“三重表征”能力培养的瓶颈及其突破

吴晗清，高慧

（1.首都师范大学教师教育学院，北京100037；2.首都师范大学化学教育研究所，北京100048）

教学实践表明，学生在化学学习的起始阶段，往往兴致勃勃，主要是由于化学实验的丰富多彩；然而到了学习物质的量的时候，众多的符号、化学反应方程式等，尤其是微观领域的概念，让学生望而生畏，从而学习兴趣大大减退。由此导致化学学习中的宏观现象与微观本质脱节，学生虽然能记住相关化学概念的定义，然而并不理解概念的实质，不理解化学符号的含义。更有甚者，认为化学是理科中的文科，像背诵英语单词一样记忆化学符号或实验现象。化学符号之所以难记难背、难以理解，究其原因，就是没有将化学反应宏观现象、微观本质与化学符号建立对应的正确的联系，“宏观—微观—符号”三重表征能力缺失，学生在三者之间无法进行有效的转译。

一、三重表征的相关研究

1.三重表征概念的提出

1982年苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心的斯通（John Stone）教授首先提出三重表征的概念，他认为化学学习存在三种水平：（1）描述的和功能的（descriptive and functional）；（2）表征的（represen⁃tational）；（3）解释说明的（explanatory）。[1]1991年他又把最初的三种水平进行了修正，改称为宏观、微观、符号，认为化学学习要从这三种水平上来进行。首先是宏观水平，它是用来描述可观察的现象的（如溶解、发光、沉淀现象等）；其次是微观水平，它是用来描述微粒及其相互作用；再次是符号水平，它是根据化学式和化学方程式来表征化学物质与反应的，这样从化学学科的特点出发，更全面更准确地概括了化学学习的三种水平。

2.国内关于化学三重表征的研究

国内对三重表征的研究相对较晚，有研究者基于化学学科的特质分析并结合认知心理学的研究，界定了化学“宏观—微观—符号”三重表征的内涵和关系，认为宏观表征是指物质在变化过程中表现出来的、可以直接感知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字母组成的符号和图形符号在学习者头脑中的反映。[2]基于上述观点，研究发现学生难以将宏观表征和微观表征相联系起来，造成知识链的脱节；中学生对符号表征的比较模糊，宏观表征与微观表征的转换存在障碍；任何一种表征出现问题都会不同程度上影响学生三重表征的水平与能力。[3]

而造成上述常见状况的原因在于，化学教师对于物质微观结构的教学手段较为单一，多数是单纯地通过黑板图示来演示微观粒子的结构和运动规律；学生学习微观表征的方法比较有限；化学教材中知识表征的表示方式不同，影响学生对知识的理解程度；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，等等。

综上所述，基于化学学科的学科特点，研究者普遍认可培养学生以“宏观—微观—符号”三重表征的角度看待化学问题，并认为三重表征是相互有机联系的，培养学生三重表征转化能力也是培养学生化学学科能力的关键。但由于教师教学方式、学生学习能力、教材表征方式等因素造成学生无法独自建立三重表征能力，导致“宏观—微观—符号”相互转化的能力十分薄弱。另外在研究方法上，已有研究多采用问卷调查法及访谈法，对照法进行相应研究。已有研究的不足之处主要体现在：研究较为笼统，没有将所谓的“宏观现象”进一步解构，导致对此蜻蜓点水、不求甚解，从而导致对于如何有效地培养这一能力，依然需要进一步深入的研究。

二、学生化学三重表征能力的测查

本研究对北京市普通中学的高二学生进行了有关化学反应的三重表征能力测查，发放测试卷210份，回收有效测试卷196份，有效率为93.3%。正如上文所述，已有研究没有对具体的“宏观”内涵进行解构。本研究拟将“宏观”解构为颜色、状态、气味、声音、能量（外显表现为是否发光、温度变化、电流计是否偏转）、速率（外显表现为颜色变化、气泡产生、生成沉淀等的快慢）等六个维度。从而考查学生对六个维度的掌握程度，以及相关的“微观”及“符号”表征的能力。

