH）3”三者的八面体空间构型，很少有学生提及或尝试描述其特征，并从中获得对物质转化过程的解释。与此同时，学生并未掌握对微观信息进行分析和加以描述的思维方法和技巧，如图形1中熔融状态和水溶液状态下微观结构的差异是显而易见的，学生不难发现，但是他们却很难找到恰当的用词对这种结构特征加以描述，只能将其描述为“移动更猛”、“运动更剧烈”等等。由于学生对微观信息的理解和表达存在困难，影响了他们对图形中宏微符表征形式的意义联结，也影响了他们数形义信息的整合效果。

3.4.3 “宏微符”表征思维水平与“数形义”要素理解水平相互制约

化学图形中“宏微符”表征形式代表的是图形中各种信息的类别，“数形义”则是图形中各种信息不同的呈现方式，可见“宏微符”表征形式与“数形义”要素往往是统一的，相互联结的，如图形1中三种状态下灯泡亮度差异的宏观现象与离子化合物的微观结构差异均以“形”的方式来呈现。学生对宏微符表征形式的意义获取和联结通常会表现为对各种数形义信息的加工处理。从研究结果可以看出，各图的“宏微符”表征思维的平均水平与“数形义”要素理解的平均水平值均有很大程度的关联，当学生在“数形义”要素信息的理解和整合上出现问题，他们相应地会表现为“宏微符”联结上的困难。应该说，“数形义”是图形构成的显性要素，是学生观察图形时能直接感知和理解图形的契机。在测试过程中，我们发现学生并不能很好地利用图形中有关“数形义”各种要素，对“数形义”信息的取舍较为随意，如图形2中被试就忽略了对微观层面的“形”的信息分析。此外，学生对“数形义”信息的有效整合不够，尤其以形-义的联结与整合最为明显。学生对“数形义”要素信息的处理不当，直接导致了学生很难顺利地从宏观、微观和符号三种表征形式上对图形表达的概念、原理或现象进行意义建构。

参考文献：

[1]上海市教委.上海市中学化学课程标准（试行稿）[S].上海：上海教育出版社，2004：63.

[2]刘彩燕.高中化学概念的四重表征教学模式的设计与应用研究[D].广州：华南师范大学硕士学位论文，2009.

3.3 高三学生化学图形中“数形义”要素理解水平分析

关于被试对化学图形中出现的“数形义”等要素的理解水平，也可以按照如下标准定义为三个水平，见表4。

需要说明的是，当图形中仅涉及数形义中的单一要素，如不能准确理解和使用要素的信息则判定为水平1，而只要能对要素传递的信息进行准确描述可判定为水平3。

根据化学图形中“数形义”要素理解水平的标准，对被试有关图形的描述内容加以分析，确定了被试每一张图形中“数形义”要素的理解水平。例如，图1所示的测试材料图形5，如被试错误描述了图形中涉及的物质微观结构模型特征和电离方程式包含的粒子的数量关系等数、形信息，则认为“数形义”理解处于水平1；如未建立两种形式要素之间的关系或关系分析不准确，则判定为水平2；如被试能描述物质的微观结构模型特征和电离方程式包含的粒子的数量关系，并能将两者结合进行对应性说明，则认为被试对该图形中的“数形义”的理解达到水平3。

每一个化学图形中“数形义”理解的平均水平如图4所示。根据图4可知，图形4的平均值最高，达到了3.0，其次为图形2、3，平均值为2.0和2.5，图形5“数形义”要素理解水平值最低，为1.1。通过求取被试六张图形“数形义”理解水平的平均值作为被试化学图形中“数形义”要素理解水平，整体而言，被试“数形义”理解的平均水平一般，所有被试化学图形中“数形义”理解水平的平均值为1.9，达到水平2及以上的人数仅占53%。

3.4 研究结论

3.4.1 高三学生化学图形理解能力整体偏弱

学生在观察图形，获取图形信息，并建立信息的相互联系及其意义时，一般只做简单的图形观察，大致了解图形中呈现的基本信息，然后就习惯性地从已有知识经验出发，调用个人知识库中与图形信息相匹配的目标知识点，从而构建图形的意义。学生对图形中宏观、微观和符号表征形式的信息捕捉以及与数字、形态和文字信息的整合均表现为一种不自觉的行为，只有当他们原有的知识结构中存在上述信息及其联结关系，学生才能顺利地将其对应地描述和分析图形中的相关内容。当学生无法找到目标知识点，或是目标知识点中并没有丰富的宏微符及数形义等具体信息时，他们通常表现为无法确定图形的意义指向，不能很好地辨识和获取宏微符及数形义等信息，造成各种信息的遗漏，在图形描述中往往无法有效整合各种信息，造成了无意义联结的信息堆积现象。

