核心素养导向下“化学反应原理题”四重表征分析——以2016—2019年理综化学试题为例

罗佳蓉，张 莹，朱金苗

(合肥师范学院 化学与化学工程学院，安徽 合肥 230601)

自20世纪80年代约翰斯顿教授首次提出从宏、微、符三种水平来进行化学学习与研究，三重表征理论模式对化学教育影响深远。随着时代和技术的发展，更符合新时代化学教学需求的四重表征应运而生。目前关于四重表征研究的主要特点是其与手持技术相结合，涉及领域主要有：在概念教学方面的应用[1-3]，在“元素化合物”教学中的应用[4-5]。其在“化学反应原理”模块的应用最为广泛突出，黄萍等[6]利用“宏-微-符”三重表征构建“化学反应速率”中微观模型帮助学生理解抽象概念的重要意义；任红艳等[7]基于多重表征模型，通过借助“纸牌游戏”活动进行关于化学平衡专题的教学实践，发现其有利于建构深刻的化学平衡的观念。李宏春[8]基于四重表征理论和化学核心素养设计“影响化学平衡移动因素”教学微课，引导学生掌握化学研究的基本模式。

1 “化学反应原理”试题的四重表征形式

“一核四层四翼”的高考评价体系将“引导教学”纳入核心功能，有利于理顺考试与教学的关系，增强“以考促教”的主动意识[9]。从化学高考试题分析教学，有助于构建完整的化学反应原理知识体系，培养学生思维品质和信息提取加工整合能力。化学反应原理部分的高考题通常以真实问题情境为载体，渗透了“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”的学科核心素养，而设问角度则是从宏观现象、微观机理、符号表征与计算、曲线分析的四重表征所出发。通过对2016—2019这四年的全国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷理综化学中化学反应原理题分析可知:(1)其命题角度通常为“化学反应速率”“化学反应能量变化”和“化学平衡”的综合，出现在全国卷的第27或28题，分值为14或15分，在化学试题中所占比例约为15%，其重要性不言而喻；(2)“化学反应原理”题既考查实验方案设计与比较、物质化学名称、实验现象描述、对物质性质理解应用和总结实验结论等“宏观表征”能力，也考查理论分析和微观探析的“微观表征”能力，还考查方程式和化学用语的书写、公式计算等“符号表征”能力及曲线分析、预测、计算的“曲线表征”能力。“化学反应原理”高考题与四重表征紧密结合是这类试题的显著特点，各表征之间相互联系、互相影响，学生需要具有较强的多重表征思维及其表征转化能力，才能顺利地完成这类题目。

图1 全国卷高考理综“化学反应原理题”四重表征分值分析

从图1可以看出，近几年的全国理综卷“化学反应原理”试题中，每年都会涉及到四重表征能力的全方位考查，其设问顺序大部分由宏观表征向曲线表征过渡，每道小题有不同的侧重点，有的小题考查的不止一种表征能力。其中符号表征所占分值最高，正是因为符号表征是联系其他三个表征的纽带和桥梁。由图2可知，近几年全国卷三套题目中，化学反应原理题每年都有3～4个曲线图，这无疑对学生的曲线趋势分析、从曲线提取数据计算等的“曲线表征”能力提出更高的要求。然而由试题分析可知，单个的表征能力已经远远不能达到高考题目的要求，学生需要综合的四重表征之间的相互转化能力。如从“宏观现象”解释“微观原理”的宏-微转化能力，从“现象描述”到“化学方程式”书写的宏-符转化，从“图像曲线”到“提取数据计算”的曲-符转化，从“图像曲线”到“现象变化微观解释”的曲-符转化等。

图2 全国卷高考理综“化学反应原理题”曲线图数量统计

2 新课标学业质量水平对四重表征能力的需求

学业质量是学生在完成本学科课程学习后的学业成就表现[5]。“化学反应原反应理”模块主要涉及的内容有化学反应中能量变化、化学反应速率与化学反应原理实验探究，笔者运用“四重表征”模式结合新课标学业质量水平的要求对以上几部分内容进行了进阶分析，具体分析如表1：

表1 学业质量水平的四重表征进阶分析

3 对高考试题考查化学核心素养呼应四重表征能力的分析

《普通高中化学课程标准(2017年版)》[10](以下简称“新课标”)在不同层面提出了化学学科五大核心素养，“化学反应原理题”中渗透着“宏观辨识与微观辨析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”的学科素养的同时，也对学生四重表征能力提出更高层次的要求。结合新课标，以下面两个高考题为例，进行四重表征分析：

例1(2019年全国Ⅰ卷第28题)“水煤气变换[CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)]是重要的化工过程，主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。回答下列问题。”具体分析如表2：