1.微观与符号：大部分学生能较好地利用符号来表征微观世界

在微观与符号维度，学生不能很好地对溶液体系的微观粒子进行分析。比如考查学生写出水的电离化学方程式并用微观示意图表示反应过程。有67.9%的学生有化学反应中断键成键的意识；但有14.2%的学生无法正确地分析水中的微观粒子，认为水中存在氢离子和氧离子，电解时他们各自得失电子生成氢气和氧气；有60.7%的学生能较好地用微观示意图表示水的电解，多采用比例模型进行解释。对水的电解这样一个熟悉的反应，虽有一定的学习基础，但是学生并未能够很好地认识到化学反应的本质，并对溶液体系中离子组成的分析存在一定知识性问题。

进一步考查溶液中的离子活动，比如分析CH3COONa溶液为什么pH＞7时，约有30%学生认为是由于氢氧化钠的碱性强而醋酸酸性弱，导致溶液呈碱性，没有考虑到水的电离平衡以及水解维度。只从字面上机械记忆：谁强显谁性，却难以分析出盐类电离出来的阴阳离子影响了水的电离平衡，从而导致溶液的酸碱性。通过关于微观与符号维度的研究，我们发现，学生无法将反应的微观本质与化学符号、化学方程式很好地建立转化关系。虽然学生能理解符号的意义，但对符号表征的微观世界无清晰的认识。并且学生对微观粒子的认识局限在原子要用圆球来表示的程度，对分子原子无丰富的认识。

2.宏观与微观：大部分学生认为两者之间存在鸿沟，缺乏二者相互联系的能力，并且对物质性质与内部结构的认识是割裂的

（1）颜色方面。学生在回答测试题“同样是铁元素为什么含二价铁离子溶液呈浅绿色，含三价铁离子的溶液呈棕黄色”的时候，仅有17.9%的学生能回答出与离子的电子层结构有关，其中仅有10.7%的学生能回答出颜色与离子吸收光的程度有关。有高达82.1%的学生表示是常识，从没考虑过这个问题，甚至有的学生直接反问“1加1为什么等于2”，这充分说明了学生认为化学物质有颜色是理所当然，而未从微观的角度考虑过内在的原因。在考查影响物质颜色的因素时，仅有一名学生考虑到物质的状态，如氧气与液氧，两者虽为同一物质但状态不同导致颜色各异。进一步考查状态的影响因素时，大部分学生能认识到物质状态与分子间距有关，但没有一人能回答出状态与晶体类型有关。

（2）气味方面。学生在回答“为什么会闻到化学药品的气味”时，有67.9%的学生能以案例的方式回答，如易挥发性的醋酸、氨水、盐酸等。其要点都在于分子的不断运动，却没有学生回答出闻到气味也是化学物质与受体细胞的一种微观反应。

（3）声音方面。在回答“某些化学反应过程中为什么出现声音”时，大部分学生能举出实例，集中为钠与水反应的“嘶嘶”声及氢气验纯的爆鸣声，他们从气体产生的角度对化学反应的声音进行解释。但仅有46.4%的学生能够从较为微观的角度解释，这部分学生中的一少半还能从能量角度进行考虑，表明学生极少从微观的角度来考量声音这一宏观的体验。

（4）化学反应速率方面。学生能够从气泡产生、沉淀生成的快慢等宏观现象判断化学反应进行的快慢。但仅有49%的学生在追问下回答化学反应快慢与微粒单位时间内有效碰撞有关。如解释“对反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g），△H=-92.4kJ/mol来说，增加氢气浓度或升温会加快反应速率”时，绝大多数学生错误地认为是平衡移动影响了反应速率，分不清化学动力学问题与热力学问题。极少数的学生提到了浓度增加导致反应混合物之间接触更充分从而速率加快，但却没有学生明确指出是有效碰撞概率增加导致化学反应速率加快。

（5）能量方面。学生知道化学反应能量有多种形式，包括光能、电能、热能等形式，化学反应能量与化学反应成键与断键有关。但在分析“为什么同一个反应方程式如2H2+O2=2H2O，既可以产生光能、热能，还可以作为氢氧燃料电池产生电能”时，有46.4%的学生答出是由于反应条件的不同导致物质转化相同但能量转化却不同。但只有一名学生对反应条件进行了详细论述，认为投料比例、催化剂及反应物物态都会影响能量的转化。没有任何人提到反应发生的装置问题，表明学生没有从微观的角度去理解原电池的原理。