3.4.2 高三学生对化学图形中的微观信息理解水平不高

在本研究测试材料的6个图形中，除了图形4，其他图形均涉及微观表征形式的信息。学生对图形中微观表征形式的信息获取和描述并不理想。他们虽然能从图形中辨识出微观层面的信息，但是很多情况下，不能很好地理解微观结构或过程信息的意义。如图形2中极性键和非极性键中成键原子的电性分布情况是通过色差和分子构型的对称与否来表现的，几乎没有学生能关注到图形中这些微观结构的特征，对于图5中“Al（H2O）6-、Al（H2O）2（OH）3”三者的八面体空间构型，很少有学生提及或尝试描述其特征，并从中获得对物质转化过程的解释。与此同时，学生并未掌握对微观信息进行分析和加以描述的思维方法和技巧，如图形1中熔融状态和水溶液状态下微观结构的差异是显而易见的，学生不难发现，但是他们却很难找到恰当的用词对这种结构特征加以描述，只能将其描述为“移动更猛”、“运动更剧烈”等等。由于学生对微观信息的理解和表达存在困难，影响了他们对图形中宏微符表征形式的意义联结，也影响了他们数形义信息的整合效果。

3.4.3 “宏微符”表征思维水平与“数形义”要素理解水平相互制约

化学图形中“宏微符”表征形式代表的是图形中各种信息的类别，“数形义”则是图形中各种信息不同的呈现方式，可见“宏微符”表征形式与“数形义”要素往往是统一的，相互联结的，如图形1中三种状态下灯泡亮度差异的宏观现象与离子化合物的微观结构差异均以“形”的方式来呈现。学生对宏微符表征形式的意义获取和联结通常会表现为对各种数形义信息的加工处理。从研究结果可以看出，各图的“宏微符”表征思维的平均水平与“数形义”要素理解的平均水平值均有很大程度的关联，当学生在“数形义”要素信息的理解和整合上出现问题，他们相应地会表现为“宏微符”联结上的困难。应该说，“数形义”是图形构成的显性要素，是学生观察图形时能直接感知和理解图形的契机。在测试过程中，我们发现学生并不能很好地利用图形中有关“数形义”各种要素，对“数形义”信息的取舍较为随意，如图形2中被试就忽略了对微观层面的“形”的信息分析。此外，学生对“数形义”信息的有效整合不够，尤其以形-义的联结与整合最为明显。学生对“数形义”要素信息的处理不当，直接导致了学生很难顺利地从宏观、微观和符号三种表征形式上对图形表达的概念、原理或现象进行意义建构。

参考文献：

[1]上海市教委.上海市中学化学课程标准（试行稿）[S].上海：上海教育出版社，2004：63.

[2]刘彩燕.高中化学概念的四重表征教学模式的设计与应用研究[D].广州：华南师范大学硕士学位论文，2009.

3.3 高三学生化学图形中“数形义”要素理解水平分析

关于被试对化学图形中出现的“数形义”等要素的理解水平，也可以按照如下标准定义为三个水平，见表4。

需要说明的是，当图形中仅涉及数形义中的单一要素，如不能准确理解和使用要素的信息则判定为水平1，而只要能对要素传递的信息进行准确描述可判定为水平3。

根据化学图形中“数形义”要素理解水平的标准，对被试有关图形的描述内容加以分析，确定了被试每一张图形中“数形义”要素的理解水平。例如，图1所示的测试材料图形5，如被试错误描述了图形中涉及的物质微观结构模型特征和电离方程式包含的粒子的数量关系等数、形信息，则认为“数形义”理解处于水平1；如未建立两种形式要素之间的关系或关系分析不准确，则判定为水平2；如被试能描述物质的微观结构模型特征和电离方程式包含的粒子的数量关系，并能将两者结合进行对应性说明，则认为被试对该图形中的“数形义”的理解达到水平3。

