三重表征视野下“金属晶体”内容分析与教学过程设计

兰祥春+高成

摘要：化学三重表征是指人们依靠化学宏观物质世界为媒介来呈现可感知的宏观化学知识；依靠现代科学技术手段所展现出的模拟景象为媒介来呈现需想象的微观化学知识；以化学符号语言来呈现化学科学知识的三种知识替代形式。化学三重表征应用于化学教学有利于学生真正认清化学学科本质；给化学教学变革带来了新的视角；是学生学好化学的重要突破口三方面的价值。文章以“金属晶体”为例进行了三重表征的教学设计。

关键词：三重表征；金属晶体；内容分析；教学过程设计

文章编号：1008-0546（2016）12-0070-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.12.024

19世纪末，英国约翰斯顿教授（A.H.Johnstone）对学生学习化学为什么感到困难这一问题进行了思考，并提出化学三重表征理论的最初形式。此后，众多化学教育研究者对化学三重表征理论进行研究，使其得以发展，并成为化学教育研究的理论基础。对学生来说，在化学学习过程中发展化学三重表征思维，有利于帮助学生更好地理解化学学科本质。对教师来说，以促进学生发展化学三重表征思维为教学目标，为学生创设体验化学三重表征的学习情境是其面临的当代化学教育的挑战。鉴于此，本文以化学三重表征为视野，对金属晶体这一节进行内容分析与教学过程设计。

一、化学三重表征内涵及其对化学教学的价值

1. 化学三重表征内涵

众所周知，宏观、微观及符号三种水平的知识构成了化学的知识系统。宏观水平知识指向人们能凭知觉感知到的现象所形成的知识世界；微观水平知识指向“原子及其衍生物，如：离子、分子所形成的世界，这是一个不可见的世界，只能凭想象来进行理解”[1]。符号水平知识指向用来帮助人们交流的符号所构成的化学语言知识世界。因“表征是一种经反映而被构造出来的、作为认知对象的替代物而存在的在思维中被加工的形式”[2]，故化学不同水平的知识具有不同的呈现形式，对应起来则有宏观表征、微观表征及符号表征三种表征形式。据上述分析，我们认为化学三重表征即为人们依靠化学宏观物质世界为媒介来呈现可感知的宏观化学知识；依靠现代科学技术手段所展现出的模拟景象为媒介来呈现需想象的微观化学知识；以化学符号语言来呈现化学科学知识的三种知识替代形式。

2. 化学三重表征对化学教学的价值

“化学的三重表征思维方式体现了化学科学的特点和化学科学独特的魅力，它具有较强的可迁移性和强大的解释力量”[3]。首先，化学三重表征利于学生真正认清化学学科本质，即化学是研究物质在宏观、微观、符号三重世界及其变化关系的一门学科。其次，化学三重表征给化学教学变革带来了新的视角，要求化学教师必须以化学三重表征的思维方式来开展化学教学工作。传统化学教学往往重视符号表征为代表的知识点的讲解，缺乏将宏观、微观、符号表征相联系的视野来进行化学教学设计。最后，化学三重表征是学生学好化学的重要突破口。化学学习不能只停留在代表最终化学研究结果的符号表征上，而应通过体验宏观表征的化学，理解微观表征的化学，再进而能用符号来表征所谓的宏观与微观的化学。学生只有能够以宏观、微观、符号三重表征来认识化学，才能保证真正掌握所学化学知识。

二、化学三重表征视野下“金属晶体”内容分析

人教版化学选修3《物质结构与性质》第三章第三节“金属晶体”主要介绍了金属键及金属晶体原子堆积模型的相关内容。从化学三重表征视野下对其进行分析，“金属晶体”这节内容包含了以金属晶体所呈现出来的系列物理性质为代表的宏观水平知识；以模拟金属原子堆积方式所呈现出来的金属晶体微观结构为代表的微观水平知识；以为简化金属晶体微观结构而抽象出来的晶胞符号为代表的符号水平知识这三类知识。学生接受不同水平知识的难易程度不同，即“学生宏观表征较好，但微观表征、符号表征薄弱，并难以在不同表征间建立有效联系[4]。”具体来说，学生对金属的宏观表征，如金属通常具有导热性、延展性、导电性等性质易接受，但对模拟金属晶体的空间堆积方式等抽象微观表征则难以深刻理解，对模拟的堆积模型与抽象出的晶胞符号难以联系，在面对利用金属晶体的微观结构来解释宏观性质的问题时亦显得十分困惑。