综上所述，在宏观与微观维度，学生对于化学反应的现象变化如颜色、状态、气味、声音等问题熟视无睹、习以为常，大多当作常识性知识来死记硬背的，没考虑过这些宏观现象背后的微观原因，没有很好地建立起物质结构决定性质的这一观念，从而宏观与微观之间的有机联系被生硬割裂。而对于化学反应速率部分，大部分学生无法分清动力学问题与热力学问题，将二者混为一谈，关键的一点是没将微观粒子有效碰撞与宏观上我们观测到的速率变化建立联系。

3.宏观与符号：绝大部分学生难以用符号来表征宏观现象的数量关系

在宏观与符号维度，学生能很好地掌握一些宏观物质及其对应的化学符号、反应方程式等。经过访谈，学生普遍表示没什么捷径，基本都是背诵下来的。而对于定量关系方面的考查，我们发现学生会根据化学计量数，能够进行相关问题的简单计算，他们往往按照教师强调的解题程序，知其然而不知其所以然。如向氯化铝溶液中滴加氢氧化钠溶液，考查学生是否掌握这一反应。发现绝大部分学生能写出两者反应生成氢氧化铝沉淀的方程式，只有少部分学生在没有提示反应物量的情况下，写出了过量的氢氧化钠进一步和前期生成的氢氧化铝沉淀反应。进一步考查量化的反应，即已知溶液中含有0.2mol氯化铝和0.7mol氢氧化钠，发现绝大部分学生束手无策，只有极个别的学生写出了正确的反应方程式：2AlCl3+7NaOH=Al(OH)3+NaAlO2+6NaCl+2H2O。这充分表明，绝大部分学生难以用符号来表征宏观现象的数量关系。

4.“宏观—微观—符号”三重表征的构架

如上所述，对于化学反应宏观现象我们可以从物质的颜色、状态、气味、声音、能量、速率这几个方面进行微观角度的分析。从调查结果及学生访谈可知，学生对于这些化学现象的微观本质并没有思考过，从而导致他们主要以机械背诵的方式来学习化学。基于此，可以整合构建化学反应的“宏观—微观—符号”三重表征关系（如表1），从而促进学生三重表征的内在一致性认知。

（1）颜色方面。化学物质显色主要与其粒子中电子的分子轨道有关，由于分子轨道之间的能级差较小，可见光照射到分子时，会因能级跃迁而被部分吸收，从而该分子的反射光就是其他未被吸收的单色光的复合色，因而该化学物质就会显色。当有些物质和它反应时，生成了新分子，而新分子的分子轨道能级差较大，不吸收光，发生完全反射，因此就褪色了，如常见的酸性高锰酸钾溶液反应后褪色。

表1 “宏观—微观—符号”三重表征关系

（2）状态方面。物质状态与物质内部结构有着不可分离的关系，包括物质的自身性质。比如晶体类型，分子晶体、离子晶体还是原子晶体，有无氢键；物质的温度、压强等外部条件，对微粒之间的距离及物质状态有着重要影响。

（3）气味方面。分子是不断运动的，我们闻到气味是化学物质与生物感受器作用的结果。嗅觉是由物体发散于空气中的物质微粒作用于鼻腔上的感受细胞而引起的。在鼻腔上鼻道内有嗅上皮，嗅上皮中的嗅细胞，是嗅觉器官的外周感受器。嗅细胞的黏膜表面带有纤毛，可以同有气味的物质相接触。接触后，通过神经传导，将信号传导到大脑，产生嗅觉，比如氯气、氨气等的刺激性气味。

（4）声音方面。物质发生反应时瞬间体积急剧膨胀或瞬间放出大量能量，可能发生爆炸，会引起容器壁剧烈振动，分子撞击器壁，从而发出爆鸣声，同时在溶液体系中气泡破裂也会发出声音。

（5）能量方面。化学反应中，旧化学键断裂吸收的能量与新化学键生成放出的能量之间存在能量差，从而有能量的转化。而能量具体转化形式与反应条件、发生装置以及反应的剧烈程度有关。比如正是由于发明了原电池装置，才能顺利地将化学能转化为电能，为人类社会进步做出重要贡献。