表2 例1考查的学科素养水平及四重表征能力

例1以水煤气变化的热力学与动力学分析作为情景素材，从四重表征角度进行设问，核心素养水平等级考查较高，有一定的难度。对于第(1)小题，如果学生清楚反应宏观表征与微观原理间的关系，就能轻易推断出反应物在平衡后物质的量分数越小，其反应程度越大。第(2)小题可利用“化学平衡的三段式”的思维模型计算，如果学生在平时的学习中加强这方面的符号表征练习，此类问题也不会成为难点。第(3)小题中反应历程图像的呈现形式和思维方法对学生来说有一定的挑战性，此时提取信息的能力尤为重要，如果学生有较高的微观和曲线表征能力，则题目只需要关注：①反应前后相对能量的高低，反应前大于反应后，则为放热反应；②根据图中所示最高的能量即可算出反应历程中最大的能垒。第(4)小题难点在于将同一反应不同温度下分压随时间的变化置于同一坐标系中，不易判断出相应温度下所对应的曲线，可见高考对学生的四重表征综合分析能力提出了更高的要求。结合曲线图中的数据和反应速率计算公式，可求得反应速率，而具有较高曲线表征能力的学生则可根据变化量相同的两条曲线属于同一温度下的反应，由此得到正解。

例2(2018年全国Ⅲ卷第28题)“三氯氢硅是制备硅烷、多晶硅的重要原料。回答下列问题：”具体分析如表3：

表3 例2考查的学科素养水平及四重表征能力

例题2基于三氯氢硅设置问题情境，核心素养水平考查既有低级也有高级，对四重表征的综合分析能力要求较低。第(1)小题已知反应物与部分生成物，根据原子守恒可写出化学方程式，第(2)小题根据盖斯定律即可计算出某反应的热效应，这是对学生符号表征能力的考查。第(3)小题综合性较强，对学生多重表征间的转化能力要求较高。只要知道对于吸热反应而言，温度越高其转化率越高，就能较易从两条曲线图中提取出较高温度下的转化率，进而计算出反应平衡常数。对于“提高转化率”“缩短平衡时间”需要采取的措施是对实验方案设计的宏观辨识与微观探析的考查。如果学生有较好的曲线、微观与符号间的转化能力，则最后两空也可逐步推导计算出[11]。

4 对“四重表征”教学模式实施的建议

由以上基于全国卷高考理综化学试题和新课标对“化学反应原理”部分的分析可知，不论在学习新课还是在解题的过程中，“化学反应原理”与“四重表征”密不可分。下面就“四重表征”的教学实施提出几点建议：

4.1 “宏观表征”教学

在化学实验探究中，无论是实验方案设计、实验结果预测、实验现象观察、实验结果的记录，用科学语言描述实验现象，由实验数据得出一定结论等都是宏观表征的体现。教师要引导学生透过这些宏观实验现象思考反应的微观本质，将宏观现象与微观原理有意识地联系起来。

4.2 “微观表征”教学

化学学习的难点就在于微观结构和反应机理太过抽象，难以理解。著名教育家夸美纽斯指出“应该尽可能地把事物本身或替代它的图像放在面前，让学生去看看、摸摸、听听、闻闻等”。并率先提出了教学中的直观性原则。教师可通过直观性语言、模型演示、图片展示、多媒体动画及VR虚拟技术[12]将抽象的微观知识形象地表示出来，从而促进学生对微观表征的理解。

4.3 “符号表征”教学

符号表征的教学是与宏观现象、微观原理密不可分的，教师在引导学生进行了宏观现象观察与微观原理探析后，应及时引导学生进行相应的符号表征，并强调符号表征中的注意事项和易错点。

4.4 “曲线表征”教学

将现代化手持技术运用于化学课堂不失为辅助曲线表征教学的最佳手段，化学实验运用传感器可将一些不明显或难以观测到的实验现象以曲线的形式表征出来。曲线表征可以将实验证据固化，教师应引导学生关注曲线的起点、终点、拐点和趋势及其对应的宏观现象、微观原理和反应化学方程式，在分析曲线的基础上学会预测曲线趋势，加强四重表征之间的相互渗透。

综上所述，在化学教学过程中，培养学生的四重表征思维是非常有必要的。将以提高学生核心素养为目的的“四重表征”融入实际教学，利用学习过程中实时产生的实验现象、数量关系、曲线数据，让学生在复杂的情境中发展学科思维方法、化学观念等学科素养。四重表征教学模式也为学生自主学习提供了一个有效思路，有利于学生进行知识间的迁移，从而实现深度学习。四重表征与核心素养的深度融合能最大程度地发展学生的核心素养，教师应该以“四重表征”的联系和转化为支点，尽可能多地给学生创造运用多重表征的机会，突显学科思维，培养学生学科核心素养和关键能力，落实“立德树人”的教育目标。