鉴于以上内容特点，有学者认为“利用可视化技术可以将抽象的知识转变成为易于被人们接受认知的图形图像，有助于促进知识传播和理解”[5]。尽管多数教师在处理这节内容时，利用可视化技术手段减小微观表征的学习难度，但却将宏观、微观、符号三种水平的知识孤立地进行讲解。而“真实的化学学习不会仅仅停留在宏观表征、微观表征、符号表征这些单一的层面，往往需要学习者在不同表征之间进行转换”[6]，故教师对教材内容进行深度挖掘，为学生创造利于三重表征思维发展的学习情境，实现学生形成化学三重表征思维方式的教学目标，是“金属晶体”这一节内容学习的关键所在。

三、三重表征视野下“金属晶体”教学过程设计

“金属晶体”这节内容我们的设计思路总体来说按介绍金属典型的宏观物理性质，到探究金属晶体微观结构的4种基本堆积模型，再到利用晶体的微观结构解释其宏观性质进行设计。教师在进行教学时可将其划为两个课时完成，第一课时可完成金属宏观物理性质及模拟金属晶体微观结构的学习，第二课时则继续深入学习4种基本堆积模型的配位数及空间利用率知识，掌握从微观粒子视角来理解宏观物质性质的真正本质。为了体现设计思路的连贯性，笔者将两课时的教学过程设计从教学过程大的环节进行拆分，主要从教师活动、学生活动及设计意图进行分析，具体情况如下：

1. 宏观表征、微观表征、符号表征学习阶段（第一课时）

（1）宏观表征学习阶段

教师：用ppt向学生展示常见的不同形状、不同原料的金属器件。

学生：集中注意力关注展示内容。

设计意图：从学生熟悉的宏观物质入手，引导学生归纳出金属共同的宏观物理性质，如（导电性、导热性及延展性等）。选择具有代表性的宏观性质为宏微观相联系的学习作铺垫。

教师：为什么金属晶体具有以上共同的物理性质，而分子晶体及原子晶体没有？它们的结构有什么差异？

学生：积极思考问题，出现疑惑，并总结概括。

设计意图：通过提问的方式引导学生思考问题，让学生初步有物质的宏观性质与微观结构相联系的意识，明确通过微观结构来解释宏观性质的学习目标。

（2）微观表征及符号表征学习阶段

① 探讨平面堆积环节

教师：将乒乓球在桌面上进行一层紧密堆积。

学生：动手堆积。

教师：提醒学生利用事先准备好的纸板将乒乓球固定住，不让其随处移动。堆积好后再观察堆积方式的原子配位数及形成的空隙如何？

学生：分两组合作完成不同的堆积方式，并观察、讨论、回答问题。

教师：用ppt进行展示如下：

设计意图：可视化展现不可见微观粒子的有序排列，让学生初步观察金属晶体的微观结构，为后续金属原子微观结构的三维堆积做铺垫。

②探讨简单立方及体心立方堆积方式及晶胞抽取环节

教师：在非密置层堆积基础上，第二层如何堆积？第三层又如何？

学生：用纸板在桌面上围成方形后将第一层乒乓球按非密置层堆积方式固定住。第二层的第一种堆积方式是采用同颜色的乒乓球进行球对球堆积；第二层的另一种堆积则按球对空隙的方式采用不同颜色球进行堆积，第三则重复一层。（在老师引导下完成）

教师：如何划取晶胞？

学生：观察两种堆积方式的最小重复单元。

教师：用ppt展示如下堆积过程及晶胞抽象过程，具体如下（简单立方堆积：第一层为非密置层堆积，第二层球对球重复第一层，故选取两层观察最小重复单元，划取简单立方晶胞；体心立方堆积：第一层仍为非密置层堆积，第二层填充第一层空隙，第三层堆积则与第一层堆积重复，故选取三层来观察最小重复单元，划取体心立方晶胞）

设计意图：利用乒乓球模拟金属原子的堆积方式，能将晶体的微观结构可视化表征出来，从而帮助学生深刻理解金属晶体的微观结构，有效降低学习难度。而由微观结构划取晶胞内容，学生将体验如何由微观表征抽象符号表征的过程，将微观表征与符号表征联系起来进行深刻理解。