（6）速率方面。化学反应速率往往可以通过观察宏观现象（颜色变化、气泡产生、生成沉淀等）变化的快慢来判断。内因与物质自身性质有关，如化学键强弱、氧化性还原性的强弱；外因有温度、浓度、压强、溶剂化效应、有无催化剂等。从微观上讲，反应中单位时间内活化因子的有效碰撞的多少决定了化学反应的快慢。

三、三重表征能力建构的教学建议

通过上述的调查分析，我们可以看出学生在化学反应的三重表征能力方面存在较为严重的问题。比如无法从多个角度看待化学反应与现象，从而导致了很多知识性的问题与迷思概念。在化学学习过程中，往往死记硬背化学现象、知识，概念、原理等，而且视其理所当然，没有深入地去理解和分析背后的原因，以致“宏观—微观—符号”三重表征能力欠缺，尤其缺乏对三者之间的内在一致性的认识。为了改变这一现状，可以从以下三个方面入手。

1.结合化学史，挖掘化学符号背后的历史意义

在教学中，我们应充分利用丰富的化学史资源，帮助学生理解符号的由来及含义，培养学生对“符号”本身历史意义的深度认知。从而突出符号的宏观与微观意义，强化微粒作用观的形成，帮助学生理解符号在微观与宏观之间搭建桥梁的重要意义。比如“H2O”这一化学符号，它是什么意义呢？宏观层面，它指的是一种通常状况下无色无味的液体，是生命之源，是人类社会生活不可或缺的重要资源；微观层面，它指的是两个氢原子和一个氧原子通过共价键结合成一个水分子。如果让学生去机械背诵这些，则失去了化学符号本身承载的意义。

通过分析化学史料发现，1803年道尔顿发表了原子学说，他认为自然界存在着不可分割的原子。若两种元素只能形成一种化合物，则在该化合物中只含有每种元素的一个原子，所以水的简写表达式被定为“HO”。1805年盖吕萨克发现，在相同温度、压力下，气体反应中各气体体积互成简单整数比。例如氢气和氧气化合成水蒸气，体积比恰好是2∶1∶2，据此他提出了一个假说，在相同温度和压力下，同体积的不同气体含有原子的数目相同。但是道尔顿坚决反对盖吕萨克的这一假说，因为若成立，那必然会推出半个氧原子存在的结论，即O＋2H→2HO，那么一个水分子的形成就如：1/2O＋H→HO。然而道尔顿的原子论认为简单原子是不可分割的。1811年阿伏伽德罗为了解决这一矛盾，提出了“分子假说”。他认为，无论是单质还是化合物，在原子之上还存在一个分子层次；单质分子由同种原子组成，化合物分子由不同种原子组成；化学反应实质上是不同物质的分子间各原子的重新组合。因为，氢气和氧气的化合就是2个氢分子（包括4个氢原子）和1个氧分子（包括2个氧原子）结合成2个水分子的过程，即2H2＋O2＝2H2O。

我们从历史的角度来挖掘化学符号“H2O”的意义，发现化学符号不是随便提出的，它是基于已有的知识基础和实验数据而确定的。另外，沉淀下来的符号一定是目前认识范围内正确的，即要经得起实验的考验。盖吕萨克假说，导致半个原子的存在，而这显然与道尔顿假说的原子不可分矛盾。阿伏伽德罗假说之所以能成为理论，是因为解决了上述矛盾，能成功地解释氢气和氧气化合成水蒸气的过程中三者体积比这一宏观现象。如果在教学中，简化上述历史过程，让学生经历探究，那么学生对化学符合“H2O”的认知就不会停留在表面，而是深度蕴含了原子论、盖吕萨克定律以及分子学说等，合理地通过符号“H2O”构建了无色液体水与氢氧原子微观结合的系统认知。