每一个化学图形中“数形义”理解的平均水平如图4所示。根据图4可知，图形4的平均值最高，达到了3.0，其次为图形2、3，平均值为2.0和2.5，图形5“数形义”要素理解水平值最低，为1.1。通过求取被试六张图形“数形义”理解水平的平均值作为被试化学图形中“数形义”要素理解水平，整体而言，被试“数形义”理解的平均水平一般，所有被试化学图形中“数形义”理解水平的平均值为1.9，达到水平2及以上的人数仅占53%。

3.4 研究结论

3.4.1 高三学生化学图形理解能力整体偏弱

学生在观察图形，获取图形信息，并建立信息的相互联系及其意义时，一般只做简单的图形观察，大致了解图形中呈现的基本信息，然后就习惯性地从已有知识经验出发，调用个人知识库中与图形信息相匹配的目标知识点，从而构建图形的意义。学生对图形中宏观、微观和符号表征形式的信息捕捉以及与数字、形态和文字信息的整合均表现为一种不自觉的行为，只有当他们原有的知识结构中存在上述信息及其联结关系，学生才能顺利地将其对应地描述和分析图形中的相关内容。当学生无法找到目标知识点，或是目标知识点中并没有丰富的宏微符及数形义等具体信息时，他们通常表现为无法确定图形的意义指向，不能很好地辨识和获取宏微符及数形义等信息，造成各种信息的遗漏，在图形描述中往往无法有效整合各种信息，造成了无意义联结的信息堆积现象。

3.4.2 高三学生对化学图形中的微观信息理解水平不高

在本研究测试材料的6个图形中，除了图形4，其他图形均涉及微观表征形式的信息。学生对图形中微观表征形式的信息获取和描述并不理想。他们虽然能从图形中辨识出微观层面的信息，但是很多情况下，不能很好地理解微观结构或过程信息的意义。如图形2中极性键和非极性键中成键原子的电性分布情况是通过色差和分子构型的对称与否来表现的，几乎没有学生能关注到图形中这些微观结构的特征，对于图5中“Al（H2O）6-、Al（H2O）2（OH）3”三者的八面体空间构型，很少有学生提及或尝试描述其特征，并从中获得对物质转化过程的解释。与此同时，学生并未掌握对微观信息进行分析和加以描述的思维方法和技巧，如图形1中熔融状态和水溶液状态下微观结构的差异是显而易见的，学生不难发现，但是他们却很难找到恰当的用词对这种结构特征加以描述，只能将其描述为“移动更猛”、“运动更剧烈”等等。由于学生对微观信息的理解和表达存在困难，影响了他们对图形中宏微符表征形式的意义联结，也影响了他们数形义信息的整合效果。

3.4.3 “宏微符”表征思维水平与“数形义”要素理解水平相互制约

化学图形中“宏微符”表征形式代表的是图形中各种信息的类别，“数形义”则是图形中各种信息不同的呈现方式，可见“宏微符”表征形式与“数形义”要素往往是统一的，相互联结的，如图形1中三种状态下灯泡亮度差异的宏观现象与离子化合物的微观结构差异均以“形”的方式来呈现。学生对宏微符表征形式的意义获取和联结通常会表现为对各种数形义信息的加工处理。从研究结果可以看出，各图的“宏微符”表征思维的平均水平与“数形义”要素理解的平均水平值均有很大程度的关联，当学生在“数形义”要素信息的理解和整合上出现问题，他们相应地会表现为“宏微符”联结上的困难。应该说，“数形义”是图形构成的显性要素，是学生观察图形时能直接感知和理解图形的契机。在测试过程中，我们发现学生并不能很好地利用图形中有关“数形义”各种要素，对“数形义”信息的取舍较为随意，如图形2中被试就忽略了对微观层面的“形”的信息分析。此外，学生对“数形义”信息的有效整合不够，尤其以形-义的联结与整合最为明显。学生对“数形义”要素信息的处理不当，直接导致了学生很难顺利地从宏观、微观和符号三种表征形式上对图形表达的概念、原理或现象进行意义建构。

参考文献：

[1]上海市教委.上海市中学化学课程标准（试行稿）[S].上海：上海教育出版社，2004：63.

[2]刘彩燕.高中化学概念的四重表征教学模式的设计与应用研究[D].广州：华南师范大学硕士学位论文，2009.