③探讨六方最密堆积方式及晶胞抽取环节

教师：在密置层堆积基础上，第二层及第三层又将如何堆积？提醒学生在堆积时应满足紧密堆积（即将沿空隙进行堆积）。

学生：用纸板在桌面上围成正方形后将第一层乒乓球按密置层堆积方式固定住，在用不同颜色的球按球对空隙进行第二层堆积。再讨论第三层堆积。

教师：用ppt展示堆积方式（选择密置层一部分为研究对象，观察密置层堆积及空隙特点后，给空隙编号（左一），第二层占据第一层的1、3、5号空隙再给出第一层与第二层的球棍模型俯视图，第三层与第一层相互重叠，随后用A表示第一层B表示第二层，将其在空间中按ABAB依次拓展）。

教师：该堆积方式的重复单元如何？如何划取晶胞？

学生：根据堆积方式观察重复单元。

教师：用ppt展示晶胞抽取过程（展示重复单元六棱柱，再展示其六棱柱球棍模型）。

教师：从六棱柱的球棍模型中还能划取出重复单元吗？

学生：认真观察六棱柱球棍模型结构。

教师：用ppt展示从六棱柱球棍模型中划取的重复单元即六方最密堆积的晶胞符号。

设计意图：该环节中微观表征及符号表征的教学难度较大。在微观表征教学时，教师需要“合理使用微观模型，增强微观世界的可视化，就相当于为学生提供可以观看微观世界的“眼睛”，使微观过程直观化、抽象过程形象化”[7]。在符号表征教学时，教师需借助多媒体将模拟微观结构到晶胞抽取，即由微观表征到符号表征转化的思路清晰地向学生展现出来，让学生能体验到教师是如何在微观表征与符号表征之间实现转化的多重表征思维方式。加深学生头脑里微观表征与符号表征的融合程度。

④探讨面心立方最密堆积方式及晶胞抽取环节

教师：在密置层基础上还有其他的堆积方式吗？

学生：认真思考问题，并尝试堆积。

教师：用ppt展示堆积过程（前两层与六方最密堆积方式相同，第三层则将球依次对准第一层所形成的2、4、6号空隙，第四层与第一层堆积相重合，其中一、二、三层分别用A、B、C表示，第四层及以后依次重复）。

教师：如何划取晶胞？

学生：认真思考。

教师：用ppt展示较完整堆积过程（一层如图1所示，二、三层模型如图2所示，二层堆积在一层上，均占据图1中顶角向左的空隙，如图3所示，三层则在二层之上，均占据一层顶角向右的空隙，如图4所示，第四层重复第一层）

学生：用事先准备好的实物乒乓球如图1、2、3所示（用双面胶粘贴好，再用彩色笔将乒乓球涂成不同颜色）进行实物堆积。

教师：用事先准备好的实物道具演示该堆积方式及晶胞抽取过程，再引导学生动手演练晶胞抽取过程，最后再用ppt展示过程和晶胞的比例及球棍模型。

设计意图：为降低学生理解该种微观结构的堆积方式及晶胞抽取过程的难度，教师不仅需要借助多媒体及实物展示将微观表征及符号表征呈现出来，更需要按照学生深刻理解微观结构的微观表征之后，再过度到符号表征这一思路主线进行教学过程设计。因“微观表征既有助于分析与理解宏观现象，更有利于符号表征的提炼与符号含义的理解”[8]，故该教学过程按照多媒体展示及学生动手演练进行设计，将帮助学生深刻理解微观表征及符号表征，为学生建立微观表征与符号表征的有效联系提供保障。

2. 问题解决与知识迁移应用阶段：加深宏观、微观、符号三重表征有机融合（第二课时）

（1）微观表征与符号表征有机融合阶段

教师：我们学习了四种堆积方式，其对应的原子配位数分别为多少？你如何思考？

学生：认真思考并讨论

教师：用ppt向学生逐个演示，即选择微观结构的堆积方式进行分析。四种堆积方式都从一层堆积中选定一球为中心开始观察最近球的个数，再到观察上层与下层最近球的个数。从而得出以上四种堆积方式的配位数依次分别为6、8、12、12。