2.从定量的角度，用符号来精准表征宏观和微观世界

上文的分析表明，绝大部分学生难以用符号来表征宏观现象的数量关系。另有研究也表明，大部分学生对定量仅有表层浅显的认识，没有深度的认知。他们并不清楚定量的重要性，不了解化学现象背后的量的关系，更不清楚量的关系体现了化学反应的本质关系。例如把二氧化硫气体通入澄清的石灰水中，澄清的石灰水变浑浊，此实验可以定性地检验刺激性气味的二氧化硫。但是在实验过程中若继续通入二氧化硫气体，则发现溶液变浑浊后，又由浑浊变为澄清。这是由于二氧化硫与澄清的石灰水反应生成白色沉淀亚硫酸钙，若继续通入二氧化硫则生成的沉淀继续与过量的二氧化硫反应生成易溶于水的亚硫酸氢钙。其实定量的意识在化学学习乃至整个科学研究中的作用都不容忽视，我们应对学生进行针对性的指导，让学生在实验中动手操作、动脑思考，做到手脑并用。

因此，培养学生的三重表征能力，定量的化学实验是重要的切入口。让学生从宏观现象的变化，去探求微观的量变，从而正确地用符号表征，深刻构建宏观与微观的精致化关联，准确把握化学理论与实验现象之间的关系。教材中有许多表述，如果不从量的角度去思考微观层面的原因，学生难以理解。如乙醛与新制的氢氧化铜反应时，氢氧化钠需要过量。为什么呢，由于生成的氧化亚铜在碱性环境中才能稳定存在。就像康德名言所说，“在自然科学的各门分支中，只有那些能以数学表达的分支才是真正的科学”。从这个层面上来说，定量实验是对定性实验的升华，它让学生从表层的宏观现象进入了微观的本质的原理，让量化的化学符号精准地将宏观和微观两个割裂的视域紧密联系起来。

3.培养学生独特的化学眼光：条件反射地以三重表征来认识化学问题

前已述及，学生看待问题时，化学学科特色的眼光还远未形成，也就是说没有入木三分地将宏观现象到微观本质进行持续深入的洞察。要么看到现象，浅尝辄止；要么从化学原理分析，无视现实条件的限制；要么难以用符号正确地表征已知的宏观或微观世界。因此，培养学生一种独特的能力就显得非常重要，即看到一个问题，瞬间就条件反射地从微观、宏观、符号三个视角去深入探讨。当今，信息技术飞速发展，化学理论与技术也是日臻完善，我们紧密结合化学前沿，充分利用模型、图片、多媒体等直观教具，来帮助学生建立宏观与微观的联系。如直接给出最新化学技术“拍摄”出来的分子、原子的“照片”，让学生直观地感知原本看不见的微观粒子。除了直观，培养学生的理性思维也非常重要，这样才能将宏观的辨识与微观的探析深度一致地结合起来。

例如金刚石和石墨。宏观层面上，金刚石是目前地球上最坚硬的物质，于几十亿年前在地下深处高温高压下结晶而成。硬度最大，折射率高、色散性强，所以看起来五彩缤纷。石墨，其名称源于希腊文，原是“用来写”的意思，常用作铅笔芯，质软，有滑腻感，可导电。两种物质风马牛不相及。微观层面上，拉瓦锡等人燃烧金刚石发现得到的竟然是二氧化碳，从而表明它与石墨互为同素异形体。性质的迥异，源自结构的不同。二十世纪初，人们用X射线研究金刚石晶体内原子的存在形式，发现每一个碳原子都与周围的四个碳原子紧密结合，形成一种正四面体的致密结构，碳原子间距离为154pm。而石墨的结晶格架为六边形层状结构，每一层间的距离为340pm，同一网层中碳原子的间距为142pm，具有完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其质软，滑腻感强。化学符号表征方面，金刚石化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，高温下不与浓HF、HCl、HNO3作用。石墨常温下也比较稳定，燃烧时生成二氧化碳或一氧化碳，可与氟直接反应，具有还原性，在高温下可以冶炼金属。通过这样的引导，学生就会以三重表征整合的视野，将复杂的化学问题进行深入系统的思考，从而行成化学学科的核心素养。▲

[1]毕华林.化学学习中“宏观—微观—符号”三重表征的研究[J].化学教育，2005，26（5）：51-54.

[2]梁永平.微粒作用观的科学学习价值及其科学建构[J].化学教育，2003，24（6）：6-10.

[3]吴晗清.化学实验中学生定量概念的建构[J].化学教育，2013，34（7）：70-72.