教师：各种堆积方式的空间利用率如何？

学生：认真思考空间利用率的计算方法

教师：教师用ppt向学生逐个演示，选择晶胞比例模型来分析球半径与晶胞边长的关系，从而得出四种晶胞类型的空间利用率分别为52%、68%、74%、74%。

教师：配位数与空间利用率有何联系？

学生：认真思考两者的联系

教师：配位数及空间利用率均揭示微观结构堆积方式的紧密程度，配位数从定性方面理解，选择微观表征为分析对象，空间利用率则是定量理解，选择晶胞符号表征为分析对象。

设计意图：将配位数与空间利用率联系起来设计有助于加深学生对微观表征及符号表征的理解及相互融合。首先，配位数的分析过程将重现金属晶体结构的微观表征，促进学生对微观表征的深刻理解。其次，空间利用率的分析过程将促进学生对抽取的晶胞符号表征的深刻理解。最后，分析配位数与空间利用率联系的过程，将促进学生在微观表征及符号表征之间进行转换，加深两者的融合程度。

（2）微观表征与宏观表征有机融合阶段

教师：堆积过程中我们发现需要用外力才能将乒乓球聚集起来，巨大数目的金属原子是靠什么力聚集起来的？

学生：认真思考问题并讨论

教师： 金属原子是靠金属键聚集起来的，金属键指的是金属离子与电子之间的强相互作用，这种作用是没有方向性及饱和性的，这就使得金属原子尽可能有序紧密地排列起来，到达力平衡的状态，金属键亦可帮助我们解释金属某些宏观性质。

教师：为什么金属晶体具有许多共同的物理性质，而分子晶体及原子晶体没有？

学生：认真思考问题并讨论

教师：金属晶体由金属离子及电子构成，金属离子按一定的堆积方式一层一层堆积起来，其脱落下来的电子则遍布于整个金属离子形成的空隙中及周围，故金属晶体具有许多共同的物理性质。而分子晶体及原子晶体不具备自由移动的电子，其结构与金属晶体也不同，故不具这些共同物理性质。（用ppt展示模拟图像）

教师：学了金属晶体的微观结构，你如何解释金属的导电性、导热性及延展性等物理性质？

学生：通过相互讨论及阅读教材信息进行思考

教师：金属导电的原因主要是金属晶体中有大量可自由移动的电子，在外加电场下定向移动形成电流；金属导热的原因主要是大量可自由移动的电子与金属离子之间相互碰撞，迅速进行着热交换，从而使整个金属很快达到相同的温度；金属具有延展性需两方面进行解释，一是金属晶体的结构，金属晶体是金属原子按照一定方式一层一层堆积而成的，在受到外力时，每一层可发生相对滑动；二是金属键，金属晶体在发生相对滑动后，晶体内部金属离子与电子之间的强相互作用并没有被破坏，即金属键仍然存在，故金属晶体受到外力可发生形变，但仍可被金属键聚集在一起，所以金属晶体具有良好的延展性。（用ppt展示模拟图像）

设计意图：这一环节通过设计问题链为学生创造利用微观理论解释宏观现象的学习情境。利用金属微观结构解释其宏观性质，能帮助学生更好地理解化学学科本质。在熟悉的宏观现象基础上，利用微观理论探讨其背后的原因，是更深层次的思维转换过程。该环节能帮助学生有效地在宏观表征与微观表征之间建立联系，促进学生化学三重表征思维方式的形成，从而实现有意义的学习。

参考文献

[1] J. K. Gilbert， D. F. Treagust. Multiple Representations in Chemical Education[M]. New York： Springer， 2009： 1-12

[2] 刘西瑞.表征的基础[J].厦门大学学报（哲学社会科学版），2005（5）：25-31

[3] 毕华林，万延岚.化学的魅力与化学教育的挑战[J].化学教学，2015（5）：3-7

[4] 毕华林，黄婕，开英丽.化学学习中“宏观-微观-符号”三重表征的研究[J].化学教育，2005（5）：51-54

[5] 赵慧臣.知识可视化视觉表征研究综述[J].远程教育杂志，2010（1）：75-80

[6] 李玲，李广洲.三重表征视域下的化学学习研究考查[J].化学教育，2015（21）：7-11

[7] 张丙香，毕华林.化学三重表征的含义及其教学策略[J].中国教育学刊，2013（2）：73-76

[8] 吴庆生.化学微观表征的方法与教学策略[J].化学教育，2015（19）：41-44